專利名稱：低壓軌至軌運算放大電路的制作方法
技術領域：
低壓軌至軌運算放大電路技術領域[0001]本實用新型屬于無線通信領域，涉及一種低壓軌至軌運算放大電路，主要應用 于室內無繩電話、蜂窩式移動電話、個人數字助理、便攜式音響系統、電池監測系統、 以電池供電的便攜式電子設備等。技術背景[0002]近幾年來移動電話，個人數字助理，便攜式電子測量儀器等以電池供電的電子 產品得到廣泛的使用，迫切要求我們采用低電壓、低功耗的電路來減少電池個數，延長 電池使用時間。我們知道一個電路系統的總功耗近似等于電容充放電引起的開關功耗 NCeqV2dd,靜態電流功耗IddVdd和瞬間短路電流功耗IshOTtVDD之和，可以知道電路的功耗 直接和電源電壓成正比，因此只有降低電源電壓才能大幅度的降低電路的功耗。盡管降 低電源電壓可能造成電路頻帶寬度和電壓擺幅一定程度的減少，但這一點可以通過電路 優化設計克服。降低電源電壓帶來的另一個好處是減少了電路正常工作所需電池個數， 也就減小了電子產品的體積，使它們更便于攜帶。此外降低電源電壓也使晶體管所承受 的耐壓降低，增加了電路的穩定性。然而我們知道一個電子產品總包括模擬電路部分和 數字電路部分，數字電路的工作電壓要求低，功耗較小，而模擬電路對電源電壓的要求 比數字電路高，功耗也比數字電路大。因此為了降低電路的功耗，實現模擬和數字電路 都能工作在低電壓下就很有必要設計出適應低電壓的模擬電路。發明內容[0003]本實用新型的目的是為了克服已有技術的不足之處，提出一種低壓軌至軌運算 放大電路。[0004]本實用新型包括三個電阻、三個電容、19個P型MOS管和17個N型MOS管，具體是[0005]第一 P型MOS管P1的漏極與偏置電阻R1的一端連接，第一 N型MOS管N1的 源極和柵極以及第四N型MOS管N4的柵極與第二 P型MOS管I52的漏極連接，第三P 型MOS管P3的柵極和漏極與分壓電阻R2的一端連接；第四P型MOS管I54的漏極和柵 極以及第五P型MOS管P5的柵極與第三P型MOS管P3的源極連接，第四N型MOS管 N4的源極、第五N型MOS管N5的漏極和第六N型MOS管N6的漏極與分壓電阻R2的另 一端連接；第三N型MOS管N3的柵極和源極、第二 N型MOS管N2的柵極、第五N型 MOS管N5的柵極和第六P型MOS管P6的源極連接，第五P型MOS管P5的漏極、第六 P型MOS管P6的漏極、第六N型MOS管N6的柵極和第七P型MOS管P7的源極連接， 第六P型MOS管P6的柵極與差分信號輸入端的負端Vin-連接，第七P型MOS管P7的 柵極與差分信號輸入端的正端Vin+連接；第二 N型MOS管N2的源極、第六N型MOS 管N6的源極、第九P型MOS管P9的源極和第十一 P型MOS管P11的漏極連接；第八P 型MOS管P8的源極、第十P型MOS管Pltl的漏極、第五N型MOS管N5的源極和第八N型MOS管N8的源極連接；第七N型MOS管N7的柵極和源極以及第八N型MOS管 N8的柵極與第七P型MOS管P7的漏極連接，第九N型MOS管N9的柵極和源極以及第 十N型MOS管Nltl的柵極與第八P型MOS管P8的漏極連接；第十N型MOS管Nltl的 源極、第i^一 N型MOS管N11的珊極、第九P型MOS管&的漏極和第十二 P型MOS 管P12的漏極與第二濾波電容C2的一端連接，第十三N型MOS管N13的源極、第十四N 型MOS管N14的源極、十六P型MOS管Pni的漏極、十七P型MOS管P17的漏極以及負 載電容C3的一端和負載電阻R3的一端與第二濾波電容C2的另一端連接，負載電容C3的 另一端和負載電阻R3的另一端接地；第十一 N型MOS管N11的源極、第十三P型MOS 管P13的漏極、第十四P型MOS管P14的珊極和第十八P型MOS管P18的珊極與第一濾 波電容C1的一端連接，第一濾波電容C1的另一端與第十二 P型MOS管P12的源極連接； 第十五P型MOS管P15的漏極和柵極、第十四P型MOS管P14的漏極、第十六P型MOS 管P16的柵極、第十二 N型MOS管N12的源極和第十三N型MOS管N13的珊極連接；第 十五N型MOS管N15的源極和柵極、第十四N型MOS管N14的柵極、第十六N型MOS 管風6的源極、第十七P型MOS管P17的珊極和第十八P型MOS管P18的漏極連接，第 十六N型MOS管N16的珊極和第十七N型MOS管N17的珊極與第十二 N型MOS管N12 的珊極連接，第十七N型MOS管N17的源極與十九P型MOS管P19的漏極連接。[0006]第一 P型MOS管P1的柵極、第二 P型MOS管&的柵極、第十P型MOS管 Pltl的柵極、第十一 P型MOS管P11的柵極、第十三P型MOS管P13的柵極和第十九P型 MOS管P19的柵極連接；第一 P型MOS管P1W源極、第二 P型MOS管I52的源極、第四 P型M0S管 的源極、第五P型MOS管P5的源極、第十P型MOS管Pltl的源極、第 十一 P型MOS管P11的源極、第十三P型MOS管P13的源極、第十四P型MOS管P14的 源極、第十五P型MOS管P15的源極、第十六P型MOS管P16的源極、第十七P型MOS 管P17的源極、第十八P型MOS管Pw的源極、第十九P型MOS管P19的源極和第十二 P 型MOS管P12的襯底接地。[0007]第一 N型MOS管N1的漏極、第二 N型MOS管N2的漏極、第三N型MOS管 N3的漏極、第四N型MOS管N4的漏極、第七N型MOS管N7的漏極、第八N型MOS 管N8的漏極、第九N型MOS管N9的漏極、第十N型MOS管Nltl的漏極、第十一 N型 MOS管N11的漏極、第十二 N型MOS管N12的漏極、第十三N型MOS管N13的漏極、 第十四N型MOS管N14的漏極、第十五N型MOS管N15的漏極、第十六N型MOS管 N16的漏極、第十七N型MOS管N17的漏極、第五N型MOS管N5的襯底、第六N型 MOS管N6的襯底、第八P型MOS管P8的珊極、第九P型MOS管P9的珊極、第十二 P 型MOS管P12的珊極以及偏置電阻R1的另一端均與1.5V電源VDD連接。[0008]本實用新型克服了傳統電壓型運算放大器深受閾值電壓限制的缺點，采用了適 合于低電壓要求的電路單元，在電路結構上進行了改進，從而在常規的CMOS工藝下實 現了低電壓、低功耗的性能。該電路采用電流型跨導器，獲得了 rail-to-rail共模電壓 輸入和良好的頻率響應；增益級采用折疊式共源共柵放大電路，獲得了高電壓增益和高 電源抑制比；輸出級采用兩對反相器的AB類推挽輸出電路，獲得了高驅動能力，具有 rail-to-rail共模電壓輸出和極低的諧波失真。
[0009]圖1為本實用新型的電路圖。
具體實施方式
[0010]如圖1所示，一種低壓軌至軌運算放大電路包括三個電阻、三個電容、19個P型 MOS管和17個N型MOS管，具體是[0011]第一 P型MOS管P1的漏極與偏置電阻R1的一端連接，第一 N型MOS管N1的 源極和柵極以及第四N型MOS管N4的柵極與第二 P型MOS管I52的漏極連接，第三P 型MOS管P3的柵極和漏極與分壓電阻R2的一端連接；第四P型MOS管I54的漏極和柵 極以及第五P型MOS管P5的柵極與第三P型MOS管P3的源極連接，第四N型MOS管 N4的源極、第五N型MOS管N5的漏極和第六N型MOS管N6的漏極與分壓電阻R2的另 一端連接；第三N型MOS管N3的柵極和源極、第二 N型MOS管N2的柵極、第五N型 MOS管N5的柵極和第六P型MOS管P6的源極連接，第五P型MOS管P5的漏極、第六 P型MOS管P6的漏極、第六N型MOS管N6的柵極和第七P型MOS管P7的源極連接， 第六P型MOS管P6的柵極與差分信號輸入端的負端Vin-連接，第七P型MOS管P7的 柵極與差分信號輸入端的正端Vin+連接；第二 N型MOS管N2的源極、第六N型MOS 管N6的源極、第九P型MOS管P9的源極和第十一 P型MOS管P11的漏極連接；第八P 型MOS管P8的源極、第十P型MOS管Pltl的漏極、第五N型MOS管N5的源極和第八 N型MOS管N8的源極連接；第七N型MOS管N7的柵極和源極以及第八N型MOS管 N8的柵極與第七P型MOS管P7的漏極連接，第九N型MOS管N9的柵極和源極以及第 十N型MOS管Nltl的柵極與第八P型MOS管P8的漏極連接；第十N型MOS管Nltl的 源極、第i^一 N型MOS管N11的珊極、第九P型MOS管&的漏極和第十二 P型MOS 管P12的漏極與第二濾波電容C2的一端連接，第十三N型MOS管N13的源極、第十四N 型MOS管N14的源極、十六P型MOS管Pni的漏極、十七P型MOS管P17的漏極以及負 載電容C3的一端和負載電阻R3的一端與第二濾波電容C2的另一端連接，負載電容C3的 另一端和負載電阻R3的另一端接地；第十一 N型MOS管N11的源極、第十三P型MOS 管P13的漏極、第十四P型MOS管P14的珊極和第十八P型MOS管P18的珊極與第一濾 波電容C1的一端連接，第一濾波電容C1的另一端與第十二 P型MOS管P12的源極連接； 第十五P型MOS管P15的漏極和柵極、第十四P型MOS管P14的漏極、第十六P型MOS 管P16的柵極、第十二 N型MOS管N12的源極和第十三N型MOS管N13的珊極連接；第 十五N型MOS管N15的源極和柵極、第十四N型MOS管N14的柵極、第十六N型MOS 管風6的源極、第十七P型MOS管P17的珊極和第十八P型MOS管P18的漏極連接，第 十六N型MOS管N16的珊極和第十七N型MOS管N17的珊極與第十二 N型MOS管N12 的珊極連接，第十七N型MOS管N17的源極與十九P型MOS管P19的漏極連接。[0012]第一 P型MOS管P1的柵極、第二 P型MOS管&的柵極、第十P型MOS管 Pltl的柵極、第十一 P型MOS管P11的柵極、第十三P型MOS管P13的柵極和第十九P型 MOS管P19的柵極連接；第一 P型MOS管P1W源極、第二 P型MOS管I52的源極、第四 P型M0S管 的源極、第五P型MOS管P5的源極、第十P型MOS管Pltl的源極、第 十一 P型MOS管P11的源極、第十三P型MOS管P13的源極、第十四P型MOS管P14的源極、第十五P型MOS管P15的源極、第十六P型MOS管P16的源極、第十七P型MOS 管P17的源極、第十八P型MOS管Pw的源極、第十九P型MOS管P19的源極和第十二 P 型MOS管P12的襯底接地。[0013]第一 N型MOS管N1的漏極、第二 N型MOS管N2的漏極、第三N型MOS管 N3的漏極、第四N型MOS管N4的漏極、第七N型MOS管N7的漏極、第八N型MOS 管N8的漏極、第九N型MOS管N9的漏極、第十N型MOS管Nltl的漏極、第十一 N型 MOS管N11的漏極、第十二 N型MOS管N12的漏極、第十三N型MOS管N13的漏極、 第十四N型MOS管N14的漏極、第十五N型MOS管N15的漏極、第十六N型MOS管 N16的漏極、第十七N型MOS管N17的漏極、第五N型MOS管N5的襯底、第六N型 MOS管N6的襯底、第八P型MOS管P8的珊極、第九P型MOS管P9的珊極、第十二 P 型MOS管P12的珊極以及偏置電阻R1的另一端均與1.5V電源VDD連接。[0014]偏置電阻R1和第一 P型MOS管P^第二 P型MOS管&構成電路的主偏置電 路，主偏置電流設計為5 μ A。第一 N型MOS管N1和第四N型MOS管N4為輸入級正 常工作提供恒定的電流源。輸入級是一個由兩個互相平行的NMOS和PMOS差分對及其 電流源組成的電流型跨導器。第五N型MOS管N5和第六N型MOS管N6組成PMOS差 分對跨導器，第四N型MOS管N4是它的電流源；第六P型MOS管P6和第七P型MOS 管P7組成NMOS差分對跨導器，第五P型MOS管P5是它的電流沉。采用折疊共源的 第九N型MOS管Ν9、第十N型MOS管Ν1(1、第i^一 N型MOS管Nn、第八P型MOS 管P8、第九P型MOS管P9、第十P型MOS管P1(1、第—^一 P型MOS管Pn、第十二 P型 MOS管P12、第十三P型MOS管P13組成運放第二級放大電路實際上是一種跨阻放大器， 它將輸入級產生的電流信號轉變為電壓信號，并進行放大輸出。其中第十一P型MOS管 P11和第十二 P型MOS管P12作為輸入級的偏置電流沉；第八P型MOS管P8、第九P型 MOS管P9、第九N型MOS管N9、第十N型MOS管Nltl構成一種折疊共源共柵電流鏡； 第十一 N型MOS管N11和第十三P型MOS管P13組成共源組態放大電路，第一濾波電容 C1是密勒補償電容，第十二 P型MOS管P12相當于一個電阻，阻值隨著漏源兩端的電壓 而動態地變化，可以消除第一濾波電容C1前向耦合引起的RHP零點效應。第十二 P型 MOS管P12采用MOSFET而不用固定電阻，是為了減小芯片的面積和對相位裕度動態地 調整。該放大器采用的是一種電流折疊電路技術，它把輸入級PMOS差分對的漏端直接 連到共源共柵器件的源極上，使得共模輸入電壓增大，對電源電壓要求降低，同時又具 有共源共柵電路固有的良好特性。電路中第十P型MOS管Pltl和第十一 P型MOS管P11 吸收的電流等于從輸入級差分對第五N型MOS管N5、第六N型MOS管N6或第六P型 MOS管P6、第七P型MOS管P7流入的電流與第八P型MOS管&、第九P型MOS管 P9>第九N型MOS管N9、第十N型MOS管Nltl的電流之和。平衡時，第九P型MOS 管P9的電流等于第十N型MOS管Nltl的電流。假設輸入級的NMOS差分對工作，如果 輸入電壓Vin向正電源方向升高，于是Im+增加ΔΙ，Im-降低ΔΙ，這些變化反映為第八 P型MOS管P8電流增加ΔΙ，第九P型MOS管P9電流減少了 ΔΙ，結果流進第九N型 MOS管N9、第十N型MOS管Nltl漏極的電流是2 Δ I。[0015]第十九P型MOS管Ρ19、第十二 N型MOS管Ν12、第十六N型MOS管Ν16、第 十七N型MOS管N17組成偏置電流源，第十九P型MOS管P19的柵級接運放的主偏置，第十二 N型MOS管N12、第十六N型MOS管N16分別與第十七N型MOS管N17組成電 流鏡。輸入電路是由第十四P型MOS管P14、第十五P型MOS管P15、第十八P型MOS 管P18和第十五N型MOS管N15組成，輸出電路是由兩個反相器第十三N型MOS管N13、 第十六P型MOS管Pni及第十四N型MOS管N14、第十七P型MOS管P17構成，它們的 輸出點接在一起共同作為運放的輸出。由于運放的工作電源為1.5V，MOS器件的閾值電 壓為0.75V左右，因此每一對反相器只有一只MOSFET工作在飽和區(第十六P型MOS 管P16，第十四N型MOS管N14),而另外一只工作在截止區(第十三N型MOS管N13， 第十七P型MOS管P17)。[0016] 該電路采用適合于低電壓的電流型跨導器，折疊共源共柵放大電路和低功耗的 AB類推挽輸出電路等子電路結構，整個電路只由36只MOSFET，三只電容和三只電阻 組成。
權利要求1.低壓軌至軌運算放大電路，包括三個電阻、三個電容、19個P型MOS管和17個 N型MOS管，其特征是第一P型MOS管P1的漏極與偏置電阻R1的一端連接，第一N型MOS管N1的源極和 柵極以及第四N型MOS管N4的柵極與第二 P型MOS管I52的漏極連接，第三P型MOS 管P3的柵極和漏極與分壓電阻R2的一端連接；第四P型MOS管I54的漏極和柵極以及第 五P型MOS管P5的柵極與第三P型MOS管P3的源極連接，第四N型MOS管N4的源 極、第五N型MOS管N5的漏極和第六N型MOS管N6的漏極與分壓電阻R2的另一端連 接；第三N型MOS管N3的柵極和源極、第二 N型MOS管N2的柵極、第五N型MOS 管N5的柵極和第六P型MOS管P6的源極連接，第五P型MOS管P5的漏極、第六P型 MOS管P6的漏極、第六N型MOS管N6的柵極和第七P型MOS管P7的源極連接，第 六P型MOS管P6的柵極與差分信號輸入端的負端Vin-連接，第七P型MOS管P7的柵 極與差分信號輸入端的正端Vin+連接；第二 N型MOS管N2的源極、第六N型MOS管 N6的源極、第九P型MOS管P9的源極和第十一 P型MOS管P11的漏極連接；第八P型 MOS管&的源極、第十P型MOS管Pltl的漏極、第五N型MOS管N5的源極和第八N 型MOS管N8的源極連接；第七N型MOS管N7的柵極和源極以及第八N型MOS管N8 的柵極與第七P型MOS管P7的漏極連接，第九N型MOS管N9的柵極和源極以及第十 N型MOS管Nltl的柵極與第八P型MOS管P8的漏極連接；第十N型MOS管Nltl的源 極、第—^一 N型MOS管N11的珊極、第九P型MOS管&的漏極和第十二 P型MOS管 P12的漏極與第二濾波電容C2的一端連接，第十三N型MOS管N13的源極、第十四N型 MOS管N14的源極、十六P型MOS管Pni的漏極、十七P型MOS管P17的漏極以及負載 電容C3的一端和負載電阻R3的一端與第二濾波電容C2的另一端連接，負載電容C3的另 一端和負載電阻R3的另一端接地；第十一 N型MOS管N11的源極、第十三P型MOS管 P13的漏極、第十四P型MOS管P14的珊極和第十八P型MOS管P18的珊極與第一濾波電 容C1的一端連接，第一濾波電容C1的另一端與第十二 P型MOS管P12的源極連接；第 十五P型MOS管P15的漏極和柵極、第十四P型MOS管P14的漏極、第十六P型MOS 管P16的柵極、第十二 N型MOS管N12的源極和第十三N型MOS管N13的珊極連接；第 十五N型MOS管N15的源極和柵極、第十四N型MOS管N14的柵極、第十六N型MOS 管風6的源極、第十七P型MOS管P17的珊極和第十八P型MOS管P18的漏極連接，第 十六N型MOS管N16的珊極和第十七N型MOS管N17的珊極與第十二 N型MOS管N12 的珊極連接，第十七N型MOS管N17的源極與十九P型MOS管P19的漏極連接；第一 P型MOS管P1的柵極、第二 P型MOS管&的柵極、第十P型MOS管Pltl的 柵極、第十一 P型MOS管P11的柵極、第十三P型MOS管P13的柵極和第十九P型MOS 管Pw的柵極連接；第一 P型MOS管P1W源極、第二 P型MOS管I52的源極、第四P型 M0S管 的源極、第五P型MOS管P5的源極、第十P型MOS管Pltl的源極、第十一 P 型MOS管P11的源極、第十三P型MOS管P13的源極、第十四P型MOS管P14的源極、 第十五P型MOS管P15的源極、第十六P型MOS管P16的源極、第十七P型MOS管P17 的源極、第十八P型MOS管P18的源極、第十九P型MOS管P19的源極和第十二 P型 MOS管P12的襯底接地；第一 N型MOS管N1的漏極、第二 N型MOS管N2的漏極、第三N型MOS管N3的漏極、第四N型MOS管N4的漏極、第七N型MOS管N7的漏極、第八N型MOS管N8 的漏極、第九N型MOS管N9的漏極、第十N型MOS管Nltl的漏極、第十一 N型MOS 管N11的漏極、第十二 N型MOS管N12的漏極、第十三N型MOS管N13的漏極、第十四 N型MOS管N14的漏極、第十五N型MOS管N15的漏極、第十六N型MOS管N16的漏 極、第十七N型MOS管N17的漏極、第五N型MOS管N5的襯底、第六N型MOS管N6 的襯底、第八P型MOS管&的珊極、第九P型MOS管P9的珊極、第十二 P型MOS管 P12的珊極以及偏置電阻R1的另一端均與1.5V電源VDD連接。
專利摘要本實用新型涉及一種低壓軌至軌運算放大電路。本實用新型包括三個電阻、三個電容、19個P型MOS管和17個N型MOS管。該電路采用適合于低電壓的電流型跨導器，折疊共源共柵放大電路和低功耗的AB類推挽輸出電路等子電路結構，克服了傳統電壓型運算放大器深受閾值電壓限制的缺點，采用了適合于低電壓要求的電路單元，在電路結構上進行了改進，從而在常規的CMOS工藝下實現了低電壓、低功耗的性能。本實用新型采用電流型跨導器，獲得了rail-to-rail共模電壓輸入和良好的頻率響應；增益級采用折疊式共源共柵放大電路，獲得了高電壓增益和高電源抑制比；輸出級采用兩對反相器的AB類推挽輸出電路，獲得了高驅動能力，具有rail-to-rail共模電壓輸出和極低的諧波失真。
文檔編號H03F3/45GK201813350SQ20102057012
公開日2011年4月27日 申請日期2010年10月19日 優先權日2010年10月19日
發明者應智花, 黃海云 申請人:杭州電子科技大學