一種增益提升的運(yùn)算跨導(dǎo)放大器的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及一種運(yùn)算放大器，具體設(shè)及一種增益提升的運(yùn)算跨導(dǎo)放大器。
【背景技術(shù)】
[0002] 運(yùn)算放大器在電源、模數(shù)轉(zhuǎn)換器、濾波器等模擬電路中已經(jīng)得到廣泛的應(yīng)用。隨著 電源電壓的下降和工藝尺寸的進(jìn)一步縮小，晶體管溝道長度不斷減小，致使晶體管本征增 益也不斷減小，在運(yùn)種條件下設(shè)計(jì)高增益運(yùn)放面臨較大挑戰(zhàn)。現(xiàn)有技術(shù)中，采用兩級(jí)或= 級(jí)級(jí)聯(lián)，運(yùn)種方式每個(gè)級(jí)聯(lián)帶來高增益的同時(shí)會(huì)引入一個(gè)低頻極點(diǎn)，產(chǎn)生負(fù)的相移和退化 相位裕度。為了保持系統(tǒng)的穩(wěn)定性，一般采用米勒補(bǔ)償原理，運(yùn)種極點(diǎn)分離的補(bǔ)償會(huì)嚴(yán)重退 化運(yùn)放的帶寬性能。自舉增益提高輸出阻抗是另外一種提高增益的方法，雖然它不會(huì)限制 運(yùn)放的帶寬性能，但是需要消耗更多的功耗。
[0003] 2007年 R.Assaad在 ELECTRONICSLETTERS發(fā)表在一篇名為"Enhancinggeneral performanceoffoldedc曰 scodeamplifierbyrecyclingcurrent''(RFC運(yùn)算方義大器）， 是一種具有低功耗的復(fù)用型折疊式共源共柵運(yùn)算放大器，將電流復(fù)用技術(shù)應(yīng)用于中傳統(tǒng)的 折疊式共源共柵運(yùn)放電路中，其電路主要為偏置恒定電流源依次串接差分輸入、負(fù)載電流 鏡和共源共柵輸出級(jí)可調(diào)輔助差分對(duì)，其方案如圖1所示。雖然電流復(fù)用技術(shù)提高了電路 中電流的利用率，但是此方案是通過犧牲電路的相位裕度為代價(jià)實(shí)現(xiàn)跨導(dǎo)的增加，增益提 升并不大，在現(xiàn)有的深亞微米工藝下，RFC運(yùn)算放大器的增益遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到實(shí)際所需要的精 度，難W廣泛應(yīng)用
[0004] 為解決運(yùn)算放大器電路中增益、帶寬、功耗等之間的固有矛盾，需要打破傳統(tǒng)結(jié) 構(gòu)，設(shè)計(jì)一種高增益和高速度兼顧的高性能運(yùn)算放大器。
【發(fā)明內(nèi)容】
陽〇化]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種增益提升的運(yùn)算跨導(dǎo)放大器。偏置恒定電 流源依次串接差分輸入、負(fù)載電流鏡和共源共柵輸出級(jí)，還有可調(diào)輔助差分對(duì)，本運(yùn)算跨導(dǎo) 放大器受輸出電壓影響很弱，不會(huì)引入額外的極點(diǎn)，有效地提高運(yùn)算放大器的輸出阻抗和 增益，實(shí)現(xiàn)高精度、高速運(yùn)算放大。
[0006] 本發(fā)明設(shè)計(jì)的一種增益提升的運(yùn)算跨導(dǎo)放大器包括偏置恒定電流源及其依次串 接的差分輸入、負(fù)載電流鏡和共源共柵輸出級(jí)，其中偏置恒定電流源為P型MOS管M。的源 極接電源V孤，M。的柵極接偏置電壓VHas;差分輸入由4個(gè)P型MOS管M1。、M2。、Mib和M2b構(gòu) 成，負(fù)載電流鏡由6個(gè)N型MOS管M3、M4、M5。、Me。、M5訊Meb構(gòu)成，共源共柵輸出級(jí)由2個(gè)N型 MOS管My、MioW及 4 個(gè)P型MOS管M8、Ms、M。和M。構(gòu)成。
[0007] 差分輸入級(jí)P型MOS管Mia、Mza、Mib和M2b的源極分別接P型MOS管M。的漏極。N 型MOS管Ms漏極分別接P型MOS管M2b的漏極、N型MOS管M5。和MSb的柵極，N型MOS管M3 的源極接N型MOS管Msb的漏極，N型MOS管M4漏極分別接P型MOS管MIb的漏極、N型MOS 管Mea和MSb的柵極，N型MOS管M4的源極接N型MOS管MSb的漏極，N型MOS管M3、Ma的柵 極接偏置電壓Vbi，N型MOS管Ms。、Msb、Me。和Meb的源極分別接地。共源共柵輸出級(jí)的N型MOS管的漏極接P型MOS管MS的漏極、同時(shí)連接共源共柵輸出級(jí)的第二輸出端Vout，共 源共柵輸出級(jí)P型MOS管Ms的源極接P型MOS管Me的漏極，N型MOS管M1。的漏極分別接P 型MOS管M。的漏極、同時(shí)連接共源共柵輸出級(jí)的第一輸出端Vout+，P型MOS管M。的源極 接P型MOS管的漏極，N型MOS管M7、Mio的柵極分別接偏置電壓V…P型MOS管Ms、Mu 的柵極分別接偏置電壓Vb2,P型MOS管Mg、Mi2的柵極接共模反饋電壓CMFB，P型MOS管M9、 Mi2的源極分別接電源VDD。
[0008] 本發(fā)明的增益提升的運(yùn)算跨導(dǎo)放大器還包括可調(diào)輔助差分對(duì)，可調(diào)輔助差分對(duì)由 P型MOS管M。、Mm和M15構(gòu)成。P型MOS管M。的柵極分別接P型MOS管M1。、Mm的漏極、N 型MOS管Msa的漏極及N型MOS管M7的源極，P型MOS管M14的柵極分別接P型MOS管M2。、 M。的漏極、N型MOS管M6。的漏極及N型MOS管M1。的源極，P型MOS管M。、Mm的源極接P 型MOS管Mis的漏極，P型MOS管M15的源極接電源V孤。
[0009] 所述差分輸入的4個(gè)P型MOS管Mb、M2g、Mib和M2b接收差分電壓信號(hào)，轉(zhuǎn)化為電流 注入所述2對(duì)電流鏡N型MOS管唯b-Ms。和Meb-Me。中，電流鏡Meb-Me。輸出的電流送入共源共 柵輸出級(jí)的輸出支路Ml。、M。、Mi2中，形成輸出電壓V。。/;電流鏡MSb-MJi出的電流送入共源 共柵輸出級(jí)的另一輸出支路M7、Ms、Mg中，形成輸出電壓V。。，。電流鏡之間的傳輸實(shí)現(xiàn)電流 倍增，最終實(shí)現(xiàn)運(yùn)算跨導(dǎo)放大器跨導(dǎo)的倍增。
[0010] 所述電流鏡M5b-M5a、M6b-Mea的尺寸比例相同，即M5。的尺寸與MSb的尺寸相比為K， 同樣Me。的尺寸與MSb的尺寸相比也為K，K的取值范圍為2~5。 1]MOS管Ms。和輸出支路M7、Ms、Mg構(gòu)成共源共柵輸出級(jí)，增加V。。,端輸出阻抗，MOS管Me。和輸出支路M1。、M。、構(gòu)成另一共源共柵輸出級(jí)，增加V。。/端輸出阻抗。
[0012] 可調(diào)輔助差分對(duì)的P型MOS管的漏極輸出電壓信號(hào)與P型MOS管M14的柵極直 接連接，P型MOS管M。的柵極電壓信號(hào)控制P型MOS管M14的電流，MOS管M14構(gòu)成負(fù)電阻； 與之相似，P型MOS管Mm的漏極輸出電壓信號(hào)與P型MOS管M13的柵極直接連接，P型MOS 管Mm的柵極電壓信號(hào)控制P型MOS管M。的電流，MOS管M。構(gòu)成負(fù)電阻，M。、Mm的輸出阻 抗與共源共柵的輸出阻抗一同構(gòu)成本運(yùn)算跨導(dǎo)放大器的輸出阻抗。
[0013] 差分信號(hào)輸入后，信號(hào)經(jīng)過2條路徑到輸出端，第一條路徑：經(jīng)過Ml。柵極輸入電壓 信號(hào)變?yōu)殡娏餍盘?hào)傳至Ms。的漏端，再經(jīng)過共源共柵的輸出支路M7、Ms、Mg至輸出端，運(yùn)條路 徑的跨導(dǎo)為MOS管Ml。的跨導(dǎo)gmi。;第二條路徑：經(jīng)過MIb柵極輸入電壓信號(hào)變?yōu)殡娏餍盘?hào)傳 至Ma的漏端，注入MSb,經(jīng)過電流鏡心-Me。后復(fù)制到M6。，實(shí)現(xiàn)電流倍增K倍，經(jīng)過共源共柵級(jí) 的輸出支路Ml。、M。、Mi2至輸出端，運(yùn)條路徑的跨導(dǎo)為MOS管MIb的跨導(dǎo)gmib的K倍。
[0014]所述差分輸入的MOS管尺寸相同，二者的跨導(dǎo)與其溝道寬長比W/L成正比， 故二者的跨導(dǎo)相等即gmlb=gmla，本發(fā)明運(yùn)算跨導(dǎo)放大器整體跨導(dǎo)為G=gmla+Kgmib= (1+K) 島nla。
[001引當(dāng)可調(diào)輔助差分對(duì)的的柵極的電位降低，即MOS管M14的漏極電壓同樣降低，MOS管Mm的漏極和源極之間的電壓上升、變化量為+AVdds，M。的柵極的電位降低導(dǎo)致M。 的漏極的電位、MOS管Mjl極電位升高，MOS管M14的柵極的有效輸入電壓信號(hào)V華低， 導(dǎo)致MOS管Mm輸出電流降低變化量為-AiDS，輔助差分對(duì)的MOS管Mm的輸出阻抗r。14二 +AVdDs/(-Aij<0為負(fù)電阻。同樣Mm的柵極的電位降低，按上述方法可W分析M13的輸 出阻抗也為負(fù)電阻。忽略MOS管的溝道調(diào)制作用，Mi4的電導(dǎo)（阻抗的倒數(shù)）表示為gml4; 小信號(hào)分析輸出阻抗時(shí)，MOS管Mm與Mg。、Ml。并聯(lián)，MOS管M14的輸出阻抗r。14為負(fù)值，可W 用-1/&14表示，本發(fā)明運(yùn)算跨導(dǎo)放大器的輸出阻抗表示為 陽016] R〇ut>gm7r〇7 (r〇laIIr"5alIr〇14)Mgm8r〇8r"9。 陽017]當(dāng)My、Ms的跨導(dǎo)相等、輸出阻抗相等，即gm8=gm7,TdS=r。7,本發(fā)明運(yùn)算跨導(dǎo)放大 器的輸出阻抗表示為 陽0化]Rnut>gm/ [抗7 (抗13+抗53+抗9-&14)]，
[0019] 其中g(shù)mi、和g。1分別為電路中第i個(gè)MOS管M1的跨導(dǎo)、輸出阻抗和輸出電導(dǎo)，g。1 =l/r〇i。
[0020] 增大gml4同時(shí)保證0《gml4<g〇la+g〇5a+g〇9,就能提高輸出阻抗Rout、增益，同時(shí)系統(tǒng)穩(wěn) 定留有余值。
[0021] 較佳設(shè)計(jì)方案取gml4= 0. 85 (g。1。+抗5。+抗9)，輸出阻抗Reut相對(duì)沒有加入gml4增大 6. 67倍，可實(shí)現(xiàn)16. 5地增益提升。 陽02引為了消除輸出增益的誤差，P型MOS管Mis的柵極接可調(diào)偏置電 壓Vt,可調(diào)輔助差分對(duì)的跨導(dǎo)gm與其M13、Mm流過的電流It成正比，同時(shí)電流
即可調(diào)輔助差分對(duì)的gm=f(Vt)、是Vt的函數(shù)，其中 yP是電子遷移率，CM為單位面積柵電容，（W/L)U是P型MOS管M U的溝道寬長比，Vthp是P型MOS管Mis開啟電壓。由于MOS管失配W及工藝角的影響，輸出的增益會(huì)偏離預(yù)設(shè)指標(biāo)， 從而使得運(yùn)放輸出產(chǎn)生誤差。微調(diào)可調(diào)偏置電壓Vt、控制MOS管Mis流向M13、Mm電流的比 例，從而控制M。、Mm負(fù)電阻的大小。即通過微調(diào)Vt,實(shí)現(xiàn)無誤差放大?？烧{(diào)偏置電壓Vt的 調(diào)節(jié)范圍為±lmV。
[0023] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明一種增益提升的運(yùn)算跨導(dǎo)放大器的優(yōu)點(diǎn)為：1、傳統(tǒng)折疊 式運(yùn)放的1對(duì)差分輸入MOS管分成2對(duì)差分輸入MOS管，同時(shí)用2對(duì)負(fù)載電流鏡接收2對(duì) 差分輸入MOS管的輸出信號(hào)；運(yùn)樣共源共柵輸出級(jí)的2個(gè)晶體管就不僅僅是作為恒流源 (如在折疊式運(yùn)算放大器中的作用），可有效利用電流，使得本運(yùn)算跨導(dǎo)放大器的跨導(dǎo)實(shí)現(xiàn) 倍增；2、共源共柵輸出級(jí)的共源共柵結(jié)構(gòu)上增加了1對(duì)可調(diào)輔助差分對(duì)，使本運(yùn)算跨導(dǎo)放 大器受輸出電壓影響很弱，且不會(huì)引入額外的極點(diǎn)；3、實(shí)現(xiàn)多路徑運(yùn)算放大，改善傳統(tǒng)的共 源共柵輸出端的大恒流源為驅(qū)動(dòng)管，不僅有效的增大整運(yùn)放的跨導(dǎo)，還提升大信號(hào)的瞬態(tài) 壓擺率；4、在同樣靜態(tài)功耗下，本運(yùn)算跨導(dǎo)放大器的增益、帶寬和共模抑制比均實(shí)現(xiàn)倍增， 在1. 2V工作電源下采用90皿COMSTSMC工藝對(duì)其進(jìn)行Spectre模擬，結(jié)果表明，本運(yùn)算跨 導(dǎo)放大器在功耗1. 05mW條件下，直流開環(huán)增益為72. 7地，單位增益帶寬為217. 9MHz;相比 RFC結(jié)構(gòu)運(yùn)放，不僅增益提高了 19地，還且還具有可調(diào)性高，減少工藝的影響，可適用于通 信、電子測(cè)量，W及自動(dòng)控制等系統(tǒng)。有效地提高運(yùn)算跨導(dǎo)放大器的輸出阻抗和增益，實(shí)現(xiàn) 高精度、低功耗、大寬帶、高增益、高速的運(yùn)算放大，解決了在目前深亞微米工藝下傳統(tǒng)運(yùn)算 放大器增益低，帶寬性能退化、功耗高的的問題。
【附圖說明】
[0024] 圖1為對(duì)比例復(fù)用型折疊式共源共柵運(yùn)算放大器的電路結(jié)構(gòu)示意圖。
[00巧]圖2為本增益提升的運(yùn)算跨導(dǎo)放大器實(shí)施例電路結(jié)構(gòu)示意圖。
[00%] 圖3為本實(shí)施例與對(duì)比例的交流小信號(hào)