全差分運算放大器的制造方法
專利名稱:全差分運算放大器的制造方法
【專利摘要】本申請?zhí)峁┝巳罘诌\算放大器，包括：偏置電路、差模放大電路、共模反饋電路，其中，所述差模放大電路包括：依次逐級相連的第一級差模放大電路、第二級差模放大電路及前饋級差模放大電路，所述第一級差模放大電路包括一對差分場效應(yīng)管，所述第二級差模放大電路包括一對差分場效應(yīng)管，所述第一級差模放大電路中的一對差分場效應(yīng)管的源極通過兩個源極負反饋電阻RS相連；或者，所述第二級差模放大電路中的一對差分場效應(yīng)管的源極通過兩個Rs相連。采用本申請的技術(shù)方案，能夠有效降低功耗。
【專利說明】
全差分運算放大器
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本申請涉及電路設(shè)計技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及全差分運算放大器。
【背景技術(shù)】
[0002] 全差分運算放大器是模擬、射頻電路中最基礎(chǔ)的電路模塊之一，通常在系統(tǒng)中實 現(xiàn)自動控制或信號處理的作用。兩級全差分運算放大器相比于單級全差分運算放大器，有 著更高的增益及更寬的輸出電壓范圍，受到廣泛的應(yīng)用。但由于穩(wěn)定性的限制，兩級運算放 大器需經(jīng)過頻率補償處理才可應(yīng)用。傳統(tǒng)的頻率補償通常利用密勒效應(yīng)，壓縮主極點，擴展 次極點至GBW(Gain-BandWidth，單位增益帶寬）外，使運算放大器穩(wěn)定，但GBW仍受限于次極 點。而利用傳統(tǒng)前饋補償時，前饋效應(yīng)在帶寬內(nèi)產(chǎn)生的零點受工藝制造、電源電壓和溫度漂 移等的影響，不能很好地跟蹤次極點，導致相位裕度變化較大，影響全差分運算放大器的穩(wěn) 定性和瞬態(tài)響應(yīng)。
[0003] 現(xiàn)有的頻率補償技術(shù)由于次極點或工藝、溫度漂移等的影響，要達到一定增益要 求需要消耗較大的功耗。 【實用新型內(nèi)容】
[0004] 本申請實施例提出了全差分運算放大器，用以克服現(xiàn)有的頻率補償技術(shù)功耗較大 的不足。
[0005] 本申請實施例提供了全差分運算放大器，包括:偏置電路、差模放大電路、共模反 饋電路，其中，所述差模放大電路包括:依次逐級相連的第一級差模放大電路、第二級差模 放大電路及前饋級差模放大電路，所述第一級差模放大電路包括一對差分場效應(yīng)管，所述 第二級差模放大電路包括一對差分場效應(yīng)管，所述第一級差模放大電路中的一對差分場效 應(yīng)管的源極通過兩個源極負反饋電阻R s相連;或者，
[0006] 所述第二級差模放大電路中的一對差分場效應(yīng)管的源極通過兩個&相連。
[0007] 本申請有益效果如下：
[0008] 本申請實施例提供了全差分運算放大器，包括:偏置電路、差模放大電路、共模反 饋電路，其中，所述差模放大電路包括:依次逐級相連的第一級差模放大電路、第二級差模 放大電路及前饋級差模放大電路，所述第一級差模放大電路包括一對差分場效應(yīng)管，所述 第二級差模放大電路包括一對差分場效應(yīng)管，所述第一級差模放大電路中的一對差分場效 應(yīng)管的源極通過兩個源極負反饋電阻R s相連;或者，所述第二級差模放大電路中的一對差 分場效應(yīng)管的源極通過兩個Rs相連。利用電阻源極負反饋技術(shù)，使第一級差模放大電路的 跨導或第二級差模放大電路的跨導為源極負反饋電阻1的倒數(shù)，實現(xiàn)次極點與零點的精確 跟蹤。相比傳統(tǒng)的密勒補償，實現(xiàn)相同的GBW，本申請?zhí)峁┑募夹g(shù)方案只需消耗傳統(tǒng)的密勒 補償方案的一半的電流，有效降低了功耗。
【附圖說明】
[0009]下面將參照附圖描述本申請的具體實施例。
[0010]圖1為通用的采用前饋補償?shù)膬杉夁\算放大器小信號圖；
[0011] 圖2為本申請實施例提供的全差分運算放大器的偏置電路的示意圖；
[0012] 圖3為本申請實施例提供的全差分運算放大器的差模放大電路的示意圖一；
[0013] 圖4為本申請實施例提供的全差分運算放大器的差模放大電路的示意圖二；
[0014] 圖5為本申請實施例提供的全差分運算放大器的共模反饋電路的示意圖；
[0015] 圖6為本申請實施例提供的全差分運算放大器的整體電路示意圖。
【具體實施方式】
[0016] 為了使本申請的技術(shù)方案及優(yōu)點更加清楚明白，以下結(jié)合附圖對本申請的示例性 實施例進行進一步詳細的說明，顯然，所描述的實施例僅是本申請的一部分實施例，而不是 所有實施例的窮舉。并且在不沖突的情況下，本說明書中的實施例及實施例中的特征可以 互相結(jié)合。
[0017] 在實現(xiàn)本申請的過程中，發(fā)明人發(fā)現(xiàn)，兩級全差分運算放大器相比于單級全差分 運算放大器，有著更高的增益及更寬的輸出電壓范圍，但由于穩(wěn)定性的限制，兩級運算放大 器需經(jīng)過頻率補償處理才可應(yīng)用。
[0018] 傳統(tǒng)的頻率補償通常利用密勒效應(yīng)，壓縮主極點，擴展次極點至GBW外，使運算放 大器穩(wěn)定，但GBW仍受限于次極點。而利用傳統(tǒng)前饋補償時，前饋效應(yīng)在帶寬內(nèi)產(chǎn)生的零點 受工藝制造、電源電壓和溫度漂移等的影響，不能很好地跟蹤次極點，導致相位裕度變化較 大，影響全差分運算放大器的穩(wěn)定性和瞬態(tài)響應(yīng)。
[0019] 現(xiàn)有的頻率補償技術(shù)由于次極點或工藝、溫度漂移等的影響，要達到一定增益要 求需要消耗較大的功耗。
[0020] 針對上述問題，本申請實施例中提供了全差分運算放大器，包括偏置電路、差模放 大電路、共模反饋電路，其中，所述差模放大電路包括:依次逐級相連的第一級差模放大電 路、第二級差模放大電路及前饋級差模放大電路，所述第一級差模放大電路包括一對差分 場效應(yīng)管，所述第二級差模放大電路包括一對差分場效應(yīng)管，所述第一級差模放大電路中 的一對差分場效應(yīng)管的源極通過兩個源極負反饋電阻R s相連;或者，所述第二級差模放大 電路中的一對差分場效應(yīng)管的源極通過兩個Rs相連。利用電阻源極負反饋技術(shù)，使第一級 差模放大電路的跨導或第二級差模放大電路的跨導為源極負反饋電阻Rs的倒數(shù)，實現(xiàn)次極 點與零點的精確跟蹤，實現(xiàn)相同的GBW時只需消耗傳統(tǒng)的密勒補償方案的一半的電流，有效 降低了功耗。
[0021 ]圖1為通用的采用前饋補償?shù)膬杉夁\算放大器小信號圖，如圖1所示，gml、gm2和 gmf分別為第一級差模放大電路的跨導、第二級差模放大電路的跨導和前饋級差模放大電 路的跨導，R1和R 2分別為第一級差模放大電路的輸出電阻和第二級差模放大電路的輸出電 阻，&和&分別為第一級差模放大電路的負載電容和第二級差模放大電路的負載電容。由圖 1可知，該兩級運算放大器電路對應(yīng)的傳遞函數(shù)可表示為下面的公式（1):
⑴
[0023]由公式（1)可得，該傳遞函數(shù)有兩個極點和一個零點，其中，主極點？1可表示為下 面的公式(2):
(2i
[0025]次極點p2可表示為下面的公式(3)
(3 )
[0027]零點z可表示為下面的公式(4)
(4>
[0029] 在傳統(tǒng)的前饋補償中，次極點？2與零點z由于跨導同電阻不可匹配，導致極點零點 位置不能跟蹤。
[0030] 本申請實施例提供的全差分運算放大器可以包括:偏置電路、差模放大電路、共模 反饋電路，其中，所述差模放大電路包括:依次逐級相連的第一級差模放大電路、第二級差 模放大電路及前饋級差模放大電路，所述第一級差模放大電路包括一對差分場效應(yīng)管，所 述第二級差模放大電路包括一對差分場效應(yīng)管，所述第一級差模放大電路中的一對差分場 效應(yīng)管的源極通過兩個源極負反饋電阻R s相連;或者，
[0031 ]所述第二級差模放大電路中的一對差分場效應(yīng)管的源極通過兩個仏相連。
[0032]具體的，假設(shè)對第一級差模放大電路采用電阻源極負反饋，則gml = l/Rs。令kr = R2/ Rs，kgm = gmf/gm2，kc = C2/C1，貝lj零點與次極點的比值m可表示為下面的公式(5 ):
(5)
[0034]當m=l時，零點和次極點位置重合，相位及增益的影響互相抵消，帶寬內(nèi)相位變化 最小最平坦。此時，GBW可表示為下面的公式(6):
(6)
[0036]而采用傳統(tǒng)的密勒補償?shù)倪\算放大器的次極點可表示為下面的公式(7):
(7)
[0038]其中，P2_mille：r為在傳統(tǒng)的密勒補償中的運算放大器的次極點，gm2_millei?為在傳統(tǒng)的 密勒補償中兩級運算放大器的第二級差模放大電路的跨導。在傳統(tǒng)的密勒補償中，為了推 高次極點，大部分的電流都被消耗在運算放大器的第二級差模放大電路，而為了保證穩(wěn)定 性，其GBW值一般只能選取為次極點值的一半，BP
(68)
[0040]而在本申請實施例設(shè)計的全差分運算放大器中，大部分電流可以消耗在前饋級差 模放大電路上，在消耗相同電流的情況下^1^ = 81112_1^11(^，根據(jù)公式(6)、（7)和(8)，本申請實 施例設(shè)計的全差分運算放大器的GBW值為傳統(tǒng)密勒補償中GBW值的兩倍。
[00411在CMOS模擬集成電路設(shè)計中，處于放大區(qū)的M0S管其偏置電流I與跨導gm的關(guān)系可 表示為下面的公式(9) (9；
[0043] 其中，Vod為M0S的過驅(qū)動電壓。在相同驅(qū)動電壓情況下，電流與跨導成正比。結(jié)合公 式(6)、（7)、（8)與(9)，可知，實現(xiàn)相同的GBW值時，本設(shè)計的全差分運算放大器需要的電流 為傳統(tǒng)密勒補償方案的一半。
[0044] 實施中，所述第一級差模放大電路或所述第二級差模放大電路的跨導可以為所述 源極負反饋電阻Rs的倒數(shù)。
[0045] 本申請實施例提供了全差分運算放大器，包括:偏置電路、差模放大電路、共模反 饋電路，其中，所述差模放大電路包括:依次逐級相連的第一級差模放大電路、第二級差模 放大電路及前饋級差模放大電路，所述第一級差模放大電路包括一對差分場效應(yīng)管，所述 第二級差模放大電路包括一對差分場效應(yīng)管，所述第一級差模放大電路中的一對差分場效 應(yīng)管的源極通過兩個源極負反饋電阻R s相連;或者，所述第二級差模放大電路中的一對差 分場效應(yīng)管的源極通過兩個Rs相連。利用電阻源極負反饋技術(shù)，使第一級差模放大電路的 跨導或第二級差模放大電路的跨導為源極負反饋電阻R s的倒數(shù)，實現(xiàn)次極點與零點的精確 跟蹤。相比傳統(tǒng)的密勒補償，實現(xiàn)相同的GBW，本申請?zhí)峁┑募夹g(shù)方案只需消耗傳統(tǒng)的密勒 補償方案的一半的電流，有效降低了功耗。
[0046] 圖2為本申請實施例提供的全差分運算放大器的偏置電路的示意圖，如圖2所示， 實施中，所述配置電路，所述偏置電路可以包括:場效應(yīng)管M1、M2、M3、M4、M5、M6、M7、M8、M9、 110、111、112、113，其中肩1、12、13、110及姐2的源極均連接至電壓信號￥00，11的柵極及漏 極、M2的柵極、M3的柵極均連接至電流信號IBIAS，M2的漏極輸出電壓信號Vbn2并連接至M4 的漏極，M3的漏極輸出電壓信號Vbn并連接至M6的漏極，M4的源極連接至M5的漏極，M4、M5的 柵極連接至電壓信號Vbn2，M10、Mll的柵極均連接至電壓信號Vbp2，M10的漏極連接至Mil的 源極，Mil的漏極輸出電壓信號Vbp2并連接至M7的漏極，M6、M7、M8的柵極均連接至電壓信號 Vbn，Ml 2的柵極連接至電壓信號Vbp，Ml 2的漏極連接至Ml 3的源極，Ml 3的柵極連接至信號 Vcom，Ml 3的漏極輸出電壓信號Vbp并連接至M9的漏極，M9的柵極連接至電壓信號Vbn2，M9的 源極連接至M8的漏極，M5、M6、M7及M8的源極均連接至信號地GND。
[0047] 具體實施中，所述偏置電路的輸入為電流源，偏置電路輸出2個電流源偏置電壓 Vbn、Vbp以及共源共柵極偏置電壓Vbn2、Vbp2，為差模放大電路、共模反饋電路提供偏置電壓信 號。
[0048] 具體的，所述電流源為帶隙基準電流源。帶隙基準電流源，即，Bandgap Voltage Reference，常常有人簡單地稱它為Bandgap。最經(jīng)典的帶隙基準是利用一個與溫度成正比 的電壓與一個與溫度成反比的電壓之和，二者溫度系數(shù)相互抵消，實現(xiàn)與溫度無關(guān)的電壓 基準，約為1.25V。因為其基準電壓與硅的帶隙電壓差不多，因而稱為帶隙基準。實際上利用 的不是帶隙電壓。
[0049]模擬電路廣泛的包含電壓基準和電流基準。這種基準是直流量，它與電源和工藝 參數(shù)的關(guān)系很小，但與溫度的關(guān)系是確定的。基準電流源是指在模擬集成電路中用來作為 其它電路的電流基準的高精度、低溫度系數(shù)的電流源。電流源作為模擬集成電路的關(guān)鍵電 路單元，廣泛應(yīng)用于運算放大器、A/D轉(zhuǎn)換器、D/A轉(zhuǎn)換器中。偏置電流源的設(shè)計是基于一個 已經(jīng)存在的標準參考電流源的復制，然后輸出給系統(tǒng)的其他模塊。因此，電流源的精度直接 影響到整個系統(tǒng)的精度和穩(wěn)定性。
[0050] 圖3為本申請實施例提供的全差分運算放大器的差模放大電路的示意圖一，如圖3 所示，所述第一級差模放大電路可以包括:場效應(yīng)管M14、M15、M16、M17、M22、M23、M24、M25、 皿26、]?27、]/128、]/129，電阻1^、電容(： 1，其中，]/114、]/115、]/116與]/117的源極均連接至電壓信號￥00， M14、M15、M16與M17的柵極均連接至電壓信號Vbp，M14的漏極連接至M22的源極，M15的漏極 連接至M23的源極，M16的漏極連接至M24的源極，M17的漏極連接至M25的源極;M22的柵極均 連接至Vinn，M23的柵極均連接至Vinp，M22的漏極連接至M28的漏極，M23的漏極連接至M29 的漏極，M22的源極與M23的源極通過兩個源極負反饋電阻R s相連;M24、M25的柵極均連接至 電壓信號Vbp2，M24的漏極連接至M26的漏極、Ci的一端及第二級差模放大電路，M25的漏極 連接至M27的漏極、Ci的一端及第二級差模放大電路;M26、M27的柵極均連接至電壓信號 Vbn2，M26的源極連接至M28的漏極，M27的源極連接至M29的漏極;M28、M29的柵極均連接至 Vcmf b 1; M28、M29的源極及&的另一端均連接GND。
[0051] 具體實施中，所述第一級差模放大電路采用電阻源極負反饋時，所述第一級差模 放大電路可以采用折疊式共源共柵極結(jié)構(gòu)。
[0052]實施中，所述差模放大電路中的差分場效應(yīng)管及所述共模反饋電路中的差分場效 應(yīng)管可以為同類型的PM0S管。
[0053]具體實施中，所述差模放大電路中的差分場效應(yīng)管及所述共模反饋電路中的差分 場效應(yīng)管采用同類型的PM0S管，由于采用同種類型的PM0S放大管，可排除不同類型器件的 差異性，實現(xiàn)精確匹配。
[0054]所述PM0S管的尺寸可以與偏置電流成正比，即：所述差模放大電路中的差分場效 應(yīng)管及所述共模反饋電路中的差分場效應(yīng)管采用的PM0S管的尺寸與偏置電路的偏置電流 成正比。偏置電路的偏置電流來源于電流鏡，不隨PVT變化，也可精確匹配。
[0055] 圖4為本申請實施例提供的全差分運算放大器的差模放大電路的示意圖二，如圖4 所示，所述第二級差模放大電路可以包括:場效應(yīng)管組8、]?19、]/00、]/01、]/02、]/03，電阻1^、1? 2 及電容C2,其中，M18、M19的源極均連接至電源電壓VDD，M18、M19的柵極均連接至電壓信號 Vbp，M18的漏極連接至M30的源極，M19的漏極連接至M31的源極;M30的源極與M31的源極通 過兩個源極負反饋電阻R s相連，M30及M31的柵極均連接至第一級差模放大電路，M30的漏極 輸出電壓信號Voutn并連接至M32的漏極，M31的漏極輸出電壓信號Voirtp并連接至M33的漏 極，M30及M31的漏極之間通過兩個電阻R2連接，且M30及M31的漏極均連接至前饋級差模放 大電路；所述兩個電阻R2中間輸出電壓信號Vcmfb ; M32及M33的漏極均連接至C2的一端， M32、M33的漏極及C2的另一端均連接至GND。
[0056] 具體實施中，將所述第二級差模放大電路中構(gòu)成一對差分場效應(yīng)管的場效應(yīng)管 M30及M31采用電阻源極負反饋時對應(yīng)的差模放大電路，
[0057] 實施中，所述第二級差模放大電路的輸出電阻辦與所述源極負反饋電阻Rs可以為 同類型的電阻。
[0058] 具體實施中，第二級差模放大電路的輸出電阻R2主要由共模檢測電阻決定，即次 極點位置與R2成比例。當對第一級差模放大電路或第二級差模放大電路采用電阻源極負反 饋后，第一級差模放大電路的跨導或第二級差模放大電路的跨導與所述源極負反饋電阻Rs 成反比，第二級差模放大電路的輸出電阻R#PRS可采用同類型電阻制成，R#PRS的比值關(guān)系 不隨PVT變化，次極點與零點的相對位置即可精確確定，不隨PVT變化。
[0059] 如圖3或圖4所示，所述前饋級差模放大電路可以包括：場效應(yīng)管M20、M21、M36、 M37、M38、M39，其中，M20、M21的源極均連接至電源電壓VDD，M20、M21的柵極均連接至電壓信 號Vbp，M20的漏極連接至M38的源極，M21的漏極連接至M39的源極;M36、M37的源極均連接至 電源電壓VDD，M36、M37的柵極均連接至Vcmfb2，M36的漏極連接至M38的源極，M37的漏極連 接至M39的源極;M38的柵極連接至Vinp，M39的柵極連接至Vinn，M38及M39的漏極均連接至 第二級差模放大電路。
[0060] 圖5為本申請實施例提供的全差分運算放大器的共模反饋電路的示意圖，如圖5所 示，當所述第一級差模放大電路采用電阻源極負反饋時，所述共模反饋電路可以包括:第一 級共模反饋電路及前饋級共模反饋電路;其中，
[0061 ] 所述第一級共模反饋電路可以包括：場效應(yīng)管M40、M41、M44、M45、M46、M47、M48、 M49,其中，M40、M41的源極均連接至電壓信號VDD，M40、M41的柵極均連接至電壓信號Vbp， M4 0的漏極連接至M4 4的源極，M41的漏極連接至M4 5的源極，M44的柵極連接至電壓信號 Vcom，M45的柵極連接至電壓信號Vcomfb，M44的源極與M45的源極通過兩個源極負反饋電阻 Rs相連，M44的漏極連接至M46的漏極及M48的柵極，M45的漏極輸出電壓信號Vcmfbl并連接 至M47的漏極，M46、M47的柵極均連接至電壓信號Vbn2，M46的源極連接至M48的漏極，M47的 源極連接至M49的漏極，M49的柵極連接至電壓信號Vcmf b 1，M48、M49的源極均連接至GND; [0062] 所述前饋級共模反饋電路可以包括：場效應(yīng)管M42、M43、M50、M51、M52、M53、M54、 皿55、]?56、]/157、]/158、]/159，其中，]/142、]/143及159的源極均連接至電壓信號￥00，]/142、]/143的柵極 均連接至電壓信號Vbp，M42的漏極連接至M50的源極，M43的漏極連接至M51的源極，M50的源 極與M51的源極相連，M50的柵極連接至電壓信號Vcom，M51的柵極連接至電壓信號Vcomfb， M50的漏極連接至M52的漏極及M55的柵極，M51的漏極連接至M53的漏極、M56的柵極及M57的 柵極，M52的源極連接至M55的漏極，M53的源極連接至M56的漏極，M52、M53的柵極均連接至 電壓信號Vbn2，M59的柵極連接至電壓信號Vcmfb2及M54的漏極，M59的漏極連接至M58的源 極，M58的柵極連接至電壓信號Vcom，M58的漏極輸出電壓信號Vcmfb2并連接至M54的漏極， M54的柵極連接至電壓信號Vbn2，M54的源極連接至M57的漏極，M55、M56及M57的源極均連接 至 GND。
[0063] 具體實施中，共模反饋電路與差模放大電路一樣，均采用前饋補償實現(xiàn)。共模反饋 有兩對差分場效應(yīng)管及若干電流鏡組成，兩對差分場效應(yīng)管分別構(gòu)成第一級共模反饋電路 和前饋級共模反饋電路，第二級共模反饋電路與第二級差模放大電路合并，為差模放大電 路和共模反饋電路共用。
[0064] 第一級共模反饋電路、第二級共模反饋電路及前饋級共模反饋電路中的差分場效 應(yīng)管在電路設(shè)計的器件選擇上需要結(jié)合偏置電流及電流鏡比例確定PM0S管的尺寸，當?shù)谝?級共模反饋電路、第二級共模反饋電路及前饋級共模反饋電路中的差分場效應(yīng)管采用相同 類型的PM0S管，則可以實現(xiàn)第一級共模反饋電路、第二級共模反饋電路及前饋級共模反饋 電路的相互比例不隨PVT變化，因此共模反饋環(huán)路中的次極點和零點的相對位置也可精確 地確定，不隨PVT變化。
[0065] 若所述第一級差模放大電路采用電阻源極負反饋時，則第一級共模反饋電路可以 采用電阻源極負反饋。
[0066] 具體實施中，如果第一級差模放大電路采用電阻源極負反饋，則第一級共模反饋 電路也需要采用電阻源極負反饋與之匹配；如果第二級差模放大電路采用電阻源極負反 饋，則共模反饋電路中的第二級電路（即，第二級共模反饋電路，與第二級差模放大電路合 并，圖5中未示出)無需再加入電阻源極負反饋。
[0067] 實施中，所述全差分運算放大器還可以包括:所述第一級差模放大電路的負載電 容&和所述第二級差模放大電路的負載電容C 2,所述&和所述C2為同類型的電容。
[0068] 具體實施中，&和&可用同一種類型的電容制成，兩者比值不受PVT影響，可保證全 差分運算放大器的精確匹配。
[0069] 上面是對本申請實施例提供的全差分運算放大器的組成電路進行分別說明。圖6 為本申請實施例提供的全差分運算放大器的整體電路示意圖，如圖6所示，依序?qū)D2所示 的配置電路、圖3所示的對第一級差模放大電路采用電阻源極負反饋的差模放大電路(或圖 4所示的對第二級差模放大電路采用電阻源極負反饋的差模放大電路)及圖5所示的共模反 饋電路進行連接，即可得到圖6所示的整體電路。
[0070] 本申請實施例提供了全差分運算放大器，包括:偏置電路、差模放大電路、共模反 饋電路，其中，所述差模放大電路包括:依次逐級相連的第一級差模放大電路、第二級差模 放大電路及前饋級差模放大電路，所述第一級差模放大電路包括一對差分場效應(yīng)管，所述 第二級差模放大電路包括一對差分場效應(yīng)管，所述第一級差模放大電路中的一對差分場效 應(yīng)管的源極通過兩個源極負反饋電阻R s相連;或者，所述第二級差模放大電路中的一對差 分場效應(yīng)管的源極通過兩個Rs相連。利用電阻源極負反饋技術(shù)，使第一級差分放大電路的 跨導或第二級差分放大電路的跨導為源極負反饋電阻R s的倒數(shù)，實現(xiàn)次極點與零點的精確 跟蹤。相比傳統(tǒng)的密勒補償，實現(xiàn)相同的GBW，本申請?zhí)峁┑募夹g(shù)方案只需消耗傳統(tǒng)的密勒 補償方案的一半的電流，有效降低了功耗。
[0071 ]在本申請實施例中，"連接"、"相連"、"連"、"接"等表示電性相連的詞語，如無特別 說明，則表示直接或間接的電性連接。
[0072]盡管已描述了本申請的優(yōu)選實施例，但本領(lǐng)域內(nèi)的技術(shù)人員一旦得知了基本創(chuàng)造 性概念，則可對這些實施例作出另外的變更和修改。所以，所附權(quán)利要求意欲解釋為包括優(yōu) 選實施例以及落入本申請范圍的所有變更和修改。
[0073]顯然，本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以對本申請進行各種改動和變型而不脫離本申請的精 神和范圍。這樣，倘若本申請的這些修改和變型屬于本申請權(quán)利要求及其等同技術(shù)的范圍 之內(nèi)，則本申請也意圖包含這些改動和變型在內(nèi)。
【主權(quán)項】
1. 全差分運算放大器，其特征在于，包括:偏置電路、差模放大電路、共模反饋電路，其 中，所述差模放大電路包括:依次逐級相連的第一級差模放大電路、第二級差模放大電路及 前饋級差模放大電路，所述第一級差模放大電路包括一對差分場效應(yīng)管，所述第二級差模 放大電路包括一對差分場效應(yīng)管，所述第一級差模放大電路中的一對差分場效應(yīng)管的源極 通過兩個源極負反饋電阻Rs相連;或者， 所述第二級差模放大電路中的一對差分場效應(yīng)管的源極通過兩個Rs相連。2. 如權(quán)利要求1所述的放大器，其特征在于，所述第一級差模放大電路或所述第二級差 模放大電路的跨導為所述源極負反饋電阻Rs的倒數(shù)。3. 如權(quán)利要求1所述的放大器，其特征在于，所述偏置電路包括：場效應(yīng)管Ml、M2、M3、 皿4、]/15、]/16、]/17、]/18、]/19、]/110、]/111、]/112、]/113，其中，]/11、]/12、]/0、]/110及組2的源極均連接至電壓信 號VDD，M1的柵極及漏極、M2的柵極、M3的柵極均連接至電流信號IBIAS，M2的漏極輸出電壓 信號Vbn2并連接至M4的漏極，M3的漏極輸出電壓信號Vbn并連接至M6的漏極，M4的源極連接 至M5的漏極，M4、M5的柵極連接至電壓信號￥1^2，110、111的柵極均連接至電壓信號￥匕？2， M10的漏極連接至Mil的源極，Mil的漏極輸出電壓信號Vbp2并連接至M7的漏極，M6、M7、M8的 柵極均連接至電壓信號Vbn，M12的柵極連接至電壓信號Vbp，M12的漏極連接至M13的源極， Ml 3的柵極連接至信號Vcom，Ml 3的漏極輸出電壓信號Vbp并連接至M9的漏極，M9的柵極連接 至電壓信號Vbn2，M9的源極連接至M8的漏極，M5、M6、M7及M8的源極均連接至信號地GND。4. 如權(quán)利要求1所述的放大器，其特征在于，所述第一級差模放大電路包括:場效應(yīng)管 皿14、]?15、]/116、]/117、]/122、]/123、]/124、]/125、]/126、]/127、]/128、]/129，電阻^、電容(：1，其中，]/114、]/115、]/116 與M17的源極均連接至電壓信號￥00，114、115、116與組7的柵極均連接至電壓信號￥&?，114 的漏極連接至M22的源極，M15的漏極連接至M23的源極，M16的漏極連接至M24的源極，M17的 漏極連接至M25的源極;M22的柵極均連接至Vinn，M23的柵極均連接至Vinp，M22的漏極連接 至M28的漏極，M23的漏極連接至M29的漏極，M22的源極與M23的源極通過兩個源極負反饋電 阻R s相連;M24、M25的柵極均連接至電壓信號Vbp2，M24的漏極連接至M26的漏極、&的一端及 第二級差模放大電路，M25的漏極連接至M27的漏極、&的一端及第二級差模放大電路;M26、 M27的柵極均連接至電壓信號Vbn2，M26的源極連接至M28的漏極，M27的源極連接至M29的漏 極;M28、M29的柵極均連接至Vcmfbl;M28、M29的源極及&的另一端均連接GND。5. 如權(quán)利要求1所述的放大器，其特征在于，所述第二級差模放大電路包括:場效應(yīng)管 皿18、]/119、]/00、]/01、]/02、]/03，電阻1^、1? 2及電容(：2，其中，]/118、]/119的源極均連接至電源電壓 VDD，M18、M19的柵極均連接至電壓信號Vbp，M18的漏極連接至M30的源極，M19的漏極連接至 M31的源極;M30的源極與M31的源極通過兩個源極負反饋電阻Rs相連，M30及M31的柵極均連 接至第一級差模放大電路，M30的漏極輸出電壓信號Voutn并連接至M32的漏極，M31的漏極 輸出電壓信號Voutp并連接至M33的漏極，M30及M31的漏極之間通過兩個電阻R2連接，且M30 及M31的漏極均連接至前饋級差模放大電路;所述兩個電阻R2中間輸出電壓信號Vcmfb; M32 及M33的漏極均連接至C2的一端，M32、M33的漏極及C2的另一端均連接至GND。6. 如權(quán)利要求1所述的放大器，其特征在于，所述前饋級差模放大電路包括:場效應(yīng)管 皿20、]/121、]/06、]/07、]/08、]/09，其中，]/120、]/121的源極均連接至電源電壓￥00，]/120、]/121的柵極均 連接至電壓信號Vbp，M20的漏極連接至M38的源極，M21的漏極連接至M39的源極;M36、M37的 源極均連接至電源電壓VDD，M36、M37的柵極均連接至Vcmfb2，M36的漏極連接至M38的源極， M37的漏極連接至M39的源極;M38的柵極連接至Vinp，M39的柵極連接至Vinn，M38及M39的漏 極均連接至第二級差模放大電路。7. 如權(quán)利要求1所述的放大器，其特征在于，當所述第一級差模放大電路采用電阻源極 負反饋時，所述共模反饋電路包括:第一級共模反饋電路及前饋級共模反饋電路;其中， 所述第一級共模反饋電路包括:場效應(yīng)管M40、M41、M44、M45、M46、M47、M48、M49，其中， M40、M41的源極均連接至電壓信號VDD，M40、M41的柵極均連接至電壓信號Vbp，M40的漏極連 接至M44的源極，M41的漏極連接至M45的源極，M44的柵極連接至電壓信號Vcom，M45的柵極 連接至電壓信號Vcomfb，M44的源極與M45的源極通過兩個源極負反饋電阻R s相連，M44的漏 極連接至M46的漏極及M48的柵極，M45的漏極輸出電壓信號Vcmf b 1并連接至M47的漏極， M46、M47的柵極均連接至電壓信號Vbn2，M46的源極連接至M48的漏極，M47的源極連接至M49 的漏極，M49的柵極連接至電壓信號Vcmf b 1，M48、M49的源極均連接至GND; 所述前饋級共模反饋電路包括：場效應(yīng)管M42、M43、M50、M51、M52、M53、M54、M55、M56、 皿57、]?58、]/159，其中，]/142、]/143及159的源極均連接至電壓信號￥00，]/142、]/143的柵極均連接至 電壓信號Vbp，M42的漏極連接至M50的源極，M43的漏極連接至M51的源極，M50的源極與M51 的源極相連，M50的柵極連接至電壓信號Vcom，M51的柵極連接至電壓信號Vcomfb，M50的漏 極連接至M52的漏極及M55的柵極，M51的漏極連接至M53的漏極、M56的柵極及M57的柵極， M52的源極連接至M55的漏極，M53的源極連接至M56的漏極，M52、M53的柵極均連接至電壓信 號Vbn2，M59的柵極連接至電壓信號Vcmfb2及M54的漏極，M59的漏極連接至M58的源極，M58 的柵極連接至電壓信號Vcom，M58的漏極輸出電壓信號Vcmfb2并連接至M54的漏極，M54的柵 極連接至電壓信號Vbn2，M54的源極連接至M57的漏極，M55、M56及M57的源極均連接至GND。8. 如權(quán)利要求1所述的放大器，其特征在于，所述差模放大電路中的差分場效應(yīng)管及所 述共模反饋電路中的差分場效應(yīng)管為同類型的PM0S管。9. 如權(quán)利要求1所述的放大器，其特征在于，所述第二級差模放大電路的輸出電阻辦與 所述源極負反饋電阻Rs為同類型的電阻。10. 如權(quán)利要求1所述的放大器，其特征在于，還包括:所述第一級差模放大電路的負載 電容&和所述第二級差模放大電路的負載電容C 2,所述&和所述C2為同類型的電容。
【文檔編號】H03F1/14GK205725659SQ201620389911
【公開日】2016年11月23日
【申請日】2016年4月29日
【發(fā)明人】馬科, 夏波
【申請人】無錫中感微電子股份有限公司
【專利摘要】本申請?zhí)峁┝巳罘诌\算放大器，包括：偏置電路、差模放大電路、共模反饋電路，其中，所述差模放大電路包括：依次逐級相連的第一級差模放大電路、第二級差模放大電路及前饋級差模放大電路，所述第一級差模放大電路包括一對差分場效應(yīng)管，所述第二級差模放大電路包括一對差分場效應(yīng)管，所述第一級差模放大電路中的一對差分場效應(yīng)管的源極通過兩個源極負反饋電阻RS相連；或者，所述第二級差模放大電路中的一對差分場效應(yīng)管的源極通過兩個Rs相連。采用本申請的技術(shù)方案，能夠有效降低功耗。
【專利說明】
全差分運算放大器
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本申請涉及電路設(shè)計技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及全差分運算放大器。
【背景技術(shù)】
[0002] 全差分運算放大器是模擬、射頻電路中最基礎(chǔ)的電路模塊之一，通常在系統(tǒng)中實 現(xiàn)自動控制或信號處理的作用。兩級全差分運算放大器相比于單級全差分運算放大器，有 著更高的增益及更寬的輸出電壓范圍，受到廣泛的應(yīng)用。但由于穩(wěn)定性的限制，兩級運算放 大器需經(jīng)過頻率補償處理才可應(yīng)用。傳統(tǒng)的頻率補償通常利用密勒效應(yīng)，壓縮主極點，擴展 次極點至GBW(Gain-BandWidth，單位增益帶寬）外，使運算放大器穩(wěn)定，但GBW仍受限于次極 點。而利用傳統(tǒng)前饋補償時，前饋效應(yīng)在帶寬內(nèi)產(chǎn)生的零點受工藝制造、電源電壓和溫度漂 移等的影響，不能很好地跟蹤次極點，導致相位裕度變化較大，影響全差分運算放大器的穩(wěn) 定性和瞬態(tài)響應(yīng)。
[0003] 現(xiàn)有的頻率補償技術(shù)由于次極點或工藝、溫度漂移等的影響，要達到一定增益要 求需要消耗較大的功耗。 【實用新型內(nèi)容】
[0004] 本申請實施例提出了全差分運算放大器，用以克服現(xiàn)有的頻率補償技術(shù)功耗較大 的不足。
[0005] 本申請實施例提供了全差分運算放大器，包括:偏置電路、差模放大電路、共模反 饋電路，其中，所述差模放大電路包括:依次逐級相連的第一級差模放大電路、第二級差模 放大電路及前饋級差模放大電路，所述第一級差模放大電路包括一對差分場效應(yīng)管，所述 第二級差模放大電路包括一對差分場效應(yīng)管，所述第一級差模放大電路中的一對差分場效 應(yīng)管的源極通過兩個源極負反饋電阻R s相連;或者，
[0006] 所述第二級差模放大電路中的一對差分場效應(yīng)管的源極通過兩個&相連。
[0007] 本申請有益效果如下：
[0008] 本申請實施例提供了全差分運算放大器，包括:偏置電路、差模放大電路、共模反 饋電路，其中，所述差模放大電路包括:依次逐級相連的第一級差模放大電路、第二級差模 放大電路及前饋級差模放大電路，所述第一級差模放大電路包括一對差分場效應(yīng)管，所述 第二級差模放大電路包括一對差分場效應(yīng)管，所述第一級差模放大電路中的一對差分場效 應(yīng)管的源極通過兩個源極負反饋電阻R s相連;或者，所述第二級差模放大電路中的一對差 分場效應(yīng)管的源極通過兩個Rs相連。利用電阻源極負反饋技術(shù)，使第一級差模放大電路的 跨導或第二級差模放大電路的跨導為源極負反饋電阻1的倒數(shù)，實現(xiàn)次極點與零點的精確 跟蹤。相比傳統(tǒng)的密勒補償，實現(xiàn)相同的GBW，本申請?zhí)峁┑募夹g(shù)方案只需消耗傳統(tǒng)的密勒 補償方案的一半的電流，有效降低了功耗。
【附圖說明】
[0009]下面將參照附圖描述本申請的具體實施例。
[0010]圖1為通用的采用前饋補償?shù)膬杉夁\算放大器小信號圖；
[0011] 圖2為本申請實施例提供的全差分運算放大器的偏置電路的示意圖；
[0012] 圖3為本申請實施例提供的全差分運算放大器的差模放大電路的示意圖一；
[0013] 圖4為本申請實施例提供的全差分運算放大器的差模放大電路的示意圖二；
[0014] 圖5為本申請實施例提供的全差分運算放大器的共模反饋電路的示意圖；
[0015] 圖6為本申請實施例提供的全差分運算放大器的整體電路示意圖。
【具體實施方式】
[0016] 為了使本申請的技術(shù)方案及優(yōu)點更加清楚明白，以下結(jié)合附圖對本申請的示例性 實施例進行進一步詳細的說明，顯然，所描述的實施例僅是本申請的一部分實施例，而不是 所有實施例的窮舉。并且在不沖突的情況下，本說明書中的實施例及實施例中的特征可以 互相結(jié)合。
[0017] 在實現(xiàn)本申請的過程中，發(fā)明人發(fā)現(xiàn)，兩級全差分運算放大器相比于單級全差分 運算放大器，有著更高的增益及更寬的輸出電壓范圍，但由于穩(wěn)定性的限制，兩級運算放大 器需經(jīng)過頻率補償處理才可應(yīng)用。
[0018] 傳統(tǒng)的頻率補償通常利用密勒效應(yīng)，壓縮主極點，擴展次極點至GBW外，使運算放 大器穩(wěn)定，但GBW仍受限于次極點。而利用傳統(tǒng)前饋補償時，前饋效應(yīng)在帶寬內(nèi)產(chǎn)生的零點 受工藝制造、電源電壓和溫度漂移等的影響，不能很好地跟蹤次極點，導致相位裕度變化較 大，影響全差分運算放大器的穩(wěn)定性和瞬態(tài)響應(yīng)。
[0019] 現(xiàn)有的頻率補償技術(shù)由于次極點或工藝、溫度漂移等的影響，要達到一定增益要 求需要消耗較大的功耗。
[0020] 針對上述問題，本申請實施例中提供了全差分運算放大器，包括偏置電路、差模放 大電路、共模反饋電路，其中，所述差模放大電路包括:依次逐級相連的第一級差模放大電 路、第二級差模放大電路及前饋級差模放大電路，所述第一級差模放大電路包括一對差分 場效應(yīng)管，所述第二級差模放大電路包括一對差分場效應(yīng)管，所述第一級差模放大電路中 的一對差分場效應(yīng)管的源極通過兩個源極負反饋電阻R s相連;或者，所述第二級差模放大 電路中的一對差分場效應(yīng)管的源極通過兩個Rs相連。利用電阻源極負反饋技術(shù)，使第一級 差模放大電路的跨導或第二級差模放大電路的跨導為源極負反饋電阻Rs的倒數(shù)，實現(xiàn)次極 點與零點的精確跟蹤，實現(xiàn)相同的GBW時只需消耗傳統(tǒng)的密勒補償方案的一半的電流，有效 降低了功耗。
[0021 ]圖1為通用的采用前饋補償?shù)膬杉夁\算放大器小信號圖，如圖1所示，gml、gm2和 gmf分別為第一級差模放大電路的跨導、第二級差模放大電路的跨導和前饋級差模放大電 路的跨導，R1和R 2分別為第一級差模放大電路的輸出電阻和第二級差模放大電路的輸出電 阻，&和&分別為第一級差模放大電路的負載電容和第二級差模放大電路的負載電容。由圖 1可知，該兩級運算放大器電路對應(yīng)的傳遞函數(shù)可表示為下面的公式（1):
⑴
[0023]由公式（1)可得，該傳遞函數(shù)有兩個極點和一個零點，其中，主極點？1可表示為下 面的公式(2):
(2i
[0025]次極點p2可表示為下面的公式(3)
(3 )
[0027]零點z可表示為下面的公式(4)
(4>
[0029] 在傳統(tǒng)的前饋補償中，次極點？2與零點z由于跨導同電阻不可匹配，導致極點零點 位置不能跟蹤。
[0030] 本申請實施例提供的全差分運算放大器可以包括:偏置電路、差模放大電路、共模 反饋電路，其中，所述差模放大電路包括:依次逐級相連的第一級差模放大電路、第二級差 模放大電路及前饋級差模放大電路，所述第一級差模放大電路包括一對差分場效應(yīng)管，所 述第二級差模放大電路包括一對差分場效應(yīng)管，所述第一級差模放大電路中的一對差分場 效應(yīng)管的源極通過兩個源極負反饋電阻R s相連;或者，
[0031 ]所述第二級差模放大電路中的一對差分場效應(yīng)管的源極通過兩個仏相連。
[0032]具體的，假設(shè)對第一級差模放大電路采用電阻源極負反饋，則gml = l/Rs。令kr = R2/ Rs，kgm = gmf/gm2，kc = C2/C1，貝lj零點與次極點的比值m可表示為下面的公式(5 ):
(5)
[0034]當m=l時，零點和次極點位置重合，相位及增益的影響互相抵消，帶寬內(nèi)相位變化 最小最平坦。此時，GBW可表示為下面的公式(6):
(6)
[0036]而采用傳統(tǒng)的密勒補償?shù)倪\算放大器的次極點可表示為下面的公式(7):
(7)
[0038]其中，P2_mille：r為在傳統(tǒng)的密勒補償中的運算放大器的次極點，gm2_millei?為在傳統(tǒng)的 密勒補償中兩級運算放大器的第二級差模放大電路的跨導。在傳統(tǒng)的密勒補償中，為了推 高次極點，大部分的電流都被消耗在運算放大器的第二級差模放大電路，而為了保證穩(wěn)定 性，其GBW值一般只能選取為次極點值的一半，BP
(68)
[0040]而在本申請實施例設(shè)計的全差分運算放大器中，大部分電流可以消耗在前饋級差 模放大電路上，在消耗相同電流的情況下^1^ = 81112_1^11(^，根據(jù)公式(6)、（7)和(8)，本申請實 施例設(shè)計的全差分運算放大器的GBW值為傳統(tǒng)密勒補償中GBW值的兩倍。
[00411在CMOS模擬集成電路設(shè)計中，處于放大區(qū)的M0S管其偏置電流I與跨導gm的關(guān)系可 表示為下面的公式(9) (9；
[0043] 其中，Vod為M0S的過驅(qū)動電壓。在相同驅(qū)動電壓情況下，電流與跨導成正比。結(jié)合公 式(6)、（7)、（8)與(9)，可知，實現(xiàn)相同的GBW值時，本設(shè)計的全差分運算放大器需要的電流 為傳統(tǒng)密勒補償方案的一半。
[0044] 實施中，所述第一級差模放大電路或所述第二級差模放大電路的跨導可以為所述 源極負反饋電阻Rs的倒數(shù)。
[0045] 本申請實施例提供了全差分運算放大器，包括:偏置電路、差模放大電路、共模反 饋電路，其中，所述差模放大電路包括:依次逐級相連的第一級差模放大電路、第二級差模 放大電路及前饋級差模放大電路，所述第一級差模放大電路包括一對差分場效應(yīng)管，所述 第二級差模放大電路包括一對差分場效應(yīng)管，所述第一級差模放大電路中的一對差分場效 應(yīng)管的源極通過兩個源極負反饋電阻R s相連;或者，所述第二級差模放大電路中的一對差 分場效應(yīng)管的源極通過兩個Rs相連。利用電阻源極負反饋技術(shù)，使第一級差模放大電路的 跨導或第二級差模放大電路的跨導為源極負反饋電阻R s的倒數(shù)，實現(xiàn)次極點與零點的精確 跟蹤。相比傳統(tǒng)的密勒補償，實現(xiàn)相同的GBW，本申請?zhí)峁┑募夹g(shù)方案只需消耗傳統(tǒng)的密勒 補償方案的一半的電流，有效降低了功耗。
[0046] 圖2為本申請實施例提供的全差分運算放大器的偏置電路的示意圖，如圖2所示， 實施中，所述配置電路，所述偏置電路可以包括:場效應(yīng)管M1、M2、M3、M4、M5、M6、M7、M8、M9、 110、111、112、113，其中肩1、12、13、110及姐2的源極均連接至電壓信號￥00，11的柵極及漏 極、M2的柵極、M3的柵極均連接至電流信號IBIAS，M2的漏極輸出電壓信號Vbn2并連接至M4 的漏極，M3的漏極輸出電壓信號Vbn并連接至M6的漏極，M4的源極連接至M5的漏極，M4、M5的 柵極連接至電壓信號Vbn2，M10、Mll的柵極均連接至電壓信號Vbp2，M10的漏極連接至Mil的 源極，Mil的漏極輸出電壓信號Vbp2并連接至M7的漏極，M6、M7、M8的柵極均連接至電壓信號 Vbn，Ml 2的柵極連接至電壓信號Vbp，Ml 2的漏極連接至Ml 3的源極，Ml 3的柵極連接至信號 Vcom，Ml 3的漏極輸出電壓信號Vbp并連接至M9的漏極，M9的柵極連接至電壓信號Vbn2，M9的 源極連接至M8的漏極，M5、M6、M7及M8的源極均連接至信號地GND。
[0047] 具體實施中，所述偏置電路的輸入為電流源，偏置電路輸出2個電流源偏置電壓 Vbn、Vbp以及共源共柵極偏置電壓Vbn2、Vbp2，為差模放大電路、共模反饋電路提供偏置電壓信 號。
[0048] 具體的，所述電流源為帶隙基準電流源。帶隙基準電流源，即，Bandgap Voltage Reference，常常有人簡單地稱它為Bandgap。最經(jīng)典的帶隙基準是利用一個與溫度成正比 的電壓與一個與溫度成反比的電壓之和，二者溫度系數(shù)相互抵消，實現(xiàn)與溫度無關(guān)的電壓 基準，約為1.25V。因為其基準電壓與硅的帶隙電壓差不多，因而稱為帶隙基準。實際上利用 的不是帶隙電壓。
[0049]模擬電路廣泛的包含電壓基準和電流基準。這種基準是直流量，它與電源和工藝 參數(shù)的關(guān)系很小，但與溫度的關(guān)系是確定的。基準電流源是指在模擬集成電路中用來作為 其它電路的電流基準的高精度、低溫度系數(shù)的電流源。電流源作為模擬集成電路的關(guān)鍵電 路單元，廣泛應(yīng)用于運算放大器、A/D轉(zhuǎn)換器、D/A轉(zhuǎn)換器中。偏置電流源的設(shè)計是基于一個 已經(jīng)存在的標準參考電流源的復制，然后輸出給系統(tǒng)的其他模塊。因此，電流源的精度直接 影響到整個系統(tǒng)的精度和穩(wěn)定性。
[0050] 圖3為本申請實施例提供的全差分運算放大器的差模放大電路的示意圖一，如圖3 所示，所述第一級差模放大電路可以包括:場效應(yīng)管M14、M15、M16、M17、M22、M23、M24、M25、 皿26、]?27、]/128、]/129，電阻1^、電容(： 1，其中，]/114、]/115、]/116與]/117的源極均連接至電壓信號￥00， M14、M15、M16與M17的柵極均連接至電壓信號Vbp，M14的漏極連接至M22的源極，M15的漏極 連接至M23的源極，M16的漏極連接至M24的源極，M17的漏極連接至M25的源極;M22的柵極均 連接至Vinn，M23的柵極均連接至Vinp，M22的漏極連接至M28的漏極，M23的漏極連接至M29 的漏極，M22的源極與M23的源極通過兩個源極負反饋電阻R s相連;M24、M25的柵極均連接至 電壓信號Vbp2，M24的漏極連接至M26的漏極、Ci的一端及第二級差模放大電路，M25的漏極 連接至M27的漏極、Ci的一端及第二級差模放大電路;M26、M27的柵極均連接至電壓信號 Vbn2，M26的源極連接至M28的漏極，M27的源極連接至M29的漏極;M28、M29的柵極均連接至 Vcmf b 1; M28、M29的源極及&的另一端均連接GND。
[0051] 具體實施中，所述第一級差模放大電路采用電阻源極負反饋時，所述第一級差模 放大電路可以采用折疊式共源共柵極結(jié)構(gòu)。
[0052]實施中，所述差模放大電路中的差分場效應(yīng)管及所述共模反饋電路中的差分場效 應(yīng)管可以為同類型的PM0S管。
[0053]具體實施中，所述差模放大電路中的差分場效應(yīng)管及所述共模反饋電路中的差分 場效應(yīng)管采用同類型的PM0S管，由于采用同種類型的PM0S放大管，可排除不同類型器件的 差異性，實現(xiàn)精確匹配。
[0054]所述PM0S管的尺寸可以與偏置電流成正比，即：所述差模放大電路中的差分場效 應(yīng)管及所述共模反饋電路中的差分場效應(yīng)管采用的PM0S管的尺寸與偏置電路的偏置電流 成正比。偏置電路的偏置電流來源于電流鏡，不隨PVT變化，也可精確匹配。
[0055] 圖4為本申請實施例提供的全差分運算放大器的差模放大電路的示意圖二，如圖4 所示，所述第二級差模放大電路可以包括:場效應(yīng)管組8、]?19、]/00、]/01、]/02、]/03，電阻1^、1? 2 及電容C2,其中，M18、M19的源極均連接至電源電壓VDD，M18、M19的柵極均連接至電壓信號 Vbp，M18的漏極連接至M30的源極，M19的漏極連接至M31的源極;M30的源極與M31的源極通 過兩個源極負反饋電阻R s相連，M30及M31的柵極均連接至第一級差模放大電路，M30的漏極 輸出電壓信號Voutn并連接至M32的漏極，M31的漏極輸出電壓信號Voirtp并連接至M33的漏 極，M30及M31的漏極之間通過兩個電阻R2連接，且M30及M31的漏極均連接至前饋級差模放 大電路；所述兩個電阻R2中間輸出電壓信號Vcmfb ; M32及M33的漏極均連接至C2的一端， M32、M33的漏極及C2的另一端均連接至GND。
[0056] 具體實施中，將所述第二級差模放大電路中構(gòu)成一對差分場效應(yīng)管的場效應(yīng)管 M30及M31采用電阻源極負反饋時對應(yīng)的差模放大電路，
[0057] 實施中，所述第二級差模放大電路的輸出電阻辦與所述源極負反饋電阻Rs可以為 同類型的電阻。
[0058] 具體實施中，第二級差模放大電路的輸出電阻R2主要由共模檢測電阻決定，即次 極點位置與R2成比例。當對第一級差模放大電路或第二級差模放大電路采用電阻源極負反 饋后，第一級差模放大電路的跨導或第二級差模放大電路的跨導與所述源極負反饋電阻Rs 成反比，第二級差模放大電路的輸出電阻R#PRS可采用同類型電阻制成，R#PRS的比值關(guān)系 不隨PVT變化，次極點與零點的相對位置即可精確確定，不隨PVT變化。
[0059] 如圖3或圖4所示，所述前饋級差模放大電路可以包括：場效應(yīng)管M20、M21、M36、 M37、M38、M39，其中，M20、M21的源極均連接至電源電壓VDD，M20、M21的柵極均連接至電壓信 號Vbp，M20的漏極連接至M38的源極，M21的漏極連接至M39的源極;M36、M37的源極均連接至 電源電壓VDD，M36、M37的柵極均連接至Vcmfb2，M36的漏極連接至M38的源極，M37的漏極連 接至M39的源極;M38的柵極連接至Vinp，M39的柵極連接至Vinn，M38及M39的漏極均連接至 第二級差模放大電路。
[0060] 圖5為本申請實施例提供的全差分運算放大器的共模反饋電路的示意圖，如圖5所 示，當所述第一級差模放大電路采用電阻源極負反饋時，所述共模反饋電路可以包括:第一 級共模反饋電路及前饋級共模反饋電路;其中，
[0061 ] 所述第一級共模反饋電路可以包括：場效應(yīng)管M40、M41、M44、M45、M46、M47、M48、 M49,其中，M40、M41的源極均連接至電壓信號VDD，M40、M41的柵極均連接至電壓信號Vbp， M4 0的漏極連接至M4 4的源極，M41的漏極連接至M4 5的源極，M44的柵極連接至電壓信號 Vcom，M45的柵極連接至電壓信號Vcomfb，M44的源極與M45的源極通過兩個源極負反饋電阻 Rs相連，M44的漏極連接至M46的漏極及M48的柵極，M45的漏極輸出電壓信號Vcmfbl并連接 至M47的漏極，M46、M47的柵極均連接至電壓信號Vbn2，M46的源極連接至M48的漏極，M47的 源極連接至M49的漏極，M49的柵極連接至電壓信號Vcmf b 1，M48、M49的源極均連接至GND; [0062] 所述前饋級共模反饋電路可以包括：場效應(yīng)管M42、M43、M50、M51、M52、M53、M54、 皿55、]?56、]/157、]/158、]/159，其中，]/142、]/143及159的源極均連接至電壓信號￥00，]/142、]/143的柵極 均連接至電壓信號Vbp，M42的漏極連接至M50的源極，M43的漏極連接至M51的源極，M50的源 極與M51的源極相連，M50的柵極連接至電壓信號Vcom，M51的柵極連接至電壓信號Vcomfb， M50的漏極連接至M52的漏極及M55的柵極，M51的漏極連接至M53的漏極、M56的柵極及M57的 柵極，M52的源極連接至M55的漏極，M53的源極連接至M56的漏極，M52、M53的柵極均連接至 電壓信號Vbn2，M59的柵極連接至電壓信號Vcmfb2及M54的漏極，M59的漏極連接至M58的源 極，M58的柵極連接至電壓信號Vcom，M58的漏極輸出電壓信號Vcmfb2并連接至M54的漏極， M54的柵極連接至電壓信號Vbn2，M54的源極連接至M57的漏極，M55、M56及M57的源極均連接 至 GND。
[0063] 具體實施中，共模反饋電路與差模放大電路一樣，均采用前饋補償實現(xiàn)。共模反饋 有兩對差分場效應(yīng)管及若干電流鏡組成，兩對差分場效應(yīng)管分別構(gòu)成第一級共模反饋電路 和前饋級共模反饋電路，第二級共模反饋電路與第二級差模放大電路合并，為差模放大電 路和共模反饋電路共用。
[0064] 第一級共模反饋電路、第二級共模反饋電路及前饋級共模反饋電路中的差分場效 應(yīng)管在電路設(shè)計的器件選擇上需要結(jié)合偏置電流及電流鏡比例確定PM0S管的尺寸，當?shù)谝?級共模反饋電路、第二級共模反饋電路及前饋級共模反饋電路中的差分場效應(yīng)管采用相同 類型的PM0S管，則可以實現(xiàn)第一級共模反饋電路、第二級共模反饋電路及前饋級共模反饋 電路的相互比例不隨PVT變化，因此共模反饋環(huán)路中的次極點和零點的相對位置也可精確 地確定，不隨PVT變化。
[0065] 若所述第一級差模放大電路采用電阻源極負反饋時，則第一級共模反饋電路可以 采用電阻源極負反饋。
[0066] 具體實施中，如果第一級差模放大電路采用電阻源極負反饋，則第一級共模反饋 電路也需要采用電阻源極負反饋與之匹配；如果第二級差模放大電路采用電阻源極負反 饋，則共模反饋電路中的第二級電路（即，第二級共模反饋電路，與第二級差模放大電路合 并，圖5中未示出)無需再加入電阻源極負反饋。
[0067] 實施中，所述全差分運算放大器還可以包括:所述第一級差模放大電路的負載電 容&和所述第二級差模放大電路的負載電容C 2,所述&和所述C2為同類型的電容。
[0068] 具體實施中，&和&可用同一種類型的電容制成，兩者比值不受PVT影響，可保證全 差分運算放大器的精確匹配。
[0069] 上面是對本申請實施例提供的全差分運算放大器的組成電路進行分別說明。圖6 為本申請實施例提供的全差分運算放大器的整體電路示意圖，如圖6所示，依序?qū)D2所示 的配置電路、圖3所示的對第一級差模放大電路采用電阻源極負反饋的差模放大電路(或圖 4所示的對第二級差模放大電路采用電阻源極負反饋的差模放大電路)及圖5所示的共模反 饋電路進行連接，即可得到圖6所示的整體電路。
[0070] 本申請實施例提供了全差分運算放大器，包括:偏置電路、差模放大電路、共模反 饋電路，其中，所述差模放大電路包括:依次逐級相連的第一級差模放大電路、第二級差模 放大電路及前饋級差模放大電路，所述第一級差模放大電路包括一對差分場效應(yīng)管，所述 第二級差模放大電路包括一對差分場效應(yīng)管，所述第一級差模放大電路中的一對差分場效 應(yīng)管的源極通過兩個源極負反饋電阻R s相連;或者，所述第二級差模放大電路中的一對差 分場效應(yīng)管的源極通過兩個Rs相連。利用電阻源極負反饋技術(shù)，使第一級差分放大電路的 跨導或第二級差分放大電路的跨導為源極負反饋電阻R s的倒數(shù)，實現(xiàn)次極點與零點的精確 跟蹤。相比傳統(tǒng)的密勒補償，實現(xiàn)相同的GBW，本申請?zhí)峁┑募夹g(shù)方案只需消耗傳統(tǒng)的密勒 補償方案的一半的電流，有效降低了功耗。
[0071 ]在本申請實施例中，"連接"、"相連"、"連"、"接"等表示電性相連的詞語，如無特別 說明，則表示直接或間接的電性連接。
[0072]盡管已描述了本申請的優(yōu)選實施例，但本領(lǐng)域內(nèi)的技術(shù)人員一旦得知了基本創(chuàng)造 性概念，則可對這些實施例作出另外的變更和修改。所以，所附權(quán)利要求意欲解釋為包括優(yōu) 選實施例以及落入本申請范圍的所有變更和修改。
[0073]顯然，本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以對本申請進行各種改動和變型而不脫離本申請的精 神和范圍。這樣，倘若本申請的這些修改和變型屬于本申請權(quán)利要求及其等同技術(shù)的范圍 之內(nèi)，則本申請也意圖包含這些改動和變型在內(nèi)。
【主權(quán)項】
1. 全差分運算放大器，其特征在于，包括:偏置電路、差模放大電路、共模反饋電路，其 中，所述差模放大電路包括:依次逐級相連的第一級差模放大電路、第二級差模放大電路及 前饋級差模放大電路，所述第一級差模放大電路包括一對差分場效應(yīng)管，所述第二級差模 放大電路包括一對差分場效應(yīng)管，所述第一級差模放大電路中的一對差分場效應(yīng)管的源極 通過兩個源極負反饋電阻Rs相連;或者， 所述第二級差模放大電路中的一對差分場效應(yīng)管的源極通過兩個Rs相連。2. 如權(quán)利要求1所述的放大器，其特征在于，所述第一級差模放大電路或所述第二級差 模放大電路的跨導為所述源極負反饋電阻Rs的倒數(shù)。3. 如權(quán)利要求1所述的放大器，其特征在于，所述偏置電路包括：場效應(yīng)管Ml、M2、M3、 皿4、]/15、]/16、]/17、]/18、]/19、]/110、]/111、]/112、]/113，其中，]/11、]/12、]/0、]/110及組2的源極均連接至電壓信 號VDD，M1的柵極及漏極、M2的柵極、M3的柵極均連接至電流信號IBIAS，M2的漏極輸出電壓 信號Vbn2并連接至M4的漏極，M3的漏極輸出電壓信號Vbn并連接至M6的漏極，M4的源極連接 至M5的漏極，M4、M5的柵極連接至電壓信號￥1^2，110、111的柵極均連接至電壓信號￥匕？2， M10的漏極連接至Mil的源極，Mil的漏極輸出電壓信號Vbp2并連接至M7的漏極，M6、M7、M8的 柵極均連接至電壓信號Vbn，M12的柵極連接至電壓信號Vbp，M12的漏極連接至M13的源極， Ml 3的柵極連接至信號Vcom，Ml 3的漏極輸出電壓信號Vbp并連接至M9的漏極，M9的柵極連接 至電壓信號Vbn2，M9的源極連接至M8的漏極，M5、M6、M7及M8的源極均連接至信號地GND。4. 如權(quán)利要求1所述的放大器，其特征在于，所述第一級差模放大電路包括:場效應(yīng)管 皿14、]?15、]/116、]/117、]/122、]/123、]/124、]/125、]/126、]/127、]/128、]/129，電阻^、電容(：1，其中，]/114、]/115、]/116 與M17的源極均連接至電壓信號￥00，114、115、116與組7的柵極均連接至電壓信號￥&?，114 的漏極連接至M22的源極，M15的漏極連接至M23的源極，M16的漏極連接至M24的源極，M17的 漏極連接至M25的源極;M22的柵極均連接至Vinn，M23的柵極均連接至Vinp，M22的漏極連接 至M28的漏極，M23的漏極連接至M29的漏極，M22的源極與M23的源極通過兩個源極負反饋電 阻R s相連;M24、M25的柵極均連接至電壓信號Vbp2，M24的漏極連接至M26的漏極、&的一端及 第二級差模放大電路，M25的漏極連接至M27的漏極、&的一端及第二級差模放大電路;M26、 M27的柵極均連接至電壓信號Vbn2，M26的源極連接至M28的漏極，M27的源極連接至M29的漏 極;M28、M29的柵極均連接至Vcmfbl;M28、M29的源極及&的另一端均連接GND。5. 如權(quán)利要求1所述的放大器，其特征在于，所述第二級差模放大電路包括:場效應(yīng)管 皿18、]/119、]/00、]/01、]/02、]/03，電阻1^、1? 2及電容(：2，其中，]/118、]/119的源極均連接至電源電壓 VDD，M18、M19的柵極均連接至電壓信號Vbp，M18的漏極連接至M30的源極，M19的漏極連接至 M31的源極;M30的源極與M31的源極通過兩個源極負反饋電阻Rs相連，M30及M31的柵極均連 接至第一級差模放大電路，M30的漏極輸出電壓信號Voutn并連接至M32的漏極，M31的漏極 輸出電壓信號Voutp并連接至M33的漏極，M30及M31的漏極之間通過兩個電阻R2連接，且M30 及M31的漏極均連接至前饋級差模放大電路;所述兩個電阻R2中間輸出電壓信號Vcmfb; M32 及M33的漏極均連接至C2的一端，M32、M33的漏極及C2的另一端均連接至GND。6. 如權(quán)利要求1所述的放大器，其特征在于，所述前饋級差模放大電路包括:場效應(yīng)管 皿20、]/121、]/06、]/07、]/08、]/09，其中，]/120、]/121的源極均連接至電源電壓￥00，]/120、]/121的柵極均 連接至電壓信號Vbp，M20的漏極連接至M38的源極，M21的漏極連接至M39的源極;M36、M37的 源極均連接至電源電壓VDD，M36、M37的柵極均連接至Vcmfb2，M36的漏極連接至M38的源極， M37的漏極連接至M39的源極;M38的柵極連接至Vinp，M39的柵極連接至Vinn，M38及M39的漏 極均連接至第二級差模放大電路。7. 如權(quán)利要求1所述的放大器，其特征在于，當所述第一級差模放大電路采用電阻源極 負反饋時，所述共模反饋電路包括:第一級共模反饋電路及前饋級共模反饋電路;其中， 所述第一級共模反饋電路包括:場效應(yīng)管M40、M41、M44、M45、M46、M47、M48、M49，其中， M40、M41的源極均連接至電壓信號VDD，M40、M41的柵極均連接至電壓信號Vbp，M40的漏極連 接至M44的源極，M41的漏極連接至M45的源極，M44的柵極連接至電壓信號Vcom，M45的柵極 連接至電壓信號Vcomfb，M44的源極與M45的源極通過兩個源極負反饋電阻R s相連，M44的漏 極連接至M46的漏極及M48的柵極，M45的漏極輸出電壓信號Vcmf b 1并連接至M47的漏極， M46、M47的柵極均連接至電壓信號Vbn2，M46的源極連接至M48的漏極，M47的源極連接至M49 的漏極，M49的柵極連接至電壓信號Vcmf b 1，M48、M49的源極均連接至GND; 所述前饋級共模反饋電路包括：場效應(yīng)管M42、M43、M50、M51、M52、M53、M54、M55、M56、 皿57、]?58、]/159，其中，]/142、]/143及159的源極均連接至電壓信號￥00，]/142、]/143的柵極均連接至 電壓信號Vbp，M42的漏極連接至M50的源極，M43的漏極連接至M51的源極，M50的源極與M51 的源極相連，M50的柵極連接至電壓信號Vcom，M51的柵極連接至電壓信號Vcomfb，M50的漏 極連接至M52的漏極及M55的柵極，M51的漏極連接至M53的漏極、M56的柵極及M57的柵極， M52的源極連接至M55的漏極，M53的源極連接至M56的漏極，M52、M53的柵極均連接至電壓信 號Vbn2，M59的柵極連接至電壓信號Vcmfb2及M54的漏極，M59的漏極連接至M58的源極，M58 的柵極連接至電壓信號Vcom，M58的漏極輸出電壓信號Vcmfb2并連接至M54的漏極，M54的柵 極連接至電壓信號Vbn2，M54的源極連接至M57的漏極，M55、M56及M57的源極均連接至GND。8. 如權(quán)利要求1所述的放大器，其特征在于，所述差模放大電路中的差分場效應(yīng)管及所 述共模反饋電路中的差分場效應(yīng)管為同類型的PM0S管。9. 如權(quán)利要求1所述的放大器，其特征在于，所述第二級差模放大電路的輸出電阻辦與 所述源極負反饋電阻Rs為同類型的電阻。10. 如權(quán)利要求1所述的放大器，其特征在于，還包括:所述第一級差模放大電路的負載 電容&和所述第二級差模放大電路的負載電容C 2,所述&和所述C2為同類型的電容。
【文檔編號】H03F1/14GK205725659SQ201620389911
【公開日】2016年11月23日
【申請日】2016年4月29日
【發(fā)明人】馬科, 夏波
【申請人】無錫中感微電子股份有限公司
相關(guān)技術(shù)
網(wǎng)友詢問留言
已有0條留言
- 還沒有人留言評論。精彩留言會獲得點贊！
1