專利名稱：基于mos器件的低功耗帶寬倍增斬波穩(wěn)定運算放大器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于模擬集成電路設(shè)計領(lǐng)域，特別涉及一種基于MOS器件的低功耗帶寬倍增斬波穩(wěn)定運算放大器。
背景技術(shù)：
20世紀(jì)年代以來，隨著亞微米、超深亞微米技術(shù)的發(fā)展和系統(tǒng)芯片技術(shù)的日益成熟，采用電池供電的便攜式電子產(chǎn)品獲得了迅猛發(fā)展和快速普及。由于電池技術(shù)的發(fā)展遠(yuǎn)遠(yuǎn)跟不上與電子系統(tǒng)的發(fā)展，從心臟起搏器到助聽器、移動電話和各種各樣產(chǎn)品都對電子產(chǎn)品的供電電壓提出了嚴(yán)格的限制。另一方面，隨著器件尺寸不斷的縮小，工藝的擊穿電壓也在降低，亦對電源電壓提出了嚴(yán)格的限制。電子器件性能要求越來越高，開發(fā)周期越來越短，對開發(fā)與生產(chǎn)成本的制約也日趨嚴(yán)格，使低壓模擬集成電路受到了極大的關(guān)注。運算放大器是模擬電路中最重要的電路單元，廣泛應(yīng)用于模擬電路和混合信號處理電路中，如開關(guān)電容，模數(shù)、數(shù)模轉(zhuǎn)換器等。但是由于晶體管的閾值電壓并不隨著特征尺寸的減小而線性減小，所以在低電源電壓環(huán)境下，運算放大器的各項新能指標(biāo)會大大減小。 為了提高運放的性能，增大電路處理信號的帶寬范圍，就必須對傳統(tǒng)的折疊共源共柵運放進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計，這就促成了各種新型的低功耗寬帶放大器的產(chǎn)生與發(fā)展。同時在低壓環(huán)境下，運算放大器低頻噪聲的影響會增大。為了提高運放的噪聲性能，增大信號的信噪比，就必須對運放的結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計，這就促成了斬波穩(wěn)定放大器的產(chǎn)生與發(fā)展。近幾年來，低功耗寬帶斬波穩(wěn)定運算放大器已大量涌現(xiàn)，各大公司也紛紛推出自己相應(yīng)的產(chǎn)品。其應(yīng)用十分廣泛，可用在DVD播放器、聲卡、手機(jī)、系統(tǒng)、傳感器等各種電路當(dāng)中。傳統(tǒng)的折疊共源共柵斬波穩(wěn)定放大器主要具有以下幾個特點(1)低頻Ι/f噪聲被很好的抑制。(2)具有較高的低頻增益和較寬的帶寬。(3)輸出電壓可以達(dá)到電源電壓正負(fù)兩級。傳統(tǒng)的斬波穩(wěn)定折疊共源共柵放大器的電路結(jié)構(gòu)如圖1所示。輸入信號先經(jīng)過一個混頻器，然后進(jìn)入放大器的輸入級，輸入級由兩個PMOS管Pl、P2組成，其將正反兩個方向的電流同時折疊流經(jīng)N3、N4到正負(fù)輸出端，最后放大器的輸出端再次經(jīng)過一個混頻器到輸出端。其中，NMOS管Ni、N2都起到電流源的作用。但是，傳統(tǒng)的斬波穩(wěn)定折疊共源共柵放大器存在以下不足1.相比于其他類型的放大器，其靜態(tài)功耗高。2.電流源N1、N2只是充當(dāng)電流源，未被利用傳輸小信號電流，是一種“浪費”。3.在功耗要求嚴(yán)格的情況下，難以達(dá)到高帶寬的性能。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是為克服已有技術(shù)的不足之處，提出一種基于MOS器件的低功耗帶寬倍增斬波穩(wěn)定運算放大器，其特征在于，所述低功耗帶寬倍增斬波穩(wěn)定運算放大器包括兩個混頻器、分流輸入級、放大回收電流的中間級和軌到軌輸出級；其中兩個混頻器中一個置于放大器輸入級之前，另一個置于放大器輸出級之后，實現(xiàn)對輸入信號的升頻和降頻功能；分流輸入級由PMOS管Pla、P2a以及NMOS管mb、N2b組成；所述放大回收電流的中間級包括由匪OS管N4、N6、N7組成的第一電流鏡，由匪OS管N8、N10, Nll組成的第二電流鏡， 由PMOS管P4、P6、P7組成的第三電流鏡以及由P8、P10、Pll組成的第四電流鏡；所述軌到軌輸出級是由NMOS管N5、N9以及PMOS管P5、P9組成；所述低功耗帶寬倍增斬波穩(wěn)定運算放大器的正負(fù)輸入信號先通過一個混頻器進(jìn)行混頻，把信號調(diào)制到載波頻帶范圍內(nèi)，然后正向輸入信號通過輸入管Pla將電壓信號轉(zhuǎn)換成向下的電流信號，該信號電流通過由NMOS管N4、N6、N7組成的第一電流鏡被放大K倍， 然后通過N5流向負(fù)向輸出端；同時，正向輸入信號通過輸入管Nlb將電壓信號轉(zhuǎn)換成向上的電流信號，該信號電流通過由PMOS管P4、P6、P7組成的第三電流鏡被放大K倍，然后通過 P5也流向負(fù)向輸出端；負(fù)向輸入信號通過輸入管？加將電壓信號轉(zhuǎn)換成向上的電流信號， 該信號電流通過由NMOS管N8、N10、N11組成的第二電流鏡被放大K倍，然后通過N9流向正向輸出端；同時，負(fù)向輸入信號通過輸入管N2b將電壓信號轉(zhuǎn)換成向下的電流信號，該信號電流通過由NMOS管N8、N10、N11組成的第二電流鏡被放大K倍，然后通過P9也流向正向輸出端，最后正負(fù)輸出信號再次經(jīng)過一個混頻器，將信號調(diào)制到基帶附近。其中的各個MOS管采用常規(guī)MOS晶體管，或采用高遷移率的應(yīng)變硅MOS管，以進(jìn)一步提高該電路的性能。所述輸入級的PMOS管和NMOS管應(yīng)該保持其跨導(dǎo)一致，則PMOS管的尺寸是NMOS 管的尺寸的兩倍。所述由NMOS管N4、N6、N7組成的第一電流鏡與輸入級的Pla管漏極連接，由NMOS 管N8、N10, Nll組成的第二電流鏡與輸入級的Ph管漏極連接，由PMOS管P4、P6、P7組成的第三電流鏡與輸入級的Nlb管漏極連接，由PMOS管P8、P10、P11組成的第四電流鏡與輸入級的N2b管漏極連接。本發(fā)明的這種新型的低功耗帶寬倍增斬波穩(wěn)定運算放大器與傳統(tǒng)設(shè)計方案相比具有以下幾個明顯的優(yōu)點具有在不明顯增加功耗的情況下提高近三倍帶寬的能力；降低低頻1/f噪聲；增加低頻增益；同時還可以在保持同樣的帶寬、噪聲等性能下降低一半以上功耗等諸多優(yōu)點。


圖1為傳統(tǒng)折疊共源共柵斬波穩(wěn)定放大器的電路結(jié)構(gòu)圖。圖2為本發(fā)明的新型低功耗帶寬倍增斬波穩(wěn)定運算放大器的電路結(jié)構(gòu)圖。圖3為本發(fā)明的新型低功耗帶寬倍增斬波穩(wěn)定運算放大器與傳統(tǒng)放大器的頻響仿真對比圖。
具體實施例方式本發(fā)明提供的基于MOS器件的低功耗帶寬倍增斬波穩(wěn)定運算放大器，一種具體實施方式
采用CMOS工藝實現(xiàn)。在圖2中，所述低功耗帶寬倍增斬波穩(wěn)定運算放大器包括兩個混頻器、分流輸入級、放大回收電流的中間級和軌到軌輸出級；其中兩個混頻器中一個置于放大器輸入級之前，另一個置于放大器輸出級之后，實現(xiàn)對輸入信號的升頻和降頻功能；分流輸入級由PMOS管Pla、P2a以及NMOS管Nlb、N2b組成；其中為了保持PMOS管與NMOS管跨導(dǎo)一致，PMOS管的尺寸是NMOS管的尺寸的兩倍。所述放大回收電流的中間級包括由NMOS 管N4、N6、N7組成的第一電流鏡，由NMOS管N8、N10、N11組成的第二電流鏡，由PMOS管P4、 P6、P7組成的第三電流鏡以及由P8、P10、Pll組成的第四電流鏡；所述軌到軌輸出級是由 NMOS管N5、N9以及PMOS管P5、P9組成。該低功耗帶寬倍增斬波穩(wěn)定運算放大器的各MOS 管具有如下鏈接結(jié)構(gòu)正負(fù)輸入信號與第一個混頻器相連接，第一個混頻器的正向輸出與Pla和ma的柵極相連，第一個混頻器的負(fù)向輸出與Ph和N2a的柵極相連，Pla的漏極與N6、N7的柵極相連，Nla的漏極與P6、P7的柵極相連，N2a的漏極與P10、Pll的柵極相連，P2a的漏極與 N10, Nll的柵極相連，P5的漏極與N5的漏極相連，然后與第二個混頻的正向輸入相連，N9 的漏極與P9的漏極相連，然后與第二個混頻器的負(fù)向輸入相連；P12和P13的柵極一起與共模反饋放大電路CMFB相連。所述低功耗帶寬倍增斬波穩(wěn)定運算放大器的工作原理是正負(fù)輸入信號先通過一個混頻器進(jìn)行混頻再送到放大器的輸入端，最后放大器的正負(fù)輸出信號再次經(jīng)過另一個混頻器進(jìn)行降頻再送到輸出端。如圖2所示，正負(fù)輸入信號先通過一個混頻器進(jìn)行混頻，把信號調(diào)制到載波頻帶范圍內(nèi)，然后正向輸入信號通過輸入管Pla將電壓信號轉(zhuǎn)換成向下的電流信號，該信號電流通過由NMOS管N4、N6、N7組成的第一電流鏡被放大K倍，然后通過N5流向負(fù)向輸出端； 同時，正向輸入信號通過輸入管Nlb將電壓信號轉(zhuǎn)換成向上的電流信號，該信號電流通過由PMOS管P4、P6、P7組成的第三電流鏡被放大K倍，然后通過P5也流向負(fù)向輸出端；負(fù)向輸入信號通過輸入管Ph將電壓信號轉(zhuǎn)換成向上的電流信號，該信號電流通過由NMOS管N8、 mo、mi組成的第二電流鏡被放大K倍，然后通過N9流向正向輸出端；同時，負(fù)向輸入信號通過輸入管N2b將電壓信號轉(zhuǎn)換成向下的電流信號，該信號電流通過由NMOS管N8、N10、N11 組成的第二電流鏡被放大K倍，然后通過P9也流向正向輸出端，然后通過P5也流向負(fù)向輸出端，最后經(jīng)過混頻器降頻到輸出端。由此可得，輸入等效跨導(dǎo)被放大了觀倍。本發(fā)明中， K的值被取為3，因此放大器的帶寬被放大到原來的三倍。最后正負(fù)輸出信號再次經(jīng)過一個混頻器，將信號調(diào)制到基帶附近。其中的各個MOS管采用常規(guī)MOS晶體管，或采用高遷移率的應(yīng)變硅MOS管，以進(jìn)一步提高該電路的性能。所述由NMOS管N4、N6、N7組成的第一電流鏡與輸入級的Pla管漏極連接，由NMOS 管N8、N10, Nll組成的第二電流鏡與輸入級的Ph管漏極連接，由PMOS管P4、P6、P7組成的第三電流鏡與輸入級的Nlb管漏極連接，由PMOS管P8、P10、P11組成的第四電流鏡與輸入級的N2b管漏極連接。圖3為本發(fā)明的新型的低功耗帶寬倍增斬波穩(wěn)定運算放大器與傳統(tǒng)折疊共源共柵斬波穩(wěn)定放大器的頻響仿真結(jié)果對比圖。從圖中可以看出，(在K值取為3時)本發(fā)明的新型低功耗帶寬倍增斬波穩(wěn)定運算放大器的帶寬相比于傳統(tǒng)折疊共源共柵斬波穩(wěn)定放大器提高三倍。同時，低頻增益仍然略有提高。由于低頻Ι/f噪聲被調(diào)制到了高頻，所以在低頻處，噪聲得到了很好的抑制。
權(quán)利要求
1.一種基于MOS器件的低功耗帶寬倍增斬波穩(wěn)定運算放大器，其特征在于，所述低功耗帶寬倍增斬波穩(wěn)定運算放大器包括兩個混頻器、分流輸入級、放大回收電流的中間級和軌到軌輸出級；其中兩個混頻器中一個置于放大器輸入級之前，另一個置于放大器輸出級之后，實現(xiàn)對輸入信號的升頻和降頻功能；分流輸入級由PMOS管Pla、Ph以及NMOS管mb、 N2b組成；所述放大回收電流的中間級包括由NMOS管N4、N6、N7組成的第一電流鏡，由NMOS 管N8、N10、N11組成的第二電流鏡，由PMOS管P4、P6、P7組成的第三電流鏡以及由P8、P10、 Pll組成的第四電流鏡；所述軌到軌輸出級是由NMOS管N5、N9以及PMOS管P5、P9組成；所述低功耗帶寬倍增斬波穩(wěn)定運算放大器的正負(fù)輸入信號先通過一個混頻器進(jìn)行混頻，把信號調(diào)制到載波頻帶范圍內(nèi)，然后正向輸入信號通過輸入管Pla將電壓信號轉(zhuǎn)換成向下的電流信號，該信號電流通過由NMOS管N4、N6、N7組成的第一電流鏡被放大K倍，然后通過N5流向負(fù)向輸出端；同時，正向輸入信號通過輸入管Nlb將電壓信號轉(zhuǎn)換成向上的電流信號，該信號電流通過由PMOS管P4、P6、P7組成的第三電流鏡被放大K倍，然后通過 P5也流向負(fù)向輸出端；負(fù)向輸入信號通過輸入管？加將電壓信號轉(zhuǎn)換成向上的電流信號， 該信號電流通過由NMOS管N8、N10、N11組成的第二電流鏡被放大K倍，然后通過N9流向正向輸出端；同時，負(fù)向輸入信號通過輸入管N2b將電壓信號轉(zhuǎn)換成向下的電流信號，該信號電流通過由NMOS管N8、N10、N11組成的第二電流鏡被放大K倍，然后通過P9也流向正向輸出端，最后正負(fù)輸出信號再次經(jīng)過一個混頻器，將信號調(diào)制到基帶附近。其中的各個MOS管采用常規(guī)MOS晶體管，或采用高遷移率的應(yīng)變硅MOS管，以進(jìn)一步提高該電路的性能。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述基于MOS器件的低功耗帶寬倍增斬波穩(wěn)定運算放大器，其特征在于，所述輸入級的PMOS管和NMOS管應(yīng)該保持其跨導(dǎo)一致，則PMOS管的尺寸是NMOS管的尺寸的兩倍。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述基于MOS器件的低功耗帶寬倍增斬波穩(wěn)定運算放大器，其特征在于，所述由NMOS管N4、N6、N7組成的第一電流鏡與輸入級的Pla管漏極連接，由NMOS管 N8、N10、N11組成的第二電流鏡與輸入級的Ph管漏極連接，由PMOS管P4、P6、P7組成的第三電流鏡與輸入級的Nlb管漏極連接，由PMOS管P8、P10、P11組成的第四電流鏡與輸入級的N2b管漏極連接。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述基于MOS器件的低功耗帶寬倍增斬波穩(wěn)定運算放大器，其特征在于，正負(fù)輸入信號先通過一個混頻器進(jìn)行混頻再送到放大器的輸入端，最后放大器的正負(fù)輸出信號再次經(jīng)過另一個混頻器進(jìn)行降頻再送到輸出端。
全文摘要
本發(fā)明公開了屬于模擬集成電路設(shè)計領(lǐng)域的一種基于MOS器件的低功耗帶寬倍增斬波穩(wěn)定運算放大器。包括兩個混頻器、分流輸入級、放大回收電流的中間級和軌到軌輸出級；其中一個混頻器置于放大器輸入級之前，另一個混頻器置于放大器輸出級之后，實現(xiàn)對輸入信號的升頻和降頻功能；分流輸入級將輸入電壓信號轉(zhuǎn)換成電流信號，并形成正反雙向的小信號電流；放大回收電流的中間級由四個低壓電流鏡組成，實現(xiàn)對回收電流的放大；軌到軌輸出級實現(xiàn)信號的軌到軌輸出；本發(fā)明具有在不明顯增加功耗的情況下提高近三倍帶寬的能力；降低低頻1/f噪聲；增加低頻增益；同時還可以在保持同樣的帶寬、噪聲等性能下降低一半以上功耗，進(jìn)一步提高該電路的性能。
文檔編號H03F3/45GK102158181SQ20111006126
公開日2011年8月17日 申請日期2011年3月15日 優(yōu)先權(quán)日2011年3月15日
發(fā)明者方華軍, 梁仁榮, 王敬, 許軍, 趙曉 申請人:清華大學(xué)