專利名稱：一種低功耗大擺幅開關(guān)型運(yùn)算放大器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種可用于開關(guān)電容電路的新型開關(guān)型運(yùn)算放大器，尤其 涉及一種低功耗大擺幅的開關(guān)型運(yùn)算放大器。
背景技術(shù)：
模數(shù)轉(zhuǎn)換器作為模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)的接口轉(zhuǎn)換電路，被廣泛應(yīng)用于 通信基站、醫(yī)療設(shè)備、衛(wèi)星接收系統(tǒng)、雷達(dá)、紅外成像、數(shù)字示波器、消 費(fèi)類電子等領(lǐng)域。受到消費(fèi)電子市場(chǎng)的不斷推動(dòng)，由電池供電的便攜式設(shè) 備日益普及，要求模數(shù)轉(zhuǎn)換器在實(shí)現(xiàn)高性能的同時(shí)消耗盡可能小的功耗。 同時(shí)，隨著集成電路工藝的不斷發(fā)展，電源電壓在不斷地降低，因此低電 壓設(shè)計(jì)也是非常的重要。
模數(shù)轉(zhuǎn)換器一般通過工作在一定時(shí)鐘頻率下的開關(guān)電容電路實(shí)現(xiàn)，而 開關(guān)電容電路的核心單元是運(yùn)算放大器。要實(shí)現(xiàn)高性能的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，就
需要高性能的運(yùn)算放大器。圖1是3種典型運(yùn)算放大器的結(jié)構(gòu)。圖l(a)是 套筒式結(jié)構(gòu)的運(yùn)算放大器，具有良好的頻響特性，可以在較低的功耗下實(shí) 現(xiàn)高增益，但是這種結(jié)構(gòu)的運(yùn)算放大器擺幅很小，不適合在低電壓下工作； 圖l(b)是折疊式共源共柵結(jié)構(gòu)的運(yùn)算放大器，和套筒式結(jié)構(gòu)相比，可以 得到更大的擺幅但是需要消耗更大的功耗，并且工作在低電壓下擺幅仍然 很小，也不適合低電壓工作；圖l(c)是典型的兩級(jí)結(jié)構(gòu)的運(yùn)算放大器， 可以得到最大的輸出擺幅，但是由于兩級(jí)運(yùn)放需要通過頻率補(bǔ)償來保證穩(wěn) 定性，因此運(yùn)算放大器的第二級(jí)將會(huì)消耗很大的功耗。
由此可見傳統(tǒng)的幾種運(yùn)算放大器結(jié)構(gòu)在功耗和擺幅方面存在一定的折衷關(guān)系，很難在較低功耗的同時(shí)實(shí)現(xiàn)較大的擺幅。因此要實(shí)現(xiàn)低功耗大 擺幅的運(yùn)算放大器，需要從運(yùn)算放大器的結(jié)構(gòu)上考慮。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供了一種新型開關(guān)型運(yùn)算放大器，能夠得到較大的輸出擺幅 和較低的功耗，可用于任何工作在一定時(shí)鐘頻率下的開關(guān)電容電路。 為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案如下
一種低功耗大擺幅開關(guān)型運(yùn)算放大器，其包含有A.第一級(jí)放大
器，用來輸入放大信號(hào)；B.電平位移電路，包括NMOS管的電平位移 電路和PMOS管的電平位移電路，用于接收所述第一級(jí)放大器輸出的信 號(hào)；C.第二級(jí)放大器，為AB類放大器，包括一 NMOS管與一 PMOS 管以漏端相連，并以所述相連的漏端作為放大信號(hào)的輸出端；所述NMOS 管與PMOS管的柵極均用于接收所述電平位移電路輸出的信號(hào)，同時(shí)， 其偏置狀態(tài)受所述電平位移電路控制；D.補(bǔ)償電路，耦接于所述第一 級(jí)放大器與所述第二級(jí)放大器之間，用來依據(jù)所述第二級(jí)放大器輸出的放 大信號(hào)產(chǎn)生一補(bǔ)償信號(hào)，并將該補(bǔ)償信號(hào)反饋至所述第一級(jí)放大器的輸出
一山順。
進(jìn)一步，所述的運(yùn)算放大器中所述NMOS管的電平位移電路采用2 個(gè)開關(guān)電容電路實(shí)現(xiàn)；每個(gè)所述開關(guān)電容電路包括兩個(gè)電容與四個(gè)開關(guān)， 其中，第一電容連接于所述第一級(jí)放大器輸出端和所述第二級(jí)放大器的 NMOS管柵極之間，并通過第一開關(guān)和第二開關(guān)與第二電容兩端連接，所 述第二電容通過第三開關(guān)與所述第一級(jí)放大器輸出共模電平連接、通過第 四開關(guān)與偏置電壓連接。
作為本發(fā)明優(yōu)選方式之一，所述PMOS管的電平位移電路采用2個(gè) 開關(guān)電容電路實(shí)現(xiàn)；每個(gè)所述開關(guān)電容電路包括兩個(gè)電容與四個(gè)開關(guān)，其 中，第一電容連接于所述第一級(jí)放大器輸出端和 所述第二級(jí)放大器的PMOS管柵極之間，并通過第一開關(guān)和第二開關(guān)與第二電容兩端連接，所 述第二電容通過第三開關(guān)與所述第一級(jí)放大器輸出共模電平連接、通過第 四開關(guān)與偏置電壓連接。再者，所述PMOS管的電平位移電路采用2個(gè)電流鏡像電路方式實(shí) 現(xiàn)；每個(gè)所述電流鏡像電路為PMOS電流鏡，包括一個(gè)源極和柵極相連 并與所述第二級(jí)放大器的PMOS管柵極相連的PMOS管，及連接在PMOS 管和地之間的NMOS管，NMOS管的柵極接其對(duì)稱側(cè)第二級(jí)放大器的 NMOS輸入管柵極。更進(jìn)一歩，所述的運(yùn)算放大器中的所述第一級(jí)放大器為套筒式結(jié)構(gòu)差 分放大器，且所述第一級(jí)放大器的輸出共模電平設(shè)置為電源電壓的一半， 使所述套筒式結(jié)構(gòu)差分放大器的所有晶體管工作在飽和區(qū)。較佳的，所述的運(yùn)算放大器中的所述補(bǔ)償電路為嵌套式密勒補(bǔ)償電 路，即同時(shí)采用密勒補(bǔ)償電容和共柵補(bǔ)償電容來實(shí)現(xiàn)所述補(bǔ)償電路。所述 密勒補(bǔ)償電容連接于所述第一級(jí)放大器的輸出和所述第二級(jí)放大器的輸 出之間。所述共柵補(bǔ)償電容連接于所述第一級(jí)放大器的輸入NMOS管的 漏極和所述第二級(jí)放大器的輸出之間。本發(fā)明由于采用了上述的技術(shù)方案，使之與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下的 優(yōu)點(diǎn)和積極效果本發(fā)明通過使用兩級(jí)放大器，高增益由第一級(jí)放大器實(shí)現(xiàn)，減少了第 二級(jí)放大器的MOS管數(shù)量，實(shí)現(xiàn)了較大的輸出擺幅；同時(shí)，在兩級(jí)放大 器之間增加的電平位移電路，改變了第二級(jí)放大器MOS管的偏置狀態(tài)， 使得第二級(jí)放大器的MOS管具有更小的過驅(qū)動(dòng)電壓，從而可以在更小的 偏置電流下獲得更大的跨導(dǎo)，因此降低了整個(gè)運(yùn)算放大器的功耗；采用電 流鏡鏡像的方式實(shí)現(xiàn)AB類輸出，從而減少了一半電平位移電路的使用， 也大大的減小面積的消耗；由此，獲得了高性能的低功耗大擺幅的幵關(guān)型 運(yùn)算放大器。


通過以下對(duì)本發(fā)明的實(shí)施例并結(jié)合其附圖的描述，可以進(jìn)一步理解本發(fā) 明的目的、具體結(jié)構(gòu)特征和優(yōu)點(diǎn)。其中，附圖為圖l(a)、 (b)、 (c)為現(xiàn)有的三種典型運(yùn)算放大器的結(jié)構(gòu)示意圖。 圖2為本發(fā)明開關(guān)電容運(yùn)算放大器實(shí)施例1的結(jié)構(gòu)示意圖。 圖3為本發(fā)明開關(guān)電容運(yùn)算放大器實(shí)施例2的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合附圖來加以詳細(xì)說明。圖2為改進(jìn)型開關(guān)電容運(yùn)算放大器的第一種結(jié)構(gòu)。電源電壓為^,， 首先為了得到較高的增益，第一級(jí)放大器采用了套筒式結(jié)構(gòu)，并且將第一 級(jí)放大器的輸出共模電平設(shè)置在lr，以使該級(jí)晶體管都能夠工作在飽和區(qū)。為了提高電流的利用率，第二級(jí)放大器采用AB類輸出，第一級(jí)放大 器的輸出同時(shí)接到NMOS管和PMOS管的輸入，因此NMOS管和PMOS管對(duì)第二級(jí)放大器都貢獻(xiàn)跨導(dǎo)，即m,second-stage - =^ml2 + ml4如果&12和"4相等，Gm,_nd-Stage=2xgm,2 ，第二級(jí)放大器的實(shí)際跨導(dǎo)將 變?yōu)锳類輸出的2倍。因此在相同非主極點(diǎn)的情況下，第二級(jí)放大器的 電流只需是A類輸出級(jí)的1/2，將電流的利用率提高了 1倍。如果運(yùn)放第一級(jí)放大器的輸出直接接到第二級(jí)放大器輸入管M12和 M14的柵極，將會(huì)使M12管具有較大的過驅(qū)動(dòng)電壓Fdsat，其中M12管的 過驅(qū)動(dòng)電壓為KM12)+朋—4(M12)M14管的過驅(qū)動(dòng)電壓為<formula>formula see original document page 8</formula>在AB類兩級(jí)運(yùn)放中，第二級(jí)放大器的靜態(tài)電流由非主極點(diǎn)來決定， 也就是說由第二級(jí)放大器跨導(dǎo)Gm，nd.stage決定，而2/， 2/，也就是說，第二級(jí)放大器的靜態(tài)電流由過驅(qū)動(dòng)電壓Fdw決定。對(duì)于確 定的跨導(dǎo)，大的過驅(qū)動(dòng)電壓Fdw意味著需要更大的電流，小的過驅(qū)動(dòng)電壓^1W則意味著更小的電流。電平位移電路包括第一電容、第二電容、第一開關(guān)、第二開關(guān)、第三開關(guān)和第四開關(guān)。在四個(gè)電平位移電路中第一電容分別為Cl， C3， C5， C7;第二電容分別為C2， C4， C6， C8;第一開關(guān)、第二開關(guān)為CK2; 第三開關(guān)、第四開關(guān)為CKl。其中，電容C,、 C2和開關(guān)組成一個(gè)NMOS 管的電平位移電路，開關(guān)工作在雙相時(shí)鐘信號(hào)下，其工作原理類似于開關(guān) 電容共模反饋電路。在CKl時(shí)刻，電容C2上采樣到第一級(jí)放大器輸出共 模電平^。,和偏置電壓Kb4的差值；在CK2時(shí)刻，通過電荷重分布，電容 C,上將獲得相同的電壓差值。這樣在第二級(jí)放大器NMOS輸入管Ml2柵 極電壓和第一級(jí)放大器輸出電壓I^。,之間就存在著電容d上的電壓差，實(shí)現(xiàn)了電平位移的功能。如果不考慮寄生電容的影響，Ml2管的柵極偏置電 壓就等于偏置電壓Kb4。因此通過偏置電路產(chǎn)生適當(dāng)?shù)钠秒妷?，就可?將第二級(jí)放大器NMOS輸入管Ml2的過驅(qū)動(dòng)電壓Fdsat控制在100 mV左 右。電容Cs、 C6和開關(guān)組成PMOS管的電平位移電路，原理和NMOS管 相同，可以將PMOS輸入管Ml4的柵極偏置電壓設(shè)置為偏置電壓Fb5，同 樣將第二級(jí)放大器PMOS輸入管Ml4的過驅(qū)動(dòng)電壓Fdsat控制在100 mV 左右。要獲得相同的&_ ，可以通過減小乙,(Ml2)和U組4)來降低運(yùn)放第二級(jí)放大器所需的靜態(tài)電流。其次通過這種結(jié)構(gòu)還可以增大運(yùn)放的輸出擺幅，對(duì)于圖2中結(jié)構(gòu)的 運(yùn)放來說，輸出擺幅為^^^VUM12)I-I匕,(M14)1，因此通過減小^。, (Ml 2)和4。, (Ml 4)，可以增大運(yùn)放的輸出擺幅。圖3為改進(jìn)型開關(guān)電容運(yùn)算放大器的第二種結(jié)構(gòu)，是對(duì)第一種結(jié)構(gòu)的 改進(jìn)，通過電流鏡像實(shí)現(xiàn)AB類輸出的功能，減少了電容的使用從而節(jié)約 了面積。在這種情況下，第二級(jí)放大器的實(shí)際跨導(dǎo)為Gm,Second-stage — gml2 + Smcl X grnc2 ^ 5mc3圖2和圖3中的電平位移電路除了實(shí)現(xiàn)直流電平位移的作用，還需要 將第一級(jí)放大器的小信號(hào)耦合到第二級(jí)放大器的輸入。以圖3中電路為 例，需要將第一級(jí)放大器輸出的小信號(hào)耦合到第二級(jí)放大器輸入管M12 的柵極。由于M12管柵源之間寄生電容Cgs,2的存在，第二級(jí)放大器輸入 管M12柵極出現(xiàn)的小信號(hào)將是第一級(jí)放大器輸出端小信號(hào)的C,/(C,+Cg^)倍。如果電容G的取值和C^2的值比較接近，小信號(hào)將被衰減從而影響 運(yùn)放的增益。因此電容C,的取值應(yīng)當(dāng)比較大， 一般Cgsu的值在100ff左 右，如果電容Q的取值比C^2大很多，假如d取為2 pF或更大，小信 號(hào)受到的衰減基本可以忽略，此時(shí)電容C,對(duì)增益的影響也基本可以忽略。 電容C2在工作的時(shí)候只是起到向電容G充電的作用，并不影響運(yùn)放的增 益，因此為了節(jié)省版圖面積，電容C2可以取得較小， 一般取為C^2的幾 倍即可，例如0.5pF 1 pF左右。C3的取值參考d， C4的取值參考C2。對(duì)于AB類輸出的運(yùn)算放大器，第二級(jí)放大器的偏置電流變化很大， 因此第二級(jí)放大器的跨導(dǎo)變化很大，如果采用一般的密勒補(bǔ)償容易產(chǎn)生穩(wěn) 定性的問題在單位增益帶寬處出現(xiàn)一個(gè)尖峰，影響運(yùn)放的頻響特性。因 此在圖2和圖3的結(jié)構(gòu)中，采用嵌套式密勒補(bǔ)償，即同時(shí)采用密勒補(bǔ)償 電容和共柵補(bǔ)償電容，可以避免產(chǎn)生該穩(wěn)定性的問題。最后應(yīng)說明的是，以上僅用以說明本發(fā)明的技術(shù)方案而非限制，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，可以對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行修改或者等同 替換，而不脫離本發(fā)明技術(shù)方案的精神和范圍，其均應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的權(quán) 利要求范圍中。
權(quán)利要求
1.一種低功耗大擺幅開關(guān)型運(yùn)算放大器，其特征在于，其包含有第一級(jí)放大器，用來輸入放大信號(hào)；電平位移電路，包括NMOS管的電平位移電路和PMOS管的電平位移電路，用于接收所述第一級(jí)放大器輸出的信號(hào)；第二級(jí)放大器，為AB類放大器，包括一NMOS管與一PMOS管以漏極相連，并以所述相連的漏極作為放大信號(hào)的輸出端；所述NMOS管與PMOS管的柵極均用于接收所述電平位移電路輸出的信號(hào)，同時(shí)，其偏置狀態(tài)受所述電平位移電路控制；補(bǔ)償電路，耦接于所述第一級(jí)放大器與所述第二級(jí)放大器之間，用來依據(jù)所述第二級(jí)放大器輸出的放大信號(hào)產(chǎn)生一補(bǔ)償信號(hào)，并將該補(bǔ)償信號(hào)反饋至所述第一級(jí)放大器的輸出端。
2. 如權(quán)利要求1所述的運(yùn)算放大器，其特征在于，所述NMOS管的 電平位移電路采用2個(gè)開關(guān)電容電路實(shí)現(xiàn)；每個(gè)所述開關(guān)電容電路包括兩 個(gè)電容與四個(gè)開關(guān)，其中，第一電容連接于所述第一級(jí)放大器輸出端和所 述第二級(jí)放大器的NMOS管柵極之間，并通過第一開關(guān)和第二開關(guān)與第 二電容兩端連接，所述第二電容通過第三開關(guān)與所述第一級(jí)放大器輸出共 模電平連接、通過第四開關(guān)與偏置電壓連接。
3. 如權(quán)利要求l-2所述的運(yùn)算放大器，其特征在于，所述PMOS管 的電平位移電路采用2個(gè)開關(guān)電容電路實(shí)現(xiàn)；每個(gè)所述開關(guān)電容電路包括 兩個(gè)電容與四個(gè)開關(guān)，其中，第一電容連接于所述第一級(jí)放大器輸出端和 所述第二級(jí)放大器的PMOS管柵極之間，并通過第一開關(guān)和第二開關(guān)與 第二電容兩端連接，所述第二電容通過第三開關(guān)與所述第一級(jí)放大器輸出 共模電平連接、通過第四開關(guān)與偏置電壓連接。
4. 如權(quán)利要求l-2所述的運(yùn)算放大器，其特征在于，所述PMOS管的電平位移電路采用2個(gè)電流鏡像電路方式實(shí)現(xiàn)；每個(gè)所述電流鏡像電路 為PMOS電流鏡，包括一個(gè)漏極和柵極相連并與所述第二級(jí)放大器的PMOS管柵極相連的PMOS管，及連接在所述PMOS管漏極和地之間的 NMOS管，NMOS管的柵極接其對(duì)稱側(cè)第二級(jí)放大器的NMOS輸入管柵 極。
5. 如權(quán)利要求1-4中任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的運(yùn)算放大器，其特征在于，所述第一級(jí)放大器為套筒式結(jié)構(gòu)差分放大器，且所述第一級(jí)放大器的輸出共模電平設(shè)置為電源電壓的一半，使所述套筒式結(jié)構(gòu)差分放大器的所 有晶體管工作在飽和區(qū)。
6. 如權(quán)利要求1-4中任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的運(yùn)算放大器，其特征在 于，所述補(bǔ)償電路為嵌套式密勒補(bǔ)償電路，即同時(shí)采用密勒補(bǔ)償電容和共 柵補(bǔ)償電容來實(shí)現(xiàn)所述補(bǔ)償電路。所述密勒補(bǔ)償電容連接于所述第-級(jí)放 大器的輸出和所述第二級(jí)放大器的輸出之間。所述共柵補(bǔ)償電容連接于所 述第一級(jí)放大器的輸入NMOS管的漏極和所述第二級(jí)放大器的輸出之間。
全文摘要
本發(fā)明屬于微電子領(lǐng)域，具體涉及一種低功耗大擺幅開關(guān)型運(yùn)算放大器，該運(yùn)算放大器采用兩級(jí)運(yùn)放的形式，第二級(jí)為AB類輸出，并且在第一級(jí)和第二級(jí)之間增加了電平位移電路，改變第二級(jí)MOS管的偏置狀態(tài)，可以實(shí)現(xiàn)運(yùn)放的低功耗和大擺幅，并且采用嵌套式密勒補(bǔ)償以實(shí)現(xiàn)運(yùn)放的穩(wěn)定性，能夠被廣泛應(yīng)用于通信基站、醫(yī)療設(shè)備、衛(wèi)星接收系統(tǒng)、雷達(dá)、紅外成像、數(shù)字示波器、消費(fèi)類電子等領(lǐng)域。
文檔編號(hào)H03F3/68GK101662264SQ200910055220
公開日2010年3月3日 申請(qǐng)日期2009年7月23日 優(yōu)先權(quán)日2009年7月23日
發(fā)明者任俊彥, 凡 葉, 寧 李, 俊 許, 瑤 過 申請(qǐng)人:復(fù)旦大學(xué)