專利名稱：高增益單級跨導運算放大器的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種跨導運算放大器，尤其一種利用復合管技術構成的高增益低功耗的跨導運算放大器。
背景技術：
運算放大器廣泛運用于各種電路中，跨導運算放大器(OTA)作為一個通用模塊被廣泛應用于驅動大電容負載電路，如振蕩器，數(shù)據采樣系統(tǒng)，以及LDO，DC-DC中的誤差放大器。這些系統(tǒng)中的應用要求OTA設計時應該具有較低的靜態(tài)功耗和合理的高速響應。然而，經典結構的放大器，由于其尾電流固定，難以兼顧滿足靜態(tài)下的低功耗高增益和大信號下的高速驅動的要求，低功耗和高速的要求是矛盾的，這使得電路設計工作充滿挑戰(zhàn)。

發(fā)明內容
本發(fā)明提出了一種采用復合管和負反饋鉗制技術，利用復合管與負反饋相結合增大輸出阻抗技術提高電路的低頻增益、小信號帶寬和動態(tài)大信號輸出電流的運算放大器。本發(fā)明采用如下技術方案本發(fā)明設計了 I. 一種高增益單級跨導運算放大器，包括差分放大級(MA2、MA3)，其特征在于還包括負載電流鏡傳輸輸出級，包括N型復合管N1(MA13、MA14)和N2(MA16、 嫩17)，？型復合管？1(獻8、嫩10)和 P2(MA9、MA11)；提供負反饋的運算放大器(A2、A3)，該運算放大器(A2、A3)的反相輸入端分別連接至復合管P1、P2中工作在亞閾值區(qū)MOS管MAlI、MAlO的源極，輸出端連接至MAlI、MAlO 的襯底，以形成負反饋。作為本發(fā)明的一種優(yōu)化結構所述負載電流鏡為線性-非線性電流鏡負載。作為本發(fā)明的一種優(yōu)化結構所述高增益單級跨導運算放大器的輸出阻抗由兩組高阻并聯(lián)得到，其中一組高阻由復合管加負反饋構成，另一組為包含復合管的共源共柵結構，所述兩個高阻數(shù)量級近似以保證輸出阻抗為高阻。作為本發(fā)明的一種優(yōu)化結構所述高增益單級跨導運算放大器的輸出支路包含至少一個共源共柵結構，通過調整所述共源共柵的固定偏置的電位來調整運算放大器的輸出擺幅。本發(fā)明提出的技術方案解決了傳統(tǒng)的OTA在低功耗的前提下，實現(xiàn)高增益的技術問題。


圖I為傳統(tǒng)0ΤΑ;圖2為改進的OTA電路一；圖3為線性-非線性電流鏡；圖4為復合管技術原理示意圖5為利用反饋增大輸出阻抗原理圖；圖6a為改進的OTA電路I交流小信號仿真結果；圖6b為改進的OTA電路I大信號瞬態(tài)仿真結果；圖6c為OTA電路I電源抑制比仿真結果；圖7為改進的OTA電路2 ；圖8為改進的OTA電路3。
具體實施例方式下面結合附圖進一步說明本發(fā)明的
具體實施例方式圖I是傳統(tǒng)OTA電路，包括線性電流鏡負載和差分放大級，其尾電流為固定值，采用ClassA的輸入級和ClassAB的輸出級,大信號擺率如下SR = 1^^=1^-
Cl Cl(I)從上式中可以看出，在輸出負載電容確定的情況下，要想提高大信號擺率，就必須增大尾電流，但是，這樣一來就會增大電路的靜態(tài)功耗，同時，由于電流的增大導致輸入級跨導增加，會惡化電路穩(wěn)定性，因此，圖I中的結構不能兼顧低功耗和大擺率要求。圖2是改進的OTA電路一,包括電流偏置、負載電流鏡傳輸輸出級、差分輸入級以及反饋所需的運放。其中，PMOS差分對管采用固定尾電流偏置；兩對對稱的負載電流鏡分別采用由四個NMOS管構成的線性-非線性模式動態(tài)可配置結構和復合管電路；輸出級采用 CMOS互補推挽的對稱驅動結構。復合管電路包括N型復合管NI (MA13、MA14)和N2 (MA16、 MA17)，P 型復合管 Pl (MA8、MA10)和 P2 (MA9、MA11)如圖3所示，本發(fā)明設計原理中所用到的線性-非線性自適應電流鏡結構是在傳統(tǒng)的電流鏡基礎上引入了一個NMOS管M3，其柵極電位Vbn為恒定偏置。在靜態(tài)工作時， NMOS管NM2工作在飽和區(qū)，NMOS管Ml的工作狀態(tài)受NMOS管M3的控制。若電流Il恒定時，NMOS管M3若Vbn足夠大，NMOS管Ml的漏極電位足夠高，NMOS管Ml工作在飽和區(qū)；若電流Il變大或Vbn足夠小，則NMOS管Ml的漏極電位被壓得很低，使得NMOS管Ml工作在
線性或深線性區(qū)。其電流傳輸關系為
「咖 I^l(WIL)2 (Ves-Vm) (WfL)2 _] L I(WfL)1 Vds 》(W / L\(2)式中,W為有效溝道寬度,L為有效溝道長度。Ves為柵源電壓,Vtn為N管的閾值電壓，Vds為漏源電壓。由(2)可知，在寬長比不變的條件下，線性-非線性電流鏡比傳統(tǒng)電流鏡產生更大的鏡像電流，這將大大提高OTA的輸出擺率。圖4為復合管技術示意圖，M4、M5構成了 P型復合管，M6、M7構成了 N型復合管。 以該N型復合管為例，調節(jié)M6、M7的寬長比，使得M6工作在亞閾值區(qū)，M7工作在強反型層區(qū)，兩個管子都工作在放大區(qū)域。M5管的漏端亞閾值區(qū)的電流提供了一個很大的輸出阻抗， 從而產生了一個很大的電壓增益。M6、M7則是N型復合管構成的有源負載，也產生了很大的輸出阻抗。由A(ac) = gmr?？梢缘玫?，小信號的增益會變得很大。
圖5為利用反饋增大輸出阻抗原理圖。用一個強制Vx等于Vb的放大器Al來驅動M2的柵極。因此M8漏極電壓的變化對Vx的影響減小了。由于在X點電壓變小了，通過電阻的電流更加恒定，產生更高的輸出阻抗Rwtl Routl ^ Algm8ro8rol ⑶上式中=A1放大器Al的增益，gm8是M8管的跨導，1*。8是M8的溝道長度調制效應的等效電阻。圖2中，NMOS管MA4、MA6、MA13、MA14構成了線性-非線性電流鏡負載，且電流的輸出級為一個復合管結構，與之相對稱另一個結構為NMOS管MA5、MA7、MA16、MA17。另外,在該運算放大器的輸出級均采用了復合管結構，P型復合管MA8、MA10和MA9、MA11。如此，在嫩9、嫩11、嫩16、嫩17支路，其輸出阻抗為兩對復合管的電阻的并聯(lián)，運算放大器的輸出電阻則得到了增加。為進一步增加輸出阻抗，在該支路增加了 NMOS管MA15，并對其柵極給以固定的偏置，如此，MA15則與MA16、MA17構成了 Cascode (共源共柵)結構，輸出阻抗得到了進一步加強，其阻抗Rtjut2為Rout2 gm15rol5Sml6rol6rol7(4)其中gml5、gml7 分別是是 MA15、MA17 的跨導，r0l5、r0l6、r0l7 分別是 MA15、MA16、MA17 的溝道長度調制效應的等效電阻。為進一步提高輸出阻抗，本發(fā)明引入了原理如圖5所示的反饋來增加阻抗。圖2中的MBI、MB2、MB5、MB6、MB10構成了經典的固定尾電流差分運放A2，同樣MB3、MB4、MB7、MB8、 MBll構成了另外一個相同類型的運放A3。因為MA8、ΜΑΙΟ、MA9、MAll的柵極均已相互連接,且電位已經固定，MA10、MAll的源極由運放的鉗位作用，均被限定為Vbn2，故將運放A2 和運放A3的輸出端分別連接OTA輸出級P型復合管中的MAll和MA12的襯底。因為gmVes 與gmJBS具有相同的極性，在正偏的影響下可能會有一點襯底電流，會減小管子的過驅動電壓，但是對整個電路的沒有產生多大的影響，故增大柵極電壓與增大襯底電壓效果相同，如此，復合管MA9、MA11的輸出電阻Rwt3將為R0Ut3 ^ ^2SmbAliroll+SmAliroll) Γο9(5)其中gnibA11是MAll管的背柵跨導，roll和1*。9分別是MA11、MA9的溝道長度調制效應的等效電阻，A2是運放A2的增益。綜上，輸出支路的輸出阻抗Rtjut4為Rout4 ^ Rout2//Rout3(6)相較于圖I中的結構，圖2中的結構的輸出電阻得到了極大的增加，即增加了增
Mo在O. 5um工藝的條件下，對改進的OTA電路I進行仿真，表I為該電路的器件參數(shù)表，圖6a為該電路交流小信號仿真結果，從圖6a中可以清楚地看到改進的OTA電路I的低頻增益Av = 93. 87dB，單位增益帶寬GBff = 3. 754MHz，相位裕度PM = 73. 71deg。圖6b為改進的OTA電路I大信號擺率仿真結果，可以得到上升沿的SR(+) = 6. 26V/US，下降沿的 SR(-) = 9. 6V/us。圖6c為OTA電路I電源抑制比仿真結果，由仿真結果可以看出PSRR = 94.77dBil0KHzo
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表I器件參數(shù)表
權利要求
1.一種高增益單級跨導運算放大器，包括差分放大級(MA2、MA3)，其特征在于還包括負載電流鏡傳輸輸出級，包括N型復合管NI (MA13、MA14)和N2 (MA16、MA17)，P 型復合管 P1(MA8、MA10)和 P2 (MA9、MA11)；提供負反饋的運算放大器(A2、A3)，該運算放大器(A2、A3)的反相輸入端分別連接至復合管P1、P2中工作在亞閾值區(qū)MOS管MAlI、MAlO的源極，輸出端連接至MAlI、MAlO的襯底，以形成負反饋。
2.根據權利要求所述的高增益低功耗運算放大器，其特征在于所述負載電流鏡為線性-非線性電流鏡負載。
3.根據權利要求I或2所述的高增益低功耗運算放大器，其特征在于所述高增益單級跨導運算放大器的輸出阻抗由兩組高阻并聯(lián)得到，其中一組高阻由復合管加負反饋構成，另一組為包含復合管的共源共柵結構，所述兩個高阻數(shù)量級近似以保證輸出阻抗為高阻。
4.根據權利要求I所述的高增益低功耗運算放大器，其特征在于所述高增益單級跨導運算放大器的輸出支路包含至少一個共源共柵結構，通過調整所述共源共柵的固定偏置的電位來調整運算放大器的輸出擺幅。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種高增益單級跨導運算放大器，包括差分放大級(MA2、MA3)，負載電流鏡傳輸輸出級。其中，負載電流鏡傳輸輸出級包括N型復合管N1(MA13、MA14)和N2(MA16、MA17)，P型復合管P1(MA8、MA10)和P2(MA9、MA11)；提供負反饋的運算放大器(A2、A3)，該運算放大器(A2、A3)的反相輸入端分別連接至復合管P1、P2中工作在亞閾值區(qū)MOS管MA11、MA10的源極，輸出端連接至MA11、MA10的襯底，以形成負反饋。本發(fā)明所設計的運算放大器解決了傳統(tǒng)的OTA運算放大器靜態(tài)功耗大、增益低的技術問題，并且有條件的提高OTA的輸出擺率，提高OTA的增益和速度。
文檔編號H03F3/45GK102611400SQ20121002805
公開日2012年7月25日 申請日期2012年2月9日 優(yōu)先權日2012年2月9日
發(fā)明者吳金, 姜雨晴, 張薇薇, 芮榕榕, 鄒新越 申請人:東南大學