一種增益提升的運算跨導(dǎo)放大器的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本實用新型涉及一種運算放大器，具體涉及一種增益提升的運算跨導(dǎo)放大器。
【背景技術(shù)】
[0002] 運算放大器在電源、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，在這種條件下設(shè)計高增益運放面臨較大挑戰(zhàn)?，F(xiàn)有技術(shù)中，采用兩級或三 級級聯(lián)，這種方式每個級聯(lián)帶來高增益的同時會引入一個低頻極點，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，一般采用米勒補償原理，這種極點分離的補償會嚴(yán)重退 化運放的帶寬性能。自舉增益提高輸出阻抗是另外一種提高增益的方法，雖然它不會限制 運放的帶寬性能，但是需要消耗更多的功耗。
[0003] 2〇〇7 年 R. Assaad 在 ELECTRONICS LETTERS 發(fā)表在一篇名為"Enhancing general performance of folded cascode amplifier by recycling current''(RFC 運算放大器）， 是一種具有低功耗的復(fù)用型折疊式共源共柵運算放大器，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可調(diào)輔助差分對，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實現(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運算放大器的增益遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到實際所需要的精 度，難以廣泛應(yīng)用
[0004] 為解決運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)計一種高增益和高速度兼顧的高性能運算放大器。 【實用新型內(nèi)容】
[0005] 本實用新型所要解決的技術(shù)問題是提供一種增益提升的運算跨導(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，還有可調(diào)輔助差分對，本運算 跨導(dǎo)放大器受輸出電壓影響很弱，不會引入額外的極點，有效地提高運算放大器的輸出阻 抗和增益，實現(xiàn)高精度、高速運算放大。
[0006] 本實用新型設(shè)計的一種增益提升的運算跨導(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，其中偏置恒定電流源為P型MOS管M。的 源極接電源VDD，M。的柵極接偏置電壓V blas;差分輸入由4個P型MOS管M la、M2a、Mlb和M 2b 構(gòu)成，負(fù)載電流鏡由6個N型MOS管M3、M4、M5a、M6a、M 5b和M6b構(gòu)成，共源共柵輸出級由2個 N型MOS管M7、M1。以及4個P型MOS管M 8、M9、M11和M 12構(gòu)成。
[0007] 差分輸入級P型MOS管Mla、M2a、Mlb和M 2b的源極分別接P型MOS管M。的漏極。N 型MOS管1漏極分別接P型MOS管M 2b的漏極、N型MOS管M 5a和M 5b的柵極，N型MOS管M 3 的源極接N型MOS管^的漏極，N型MOS管M 4漏極分別接P型MOS管M lb的漏極、N型MOS 管M6a和M 6b的柵極，N型MOS管M 4的源極接N型MOS管M 6b的漏極，N型MOS管M 3、M4的柵 極接偏置電壓vbl，N型MOS管M5a、M5b、M6a和M 6b的源極分別接地。共源共柵輸出級的N型 MOS管馬的漏極接P型MOS管M s的漏極、同時連接共源共柵輸出級的第二輸出端Vout，共 源共柵輸出級P型MOS管仏的源極接P型MOS管M 9的漏極，N型MOS管M i。的漏極分別接P 型MOS管M11的漏極、同時連接共源共柵輸出級的第一輸出端Vout+，P型MOS管M 11的源極 接P型MOS管M12的漏極，N型MOS管M 7、M1。的柵極分別接偏置電壓V bl，P型MOS管Ms、M11 的柵極分別接偏置電壓Vb2, P型MOS管M9、M12的柵極接共模反饋電壓CMFB，P型MOS管M 9、 M12的源極分別接電源VDD。
[0008] 本實用新型的增益提升的運算跨導(dǎo)放大器還包括可調(diào)輔助差分對，可調(diào)輔助差分 對由P型MOS管M 13、M14和M 15構(gòu)成。P型MOS管M 13的柵極分別接P型MOS管M la、M14的漏 極、N型MOS管M5a的漏極及N型MOS管M 7的源極，P型MOS管M 14的柵極分別接P型MOS管 M2a、M13的漏極、N型MOS管M 6a的漏極及N型MOS管M i。的源極，P型MOS管M 13、M14的源極接 P型MOS管M15的漏極，P型MOS管M 15的源極接電源VDD。
[0009] 所述差分輸入的4個P型MOS管Mla、M2a、M lb和M 2b接收差分電壓信號，轉(zhuǎn)化為電流 注入所述2對電流鏡N型MOS管M5b-M 5JP M 6b-M6a*，電流鏡M 6b-Mjt出的電流送入共源共 柵輸出級的輸出支路Mw、M1 i、M12中，形成輸出電壓V。：;電流鏡M 5b-Mjt出的電流送入共源 共柵輸出級的另一輸出支路馬為為中，形成輸出電壓￥_。電流鏡之間的傳輸實現(xiàn)電流 倍增，最終實現(xiàn)運算跨導(dǎo)放大器跨導(dǎo)的倍增。
[0010] 所述電流鏡M5b-MwM6b-MfJ^尺寸比例相同，即M 5a的尺寸與M 5b的尺寸相比為K， 同樣M6a的尺寸與M6b的尺寸相比也為K，K的取值范圍為2~5。
[0011] MOS管M5a和輸出支路M 7、Ms、M9構(gòu)成共源共柵輸出級，增加 V _端輸出阻抗，MOS 管M6a和輸出支路M 1(]、M11、M12構(gòu)成另一共源共柵輸出級，增加 V _端輸出阻抗。
[0012] 可調(diào)輔助差分對的P型MOS管M13的漏極輸出電壓信號與P型MOS管M 14的柵極直 接連接，P型MOS管M13的柵極電壓信號控制P型MOS管M 14的電流，MOS管M 14構(gòu)成負(fù)電阻； 與之相似，P型MOS管M14的漏極輸出電壓信號與P型MOS管M 13的柵極直接連接，P型MOS 管M14的柵極電壓信號控制P型MOS管M 13的電流，MOS管M 13構(gòu)成負(fù)電阻，M 13、M14的輸出阻 抗與共源共柵的輸出阻抗一同構(gòu)成本運算跨導(dǎo)放大器的輸出阻抗。
[0013] 差分信號輸入后，信號經(jīng)過2條路徑到輸出端，第一條路徑：經(jīng)過M1Jf極輸入電壓 信號變?yōu)殡娏餍盘杺髦罬 5a的漏端，再經(jīng)過共源共柵的輸出支路M 7、Ms、M9至輸出端，這條路 徑的跨導(dǎo)為MOS管M la的跨導(dǎo)gnila;第二條路徑：經(jīng)過M Jf極輸入電壓信號變?yōu)殡娏餍盘杺?至M4的漏端，注入M 6b，經(jīng)過電流鏡M6a-MJ^復(fù)制到M 6a，實現(xiàn)電流倍增K倍，經(jīng)過共源共柵級 的輸出支路M1(]、Mn、M 12至輸出端，這條路徑的跨導(dǎo)為MOS管M lb的跨導(dǎo)g ^的K倍。
[0014] 所述差分輸入的MOS管Mla、Mlb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 gnilb= g"aa，本實用新型運算跨導(dǎo)放大器整體跨導(dǎo)為G = SnilJKgnilb = (I+K) gnia〇
[0015] 當(dāng)可調(diào)輔助差分對的M13的柵極的電位降低，即MOS管M 14的漏極電壓同樣降低， MOS管M14的漏極和源極之間的電壓上升、變化量為+ Λ vd DS，M13的柵極的電位降低導(dǎo)致M 13 的漏極的電位、MOS管M14柵極電位升高，MOS管M 14的柵極的有效輸入電壓信號V (；s降低， 導(dǎo)致MOS管M14輸出電流降低變化量為-Λ i DS，輔助差分對的MOS管M14的輸出阻抗r。14 = + Λ VcIdsA-Λ iDS)〈0為負(fù)電阻。同樣M14的柵極的電位降低，按上述方法可以分析M 13的輸 出阻抗也為負(fù)電阻。忽略MOS管的溝道調(diào)制作用，M14的電導(dǎo)（阻抗的倒數(shù)）表示為gnil4; 小信號分析輸出阻抗時，MOS管M14與M 5a、Mla并聯(lián)，MOS管M 14的輸出阻抗r。14為負(fù)值，可以 用_l/gnl4表示，本實用新型運算跨導(dǎo)放大器的輸出阻抗表示為
[0017] 當(dāng)M7、M8的跨導(dǎo)相等、輸出阻抗相等，即
本實用新型運算跨導(dǎo) 放大器的輸出阻抗表不為
[0019] 其中g(shù)mi、:^和g。;分別為電路中第i個MOS管M ;的跨導(dǎo)、輸出阻抗和輸出電導(dǎo)，g。 != l/rD1〇
[0020] 增大gml4同時保證0彡g^g^+g^+g。；；)，就能提高輸出阻抗R ciut、增益，同時系統(tǒng)穩(wěn) 定留有余值。
[0021 ] 較佳設(shè)計方案取
輸出阻抗Rciut相對沒有加入g "14增大 6. 67倍，可實現(xiàn)16. 5dB增益提升。
[0022] 為了消除輸出增益的誤差，P型MOS管M15的柵極接可調(diào)偏置電 壓V t，可調(diào)輔助差分對的跨導(dǎo)gni與其M 13、M14流過的電流I t成正比，同時電流
即可調(diào)輔助差分對的g^= f (Vt)、是Vt的函數(shù)，其中 μ p是電子迀移率，C M為單位面積柵電容，（W/L) 15是P型MOS管M 15的溝道寬長比，V ~是P 型MOS管M15開啟電壓。由于MOS管失配以及工藝角的影響，輸出的增益會偏離預(yù)設(shè)指標(biāo)， 從而使得運放輸出產(chǎn)生誤差。微調(diào)可調(diào)偏置電壓V t、控制MOS管M15流向M 13、M14電流的比 例，從而控制M13、M14負(fù)電阻的大小。即通過微調(diào)V t，實現(xiàn)無誤差放大?？烧{(diào)偏置電壓以勺 調(diào)節(jié)范圍為±lmV。
[0023] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實用新型一種增益提升的運算跨導(dǎo)放大器的優(yōu)點為：1、傳統(tǒng) 折疊式運放的1對差分輸入MOS管分成2對差分輸入MOS管，同時用2對負(fù)載電流鏡接收2 對差分輸入MOS管的輸出信號；這樣共源共柵輸出級的2個晶體管就不僅僅是作為恒流源 (如在折疊式運算放大器中的作用），可有效利用電流，使得本運算跨導(dǎo)放大器的跨導(dǎo)實現(xiàn) 倍增；2、共源共柵輸出級的共源共柵結(jié)構(gòu)上增加了 1對可調(diào)輔助差分對，使本運算跨導(dǎo)放 大器受輸出電壓影響很弱，且不會引入額外的極點；3、實現(xiàn)多路徑運算放大，改善傳統(tǒng)的共 源共柵輸出端的大恒流源為驅(qū)動管，不僅有效的增大整運放的跨導(dǎo)，還提升大信號的瞬態(tài) 壓擺率；4、在同樣靜態(tài)功耗下，本運算跨導(dǎo)放大器的增益、帶寬和共模抑制比均實現(xiàn)倍增， 在1.2V工作電源下采用90nm COMS TSMC工藝對其進(jìn)行Spectre模擬，結(jié)果表明，本運算跨 導(dǎo)放大器在功耗I. 05mW條件下，直流開環(huán)增益為72. 7dB，單位增益帶寬為217. 9MHz ;相比 RFC結(jié)構(gòu)運放，不僅增益提高了 19dB，還且還具有可調(diào)性高，減少工藝的影響，可適用于通 信、電子測量，以及自動控制等系統(tǒng)。有效地提高運算跨導(dǎo)放大器的輸出阻抗和增益，實現(xiàn) 高精度、低功耗、大寬帶、高增益、高速的運算放大，解決了在目前深亞微米工藝下傳統(tǒng)運算 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為對比例復(fù)用型折疊式共源共柵運算放大器的電路結(jié)構(gòu)示意圖。
[002