增益和擺率增強(qiáng)型放大器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種增益和擺率增強(qiáng)型放大器，采用電流鏡型跨導(dǎo)放大器（OTA）實(shí)現(xiàn)，由一個(gè)差分輸入級(jí)單元和一個(gè)雙端轉(zhuǎn)單端單元構(gòu)成。本發(fā)明的放大器采用增加電流控制可變電阻的方式，優(yōu)化電流鏡結(jié)構(gòu)，使電路在相同靜態(tài)功耗情況下可以得到更高的電壓增益和帶寬，在大信號(hào)輸入時(shí)，可以得到更高的擺率。本發(fā)明電路僅需要增加4個(gè)電流控制可變電阻，即可使放大器在保持相同功耗的前提下，電路的擺率從0.88V/μs提高到4.8V/μs，帶寬從2.54MHz提高到4.3MHz.。本發(fā)明電路可廣泛應(yīng)用于可用于開關(guān)電容電路、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器、混合信號(hào)片上系統(tǒng)等電路領(lǐng)域。
【專利說明】増益和擺率增強(qiáng)型放大器
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及ー種放大器，特別是一種增益和擺率增強(qiáng)型放大器，它應(yīng)用于開關(guān)電容電路、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器、混合信號(hào)片上系統(tǒng)等集成電路領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]高性能運(yùn)算跨導(dǎo)放大器(OTA)是開關(guān)電容濾波器、電源管理、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器等模擬電路的重要組成部分，也是構(gòu)成更為復(fù)雜、高集成度混合信號(hào)SoC的基礎(chǔ)模塊。在大多數(shù)的應(yīng)用中，跨導(dǎo)放大器必須要滿足例如寬帶寬、高増益、擺率增強(qiáng)型和低功耗的要求。
[0003]電流鏡跨導(dǎo)放大器是業(yè)界常用的實(shí)現(xiàn)方式，因?yàn)槠鋬H具有單極點(diǎn)，無需頻率補(bǔ)償即可穩(wěn)定，而且具有寬輸出擺幅，設(shè)計(jì)簡單。文獻(xiàn)I (JeongJin Roh, High-GainClass-AB OTA with Low Quiescent Current, Analog Integrated Circuits and Signa丄Processing, 47，225 - 228，2006)中對(duì)簡單的OTA進(jìn)行了改進(jìn)，利用輸入器件分裂和交叉反饋技術(shù)，提高了電路增益。但是，此種電路的擺率僅通過嚴(yán)格的電流鏡像來得到，由于多電流支路的分流作用，如果在保持輸出級(jí)電流鏡倍數(shù)不變的情況下，擺率下降，不能滿足高增益、擺率的需求。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]為了克服上述常規(guī)電流鏡跨導(dǎo)放大器的増益和擺率低的問題，本發(fā)明提出了ー種増益和擺率增強(qiáng)型放大器，僅需要増加少量器件，可在不顯著增加電路功耗的情況下，大幅提升放大器的増益和擺率。
[0005]為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明解決上述技術(shù)問題所采取的技術(shù)方案在于，一種增益和擺率增強(qiáng)型放大器，包括:
[0006]ー個(gè)差分輸入級(jí)單元，包括 PMOS 管 M。、PMOS 管 Mla、PMOS 管 Mlb、PMOS 管 M2a、PMOS管M2b、PMOS管M9?M12和晶體管Ma1、晶體管Ma2，將輸入差分信號(hào)Vn和Vp進(jìn)行對(duì)稱的差分放大；和
[0007]ー個(gè)雙端轉(zhuǎn)單端單元，包括NMOS管M3?M6、PMOS管M7、PMOS管M8、晶體管Mb1、晶體管mB2，形成帶有源極負(fù)反饋電阻的電流鏡，通過電流鏡像將雙端信號(hào)Vw和\2轉(zhuǎn)換為單端信號(hào)\，作為增益和擺率增強(qiáng)型放大器的輸出。
[0008]所述差分輸入級(jí)單元，包括PMOS管M。、PMOS管Mla、PMOS管Mlb、PMOS管M2a、PMOS管M2b、PMOS管M9?M12和晶體管Ma1、晶體管Ma2，將輸入差分信號(hào)Vn和Vp進(jìn)行對(duì)稱的差分放大。其中，PMOS管M0的源極與Vdd相接，M0的漏極與PMOS管Mla, Mlb與M2a, M2b的源極相接，Mtl的柵極連接偏置電壓VBP，構(gòu)成尾電流源，Mla與Mlb的柵極相接，M2a和M2b的柵極相接，Mlb的漏極與M11的漏極相接，M11的漏極和柵極相接，M11和M12的柵極相接，Ma2的漏極與Mn的源極相接，M2b的漏極與M9的漏極相接，M9的漏極和柵極相接，M9和Mltl的柵極相接，Mai的漏極與M9的源極相接。
[0009]所述雙端轉(zhuǎn)單端單元，包括NMOS管M3?M6、PMOS管M7、PMOS管M8、晶體管Mb1、晶體管mB2，形成帶有源極負(fù)反饋電阻的電流鏡，通過電流鏡像將雙端信號(hào)Vw和Vffi轉(zhuǎn)換為單端信號(hào)I，作為放大器的輸出。其中，M3的柵極和漏極相接，M3和M5的柵極相接，Mbi的漏極與M3的源極相接，M4的柵極和漏極相接，晶體管M4和M6的柵極相接，Mb2的漏極與M4的源極接接，M7的柵極和漏極相接，M7與M8的柵極相接。
[0010]所述晶體管Ma1、Ma2、Mb1、Mb2均起電流控制可變電阻的作用，MA1、MA2、MB1、MB2的等效電阻隨著電流的增大而増大。
[0011]有益效果:
[0012]本發(fā)明的増益和擺率增強(qiáng)型放大器與傳統(tǒng)的運(yùn)算跨導(dǎo)放大器相比，具有以下特點(diǎn):
[0013]1.本發(fā)明電路利用帶有源極負(fù)反饋電阻的電流鏡，在靜態(tài)時(shí)可提高放大器的増益和帶寬，大信號(hào)輸入時(shí)可提高放大器的擺率。因此，本發(fā)明電路在不顯著增加電路功耗的情況下，可以得到更高的増益、帶寬和擺率，與文獻(xiàn)I的常規(guī)放大器比較，本發(fā)明的電路的增益提高了 5dB，擺率提高了 5倍，帶寬提高1.7倍。
[0014]2.本發(fā)明電路僅增加4個(gè)器件，形成帶有源極負(fù)反饋電阻的電流鏡，可顯著提高放大器在靜態(tài)和大信號(hào)輸入時(shí)的性能，得到了更好的優(yōu)值，其中，F(xiàn)oMl[MHzXpF/mA]從
4.65提高至IJ 6.22,FoM2[(V/u s) XpF/mA]從1.61提高至Ij 6.94，因此，本發(fā)明電路可以采用較低的功耗達(dá)到相同的性能。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0015]圖1為文獻(xiàn)I所述的電流鏡跨導(dǎo)放大器電路圖；
[0016]圖2為本發(fā)明的一種高增益、擺率增強(qiáng)型放大器電路圖；
[0017]圖3為本發(fā)明電路中使用的電流控制可變電阻示意圖；
[0018]圖4為本發(fā)明電路的放大器與文獻(xiàn)I的放大器的擺率曲線對(duì)比圖；
[0019]圖5為本發(fā)明電路的放大器與文獻(xiàn)I的放大器的増益和相位曲線對(duì)比圖。
【具體實(shí)施方式】
[0020]本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】不僅限于下面的描述，現(xiàn)結(jié)合附圖加以進(jìn)ー步說明。
[0021]本發(fā)明的一種增益和擺率增強(qiáng)型放大器的電路圖如圖2所示，它由差分輸入級(jí)和雙端轉(zhuǎn)單端單元組成，其具體結(jié)構(gòu)和連接關(guān)系、作用關(guān)系與本說明書的
【發(fā)明內(nèi)容】
部分相同，此處不再重復(fù)。其中A、B、C和D表示各條支路的電流比值。它的工作原理如下:
[0022]首先分析靜態(tài)工作情況。晶體管MA1、MA2、Mbi和Mb2的柵極偏置電壓為VBN，在靜態(tài)工作時(shí)處于深線性區(qū)，起到小電阻的作用。在電流較小時(shí)，其對(duì)電流鏡像的影響可以忽略；在電流增大時(shí)，晶體管MA1、MA2、MB1和Mb2的等效電阻増大，導(dǎo)致電流鏡像器件柵源電壓増大，從而增大鏡像電流的大小。輸入級(jí)分裂為四個(gè)并聯(lián)器件(Mla和Mlb、M2a和M2b)，M9導(dǎo)通Mlb的電流，M11導(dǎo)通M2b的電流，M10和M12可以看做壓控電流源，旁路Mla和M2a的電流，從而減小M3和M4的靜態(tài)電流。靜態(tài)情況下，M2a的部分電流流入M12 (提高第一級(jí)的增益)，如果保持A/B不變，則同時(shí)可以降低輸出級(jí)的靜態(tài)電流。小信號(hào)變化吋，晶體管Mai和Ma2電流僅為 D/2 (B+C+D)，晶體管 Mbi 和 Mb2 的電流僅為(B-C) /2 (B+C+D)，晶體管 Ma1、MA2、Mbi 和 Mb2 上的壓降均很小，晶體管MaiヽMA2、Mbi和Mb2上的壓降對(duì)電流鏡像的影響可以忽略。如果Vp增加 Vin/2,則 M2a 電流減小 gm2aXVin/2, M2b 電流減小 gm2bXVin/2 (保持 gm2a+gm2b=gm2=gml=gm,in)°M9-M1。形成電流鏡，鏡像比例為C/D，則Mltl電流減小gm2bXVin/2XC/D，同理可推得M12電流增加gm2bXVin/2XC/D，M4電流減小(gm2a_gm2bXC/D) X Vin/2，經(jīng)過鏡像得到由Vp輸入端引起輸出電流變化量為(gm2a+gm2bXC/D) XVin/2XA/B,同理Vn輸入端引起電流變化量與Vp輸入端引起輸出電流變化量等大反相，可表示為:
【權(quán)利要求】
1.一種增益和擺率增強(qiáng)型放大器，其特征在于它包括: ー個(gè)差分輸入級(jí)單元，包括PMOS管Mq、PM0S管Mla、PM0S管Mlb、PM0S管M2a、PM0S管M2b、PMOS管M9?M12和晶體管Ma1、晶體管MA2，將輸入差分信號(hào)Vn和Vp進(jìn)行對(duì)稱的差分放大；和 一個(gè)雙端轉(zhuǎn)單端単元，包括NMOS管M3?M6、PMOS管M7、PMOS管M8、晶體管Mb1、晶體管Mb2，形成帶有源極負(fù)反饋電阻的電流鏡，通過電流鏡像將雙端信號(hào)Vm和N02轉(zhuǎn)換為單端信號(hào)\，作為增益和擺率增強(qiáng)型放大器的輸出。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的增益和擺率增強(qiáng)型放大器，其特征在于，所述差分輸入級(jí)單元，包括 PMOS 管 M0、PMOS 管 Mla, PMOS 管 Mlb, PMOS 管 M2a, PMOS 管 M2b、PMOS 管 M9 ?M12 和晶體管Ma1、晶體管Ma2，將輸入差分信號(hào)Vn和Vp進(jìn)行對(duì)稱的差分放大。其中，PMOS管Mtl的源極與Vdd相接，M0的漏極與PMOS管Mla、Mlb與M2a、M2b的源極相接，M0的柵極連接偏置電壓VBP，構(gòu)成尾電流源，Mla與Mlb的柵極相接，M2a和M2b的柵極相接，Mlb的漏極與M11的漏極相接，M11的漏極和柵極相接，M11和M12的柵極相接，Ma2的漏極與M11的源極相接，M2b的漏極與M9的漏極相接，M9的漏極和柵極相接，M9和Mltl的柵極相接，Mai的漏極與M9的源極相接。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的增益和擺率增強(qiáng)型放大器，其特征在于，所述雙端轉(zhuǎn)單端單元，包括NMOS管M3?M6、PM0S管M7、PM0S管M8、晶體管Mb1、晶體管MB2，形成帶有源極負(fù)反饋電阻的電流鏡，通過電流鏡像將雙端信號(hào)Vm和Vtj2轉(zhuǎn)換為單端信號(hào)作為放大器的輸出。其中，M3的柵極和漏極相接，M3和M5的柵極相接，Mbi的漏極與M3的源極相接，M4的柵極和漏極相接，晶體管M4和M6的柵極相接，Mb2的漏極與M4的源極接接，M7的柵極和漏極相接，M7與M8的柵極相接。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的增益和擺率增強(qiáng)型放大器，其特征在于，所述晶體管MA1、MA2、Mbi> Mb2均起電流控制可變電阻的作用，Ma1、Ma2、Mb1、Mb2的等效電阻隨著電流的增大而増大。
【文檔編號(hào)】H03F3/45GK103457553SQ201310365736
【公開日】2013年12月18日 申請(qǐng)日期:2013年8月21日 優(yōu)先權(quán)日:2013年8月21日
【發(fā)明者】黃曉宗, 石建剛, 劉倫才, 王健安, 黃文剛 申請(qǐng)人:中國電子科技集團(tuán)公司第二十四研究所