一种增益提升的运算跨导放大器的制造方法
【技术领域】
[0001] 本实用新型涉及一种运算放大器，具体涉及一种增益提升的运算跨导放大器。
【背景技术】
[0002] 运算放大器在电源、模数转换器、滤波器等模拟电路中已经得到广泛的应用。随着 电源电压的下降和工艺尺寸的进一步缩小，晶体管沟道长度不断减小，致使晶体管本征增 益也不断减小，在这种条件下设计高增益运放面临较大挑战。现有技术中，采用两级或三 级级联，这种方式每个级联带来高增益的同时会引入一个低频极点，产生负的相移和退化 相位裕度。为了保持系统的稳定性，一般采用米勒补偿原理，这种极点分离的补偿会严重退 化运放的带宽性能。自举增益提高输出阻抗是另外一种提高增益的方法，虽然它不会限制 运放的带宽性能，但是需要消耗更多的功耗。
[0003] 2〇〇7 年 R. Assaad 在 ELECTRONICS LETTERS 发表在一篇名为"Enhancing general performance of folded cascode amplifier by recycling current''(RFC 运算放大器）， 是一种具有低功耗的复用型折叠式共源共栅运算放大器，将电流复用技术应用于中传统的 折叠式共源共栅运放电路中，其电路主要为偏置恒定电流源依次串接差分输入、负载电流 镜和共源共栅输出级可调辅助差分对，其方案如图1所示。虽然电流复用技术提高了电路 中电流的利用率，但是此方案是通过牺牲电路的相位裕度为代价实现跨导的增加，增益提 升并不大，在现有的深亚微米工艺下，RFC运算放大器的增益远远达不到实际所需要的精 度，难以广泛应用
[0004] 为解决运算放大器电路中增益、带宽、功耗等之间的固有矛盾，需要打破传统结 构，设计一种高增益和高速度兼顾的高性能运算放大器。 【实用新型内容】
[0005] 本实用新型所要解决的技术问题是提供一种增益提升的运算跨导放大器。偏置恒 定电流源依次串接差分输入、负载电流镜和共源共栅输出级，还有可调辅助差分对，本运算 跨导放大器受输出电压影响很弱，不会引入额外的极点，有效地提高运算放大器的输出阻 抗和增益，实现高精度、高速运算放大。
[0006] 本实用新型设计的一种增益提升的运算跨导放大器包括偏置恒定电流源及其依 次串接的差分输入、负载电流镜和共源共栅输出级，其中偏置恒定电流源为P型MOS管M。的 源极接电源VDD，M。的栅极接偏置电压V blas;差分输入由4个P型MOS管M la、M2a、Mlb和M 2b 构成，负载电流镜由6个N型MOS管M3、M4、M5a、M6a、M 5b和M6b构成，共源共栅输出级由2个 N型MOS管M7、M1。以及4个P型MOS管M 8、M9、M11和M 12构成。
[0007] 差分输入级P型MOS管Mla、M2a、Mlb和M 2b的源极分别接P型MOS管M。的漏极。N 型MOS管1漏极分别接P型MOS管M 2b的漏极、N型MOS管M 5a和M 5b的栅极，N型MOS管M 3 的源极接N型MOS管^的漏极，N型MOS管M 4漏极分别接P型MOS管M lb的漏极、N型MOS 管M6a和M 6b的栅极，N型MOS管M 4的源极接N型MOS管M 6b的漏极，N型MOS管M 3、M4的栅 极接偏置电压vbl，N型MOS管M5a、M5b、M6a和M 6b的源极分别接地。共源共栅输出级的N型 MOS管馬的漏极接P型MOS管M s的漏极、同时连接共源共栅输出级的第二输出端Vout，共 源共栅输出级P型MOS管仏的源极接P型MOS管M 9的漏极，N型MOS管M i。的漏极分别接P 型MOS管M11的漏极、同时连接共源共栅输出级的第一输出端Vout+，P型MOS管M 11的源极 接P型MOS管M12的漏极，N型MOS管M 7、M1。的栅极分别接偏置电压V bl，P型MOS管Ms、M11 的栅极分别接偏置电压Vb2, P型MOS管M9、M12的栅极接共模反馈电压CMFB，P型MOS管M 9、 M12的源极分别接电源VDD。
[0008] 本实用新型的增益提升的运算跨导放大器还包括可调辅助差分对，可调辅助差分 对由P型MOS管M 13、M14和M 15构成。P型MOS管M 13的栅极分别接P型MOS管M la、M14的漏 极、N型MOS管M5a的漏极及N型MOS管M 7的源极，P型MOS管M 14的栅极分别接P型MOS管 M2a、M13的漏极、N型MOS管M 6a的漏极及N型MOS管M i。的源极，P型MOS管M 13、M14的源极接 P型MOS管M15的漏极，P型MOS管M 15的源极接电源VDD。
[0009] 所述差分输入的4个P型MOS管Mla、M2a、M lb和M 2b接收差分电压信号，转化为电流 注入所述2对电流镜N型MOS管M5b-M 5JP M 6b-M6a*，电流镜M 6b-Mjt出的电流送入共源共 栅输出级的输出支路Mw、M1 i、M12中，形成输出电压V。：;电流镜M 5b-Mjt出的电流送入共源 共栅输出级的另一输出支路馬為為中，形成输出电压￥_。电流镜之间的传输实现电流 倍增，最终实现运算跨导放大器跨导的倍增。
[0010] 所述电流镜M5b-MwM6b-MfJ^尺寸比例相同，即M 5a的尺寸与M 5b的尺寸相比为K， 同样M6a的尺寸与M6b的尺寸相比也为K，K的取值范围为2~5。
[0011] MOS管M5a和输出支路M 7、Ms、M9构成共源共栅输出级，增加 V _端输出阻抗，MOS 管M6a和输出支路M 1(]、M11、M12构成另一共源共栅输出级，增加 V _端输出阻抗。
[0012] 可调辅助差分对的P型MOS管M13的漏极输出电压信号与P型MOS管M 14的栅极直 接连接，P型MOS管M13的栅极电压信号控制P型MOS管M 14的电流，MOS管M 14构成负电阻； 与之相似，P型MOS管M14的漏极输出电压信号与P型MOS管M 13的栅极直接连接，P型MOS 管M14的栅极电压信号控制P型MOS管M 13的电流，MOS管M 13构成负电阻，M 13、M14的输出阻 抗与共源共栅的输出阻抗一同构成本运算跨导放大器的输出阻抗。
[0013] 差分信号输入后，信号经过2条路径到输出端，第一条路径：经过M1Jf极输入电压 信号变为电流信号传至M 5a的漏端，再经过共源共栅的输出支路M 7、Ms、M9至输出端，这条路 径的跨导为MOS管M la的跨导gnila;第二条路径：经过M Jf极输入电压信号变为电流信号传 至M4的漏端，注入M 6b，经过电流镜M6a-MJ^复制到M 6a，实现电流倍增K倍，经过共源共栅级 的输出支路M1(]、Mn、M 12至输出端，这条路径的跨导为MOS管M lb的跨导g ^的K倍。
[0014] 所述差分输入的MOS管Mla、Mlb尺寸相同，二者的跨导与其沟道宽长比W/L成正比， 故二者的跨导相等即 gnilb= g"aa，本实用新型运算跨导放大器整体跨导为G = SnilJKgnilb = (I+K) gnia〇
[0015] 当可调辅助差分对的M13的栅极的电位降低，即MOS管M 14的漏极电压同样降低， MOS管M14的漏极和源极之间的电压上升、变化量为+ Λ vd DS，M13的栅极的电位降低导致M 13 的漏极的电位、MOS管M14栅极电位升高，MOS管M 14的栅极的有效输入电压信号V (；s降低， 导致MOS管M14输出电流降低变化量为-Λ i DS，辅助差分对的MOS管M14的输出阻抗r。14 = + Λ VcIdsA-Λ iDS)〈0为负电阻。同样M14的栅极的电位降低，按上述方法可以分析M 13的输 出阻抗也为负电阻。忽略MOS管的沟道调制作用，M14的电导（阻抗的倒数）表示为gnil4; 小信号分析输出阻抗时，MOS管M14与M 5a、Mla并联，MOS管M 14的输出阻抗r。14为负值，可以 用_l/gnl4表示，本实用新型运算跨导放大器的输出阻抗表示为
[0017] 当M7、M8的跨导相等、输出阻抗相等，即
本实用新型运算跨导 放大器的输出阻抗表不为
[0019] 其中gmi、:^和g。;分别为电路中第i个MOS管M ;的跨导、输出阻抗和输出电导，g。 != l/rD1〇
[0020] 增大gml4同时保证0彡g^g^+g^+g。；；)，就能提高输出阻抗R ciut、增益，同时系统稳 定留有余值。
[0021 ] 较佳设计方案取
输出阻抗Rciut相对没有加入g "14增大 6. 67倍，可实现16. 5dB增益提升。
[0022] 为了消除输出增益的误差，P型MOS管M15的栅极接可调偏置电 压V t，可调辅助差分对的跨导gni与其M 13、M14流过的电流I t成正比，同时电流
即可调辅助差分对的g^= f (Vt)、是Vt的函数，其中 μ p是电子迀移率，C M为单位面积栅电容，（W/L) 15是P型MOS管M 15的沟道宽长比，V ~是P 型MOS管M15开启电压。由于MOS管失配以及工艺角的影响，输出的增益会偏离预设指标， 从而使得运放输出产生误差。微调可调偏置电压V t、控制MOS管M15流向M 13、M14电流的比 例，从而控制M13、M14负电阻的大小。即通过微调V t，实现无误差放大。可调偏置电压以勺 调节范围为±lmV。
[0023] 与现有技术相比，本实用新型一种增益提升的运算跨导放大器的优点为：1、传统 折叠式运放的1对差分输入MOS管分成2对差分输入MOS管，同时用2对负载电流镜接收2 对差分输入MOS管的输出信号；这样共源共栅输出级的2个晶体管就不仅仅是作为恒流源 (如在折叠式运算放大器中的作用），可有效利用电流，使得本运算跨导放大器的跨导实现 倍增；2、共源共栅输出级的共源共栅结构上增加了 1对可调辅助差分对，使本运算跨导放 大器受输出电压影响很弱，且不会引入额外的极点；3、实现多路径运算放大，改善传统的共 源共栅输出端的大恒流源为驱动管，不仅有效的增大整运放的跨导，还提升大信号的瞬态 压摆率；4、在同样静态功耗下，本运算跨导放大器的增益、带宽和共模抑制比均实现倍增， 在1.2V工作电源下采用90nm COMS TSMC工艺对其进行Spectre模拟，结果表明，本运算跨 导放大器在功耗I. 05mW条件下，直流开环增益为72. 7dB，单位增益带宽为217. 9MHz ;相比 RFC结构运放，不仅增益提高了 19dB，还且还具有可调性高，减少工艺的影响，可适用于通 信、电子测量，以及自动控制等系统。有效地提高运算跨导放大器的输出阻抗和增益，实现 高精度、低功耗、大宽带、高增益、高速的运算放大，解决了在目前深亚微米工艺下传统运算 放大器增益低，带宽性能退化、功耗高的的问题。
【附图说明】
[0024] 图1为对比例复用型折叠式共源共栅运算放大器的电路结构示意图。
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