CMOS低温低噪声运放电路制造技术

本发明专利技术公开了一种CMOS低温低噪声运放电路，其偏置电路部分采用多级电流镜套构的方式，参考电流基准采用两个二极管连接的MOS管有源电阻生成，使放大器的参考电流具有较好的温度特性；放大部分采用差分输入的折叠共源共栅结构，一级放大就能使放大器的开环增益大于80dB，克服了传统的二级放大使用的米勒补偿电容在低温77K下容易引起振荡的缺点；差分输入对管采用宽长比大于100的大管子，有利于CMOS放大器噪声性能地提高，该差分运算放大器在常温和低温77K之间都能正常工作，可作为低温CMOS电路设计的标准放大器模块使用，既可以应用在光伏红外探测器电路，也可应用在长波红外光导探测器电路。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种CMOS运放电路，具体涉及一种CMOS低温低噪声的运放电路。
技术介绍
在航天遥感领域中，大部分的红外探测器都在低温下工作，为提高系统的性能，减少外界引入的干扰，要求探测器与电路近距离连接，即设计的电路也需在低温下工作。目前，商业化的电路产品都是针对常温设计的，在低温下可能无法正常工作。为了提高系统的性能，必须设计低温下能正常工作的CMOS读出电路，其中读出电路中核心模块是CMOS差分运算放大器，如果具有成熟的低温CMOS差分运算放大器模块，将会更加有利于将来低温CMOS电路的设计。2005年3月2日授权的曹必松等的中国专利CN 1588794 A，公布了一种射频频段低温低噪声放大器，该放大器是属于射频
的放大器，主要应用于CDMA频段，采用的是双极型工艺，没有采用现在的常规CMOS工艺，无法应用到现在的主流CMOS电路的设计中。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种能应用在低温CMOS电路设计中的CMOS差分运算放大器标准模块，提高低温CMOS专用集成电路的设计水平。该低温CMOS差分运算放大器的放大部分如图1所示，采用差分输入的一级折叠共源共栅结构。其中PM7和PM8是输入对管，PM7、PM8、NM4、NM5构成差分输入的共源共栅结构，PM4、PM5为差分输出的有源负载，NM6、NM7给共源共栅提供电流源,Bias1、Bias2、Bias3为偏置电压，In-、In+为差分运算放大器的正负输入端。该低温CMOS差分运算放大器的偏置电路部分如图2所示，其中NM3与NM0构成第一级电流镜，PM0与PM1构成第二级电流镜，NM1与放大部分的NM6、NM7构成电流镜，PM0与放大部分的PM3构成电流镜。其特征在于：该CMOS低温低噪声差分运算放大器的输入管采用1500μm/1.5μm的大管子，大大降低了放大器的等效输入噪声；电路拓扑结构采用一级折叠共源共栅结构，无需使用米勒补偿电容，克服了普通的两级放大器在低温下米勒补偿电容变化而容易导致电路振荡的缺点；低温放大器的偏置电路采用三级镜像的方式，没有使用多晶硅电阻来生成参考电流，克服了多晶硅电阻随温度变化导致电路静态工作点漂移的缺点。该CMOS差分运算放大器在常温和低温77K之间都能正常工作。此设计方法适合于大部分的微米级或亚微米级的微电子工艺。该运放可作为CMOS电路设计的标准放大器模块使用，即可以应用在光伏红外探测器电路，也可应用在长波光导红外探测器电路。本专利技术的优点如下：1.该CMOS低温低噪声运放模块使用了共源共栅结构，一级放大就能达到80dB以上的放大倍数，电源电压抑制比也比较高，减小了电源纹波引入的噪声。2.该CMOS低温低噪声运放模块用于红外光伏探测器电路时其等效输入电流噪声小于0.03pA/Hz1/21KHz。3.该CMOS低温低噪声运放模块从常温300K到低温77K都能正常工作，不仅可应用于光伏和光导红外探测器的信号放大，还可以作为其它低温CMOS电路的标准运算放大器模块使用。4.该CMOS低温低噪声运放模块采用标准的微米或亚微米CMOS工艺制造而成，保证了芯片制造的可重复性。5.该CMOS低温低噪声运放模块无需使用补偿电容，克服了普通的两级放大器补偿电容在低温下变化而容易导致电路振荡的缺点。附图说明图1CMOS低温低噪声运放模块放大电路部分结构图。图2CMOS低温低噪声运放模块偏置电路部分结构图。图3CMOS低温低噪声运放模块输入对管的对称版图。图4CMOS低温低噪声运放开环增益的仿真结果图。图5CMOS低温低噪声运放模块放大电路总图。具体实施方式下面结合附图对本专利技术的具体实施方式作进一步的详细说明：实施例1此电路总的噪声主要由输入管PM7、PM8管决定,其等效输入噪声电压计算公式为:Sve(f)=83kTgm+KfCox2WL1f]]>(其中gm=2KpWLIds]]>)第一项为沟道热噪声,第二项为1/f噪声。gm为输入管的跨导，为减小总噪声，输入管W/L的大小及偏置电流的设计非常重要。从以上公式可知增大gm可以减小沟道热噪声，在面积许可的条件下，增大输入管的W/L，采用1500μm/1.5μm来增大gm，在画版图时用72个41.7μm/1.5μm的管子组成输入对管PM7、PM8，且在输入对管的外面使用了保护环，有利于减少输入对管的失调及外界串扰进来噪声。PMOS比NMOS的1/f噪声小，所以输入管PM7、PM8选PMOS减小了1/f噪声。另外增大W×L也可以减小1/f噪声,在功耗和面积许可的条件下,其他管子也尽可能考虑低噪声标准来设计。当温度降低时电流加大以及域值电压VT增加可能会使器件无法工作，所以在设计每个管子的W/L时要充分考虑。该低温低噪声CMOS差分运算放大器的放大部分如图1所示，采用差分输入的一级折叠共源共栅结构。其中PM7和PM8是输入对管，PM7、PM8、NM4、NM5构成差分输入的共源共栅结构，PM4、PM5为差分输出的有源负载，NM6、NM7给共源共栅提供电流源,Bias1、Bias2、Bias3为偏置电压，In-、In+为差分运算放大器的正负输入端。放大部分的管子参考尺寸如下表所示(单位为微米)。管子PM7、PM8NM4、NM5NM6、NM7PM4、PM5PM3W/L1500/1.5120/10120/1010/10200/10实施例2该低温低噪声CMOS差分运算放大器的偏置电路部分如图2所示，其中NM3与NM0构成第一级电流镜，PM0与PM1构成第二级电流镜，NM1与放大部分的NM6、NM7构成电流镜，PM0与放大部分的PM3构成电流镜。偏置部分共由八个管子构成，采用二级管连接的PM2、NM3形成基准电流源，由NM3镜像到NM0产生一路电流，再由PM0镜像到PM1产生另外一路电流，该电流源没有使用对温度特别敏感的无源电阻，所以该电流源在常温和低温下都能正常工作，测试结果显示该电流源温度抑制能力很强，所以整个低温CMOS差分运算放大器芯片工作温度范围很宽，从常温300K到低温77K都能正常工作。偏置电路部分的管子参考尺寸如下表所示(单位为微米)。管子PM1、PM0、NM1NM0、NM3、PM2NM2PM6W/L1本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种CMOS低温低噪声运放电路，包括放大电路模块和偏置电路模块，其特征在于：所述的放大电路模块采用差分输入的折叠共源共栅结构的放大电路，其中差分输入对管采用宽长比大于100的PMOS管，共源共栅结构的开环增益大于80dB；所述的偏置电路模块采用多级电流镜套构的方式，其基准电流部分采用二极管连接方式的有源电阻组成。

【技术特征摘要】
1.一种CMOS低温低噪声运放电路，包括放大电路模块和偏置电路模块，
其特征在于：
所述的放大电路模块采用差分输入的折叠共源共栅结构的放大电路，其中
差分输入对管采用宽...

【专利技术属性】
技术研发人员：袁红辉，陈永平，陈世军，宋伟清，
申请(专利权)人：中国科学院上海技术物理研究所，
类型：发明
国别省市：上海;31