基于低纹波电荷泵的轨到轨输入输出运算跨导放大器制造技术

本发明专利技术公开了一种基于低纹波电荷泵的运算跨导放大器，其电路结构设计简单合理，可提高等效输入跨导的电压波动平坦效果，可满足宽温度范围应用要求，其包括依次连接的偏置电路、差分跨导输入级、差分转单端的跨阻级、推挽输出级，差分跨导输入级包括低纹波电荷泵、第一电流镜、差分对，低纹波电荷泵两个输入端分别连接外部输入时钟信号、电压源VDD，低纹波电荷泵输出端连接第一电流镜电源端，第一电流镜输出连接差分对源极，差分对漏极连接差分转单端的跨阻级，第一电流镜包括PMOS管P9～P12和电阻R3，差分对包括PMOS管P13、P14，推挽输出级输出即为运算跨导放大器电流输出端。输出即为运算跨导放大器电流输出端。输出即为运算跨导放大器电流输出端。

Rail to rail input-output operational transconductance amplifier based on low ripple charge pump

【技术实现步骤摘要】
基于低纹波电荷泵的轨到轨输入输出运算跨导放大器


[0001]本专利技术涉及集成电路
，具体为一种基于低纹波电荷泵的轨到轨输入运算跨导放大器。

技术介绍

[0002]运算跨导放大器是模拟CMOS集成电路设计中的常用单元，用以将输入的差分电压信号转换为输出电流，结合其负反馈网络能够实现各种模拟信号运算，也常简称“运放”。在信号摆幅受限的低工作电压模拟电路应用场合中，常要求运算跨导放大器的输入和输出能够实现轨到轨，以获得最大的电压信号摆幅，即：(1)所设计的运算跨导放大器的共模输入电平近似能够跨越从负电源电压到正电源电压之间的整个范围，即输入轨到轨；(2)所设计的运算跨导放大器的输出电压摆幅近似达到从负电源电压到正电源电压之间的整个范围，即输出轨到轨。
[0003]在实现上述两个目标时，须维持运算跨导放大器的等效输入跨导等小信号参数的基本恒定，以保证运放在各种工作状态下的稳定，另外，运放小信号参数对输入电压的依赖是非线性的主要来源。在目前常用轨到轨输入输出的运算跨导放大器的电路结构中，轨到轨输出都是通过推挽输出(即AB类放大器)实现的，现有运算跨导放大器的主要区别在于：轨到轨输入和基本恒定的等效输入跨导的实现方式不同。但是，大多数已有的轨到轨输入和基本恒定的等效输入跨导的电路结构复杂，并且仅能将等效输入跨导的变化控制在较小的范围内。
[0004]目前，解决上述共模输入范围小的方式是同时设置PMOS差分对管、NMOS差分对管，通过两对差分对管的相互配合来扩大允许的共模输入电压范围，但在实际工作过程中，需保证两对差分对管的开启与关闭能够完美衔接，这大大增加了工艺难度。因此，实际上的传统轨到轨输入级通常需要配合三倍电流镜：在PMOS差分对关闭时，把PMOS差分对的尾电流放大三倍之后送给NMOS差分对；在NMOS差分对关闭时，把NMOS差分对的尾电流放大三倍之后送给PMOS差分对。这样能够实现等效输入跨导在整个输入电压范围内的近似平坦，但三倍电流镜技术存在以下缺点：(1)等效输入跨导随输入电压变化而变化，在引入三倍电流镜的情况下一般也只能把等效输入跨导的波动控制在15％以内，等效输入跨导的波动平坦效果较差；(2)三倍电流镜技术使得输入跨导级的偏置电流随输入电压变化而变化，使后级电路的设计变得更加复杂。在宽温度范围的应用中，这个问题更加严重。

技术实现思路

[0005]针对现有技术中存在的上述问题，本专利技术提供了一种基于低纹波电荷泵的轨到轨输入输出运算跨导放大器，其电路结构设计简单合理，可提高等效输入跨导的电压波动平坦效果，同时可满足宽温度范围的应用要求。
[0006]为实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案：
[0007]一种基于低纹波电荷泵的轨到轨输入输出运算跨导放大器，其包括依次连接的偏
置电路、差分跨导输入级、差分转单端的跨阻级、推挽输出级，
[0008]所述偏置电路用于提供偏置电压和偏置电流；
[0009]所述差分跨导输入级用于将差分输入电压转换为差分电流；
[0010]所述差分转单端的跨阻级用于将差分电流转换为单端电流；
[0011]所述推挽输出级采用推挽的方式把单端电流转换为电流输出；
[0012]其特征在于，所述差分跨导输入级包括电荷泵、第一电流镜、差分对，所述电荷泵为低纹波电荷泵，所述电荷泵用于对电压源VDD进行抬升，并给所述第一电流镜供电，所述第一电流镜用于镜像所述偏置电路产生的偏置电流，所述电荷泵的两个输入端分别连接外部输入时钟信号、所述电压源VDD，所述电荷泵的输出端连接第一电流镜的电源端，所述第一电流镜的输出分别连接所述差分对的源极，所述差分对的漏极连接所述差分转单端的跨阻级，所述差分转单端的跨阻级的输出连接所述推挽输出级的输入，所述第一电流镜包括PMOS管P9～PMOS管P12，所述差分对包括PMOS管P13、PMOS管P14，所述电荷泵的电压输出端通过所述第一电流镜分别连接所述差分对、所述偏置电路。
[0013]其进一步特征在于，
[0014]所述低纹波电荷泵包括PMOS管N17、电容C3、C4、C5、单级电荷泵CP1、CP2，所述单级电荷泵CP1的1管脚分别连接所述电压源VDD、单级电荷泵CP2，所述单级电荷泵CP2的2管脚分别连接电容C3一端、PMOS管N17的源极，所述单级电荷泵CP2的2管脚分别连接电容C4一端，所述PMOS管N17的漏极连接电容C5一端，所述电容C3、C4、C5另一端接地，所述单级电荷泵CP1、CP2的3管脚连接外部输入时钟信号；
[0015]所述单级电荷泵CP1包括PMOS管P20、P21、P22、P23、NMOS管N18、N19、N20、N21、电容C6、C7，所述PMOS管P20与所述NMOS管N18的栅极、PMOS管P21的漏极相连，所述PMOS管P21与所述NMOS管N19的栅极、PMOS管P20的漏极相连，所述NMOS管N18、N19的源极连接电压源VDD，所述PMOS管P20、P21的源极为电压输出端，所述NMOS管N18、N19的源极与所述电容C6、C7的一端一一对应连接，所述电容C6另一端分别连接PMOS管P22、P23、NMOS管N20、N21的栅极，所述电容C7另一端分别连接所述PMOS管P23的漏极、NMOS管N21的漏极，所述PMOS管P22的栅极、NMOS管N21的栅极连接外部输入时钟信号，所述PMOS管P23、P22的源极分别连接电压源VDD，所述NMOS管N20、N23的源极分别接地；所述单级电荷泵CP2的结构与所述单级电荷泵CP1的结构一致；
[0016]所述偏置电路包括第一偏置电压产生单元、第一开关单元，所述第一偏置电压产生单元用于产生偏置电压VB2，所述第一开关单元用于对偏置电压、偏置电流进行导通控制，所述第一偏置电压产生单元包括PMOS管P1、P5，所述第一开关单元包括NMOS管N1～N4、N7～N10、电阻R1、R2，所述第一偏置电压产生单元的输入端连接电压源VDD，输出端连接所述第一开关单元，同时，所述电压源VDD串联电阻R1后与所述第一开关单元连接；
[0017]所述差分转单端的跨阻级包括第二偏置电压产生单元、第二电流镜、第二开关单元、电流缓冲单元以及第三开关单元，所述第二偏置电压产生单元用于产生第一偏置电压VB，所述第二电流镜用于镜像第二偏置电压产生单元的偏置电流，所述第二开关单元、第三开关单元用于导通控制，所述电流缓冲单元用于提供推挽电压，所述第二偏置电压产生单元包括PMOS管P16、P17，所述第二电流镜包括PMOS管P2、P3、P6、P7，所述第二开关单元包括PMOS管P18、P19、N16、N15、N14，所述第三开关单元包括PMOS管P4、P8，所述电流缓冲单元包
括NMOS管N5、N6、N11、N12，所述第二偏置电压产生单元、第二电流镜、第三开关单元的输入端均连接电压源VDD、所述电荷泵的输入端，所述第二偏置电压产生单元、第二电流镜、第三开关单元的输出连接所述第二开关单元，所述第二开关单元的输出连接所述电流缓本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于低纹波电荷泵的输入输出运算跨导放大器，其包括依次连接的偏置电路、差分跨导输入级、差分转单端的跨阻级、推挽输出级；所述偏置电路用于提供偏置电压和偏置电流；所述差分跨导输入级用于将差分输入电压转换为差分电流；所述差分转单端的跨阻级用于将差分电流转换为单端电流；所述推挽输出级采用推挽的方式把单端电流转换为电流并输出；其特征在于，所述差分跨导输入级包括低纹波电荷泵、第一电流镜、差分对，所述低纹波电荷泵用于产生高于电压源VDD的电压源，并给所述第一电流镜供电，所述第一电流镜用于镜像所述偏置电路产生的偏置电流，所述低纹波电荷泵的两个输入端分别连接外部输入时钟信号、电压源VDD，所述低纹波电荷泵的输出端连接第一电流镜的电源端，所述第一电流镜的输出连接所述差分对的源极，所述差分对的漏极连接所述差分转单端的跨阻级，所述差分转单端的跨阻级的输出连接所述推挽输出级的输入，所述第一电流镜包括PMOS管P9～PMOS管P12和电阻R3，所述差分对包括PMOS管P13、PMOS管P14，所述低纹波电荷泵的输出端通过所述第一电流镜分别连接所述差分对、所述偏置电路。2.根据权利要求1所述的基于低纹波电荷泵的输入输出运算跨导放大器，其特征在于，所述低纹波电荷泵包括PMOS管N17、电容C3、C4、C5、单级电荷泵CP1、CP2，所述单级电荷泵CP1的1管脚分别连接所述电压源VDD、单级电荷泵CP2，所述单级电荷泵CP2的2管脚分别连接电容C3一端、PMOS管N17的源极，所述单级电荷泵CP2的2管脚分别连接电容C4一端，所述PMOS管N17的漏极连接电容C5一端，所述电容C3、C4、C5另一端接地，所述单级电荷泵CP1、CP2的3管脚连接外部输入时钟信号。3.根据权利要求2所述的基于低纹波电荷泵的输入输出运算跨导放大器，其特征在于，所述单级电荷泵CP1包括PMOS管P20、P21、P22、P23、NMOS管N18、N19、N20、N21、电容C6、C7，所述PMOS管P20与所述NMOS管N18的栅极、PMOS管P21的漏极相连，所述PMOS管P21与所述NMOS管N19的栅极、PMOS管P20的漏极相连，所述NMOS管N18、N19的源极连接电压源VDD，所述PMOS管P20、P21的源极为电压输出端，所述NMOS管N18、N19的源极与所述电容C6、C7的一端一一对应连接，所述电容C6另一端分别连接PMOS管P22、P23、NMOS管N20、N21的栅极，所述电容C7另一端分别连接所述PMOS管P23的漏极、NMOS管N21的漏极，所述PMOS管P22的栅极、NMOS管N21的栅极连接外部输入时钟信号，所述PMOS管P23、P22的源极分别连接电压源VDD，所述NMOS管N20、N23的源极分别接地；所述单级电荷泵CP2的结构与所述单级电荷泵CP1的结构一致。4.根据权利要求3所述的基于低纹波电荷泵的输入输出运算跨导放大器，其特征在于，所述第一电流镜的PMOS管P9、P10的源极连接所述电荷泵的输出端，所述PMOS管P9的栅极分别连接所述PMOS管P10的栅极、电阻R3一端、PMOS管P11的漏极，所述PMOS管P11的栅极分别连接所述PMOS管P12的栅极、电阻R3另一端、所述偏置电路中的NMOS管N3的漏极，所述PMOS管P12的漏极分别连接所述PMOS管P13、P14的源极，所述PMOS管P13的漏极分别连接所述差分跨导输入级中的NMOS管N5、N11，所述PMOS管P14的漏极分别连接所述差分跨导输入级中的NMOS管N6、N12，所述PMOS管P13的栅极为反相输入端，所述PMOS管P14的栅极为同相输入端。5.根据权利要求4所述的基于低纹波电荷泵的输入输出运算跨导放大器，其特征在于，
所述偏置电路包括第一偏置电压产生单元、第一开关单元，所述第一偏置电压产生单元用于产生偏置电压VB2，所述第一开关单元用于对偏置电压、偏置电流进行导通控制，所述第一偏置电压产生单元包括PMOS管...

【专利技术属性】
技术研发人员：白春风，齐敏，张骥，孙树全，乔东海，
申请(专利权)人：永年半导体无锡有限公司，
类型：发明
国别省市：