一种低功耗宽带高增益高摆率单级运算跨导放大器制造技术

本发明专利技术公布了一种低功耗宽带高增益高摆率单级运算跨导放大器，由恒定电流偏置依次串接差分输入级、负载电流镜传输输出级三部分构成，其中负载电流镜传输输出级由八个Ｎ型ＭＯＳ管ＮＭ１至ＮＭ８构成。本发明专利技术彻底解决线性运放电路内在固有局限约束，实现静态、交流小信号和动态大信号下电路性能的全面改善和提高。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种兼容低功耗、高速、高精度特性的线性跨导单级运放电路，属于模 拟集成运放
，通过对负载电流镜非线性效应与线性传输比控制的兼容和集成，获 得高效电流利用效率以及功耗约束下电路速度与精度的协调统一，实现电路静态、动态特 性的全面提升。
技术介绍
SoC数模混合单芯片系统中，系统功能扩展与性能提高只有在低功耗的约束下才 具有更现实的意义。现有技术中，电路速度或动态性能的改善通常以大电流驱动即功耗增 加为代价，低功耗高速高精度相互制约的要求显著增加了线性运放电路设计和实现的难 度。因此，低功耗高速运放电路设计与实现，需要突破现有线性结构的局限。对于传统的单级OTA线性运算跨导电路(见图1)，在低电源电压限制下，难以充 分利用Cascode结构的高阻输出特性实现高增益，通过降低输出电流提高阻抗和增益的方 法又难以满足动态电流调节与驱动下的高速响应要求；相反，当N值固定后，通过增大静态 电流Ib提高带宽，获得大摆率驱动下的高速响应，不但引起功耗的增加，同时导致增益的下 降。因此，对于传统OTA结构，只能在静态电流Ib、输入差分对管跨导因子、差分对负载电流 镜W/L比例因子N值三种参数之间进行优化选取，以平衡增益、带宽、摆率和功耗的需求，但 同时满足各方需求则极为困难。为解决电路中的固有矛盾，需通过非线性效应和参数可配 置控制突破原有线性电路结构的制约和局限。
技术实现思路
本专利技术目的在于为了解决了常规运放电路中难以调和的电路系统速度、精度与功 耗间的固有矛盾，提供一种低功耗宽带高增益高摆率单级运算跨导放大器。本专利技术一种低功耗宽带高增益高摆率单级运算跨导放大器，由恒定电流偏置依次 串接差分输入级、负载电流镜传输输出级三部分构成，其中负载电流镜传输输出级由八个N 型MOS管匪1至NM8构成，N型MOS管匪1的漏极分别接差分输入级的一个输出端和N型 MOS管匪3、NM6、匪7的栅极，N型MOS管匪1的漏极分别接差分输入级的另一个输出端和 N型MOS管NM4、NM5、NM8的栅极，N型MOS管NMl的源极分别接N型MOS管NM3、NM5的漏 极，N型MOS管NM2的源极分别接N型MOS管NM4、NM6的漏极，N型MOS管NM3、NM4、NM5、 NM6、匪7、NM8的源极分别连接接地，N型MOS管匪7漏极构成负载电流镜传输输出级的第 一输出端，N型MOS管NM8漏极构成负载电流镜传输输出级的第二输出端。所述恒定电流偏置由P型MOS管PMO构成，P型MOS管PMO的漏极接电源Vdd，P 型MOS管PMO的源极接差分输入级。所述差分输入级由两个P型MOS管PMl、PM2构成，P型MOS管PMl、PM2的漏极接 恒定电流偏置的输出端，P型MOS管PM1、PM2的源极接负载电流镜传输输出级的输入端。本专利技术通过小信号下起正反馈作用的交叉耦合对管结构与宽动态范围内有效的负载电流镜线性-非线性模式自适应配置结构的兼容与相互作用，有效解决了常规运放电 路中难以调和的电路系统速度、精度与功耗间的固有矛盾。模式控制的关键是在静态条件 下将负载电流镜偏置在线性-非线性临界工作模式下，确保静态低功耗；同时在交流小信 号下，利用线性范围内交叉耦合对管对负载电流镜线性传输比的下降控制作用，实现高增 益(Av)倍增以确保高精度控制，带宽(p_3dB*GBW)倍增以确保小信号高速及线性处理性 能；在大信号下，虽然交叉耦合对管失效，但大的输入动态范围可自动将差分负载电流镜转 入深度非线性工作模式，即通过电流传输的非线性效应实现压摆率(SR)的倍增，以提高瞬 态响应速度。通过线性传输宽长比的配置以及非线性效应，能够彻底解决线性运放电路内 在固有局限约束，实现静态、交流小信号和动态大信号下电路性能的全面改善和提高。本专利技术具有在同等静态低功耗下，电路交流小信号增益、带宽以及大信号电压摆 率的倍增。采用CSMCO. 18mm标准CMOS工艺，在静态电流为^mA和30pF负载电容的条件 下，低频增益为71. 3dB，单位增益带宽为6. 5MHz，大信号下的正向压摆率为+12. 5V/ms，反 向压摆率为-12.8V/ms。相比同等条件下的经典单级OTA结构，增益增加了 MdB，带宽提高 了 9倍，电压摆率增大20倍。附图说明图1为传统运算跨导放大器OTA的原理电路图。图2为普通线性比例电流镜和Cascode线性电流镜的电路图。图3为线性/非线性自适应电流镜的电路图。图4为非线性模式可配置OTA电路原理图。图5为图4所示OTA的小信号波特图。图6为图4所示OTA的大信号电压摆率。具体实施方式下面结合附图对专利技术的技术方案进行详细说明 本专利技术采用如下技术方案一种在低功耗约束下仍具有高精度高速响应的运算跨导放大电路(见图4)，其特征包 括运算跨导放大器属于OTA单级增益电路结构；电路系统由恒定电流偏置、差分输入级、负 载电流镜传输输出级三部分构成，其中PMOS差分对管采用固定尾电流偏置，两对对称的负 载电流镜分别采用由三个NMOS管构成的线性-非线性模式动态可配置结构，同时增加一对 交叉耦合对管对负载电流镜等效输入W/L调制控制的结构；电路输出级采用CMOS互补推挽 的对称驱动结构。两种基于电路结构和工作模式的可配置控制利用其在特定模式下所具有的良好 互补性，相互配合以解决常规线性电路内在固有矛盾制约，全面提升电路的静态、交流和瞬 态性能；一种是利用交叉耦合对管交流条件下的正反馈控制，实现电流镜线性传递系数在 不同信号模式下的切换或配制，主要实现对电路交流小信号特性的改进；另一种是基于电 流镜线性-非线性模式的动态配置，在保持低功耗的条件下主要实现对电路瞬态大信号特 性的提升；差分输入级的结构和工作模式的设定差分输入级采用经典三管差分结构，可以是三4管PMOS差分对，也可以是与之镜像关系的NMOS差分对；差分对尾电流采用稳定的恒流偏 置，差分对两输入管采用W/L相同的对称设计，确保静态时两差分对管各流过一半的尾电 流，差分输出A、B两端电位相同，差分交流小信号驱动下两差分对管中的变化电流大小相 同、极性相反，同时差分输出A、B两端保持差分信号的性质；电流镜线性-非线性模式可配置的结构和工作模式的设定将四管宽摆幅Cascode电 流镜结构(见图2)中输出支路上的M4管去除(或短路)，即可得到这种模式可配置电流 镜结构(见图3)。具体的模式控制由电流镜输入电流I1、输入支路各MOS管尺寸W/L以及 Cascode偏置电压Vbn三种影响因素的相对关系决定。在偏置电压Vbn和电流I1均固定的条件下，减小具有相同尺寸的Ml和M3两管的 W/L,将使电流镜由线性性质向非线性性质转化，相反，增加W/L将使电流镜由非线性性质 向线性性质转化；通过合适的W/L设计，能够将此电流镜根据需要设定在所需的线性或非 线性工作模式。差分对在静态条件下对差分负载输入驱动电流恒定且Vbn恒定，利用这一点 特性即W/L的调节来设置在静态条件下负载电流镜的模式。在偏置电压Vbn和输入管器件尺寸W/L均固定的条件下，增加输入电流I1将使电 流镜由线性性质向非线性性质转化，相反，减小输入电流I1将使电流镜由非线性性质向线 性性质转化；因此，通过输入电流的变化，可以使电流镜实现不同传本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种低功耗宽带高增益高摆率单级运算跨导放大器，其特征在于由恒定电流偏置依次串接差分输入级、负载电流镜传输输出级三部分构成，其中负载电流镜传输输出级由八个Ｎ型ＭＯＳ管ＮＭ１至ＮＭ８构成，Ｎ型ＭＯＳ管ＮＭ１的漏极分别接差分输入级的一个输出端和Ｎ型ＭＯＳ管ＮＭ３、ＮＭ６、ＮＭ７的栅极，Ｎ型ＭＯＳ管ＮＭ１的漏极分别接差分输入级的另一个输出端和Ｎ型ＭＯＳ管ＮＭ４、ＮＭ５、ＮＭ８的栅极，Ｎ型ＭＯＳ管ＮＭ１的源极分别接Ｎ型ＭＯＳ管ＮＭ３、ＮＭ５的漏极，Ｎ型ＭＯＳ管ＮＭ２的源极分别接Ｎ型ＭＯＳ管ＮＭ４、ＮＭ６的漏极，Ｎ型ＭＯＳ管ＮＭ３、ＮＭ４、ＮＭ５、ＮＭ６、ＮＭ７、ＮＭ８的源极分别连接接地，Ｎ型ＭＯＳ管ＮＭ７漏极构成负载电流镜传输输出级的第一输出端，Ｎ型ＭＯＳ管ＮＭ８漏极构成负载电流镜传输输出级的第二输出端。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：吴金，马科，汤欣伟，郑雷，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：32[中国|江苏]