本发明专利技术公开了属于模拟集成电路设计领域的一种采用MOS器件实现的低功耗带宽倍增运算放大器，包括由两个NMOS管和两个PMOS管组成的分流输入级，其将输入电压信号转换成电流信号，并形成正反双向小信号电流；由四个低压电流镜组成的放大回收电流的中间级，实现放大回收电流的作用；由四个PMOS管和四个NMOS管组成的轨到轨输出级，实现信号的轨到轨输出；本发明专利技术具有在不明显增加功耗的情况下提高三倍以上带宽的能力；增加低频增益和大信号摆率；同时还可以工作在低电压的环境中增加输入/输出信号幅度等诸多优点。其中的各个MOS器件可采用常规MOS晶体管，也可以采用高迁移率的应变硅MOS器件，以进一步提高该电路的性能。
Low power bandwidth multiplier operational amplifier implemented with MOS device
The present invention discloses a simulation of MOS devices using the low power bandwidth integrated circuit design field multiplication operation amplifier, comprising a shunt input stage is composed of two NMOS and two PMOS tube, the input voltage signal into a current signal, and the formation of bidirectional current small signal amplification of the current recovery; the middle class is composed of four low voltage current mirror, enlarge the role of the current recovery; consisting of four PMOS and four NMOS tube rail to rail output level signals of the rail to rail output; the invention can increase the capacity of more than three times the bandwidth without significantly increasing power consumption under the condition of increasing; the low frequency gain and large signal slew rate; at the same time also can work in low voltage environment to increase the input / output signal amplitude etc.. Each of the MOS devices can use conventional MOS transistors or high strain rate silicon MOS devices to further improve the performance of the circuit.
【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于模拟集成电路设计领域。特别涉及一种新型的低功耗带宽倍增运算放大器。
技术介绍
20世纪年代以来，随着亚微米、超深亚微米技术的发展和系统芯片技术的日益成熟，采用电池供电的便携式电子产品获得了迅猛发展和快速普及。由于电池技术的发展远远跟不上与电子系统的发展，从心脏起搏器到助听器、移动电话和各种各样产品都对电子产品的供电电压提出了严格的限制。另一方面，随着器件尺寸不断的缩小，工艺的击穿电压也在降低，亦对电源电压提出了严格的限制。电子器件性能要求越来越高，开发周期越来越短，对开发与生产成本的制约也日趋严格，使低压模拟集成电路受到了极大的关注。运算放大器是模拟电路中最重要的电路单元，广泛应用于模拟电路和混合信号处理电路中，如开关电容，模数、数模转换器等。但是由于晶体管的阈值电压并不随着特征尺寸的减小而线性减小，所以在低电源电压环境下，运算放大器的各项性能指标会大大减小。 为了提高运放的性能，增大电路处理信号的带宽范围，就必须对传统的折叠共源共栅运放进行改进设计，这就促成了各种新型的低功耗宽带放大器的产生与发展。近十年来，低功耗宽带运算放大器已大量涌现，各大公司也纷纷推出自己相应的产品。其应用十分广泛，可用在DVD播放器、声卡、手机、系统、传感器等各种电路当中。传统的折叠共源共栅放大器主要具有以下几个特点(1)输入共模范围较宽。( 具有较高的低频增益和较宽的带宽。(3)输出电压可以达到电源电压正负两级。传统的折叠共源共栅放大器的电路结构如图1所示。输入级由两个PMOS管P1、 P2组成，其将正反两个方向的电流同时折叠流经N3和N4的漏极到正负输出端。但是，NMOS 管m和N2都只是起到电流源的作用，因此传统的折叠共源共栅放大器存在以下不足1.相比于其他类型的放大器，其静态功耗高。2.电流源m和N2只是充当电流源，未被用来传输小信号电流是一种“浪费”。3.在功耗要求严格的情况下，难以达到高带宽的性能。
技术实现思路
本专利技术的目的是为克服已有技术的不足，提出一种采用MOS器件实现的低功耗带宽倍增运算放大器，其特征在于，所述低功耗带宽倍增运算放大器采用MOS工艺实现，包括分流输入级、放大回收电流中间级以及轨到轨输出级；所述分流输入级由PMOS管Pla、P2a以及NMOS管Nlb、N2b组成；所述放大回收电流中间级由四个电流镜组成，其中NMOS管N4、N6、N7组成第一电流镜，NMOS管N8、N10、N11 组成第二电流镜，PMOS管P4、P6、P7组成第三电流镜，PMOS管P8、P10、Pll组成第四电流镜；所述轨到轨输出级由NMOS管N5、N9和PMOS管P5、P9组成；所述低功耗带宽倍增运算放大器的正向输入信号通过输入管Pla将电压信号转换成向下的小信号电流，该小信号电流通过由N7、N4、N6连接组的成第一电流镜被放大K 倍，然后通过N5的漏极流向负向输出端；同时，正向输入信号通过输入管Wb将电压信号转换成向上的小信号电流，该小信号电流通过由P7、P4、P6连接组成第三电流镜被放大K倍， 然后通过P5的漏极也流向负向输出端；负向输入信号通过输入管Ph将电压信号转换成向上的小信号电流，该小信号电流通过由N8、N10, Nll连接组成的第二电流镜被放大K倍，然后通过N9的漏极流向正向输出端；同时，负向输入信号通过输入管N2b将电压信号转换成向下的小信号电流，该小信号电流通过由P8、P10、P11连接组成的第四电流镜被放大K倍， 然后通过P9的漏极也流向正向输出端。其中的各个MOS器件可采用常规MOS晶体管，也可以采用高迁移率的应变硅MOS器件以进一步提高该电路的性能。本专利技术的有益效果是新型的低功耗带宽倍增运算放大器与传统设计方案相比具有以下几个明显的优点1.在不明显增加功耗的情况下，提高三倍以上带宽。2.增加了放大器的低频增益。3.在低电压的环境下，增加输入/输出信号的幅度。4.增加了放大器的大信号摆率并减小了小信号建立时间。附图说明图1为传统折叠共源共栅放大器的电路结构图。图2为本专利技术的新型低功耗带宽倍增运算放大器的电路结构图。图3为本专利技术的新型低功耗带宽倍增运算放大器的频域仿真结果对比图。具体实施例方式本专利技术提出的一种采用MOS器件实现的低功耗带宽倍增运算放大器，如图2所示， 包括分流输入级、放大回收电流中间级以及轨到轨输出级；所述分流输入级主要是由PMOS 管Pla、P2a以及NMOS管mb、N2b组成；所述分流输入级由PMOS管Pla、P2a以及NMOS管 Nib, N2b组成；所述放大回收电流的中间级由四个电流镜组成，其中NMOS管N4、N6、N7组成第一电流镜，NMOS管N8、N10, Nll组成第二电流镜，PMOS管P4、P6、P7组成第三电流镜， PMOS管P8、P10、Pll组成第四电流镜；所述轨到轨输出级由匪OS管N5、N9和PMOS管P5、 P9组成。在图2中，所述低功耗带宽倍增运算放大器的正向输入信号通过输入管Pla将电压信号转换成向下的小信号电流，该小信号电流通过由N7、N4、N6连接组的成第一电流镜被放大K倍，然后通过N5的漏极流向负向输出端；同时，正向输入信号通过输入管Wb将电压信号转换成向上的小信号电流，该小信号电流通过由P7、P4、P6连接组成第三电流镜被放大K倍，然后通过P5的漏极也流向负向输出端；负向输入信号通过输入管Ph将电压信号转换成向上的小信号电流，该小信号电流通过由N8、N10, Nll连接组成的第二电流镜被放大K倍，然后通过N9的漏极流向正向输出端；同时，负向输入信号通过输入管N2b将电压信号转换成向下的小信号电流，该小信号电流通过由P8、P10、Pll连接组成的第四电流镜被放大K倍，然后通过P9的漏极也流向正向输出端。其中的各个MOS器件可采用常规MOS 晶体管，也可以采用高迁移率的应变硅MOS器件以进一步提高该电路的性能。在图2所示的采用MOS器件实现的低功耗带宽倍增运算放大器的实施例电路图中，输入级由两个PMOS管Pla、P2a和两个NMOS管ma、N2a组成，其中为了保持PMOS管与匪OS管跨导一致，PMOS管的尺寸是匪OS管的尺寸的两倍。同时，NMOS管N7、N6的栅极、N4 的漏极与输入级的Pla管漏极连接，NMOS管附0、Nil的栅极、N8的漏极与与输入级的Ph 管漏极连接，PMOS管P7、P6的栅极、P4的漏极与输入级的Nlb管漏极连接，PMOS管P8的漏极、P10、P11的栅极与输入级的N2b管漏极连接。另外，PMOS管P13的漏极与P6的漏极相连，P12的漏极与Pll的漏极相连，P12和P13的栅极一起与共模反馈放大电路CMFB相连， 从而使得放大器的输出端的直流电压稳定在一个固定值上。图3为本专利技术的新型的低功耗带宽倍增运算放大器与传统折叠共源共栅放大器的频响仿真结果对比图。从图中可以看出，本专利技术的新型的放大器的带宽相比于传统折叠共源共栅放大器提高了三倍。同时，低频增益仍然略有提高。权利要求1.一种采用MOS器件实现的低功耗带宽倍增运算放大器，其特征在于，所述低功耗带宽倍增运算放大器采用MOS工艺实现，包括分流输入级、放大回收电流中间级以及轨到轨输出级；所述分流输入级由PMOS管Pla、P2a以及NMOS管Nlb、N2b组成；所述本文档来自技高网...
【技术保护点】
１．一种采用ＭＯＳ器件实现的低功耗带宽倍增运算放大器，其特征在于，所述低功耗带宽倍增运算放大器采用ＭＯＳ工艺实现，包括分流输入级、放大回收电流中间级以及轨到轨输出级；所述分流输入级由ＰＭＯＳ管Ｐ１ａ、Ｐ２ａ以及ＮＭＯＳ管Ｎ１ｂ、Ｎ２ｂ组成；所述放大回收电流中间级由四个电流镜组成，其中ＮＭＯＳ管Ｎ４、Ｎ６、Ｎ７组成第一电流镜，ＮＭＯＳ管Ｎ８、Ｎ１０、Ｎ１１组成第二电流镜，ＰＭＯＳ管Ｐ４、Ｐ６、Ｐ７组成第三电流镜，ＰＭＯＳ管Ｐ８、Ｐ１０、Ｐ１１组成第四电流镜；所述轨到轨输出级由ＮＭＯＳ管Ｎ５、Ｎ９和ＰＭＯＳ管Ｐ５、Ｐ９组成；所述低功耗带宽倍增运算放大器的正向输入信号通过输入管Ｐ１ａ将电压信号转换成向下的小信号电流，该小信号电流通过由Ｎ７、Ｎ４、Ｎ６连接组的成第一电流镜被放大Ｋ倍，然后通过Ｎ５的漏极流向负向输出端；同时，正向输入信号通过输入管Ｎ１ｂ将电压信号转换成向上的小信号电流，该小信号电流通过由Ｐ７、Ｐ４、Ｐ６连接组成第三电流镜被放大Ｋ倍，然后通过Ｐ５的漏极也流向负向输出端；负向输入信号通过输入管Ｐ２ａ将电压信号转换成向上的小信号电流，该小信号电流通过由Ｎ８、Ｎ１０、Ｎ１１连接组成的第二电流镜被放大Ｋ倍，然后通过Ｎ９的漏极流向正向输出端；同时，负向输入信号通过输入管Ｎ２ｂ将电压信号转换成向下的小信号电流，该小信号电流通过由Ｐ８、Ｐ１０、Ｐ１１连接组成的第四电流镜被放大Ｋ倍，然后通过Ｐ９的漏极也流向正向输出端。其中的各个ＭＯＳ器件可采用常规ＭＯＳ晶体管，也可以采用高迁移率的应变硅ＭＯＳ器件以进一步提高该电路的性能。...
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：方华军，赵晓，梁仁荣，王敬，许军，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：发明
国别省市：11
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