一种带宽可调的运算放大器电路制造技术

本发明专利技术公开了一种带宽可调的运算放大器电路，该运算放大器电路包括偏置电路、全差分运算放大器主电路和共模反馈电路，其中：偏置电路，用于为全差分运算放大器主电路和共模反馈电路提供与温度和工艺无关的稳定的偏置电流；全差分运算放大器主电路，是两级放大的满摆幅输出结构，用于在偏置电流的作用下提供增益和所需的带宽，并向共模反馈电路输出共模电平；共模反馈电路，用于稳定全差分运算放大器主电路输出的共模电平至一个恒定的电压。本发明专利技术的带宽可调的运算放大器电路可以广泛应用于需要工作在多种带宽下的有源滤波器，跨阻放大器等射频和模拟集成电路中，具有功耗低，集成度高，适应多种不同负载情况，配置简单，工作稳定的优点。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及集成电路
，尤其涉及一种带宽可调的运算放大器电路。
技术介绍
集成运算放大器自20世纪60年代问世以来，取得了飞速的发展。最初多用于各种模拟信号的运算，例如比例、求和、求差、积分、微分等，随着技术的发展，集成运放已经广泛应用于模拟信号的处理和发生电路中，可用以构成有源滤波器，跨阻放大器等多种射频和模拟集成电路中常用的单元模块。全差分运算放大器与单端输出的运算放大器相比，具有更大的输出电压摆幅，对共模噪声不敏感，而且输出不含偶次谐波分量，这使它广泛应用于各种复杂环境下的集成电路中。由于差分输出，运放需要两个匹配的反馈网络，并需要共模反馈电路来稳定共模输出电压。以滤波器为例，现今的多种通信制式要求滤波器具有多种带宽以满足系统的性能指标要求。一种解决方法是，将不同带宽的滤波器并联放置，选择不同滤波器的输出就可以得到不同带宽的滤波效果。然而这将带来电路功耗和版图面积的极大浪费。为了降低电路功耗和减小版图面积，较好的方法是共用滤波器的核心单元，即运算放大器电路。将滤波器的反馈电容改为可调的电容阵列，由控制信号进行切换得到不同的电容值，从而得到不同的滤波器带宽。然而，滤波器的不同带宽，要求运放也具有不同的环路带宽。而且，随着滤波器反馈电容阵列的切换，运放的负载将经历很大的变化，典型地从几PF变化到几十pF，给运算放大器的稳定性带来很大的威胁。如果按照最大负载的情况，设计密勒补偿电容以保证各种负载情况下运放的稳定性，在轻负载的情况下，运放的带宽就会显著减小，不能满足系统性能指标的要求。另一个主要的矛盾是，在一定功耗下，运放的带宽有限。要提高运放的带宽，并且保持运放的增益不变，需要提高运放的单位增益带宽。这就需要加大运放的工作电流，功耗和带宽的矛盾是运放设计时不可避免的矛盾。
技术实现思路
(一 )要解决的技术问题针对现有技术中存在的上述问题，本专利技术提供了一种带宽可调的运算放大器电路。( 二 )技术方案为达到上述目的，本专利技术提供了一种带宽可调的运算放大器电路，该运算放大器电路包括偏置电路、全差分运算放大器主电路和共模反馈电路，其中:偏置电路，用于为全差分运算放大器主电路和共模反馈电路提供与温度和工艺无关的稳定的偏置电流；全差分运算放大器主电路， 是两级放大的满摆幅输出结构，用于在偏置电流的作用下提供增益和所需的带宽，并向共模反馈电路输出共模电平； 共模反馈电路，用于稳定全差分运算放大器主电路输出的共模电平至一个恒定的电压。上述方案中，所述偏置电路包括基准电流I,ef以及第十NMOS管Mltl、第i^一 NMOS管M11组成的电流镜结构；第九PMOS晶体管M9的栅极与漏极相接，为全差分运算放大器主电路和共模反馈电路提供偏置电流。上述方案中，所述全差分运算放大器主电路包括第一级及第二级放大电路，在该两级放大电路之间加入有可切换的第三及第四密勒补偿电容(c3、c4)和第三及第四密勒补偿电阻(r3、R4)，用于实现不同带宽下的稳定工作，同时加入有可切换的第一及第二交叉反馈电容(C1、C2)和第一及第二交叉反馈电阻OV R2),用来进一步拓展带宽；在该两级放大电路之间还加入有第五及第六耦合电容(C5、C6)和第五及第六高阻值隔离电阻(R5、R6)，实现满摆幅输出。上述方案中，所述可切换的第三及第四密勒补偿电容(C3、C4)及所述可切换的第一及第二交叉反馈电容(C1' C2)均由电容阵列(C/、C2，...Cn，)和MOS开关(S1、S2...Sn)构成，电容阵列(C/、C2’...Cn’)由η条支路并联构成,第一条支路由第一撇电容C1’、第一开关S1串联组成，第η条支路由第η撇电容Cn’、第η开关Sn串联组成，η为彡I的整数；所述可切换的第三及第四密勒补偿电阻(R3、R4)及所述可切换的第一及第二交叉反馈电阻(R^R2)均由电阻阵列(R/、R2’...Rn，)和MOS开关(S”S2...Sn)构成，电阻阵列(R/、R2’...Rn’)由η条支路并联构成，第一条支路由第一撇电阻R/、第一开关S1串联组成，第η条支路由第η撇电阻Rn’、第η开关Sn串联组成，η为彡I的整数。上述方案中，所述MOS开关由CMOS传输门构成，包括第十八NMOS管M18、第十九PMOS管M19以及反相器INV。所述反相器INV由第二i^一 PMOS晶体管M21和第二十二 NMOS晶体管M22构成。上述方案中，所述第五及第六高阻值隔离电阻(R5、R6)由工作在截止区的二极管结构的PMOS管(MJ或者工作在截止区的二极管结构的NMOS管(MJ)构成，有效减小了版图面积。上述方案中，所述共模反馈电路包括第十二 PMOS晶体管M12、第十三PMOS晶体管M13、第十四NMOS晶体管M14、第十五NMOS晶体管M15、第十六PMOS晶体管M16构成的差分放大器结构，第八及第九电阻(R8、R9)检测输出共模电平，通过负反馈稳定输出共模电平至稳定的电压V 。所述共模反馈环路中还添加有RC滞后补偿电路，该RC滞后补偿电路由第七电阻及第七电容(R7、C7)串联而成，用于提高频率响应的相位裕度。(三)有益效 果本专利技术提供的带宽可调的运算放大器电路，工作稳定可靠，能够广泛应用于各种复杂环境下的射频和通信集成电路中，具有以下多种优点:1、在本专利技术提供的带宽可调的运算放大器电路中，偏置电路为运放主电路和共模反馈电路提供与工艺和温度无关的基准电流，极大减小了运放在各种工艺角下的性能波动。2、在本专利技术提供的带宽可调的运算放大器电路中，全差分运算放大器由两级放大电路组成的满摆幅输出的放大器结构，采用二极管结构的MOS管实现了等效大电阻，有效减小了版图面积；采用可切换的密勒补偿结构，使运算放大器在不同的负载情况下，均能达到很好的稳定性；同时，提出可切换的交叉反馈结构，在不增加电路功耗的情况下，有效地扩展了带宽。共模反馈电路中加入RC滞后补偿，稳定运放输出直流电平的同时，达到了很好的环路稳定性。3、为了减小运放第一级输出对偏置电压的影响，需要电阻R5和R6的阻值高达IG欧姆。这样高的阻值将会占用巨大的版图面积。在本专利技术提供的带宽可调的运算放大器电路中，采用工作在截止区的二极管结构的MOS管来实现高阻值的电阻，利用小尺寸的管子，即可取得高阻值的效果。在一个示例中，采用的二极管结构的PMOS管的大小为W/L =4 μ m/250nm，版图面积大幅减小，而且易于通过调整MOS管的尺寸来调整电阻的大小。4、在本专利技术提供的带宽可调的运算放大器电路中，通过同时应用可切换的密勒补偿电容和交叉反馈电容，密勒补偿和交叉反馈结构中的电阻和电容的大小均可由控制字进行切换，实现了运放在不同带宽下的稳定工作，使运放在各种负载情况下，均能稳定工作，而且在不增加电流消耗的情况下，拓展了带宽。5、本专利技术提供的带宽可调的运算放大器电路，可以广泛应用于需要工作在多种带宽下的有源滤波器，跨阻放大器等射频和模拟集成电路中，具有功耗低，集成度高，适应多种不同负载情况，配置简单，工作稳定的优点。附图说明图1为依照本专利技术实施例的带宽可调的运算放大器电路的结构示意图；图2a为依照本专利技术实施例的高阻值电阻的一种实现原理图；图2b为依照本专利技术实施例的高阻值电阻的另一种实现原理图；图3为依照本专利技术实施例的可切换电容本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种带宽可调的运算放大器电路，其特征在于，该运算放大器电路包括偏置电路、全差分运算放大器主电路和共模反馈电路，其中：偏置电路，用于为全差分运算放大器主电路和共模反馈电路提供与温度和工艺无关的稳定的偏置电流；全差分运算放大器主电路，是两级放大的满摆幅输出结构，用于在偏置电流的作用下提供增益和所需的带宽，并向共模反馈电路输出共模电平；共模反馈电路，用于稳定全差分运算放大器主电路输出的共模电平至一个恒定的电压。

【技术特征摘要】
1.一种带宽可调的运算放大器电路，其特征在于，该运算放大器电路包括偏置电路、全差分运算放大器主电路和共模反馈电路，其中: 偏置电路，用于为全差分运算放大器主电路和共模反馈电路提供与温度和工艺无关的稳定的偏置电流； 全差分运算放大器主电路，是两级放大的满摆幅输出结构，用于在偏置电流的作用下提供增益和所需的带宽，并向共模反馈电路输出共模电平； 共模反馈电路，用于稳定全差分运算放大器主电路输出的共模电平至一个恒定的电压。2.如权利要求1所述的运算放大器电路，其特征在于，所述偏置电路包括基准电流(Iref)以及第十NMOS管(Mltl)、第i^一 NMOS管(M11)组成的电流镜结构；第九PMOS晶体管(M9)的栅极与漏极相接，为全差分运算放大器主电路和共模反馈电路提供偏置电流。3.如权利要求1所述的运算放大器电路，其特征在于，所述全差分运算放大器主电路包括第一级及第二级放大电路，在该两级放大电路之间加入有可切换的第三及第四密勒补偿电容(c3、c4)和第三及第四密勒补偿电阻(r3、r4)，用于实现不同带宽下的稳定工作，同时加入有可切换的第一及第二交叉反馈电容(CpC2)和第一及第二交叉反馈电阻(R1、R2)，用来进一步拓展带宽；在该两级放大电路之间还加入有第五及第六耦合电容(C5、C6)和第五及第六高阻值隔离电阻(R5、R6),实现满摆幅输出。4.如权利要求3所述的运算放大器电路，其特征在于， 所述可切换的第三及第四密勒补偿电容(C3、C4)及所述可切换的第一及第二交叉反馈电容(C1X2)均由电容阵列(C/、C2’...(；’)和MOS开关(S^SfSn)构成，电容阵列(C/、C2’...Cn’)由η条支路并联构成，第一条支路由第一撇电容(C/)、第一开关(S1)...

【专利技术属性】
技术研发人员：武振宇，刘欣，黄水龙，樊晓华，张海英，
申请(专利权)人：中国科学院微电子研究所，
类型：发明
国别省市：