CN102176661B - 基于mos器件的宽带低功耗斩波稳定轨到轨放大器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了属于模拟集成电路设计领域的一种基于MOS器件的宽带低功耗斩波稳定轨到轨放大器。包括升频混频器和降频混频器，实现对输入信号的升频和降频功能、由四个NMOS管和四个PMOS管组成的轨到轨输入级，将输入电压信号转换成电流信号，并形成反向回收电流、由四个低压电流镜组成的放大回收电流的中间级，实现对回收电流的放大作用和由两个PMOS管和两个NMOS管组成的轨到轨输出级，实现信号的轨到轨输出；本发明具有在不增加功耗的情况下提高两倍以上带宽的能力；降低低频1/f噪声；增加低频增益；同时还可以在保持同样的带宽、噪声等性能下降低一半功耗及进一步提高该电路的性能等诸多优点。
Description
技术领域
本发明属于模拟集成电路设计领域，特别涉及一种基于MOS器件的宽带低功耗斩波稳定轨到轨放大器。
背景技术
20世纪年代以来，随着亚微米、超深亚微米技术的发展和***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***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，运算放大器的输入输出信号的动态范围大大减小。为了增大输入输出信号的动态范围，最好能达到整个电源电压范围，即轨至轨输入/输出，就必须对运放的差分输入级和输出级进行改进设计，这就促成了轨至轨放大器的产生与发展。同时在低压环境下，运算放大器低频噪声的影响会增大。为了提高运放的噪声性能，增大信号的信噪比，就必须对运放的结构进行改进设计，这就促成了斩波稳定放大器的产生与发展。
近几年来，斩波稳定轨到轨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、***、传感器等各种电路当中。与传统的运放相比，斩波稳定轨到轨放大器主要具有以下几个特点：(1)共模输入电压范围接近电源正负两级。(2)低频1/f噪声被很好的抑制。(3)输出电压可以达到电源电压正负两级。
传统的斩波稳定轨到轨放大器的电路结构如图1所示。输入信号先经过一个混频器，然后进入放大器的输入级，输入级由两个NMOS管N1、N2和两个PMOS管P1、P2组成，其将正反两个方向的电流同时折叠流经P10、P11和N10、N11到正负输出端，最后放大器的输出端再次经过一个混频器到输出端。其中，PMOS管P3、P6和NMOS管N3、N6都起到电流源的作用。但是，传统的斩波稳定轨到轨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P3、P6和N3、N6只是充当电流源，未被利用传输小信号电流，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。
发明内容
本发明的目的是为克服已有技术的不足之处，提出一种基于MOS器件的宽带低功耗斩波稳定轨到轨放大器，其特征在于，所述宽带低功耗斩波稳定轨到轨放大器包括：
两个混频器：其中升频混频器置于放大器输入级之前，对输入信号起升频作用，降频混频器置于放大器输出级之后，对输入信号起降频作用；
轨到轨输入级：由PMOS管P1a、P1b、P2a、P2b以及NMOS管N1a、N1b、N2a、N2b组成，将输入电压信号转换成电流信号，并形成反向回收电流；
放大回收电流的中间级：包括由NMOS管N7、N4、N3组成的第一电流镜、由NMOS管N8、N5、N6组成的第二电流镜、由PMOS管P7、P4、P3组成的第三电流镜以及由PMOS管P8、P5、P6组成的第四电流镜，实现对回收电流的放大作用；以及
轨到轨输出级：由NMOS管N10、N11以及PMOS管P10、P11组成，实现信号的轨到轨输出；
所述宽带低功耗斩波稳定轨到轨放大器的正负输入信号先通过一个混频器进行混频，把信号调制到载波频带范围内，然后正向输入信号通过输入管P1a将电压信号转换成向下的电流信号，同时负向输入信号通过输入管P2b将电压信号转换成向上的回收电流信号，该回收电流通过交叉连接的由NMOS管N7、N4、N3组成的第一电流镜放大K倍，并与P1a管向下的电流一起通过N10流向负向输出端；同时，负向输入信号通过输入管P2a将电压信号转换成向上的电流信号，同时正向输入信号通过输入管P1b将电压信号转换成向下的回收电流信号，该回收电流通过交叉连接的由NMOS管N8、N5、N6组成的第二电流镜放大K倍，并与P2a管向下的电流一起通过N11流向正向输出端；另外，正向输入信号通过输入管N1a将电压信号转换成向上的电流信号，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回收电流信号，该回收电流通过交叉连接的由PMOS管P7、P4、P3组成的第三电流镜放大K倍，并与N1a管向上的电流一起通过P10流向负向输出端；同时，负向输入信号通过输入管N2a将电压信号转换成向下的电流信号，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回收电流信号，该回收电流通过交叉连接的由PMOS管P8、P5、P6组成的第四电流镜放大K倍，并与N2a管向下的电流一起通过P11流向正向输出端，最后正负输出信号再次经过一个混频器，将信号调制到基带附近；其中的各个MOS器件采用常规MOS晶体管或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。
所述轨到轨输入级的四个PMOS管P1a、P1b、P2a、P2b的尺寸大小一致；四个NMOS管N1a、N1b、N2a、N2b的尺寸大小一致。
所述由NMOS管N7、N4、N3组成的第一电流镜与输入级的P2b管连接；由NMOS管N8、N5、N6组成的第二电流镜与输入级的P1b管连接；、由PMOS管P7、P4、P3组成的第三电流镜与输入级的N2b管连接；以及由PMOS管P8、P5、P6组成的第四电流镜与输入级的N1b管连接。
所述正负输入信号先通过一个混频器进行混频再送到放大器的输入端，最后放大器的正负输出信号再次经过一个混频器进行降频再送到输出端。
本发明的有益效果是这种新型的宽带低功耗斩波稳定轨到轨放大器与传统设计方案相比具有几个明显的优点：在不增加功耗的情况下提高两倍以上带宽的能力；降低低频1/f噪声；增加低频增益；同时还可以在保持同样的带宽、噪声等性能下降低一半功耗等诸多优点。
附图说明
图1为传统的轨到轨斩波稳定放大器的电路结构图。
图2为本发明的新型的宽带低功耗斩波稳定轨到轨放大器的电路结构图。
图3为本发明的新型的宽带低功耗斩波稳定轨到轨放大器与传统的轨到轨斩波稳定放大器的频响仿真对比图。
具体实施方式
在图2中，本发明提出的一种基于MOS器件的宽带低功耗斩波稳定轨到轨放大器，其一种实施方式采用CMOS工艺实现；包括：
两个混频器中的升频混频器置于放大器输入级之前，对输入信号起升频作用，降频混频器置于放大器输出级之后，对输入信号起降频作用；
轨到轨输入级由PMOS管P1a、P1b、P2a、P2b以及NMOS管N1a、N1b、N2a、N2b组成，将输入电压信号转换成电流信号，并形成反向回收电流；
放大回收电流的中间级包括由NMOS管N7、N4、N3组成的第一电流镜、由NMOS管N8、N5、N6组成的第二电流镜、由PMOS管P7、P4、P3组成的第三电流镜以及由PMOS管P8、P5、P6组成的第四电流镜，实现对回收电流的放大作用；以及
轨到轨输出级主要是由NMOS管N10、N11以及PMOS管P10、P11组成，实现信号的轨到轨输出。
该宽带低功耗斩波稳定轨到轨放大器的各MOS管具有如下连接结构：
正负输入信号与第一个混频器相连接，第一个混频器的正向输出与P1a、P1b的栅极和N1a、N1b的栅极相连，第一个混频器的负向输出与P2a、P2b的栅极和N2a、N2b的栅极相连，P1a的漏极与N3的漏极、N10的源极相连，P1b的漏极与N6、N5的栅极相连，P2b的漏极与N3、N4的栅极相连，P2a的漏极与N6的漏极、N11的源极相连，N1a的漏极与P3的漏极、P10的源极相连，N1b的漏极与P6、P5的栅极相连，N2b的漏极与P3、P4的栅极相连，N2a的漏极与P6的漏极、P11的源极相连，P11的漏极与N11的漏极相连，然后与第二个混频的正向输入相连，P10的漏极与N10的漏极相连，然后与第二个混频器的负向输入相连；N12和N13的栅极一起与共模反馈放大电路CMFB相连。
所述宽带低功耗斩波稳定轨到轨放大器的正负输入信号先通过一个混频器进行混频，把信号调制到载波频带范围内，然后正向输入信号通过输入管P1a将电压信号转换成向下的电流信号，同时负向输入信号通过输入管P2b将电压信号转换成向上的回收电流信号，该回收电流通过交叉连接的由NMOS管N7、N4、N3组成的第一电流镜放大K倍，并与P1a管向下的电流一起通过N10流向负向输出端；同时，负向输入信号通过输入管P2a将电压信号转换成向上的电流信号，同时正向输入信号通过输入管P1b将电压信号转换成向下的回收电流信号，该回收电流通过交叉连接的由NMOS管N8、N5、N6组成的第二电流镜放大K倍，并与P2a管向下的电流一起通过N11流向正向输出端；另外，正向输入信号通过输入管N1a将电压信号转换成向上的电流信号，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回收电流信号，该回收电流通过交叉连接的由PMOS管P7、P4、P3组成的第三电流镜放大K倍，并与N1a管向上的电流一起通过P10流向负向输出端；同时，负向输入信号通过输入管N2a将电压信号转换成向下的电流信号，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回收电流信号，该回收电流通过交叉连接的由PMOS管P8、P5、P6组成的第四电流镜放大K倍，并与N2a管向下的电流一起通过P11流向正向输出端，最后正负输出信号再次经过一个混频器，将信号调制到基带附近；其中的各个MOS器件采用常规MOS晶体管或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。
所述轨到轨输入级的四个PMOS管P1a、P1b、P2a、P2b的尺寸大小一致；四个NMOS管N1a、N1b、N2a、N2b的尺寸大小一致。
所述由NMOS管N7、N4、N3组成的第一电流镜与输入级的P2b管连接；由NMOS管N8、N5、N6组成的第二电流镜与输入级的P1b管连接；、由PMOS管P7、P4、P3组成的第三电流镜与输入级的N2b管连接；以及由PMOS管P8、P5、P6组成的第四电流镜与输入级的N1b管连接。
所述正负输入信号先通过一个混频器进行混频再送到放大器的输入端，最后放大器的正负输出信号再次经过一个混频器进行降频再送到输出端。由此可得，输入等效跨导被放大了K+1倍。本发明中，K的值被取为3，因此放大器的带宽被放大到原来的两倍。
图3为本发明的新型的宽带低功耗斩波稳定轨到轨放大器与传统斩波稳定轨到轨放大器的频响仿真结果对比图。从图中可以看出，本发明的新型宽带低功耗斩波稳定轨到轨放大器的带宽相比于传统斩波稳定轨到轨放大器提高了两倍以上。同时，低频增益仍然略有提高。
Claims (4)
1.一种基于MOS器件的宽带低功耗斩波稳定轨到轨放大器，其特征在于，所述宽带低功耗斩波稳定轨到轨放大器包括 ：
两个混频器：其中升频混频器置于放大器输入级之前，对输入信号起升频作用，降频混频器置于放大器输出级之后，对输入信号起降频作用；
轨到轨输入级：由PMOS管P1a、P1b、P2a、P2b以及NMOS管N1a、N1b、N2a、N2b组成，将输入电压信号转换成电流信号，并形成反向回收电流信号；
放大回收电流信号的中间级：包括由NMOS管N7、N4、N3组成的第一电流镜、由NMOS管N8、N5、N6组成的第二电流镜、由PMOS管P7、P4、P3组成的第三电流镜以及由PMOS管P8、P5、P6组成的第四电流镜，实现对回收电流信号的放大作用；以及轨到轨输出级：由NMOS管N10、N11以及PMOS管P10、P11组成，实现信号的轨到轨输出；
所述宽带低功耗斩波稳定轨到轨放大器的正负输入信号先通过所述对输入信号起升频作用的混频器进行混频，把信号调制到载波频带范围内，然后正向输入信号通过输入管P1a将电压信号转换成向下的电流信号，同时负向输入信号通过输入管P2b将电压信号转换成向下的回收电流信号，该回收电流信号通过交叉连接的由NMOS管N7、N4、N3组成的第一电流镜放大K倍，并与P1a管向下的电流一起通过N10流向负向输出端；同时，负向输入信号通过输入管P2a将电压信号转换成向下的电流信号，同时正向输入信号通过输入管P1b将电压信号转换成向下的回收电流信号，该回收电流信号通过交叉连接的由NMOS管N8、N5、N6组成的第二电流镜放大K倍，并与P2a管向下的电流一起通过N11流向正向输出端；另外，正向输入信号通过输入管N1a将电压信号转换成向下的电流信号，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回收电流信号，该回收电流信号通过交叉连接的由PMOS管P7、P4、P3组成的第三电流镜放大K倍，并与N1a管向下的电流一起通过P10流向负向输出端；同时，负向输入信号通过输入管N2a将电压信号转换成向下的电流信号，同时正向输入信号通过输入管N1b将电压信号转换成向下的回收电流信号，该回收电流信号通过交叉连接的由PMOS管P8、P5、P6组成的第四电流镜放大K倍，并与N2a管向下的电流一起通过P11流向正向输出端，最后正负输出信号再次经过所述对输入信号起降频作用的混频器，将信号调制到基带附近；其中的各个MOS器件采用常规MOS晶体管或采用高迁移率的应变硅MOS器件，以进一步提高该放大器的性能。
2.根据权利要求1所述基于MOS器件的宽带低功耗斩波稳定轨到轨放大器，其特征在于，所述轨到轨输入级的四个PMOS管P1a、P1b、P2a、P2b的尺寸大小一致； 四个NMOS管N1a、N1b、N2a、N2b的尺寸大小一致。
3.根据权利要求1所述基于MOS器件的宽带低功耗斩波稳定轨到轨放大器，其特征在于，所述由NMOS管N7、N4、N3组成的第一电流镜与输入级的P2b管连接；由NMOS管N8、N5、N6组成的第二电流镜与输入级的P1b管连接；由PMOS管P7、P4、P3组成的第三电流镜与输入级的N2b管连接；以及由PMOS管P8、P5、P6组成的第四电流镜与输入级的N1b管连接。
4.根据权利要求1所述基于MOS器件的宽带低功耗斩波稳定轨到轨放大器，其特征在于，所述正负输入信号先通过所述对输入信号起升频作用的混频器进行混频再送到放大器的输入端，最后放大器的正负输出信号再次经过所述对输入信号起降频作用的混频器进行降频再送到输出端。
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