CN103457553A - 增益和摆率增强型放大器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种增益和摆率增强型放大器，采用电流镜型跨导放大器（OTA）实现，由一个差分输入级单元和一个双端转单端单元构成。本发明的放大器采用增加电流控制可变电阻的方式，优化电流镜结构，使电路在相同静态功耗情况下可以得到更高的电压增益和带宽，在大信号输入时，可以得到更高的摆率。本发明电路仅需要增加4个电流控制可变电阻，即可使放大器在保持相同功耗的前提下，电路的摆率从0.88V/μs提高到4.8V/μs，带宽从2.54MHz提高到4.3MHz.。本发明电路可广泛应用于可用于开关电容电路、数据转换器、混合信号片上***等电路领域。

Description

增益和摆率增强型放大器

技术领域

本发明涉及一种放大器，特别是一种增益和摆率增强型放大器，它应用于开关电容电路、数据转换器、混合信号片上***等集成电路领域。

背景技术

高性能运算跨导放大器（OTA）是开关电容滤波器、电源管理、数据转换器等模拟电路的重要组成部分，也是构成更为复杂、高集成度混合信号SoC的基础模块。在大多数的应用中，跨导放大器必须要满足例如宽带宽、高增益、摆率增强型和低功耗的要求。

电流镜跨导放大器是业界常用的实现方式，因为其仅具有单极点，无需频率补偿即可稳定，而且具有宽输出摆幅，设计简单。文献1（JeongJin Roh,High-Gain Class-AB OTA with LowQuiescent Current,Analog Integrated Circuits and Signal Processing,47,225–228,2006）中对简单的OTA进行了改进，利用输入器件***和交叉反馈技术，提高了电路增益。但是，此种电路的摆率仅通过严格的电流镜像来得到，由于多电流支路的分流作用，如果在保持输出级电流镜倍数不变的情况下，摆率下降，不能满足高增益、摆率的需求。

发明内容

为了克服上述常规电流镜跨导放大器的增益和摆率低的问题，本发明提出了一种增益和摆率增强型放大器，仅需要增加少量器件，可在不显著增加电路功耗的情况下，大幅提升放大器的增益和摆率。

为实现上述目的，本发明解决上述技术问题所采取的技术方案在于，一种增益和摆率增强型放大器，包括：

一个差分输入级单元，包括PMOS管M₀、PMOS管M_1a、PMOS管M_1b、PMOS管M_2a、PMOS管M_2b、PMOS管M₉～M₁₂和晶体管M_A1、晶体管M_A2，将输入差分信号V_N和V_P进行对称的差分放大；和

一个双端转单端单元，包括NMOS管M₃～M₆、PMOS管M₇、PMOS管M₈、晶体管M_B1、晶体管M_B2，形成带有源极负反馈电阻的电流镜，通过电流镜像将双端信号V_O1和V_O2转换为单端信号V_O，作为增益和摆率增强型放大器的输出。

所述差分输入级单元，包括PMOS管M₀、PMOS管M_1a、PMOS管M_1b、PMOS管M_2a、PMOS管M_2b、PMOS管M₉～M₁₂和晶体管M_A1、晶体管M_A2，将输入差分信号V_N和V_P进行对称的差分放大。其中，PMOS管M₀的源极与V_DD相接，M₀的漏极与PMOS管M_1a、M_1b与M_2a、M_2b的源极相接，M₀的栅极连接偏置电压V_BP，构成尾电流源，M_1a与M_1b的栅极相接，M_2a和M_2b的栅极相接，M_1b的漏极与M₁₁的漏极相接，M₁₁的漏极和栅极相接，M₁₁和M₁₂的栅极相接，M_A2的漏极与M₁₁的源极相接，M_2b的漏极与M₉的漏极相接，M₉的漏极和栅极相接，M₉和M₁₀的栅极相接，M_A1的漏极与M₉的源极相接。

所述双端转单端单元，包括NMOS管M₃～M₆、PMOS管M₇、PMOS管M₈、晶体管M_B1、晶体管M_B2，形成带有源极负反馈电阻的电流镜，通过电流镜像将双端信号V_O1和V_O2转换为单端信号V_O，作为放大器的输出。其中，M₃的栅极和漏极相接，M₃和M₅的栅极相接，M_B1的漏极与M₃的源极相接，M₄的栅极和漏极相接，晶体管M₄和M₆的栅极相接，M_B2的漏极与M₄的源极接接，M₇的栅极和漏极相接，M₇与M₈的栅极相接。

所述晶体管M_A1、M_A2、M_B1、M_B2均起电流控制可变电阻的作用，M_A1、M_A2、M_B1、M_B2的等效电阻随着电流的增大而增大。

有益效果：

本发明的增益和摆率增强型放大器与传统的运算跨导放大器相比，具有以下特点：

1．本发明电路利用带有源极负反馈电阻的电流镜，在静态时可提高放大器的增益和带宽，大信号输入时可提高放大器的摆率。因此，本发明电路在不显著增加电路功耗的情况下，可以得到更高的增益、带宽和摆率，与文献1的常规放大器比较，本发明的电路的增益提高了5dB，摆率提高了5倍，带宽提高1.7倍。

2．本发明电路仅增加4个器件，形成带有源极负反馈电阻的电流镜，可显著提高放大器在静态和大信号输入时的性能，得到了更好的优值，其中，FoM1[MHz×pF/mA]从4.65提高到6.22，FoM2[(V/μs)×pF/mA]从1.61提高到6.94，因此，本发明电路可以采用较低的功耗达到相同的性能。

附图说明

图1为文献1所述的电流镜跨导放大器电路图；

图2为本发明的一种高增益、摆率增强型放大器电路图；

图3为本发明电路中使用的电流控制可变电阻示意图；

图4为本发明电路的放大器与文献1的放大器的摆率曲线对比图；

图5为本发明电路的放大器与文献1的放大器的增益和相位曲线对比图。

具体实施方式

本发明的具体实施方式不仅限于下面的描述，现结合附图加以进一步说明。

本发明的一种增益和摆率增强型放大器的电路图如图2所示，它由差分输入级和双端转单端单元组成，其具体结构和连接关系、作用关系与本说明书的发明内容部分相同，此处不再重复。其中A、B、C和D表示各条支路的电流比值。它的工作原理如下：

首先分析静态工作情况。晶体管M_A1、M_A2、M_B1和M_B2的栅极偏置电压为V_BN，在静态工作时处于深线性区，起到小电阻的作用。在电流较小时，其对电流镜像的影响可以忽略；在电流增大时，晶体管M_A1、M_A2、M_B1和M_B2的等效电阻增大，导致电流镜像器件栅源电压增大，从而增大镜像电流的大小。输入级***为四个并联器件（M_1a和M_1b、M_2a和M_2b），M₉导通M_1b的电流，M₁₁导通M_2b的电流，M₁₀和M₁₂可以看做压控电流源，旁路M_1a和M_2a的电流，从而减小M₃和M₄的静态电流。静态情况下，M_2a的部分电流流入M₁₂（提高第一级的增益），如果保持A/B不变，则同时可以降低输出级的静态电流。小信号变化时，晶体管M_A1和M_A2电流仅为D/2(B+C+D)，晶体管M_B1和M_B2的电流仅为(B-C)/2(B+C+D)，晶体管M_A1、M_A2、M_B1和M_B2上的压降均很小，晶体管M_A1、M_A2、M_B1和M_B2上的压降对电流镜像的影响可以忽略。如果V_P增加V_in/2，则M_2a电流减小g_m2a×V_in/2，M_2b电流减小g_m2b×V_in/2（保持g_m2a+g_m2b=g_m2=g_m1=g_m,in）。M₉-M₁₀形成电流镜，镜像比例为C/D，则M₁₀电流减小g_m2b×V_in/2×C/D，同理可推得M₁₂电流增加g_m2b×V_in/2×C/D，M₄电流减小（g_m2a-g_m2b×C/D）×V_in/2，经过镜像得到由V_P输入端引起输出电流变化量为（g_m2a+g_m2b×C/D）×V_in/2×A/B，同理V_N输入端引起电流变化量与V_P输入端引起输出电流变化量等大反相，可表示为：

$g_{m2a}=\frac{B+C}{B+C+D}{g}_{m,\mathrm{in}}$

$g_{m2b}=\frac{D}{B+C+D}{g}_{m,\mathrm{in}}---\left(1\right)$

$\⇒G_m=g_{m,\mathrm{in}}(\frac{B+C}{B+C+D}+\frac{D}{B+C+D}\frac{C}{D})\frac{A}{B}=g_{m,\mathrm{in}}\left(\frac{B+2C}{B+C+D}\right)\frac{A}{B}$

只要当D＜C，即使A/B保持与A’/B’相同，输入级跨导依然会增大。而实际上，如果保持电路总电流不变，A/B会进一步增大，从而输入跨导远大于g_m,in。输入级跨导的增加可以同时提高开环增益和单位增益带宽。

其次分析动态工作情况。在大信号输入情况下，可以体现出放大器摆率特性，主要通过输出最大电流来分析。当V_P＜V_N，则输入级M_1a和M_1b截止、M_2a和M_2b导通，晶体管M₀提供的尾电流I_B全部流过M_2a和M_2b，如图3所示，处于深线性区的晶体管M_A1、M_A2、M_B1和M_B2在电流增大情况下，晶体管M_A1、M_A2、M_B1和M_B2的等效电阻增大，而同时晶体管M_A1和M_A2电流从D/2(B+C+D)增大为D/(B+C+D)，晶体管M_B1和M_B2电流从（B-C）/2(B+C+D)增大为（B-C）/(B+C+D)，从而显著增大了晶体管M_A1、M_A2、M_B1和M_B2上的压降，也就是增大了镜像晶体管M₁₀、M₁₂、M₅和M₆的栅源电压，使得镜像电流更大，在V_P＜V_N时，输出级晶体管M₈截止，晶体管M₆导通。根据M₆上电流可得到摆率的表达式为：

$\mathrm{SR}\_=\frac{I_{O-}}{C_L}=\frac{2I_B\frac{B+C}{B+C+D}\frac{A}{B}}{C_L}\mathrm{\α\β}---\left(2\right)$

其中，α表示由于晶体管M_A1和M_A2上压降增大导致镜像晶体管M₁₀和M₁₂的电流与无晶体管M_A1和M_A2时镜像电流的比值，β表示由于晶体管M_B1和M_B2上压降增大导致镜像晶体管M₅和M₆的电流与无晶体管M_B1和M_B2时镜像电流的比值。由于该电路的对称性，输出级上拉和下拉电流相等，从而正负摆率相等。

图4为本发明电路的放大器与文献1的放大器的摆率曲线对比图，图5为本发明电路的放大器与文献1的放大器的增益和相位曲线对比图。由图4、5可知，尾电流源晶体管M₀上导通电流为2μA，负载电容为为15pF的情况下，可使电路的摆率从0.88V/μs提高到4.8V/μs；带宽从2.54MHz提高到4.3MHz，增益从60.6dB提高到65dB。

采用优值FoM1[MHz×pF/mA]和FoM2[(V/μs)×pF/mA]来评估电路的功耗效率，根据仿真结果可以得出，FoM1从4.65提高到6.22，FoM2从1.61提高到6.94，可以采用较低的功耗达到相同的性能。

本发明电路采用0.18μm CMOS工艺设计，各元器件参数如下：

PMOS管M₀：作为输入差分级的尾电流源，导通2μA电流即可，本设计中宽长比W/L=4μm/1μm；

M_1a-M_2a：宽长比W/L=18μm/1μm，阈值电压V_THP=-0.45V～-0.35V，源漏间电压V_DS≥6.5V；

M_1b-M_2b：宽长比W/L=2μm/1μm，阈值电压V_THP=-0.45V～-0.35V，源漏间电压V_DS≥6.5V；

M₇-M₈：宽长比W/L=4μm/2μm，阈值电压V_THP=-0.45V～-0.35V，源漏间电压V_DS≥6.5V；

NMOS管M₉-M₁₁：宽长比W/L=1μm/1μm，阈值电压V_THN=0.34V～0.45V，源漏间电压V_DS≥6.5V；

M₁₀-M₁₂：宽长比W/L=6μm/1μm，阈值电压V_THN=0.34V～0.45V，源漏间电压V_DS≥6.5V；

M₃-M₄：宽长比W/L=1μm/1μm，阈值电压V_THN=0.34V～0.45V，源漏间电压V_DS≥6.5V；

M₅-M₆：宽长比W/L=8μm/1μm，阈值电压V_THN=0.34V～0.45V，源漏间电压V_DS≥6.5V。

Claims (4)

1.一种增益和摆率增强型放大器，其特征在于它包括：

一个差分输入级单元，包括PMOS管M₀、PMOS管M_1a、PMOS管M_1b、PMOS管M_2a、PMOS管M_2b、PMOS管M₉～M₁₂和晶体管M_A1、晶体管M_A2，将输入差分信号V_N和V_P进行对称的差分放大；和

一个双端转单端单元，包括NMOS管M₃～M₆、PMOS管M₇、PMOS管M₈、晶体管M_B1、晶体管M_B2，形成带有源极负反馈电阻的电流镜，通过电流镜像将双端信号V_O1和V_O2转换为单端信号V_O，作为增益和摆率增强型放大器的输出。

2.根据权利要求1所述的增益和摆率增强型放大器，其特征在于，所述差分输入级单元，包括PMOS管M₀、PMOS管M_1a、PMOS管M_1b、PMOS管M_2a、PMOS管M_2b、PMOS管M₉～M₁₂和晶体管M_A1、晶体管M_A2，将输入差分信号V_N和V_P进行对称的差分放大。其中，PMOS管M₀的源极与V_DD相接，M₀的漏极与PMOS管M_1a、M_1b与M_2a、M_2b的源极相接，M₀的栅极连接偏置电压V_BP，构成尾电流源，M_1a与M_1b的栅极相接，M_2a和M_2b的栅极相接，M_1b的漏极与M₁₁的漏极相接，M₁₁的漏极和栅极相接，M₁₁和M₁₂的栅极相接，M_A2的漏极与M₁₁的源极相接，M_2b的漏极与M₉的漏极相接，M₉的漏极和栅极相接，M₉和M₁₀的栅极相接，M_A1的漏极与M₉的源极相接。

3.根据权利要求1所述的增益和摆率增强型放大器，其特征在于，所述双端转单端单元，包括NMOS管M₃～M₆、PMOS管M₇、PMOS管M₈、晶体管M_B1、晶体管M_B2，形成带有源极负反馈电阻的电流镜，通过电流镜像将双端信号V_O1和V_O2转换为单端信号V_O，作为放大器的输出。其中，M₃的栅极和漏极相接，M₃和M₅的栅极相接，M_B1的漏极与M₃的源极相接，M₄的栅极和漏极相接，晶体管M₄和M₆的栅极相接，M_B2的漏极与M₄的源极接接，M₇的栅极和漏极相接，M₇与M₈的栅极相接。

4.根据权利要求1所述的增益和摆率增强型放大器，其特征在于，所述晶体管M_A1、M_A2、M_B1、M_B2均起电流控制可变电阻的作用，M_A1、M_A2、M_B1、M_B2的等效电阻随着电流的增大而增大。

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