CN103457553A - 增益和摆率增强型放大器 - Google Patents
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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
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M1a、PMOS管M1b、PMOS管M2a、PMOS管M2b、PMOS管M9~M12和晶体管MA1、晶体管MA2,将输入差分信号VN和VP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MB1、晶体管MB2,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VO1和VO2转换为单端信号VO,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M1a、PMOS管M1b、PMOS管M2a、PMOS管M2b、PMOS管M9~M12和晶体管MA1、晶体管MA2,将输入差分信号VN和VP进行对称的差分放大。其中,PMOS管M0的源极与VDD相接,M0的漏极与PMOS管M1a、M1b与M2a、M2b的源极相接,M0的栅极连接偏置电压VBP,构成尾电流源,M1a与M1b的栅极相接,M2a和M2b的栅极相接,M1b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,MA2的漏极与M11的源极相接,M2b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,MA1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MB1、晶体管MB2,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VO1和VO2转换为单端信号VO,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,MB1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,MB2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MA1、MA2、MB1、MB2均起电流控制可变电阻的作用,MA1、MA2、MB1、MB2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MA1、MA2、MB1和MB2的栅极偏置电压为VBN,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MA1、MA2、MB1和MB2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(M1a和M1b、M2a和M2b),M9导通M1b的电流,M11导通M2b的电流,M10和M12可以看做压控电流源,旁路M1a和M2a的电流,从而减小M3和M4的静态电流。静态情况下,M2a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MA1和MA2电流仅为D/2(B+C+D),晶体管MB1和MB2的电流仅为(B-C)/2(B+C+D),晶体管MA1、MA2、MB1和MB2上的压降均很小,晶体管MA1、MA2、MB1和MB2上的压降对电流镜像的影响可以忽略。如果VP增加Vin/2,则M2a电流减小gm2a×Vin/2,M2b电流减小gm2b×Vin/2(保持gm2a+gm2b=gm2=gm1=gm,in)。M9-M10形成电流镜,镜像比例为C/D,则M10电流减小gm2b×Vin/2×C/D,同理可推得M12电流增加gm2b×Vin/2×C/D,M4电流减小(gm2a-gm2b×C/D)×Vin/2,经过镜像得到由VP输入端引起输出电流变化量为(gm2a+gm2b×C/D)×Vin/2×A/B,同理VN输入端引起电流变化量与VP输入端引起输出电流变化量等大反相,可表示为:
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gm,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VP<VN,则输入级M1a和M1b截止、M2a和M2b导通,晶体管M0提供的尾电流IB全部流过M2a和M2b,如图3所示,处于深线性区的晶体管MA1、MA2、MB1和MB2在电流增大情况下,晶体管MA1、MA2、MB1和MB2的等效电阻增大,而同时晶体管MA1和MA2电流从D/2(B+C+D)增大为D/(B+C+D),晶体管MB1和MB2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MA1、MA2、MB1和MB2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VP<VN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:
其中,α表示由于晶体管MA1和MA2上压降增大导致镜像晶体管M10和M12的电流与无晶体管MA1和MA2时镜像电流的比值,β表示由于晶体管MB1和MB2上压降增大导致镜像晶体管M5和M6的电流与无晶体管MB1和MB2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;
M1a-M2a:宽长比W/L=18μm/1μm,阈值电压VTHP=-0.45V~-0.35V,源漏间电压VDS≥6.5V;
M1b-M2b:宽长比W/L=2μm/1μm,阈值电压VTHP=-0.45V~-0.35V,源漏间电压VDS≥6.5V;
M7-M8:宽长比W/L=4μm/2μm,阈值电压VTHP=-0.45V~-0.35V,源漏间电压VDS≥6.5V;
NMOS管M9-M11:宽长比W/L=1μm/1μm,阈值电压VTHN=0.34V~0.45V,源漏间电压VDS≥6.5V;
M10-M12:宽长比W/L=6μm/1μm,阈值电压VTHN=0.34V~0.45V,源漏间电压VDS≥6.5V;
M3-M4:宽长比W/L=1μm/1μm,阈值电压VTHN=0.34V~0.45V,源漏间电压VDS≥6.5V;
M5-M6:宽长比W/L=8μm/1μm,阈值电压VTHN=0.34V~0.45V,源漏间电压VDS≥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M1a、PMOS管M1b、PMOS管M2a、PMOS管M2b、PMOS管M9~M12和晶体管MA1、晶体管MA2,将输入差分信号VN和VP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MB1、晶体管MB2,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VO1和VO2转换为单端信号VO,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M1a、PMOS管M1b、PMOS管M2a、PMOS管M2b、PMOS管M9~M12和晶体管MA1、晶体管MA2,将输入差分信号VN和VP进行对称的差分放大。其中,PMOS管M0的源极与VDD相接,M0的漏极与PMOS管M1a、M1b与M2a、M2b的源极相接,M0的栅极连接偏置电压VBP,构成尾电流源,M1a与M1b的栅极相接,M2a和M2b的栅极相接,M1b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,MA2的漏极与M11的源极相接,M2b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,MA1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MB1、晶体管MB2,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VO1和VO2转换为单端信号VO,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,MB1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,MB2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MA1、MA2、MB1、MB2均起电流控制可变电阻的作用,MA1、MA2、MB1、MB2的等效电阻随着电流的增大而增大。
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---|---|
CN (1) | CN103457553B (zh) |
Cited By (10)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN103684282A (zh) * | 2013-12-24 | 2014-03-26 | 清华大学 | 基于纳米mos器件的低电压低功耗放大器 |
CN103929138A (zh) * | 2014-04-24 | 2014-07-16 | 东南大学 | 一种低功耗高增益高摆率的运算跨导放大器 |
CN104201999A (zh) * | 2014-09-23 | 2014-12-10 | 无锡华大国奇科技有限公司 | 基于自适应尾电流的跨导运算放大器 |
CN104883135A (zh) * | 2015-05-05 | 2015-09-02 | 电子科技大学 | 一种电阻反馈式噪声消除宽带低噪声跨导放大器 |
CN105141265A (zh) * | 2015-09-29 | 2015-12-09 | 广西师范大学 | 一种增益提升的运算跨导放大器 |
CN105720927A (zh) * | 2016-01-21 | 2016-06-29 | 中国电子科技集团公司第二十四研究所 | 一种频率补偿的跨导放大器 |
CN106533378A (zh) * | 2016-10-20 | 2017-03-22 | 中国科学院深圳先进技术研究院 | 全差分电流放大电路 |
CN110716608A (zh) * | 2018-07-13 | 2020-01-21 | 艾普凌科有限公司 | 电压调节器和电压调节器的控制方法 |
CN112039492A (zh) * | 2020-08-06 | 2020-12-04 | 浙江大学 | 应用于生理信号滤波器中的高线性度跨导放大器 |
CN112114763A (zh) * | 2020-06-05 | 2020-12-22 | 内蒙古中孚明丰农业科技有限公司 | 一种数据可视化存储控制*** |
Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US20080238546A1 (en) * | 2007-03-26 | 2008-10-02 | Hyoung Rae Kim | Fully differential class ab amplifier and amplifying method using single-ended, two-stage amplifier |
CN101860334A (zh) * | 2010-06-17 | 2010-10-13 | 复旦大学 | 一种分隔直流交流通路的循环电流跨导运算放大器 |
CN102045035A (zh) * | 2010-11-24 | 2011-05-04 | 东南大学 | 一种低功耗宽带高增益高摆率单级运算跨导放大器 |
-
2013
- 2013-08-21 CN CN201310365736.4A patent/CN103457553B/zh active Active
Patent Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US20080238546A1 (en) * | 2007-03-26 | 2008-10-02 | Hyoung Rae Kim | Fully differential class ab amplifier and amplifying method using single-ended, two-stage amplifier |
CN101860334A (zh) * | 2010-06-17 | 2010-10-13 | 复旦大学 | 一种分隔直流交流通路的循环电流跨导运算放大器 |
CN102045035A (zh) * | 2010-11-24 | 2011-05-04 | 东南大学 | 一种低功耗宽带高增益高摆率单级运算跨导放大器 |
Non-Patent Citations (5)
Title |
---|
JEONGJIN ROH: "High-Gain Class-AB with Low Quiescent Current", 《ANALOG INTEGRATED CIRCUITS AND SIGNAL PROCESSING》 * |
X.Z HUANG等: "Low Power Operational Transconductance Amplifer(OTA) with Enhanced DC Gain and Slew-Rate", 《APPLIED MECHANICS AND MATERIALS》 * |
吴金 等: "一种低功耗大摆率Class-AB OTA电路设计", 《东南大学学报(自然科学版)》 * |
詹陈长 等: "深亚微米Sigma-Delta ADC设计方法研究", 《固体电子学研究与进展》 * |
赵毅强 等: "宽摆幅高速高精度级间增益放大器的优化设计", 《天津大学学报》 * |
Cited By (17)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN103684282A (zh) * | 2013-12-24 | 2014-03-26 | 清华大学 | 基于纳米mos器件的低电压低功耗放大器 |
CN103929138A (zh) * | 2014-04-24 | 2014-07-16 | 东南大学 | 一种低功耗高增益高摆率的运算跨导放大器 |
CN103929138B (zh) * | 2014-04-24 | 2016-08-31 | 东南大学 | 一种低功耗高增益高摆率的运算跨导放大器 |
CN104201999A (zh) * | 2014-09-23 | 2014-12-10 | 无锡华大国奇科技有限公司 | 基于自适应尾电流的跨导运算放大器 |
CN104201999B (zh) * | 2014-09-23 | 2018-04-24 | 无锡华大国奇科技有限公司 | 基于自适应尾电流的跨导运算放大器 |
CN104883135A (zh) * | 2015-05-05 | 2015-09-02 | 电子科技大学 | 一种电阻反馈式噪声消除宽带低噪声跨导放大器 |
CN104883135B (zh) * | 2015-05-05 | 2018-01-12 | 电子科技大学 | 一种电阻反馈式噪声消除宽带低噪声跨导放大器 |
CN105141265B (zh) * | 2015-09-29 | 2017-12-22 | 广西师范大学 | 一种增益提升的运算跨导放大器 |
CN105141265A (zh) * | 2015-09-29 | 2015-12-09 | 广西师范大学 | 一种增益提升的运算跨导放大器 |
CN105720927A (zh) * | 2016-01-21 | 2016-06-29 | 中国电子科技集团公司第二十四研究所 | 一种频率补偿的跨导放大器 |
CN105720927B (zh) * | 2016-01-21 | 2018-03-27 | 中国电子科技集团公司第二十四研究所 | 一种频率补偿的跨导放大器 |
CN106533378A (zh) * | 2016-10-20 | 2017-03-22 | 中国科学院深圳先进技术研究院 | 全差分电流放大电路 |
CN106533378B (zh) * | 2016-10-20 | 2019-04-16 | 中国科学院深圳先进技术研究院 | 全差分电流放大电路 |
CN110716608A (zh) * | 2018-07-13 | 2020-01-21 | 艾普凌科有限公司 | 电压调节器和电压调节器的控制方法 |
CN110716608B (zh) * | 2018-07-13 | 2022-03-29 | 艾普凌科有限公司 | 电压调节器和电压调节器的控制方法 |
CN112114763A (zh) * | 2020-06-05 | 2020-12-22 | 内蒙古中孚明丰农业科技有限公司 | 一种数据可视化存储控制*** |
CN112039492A (zh) * | 2020-08-06 | 2020-12-04 | 浙江大学 | 应用于生理信号滤波器中的高线性度跨导放大器 |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
CN103457553B (zh) | 2017-06-16 |
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
C06 | Publication | ||
PB01 | Publication | ||
C10 | Entry into substantive examination | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
GR01 | Patent grant |