CN104362992A - Cmos低温低噪声运放电路 - Google Patents

Cmos低温低噪声运放电路 Download PDF

Info

Publication number
CN104362992A
CN104362992A CN201410546517.0A CN201410546517A CN104362992A CN 104362992 A CN104362992 A CN 104362992A CN 201410546517 A CN201410546517 A CN 201410546517A CN 104362992 A CN104362992 A CN 104362992A
Authority
CN
China
Prior art keywords
cmos
low
amplifier
circuit
temperature
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN201410546517.0A
Other languages
English (en)
Inventor
袁红辉
陈永平
陈世军
宋伟清
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Shanghai Institute of Technical Physics of CAS
Original Assignee
Shanghai Institute of Technical Physics of CAS
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Shanghai Institute of Technical Physics of CAS filed Critical Shanghai Institute of Technical Physics of CAS
Priority to CN201410546517.0A priority Critical patent/CN104362992A/zh
Publication of CN104362992A publication Critical patent/CN104362992A/zh
Priority to CN201510145465.0A priority patent/CN104765399A/zh
Priority to CN201520185762.3U priority patent/CN204679894U/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03F—AMPLIFIERS
    • H03F1/00—Details of amplifiers with only discharge tubes, only semiconductor devices or only unspecified devices as amplifying elements
    • H03F1/26—Modifications of amplifiers to reduce influence of noise generated by amplifying elements
    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03F—AMPLIFIERS
    • H03F1/00—Details of amplifiers with only discharge tubes, only semiconductor devices or only unspecified devices as amplifying elements
    • H03F1/30—Modifications of amplifiers to reduce influence of variations of temperature or supply voltage or other physical parameters
    • H03F1/301—Modifications of amplifiers to reduce influence of variations of temperature or supply voltage or other physical parameters in MOSFET amplifiers
    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03F—AMPLIFIERS
    • H03F3/00—Amplifiers with only discharge tubes or only semiconductor devices as amplifying elements
    • H03F3/45—Differential amplifiers
    • H03F3/45071—Differential amplifiers with semiconductor devices only
    • H03F3/45076—Differential amplifiers with semiconductor devices only characterised by the way of implementation of the active amplifying circuit in the differential amplifier
    • H03F3/45179—Differential amplifiers with semiconductor devices only characterised by the way of implementation of the active amplifying circuit in the differential amplifier using MOSFET transistors as the active amplifying circuit
    • H03F3/45183—Long tailed pairs
    • H03F3/45192—Folded cascode stages
    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03F—AMPLIFIERS
    • H03F2200/00—Indexing scheme relating to amplifiers
    • H03F2200/372—Noise reduction and elimination in amplifier
    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03F—AMPLIFIERS
    • H03F2203/00—Indexing scheme relating to amplifiers with only discharge tubes or only semiconductor devices as amplifying elements covered by H03F3/00
    • H03F2203/45—Indexing scheme relating to differential amplifiers
    • H03F2203/45054—Indexing scheme relating to differential amplifiers the cascode stage of the cascode dif amp being a current mirror

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Amplifiers (AREA)

Abstract

本发明公开了一种CMOS低温低噪声运放电路，其偏置电路部分采用多级电流镜套构的方式，参考电流基准采用两个二极管连接的MOS管有源电阻生成，使放大器的参考电流具有较好的温度特性；放大部分采用差分输入的折叠共源共栅结构，一级放大就能使放大器的开环增益大于80dB，克服了传统的二级放大使用的米勒补偿电容在低温77K下容易引起振荡的缺点；差分输入对管采用宽长比大于100的大管子，有利于CMOS放大器噪声性能地提高，该差分运算放大器在常温和低温77K之间都能正常工作，可作为低温CMOS电路设计的标准放大器模块使用，既可以应用在光伏红外探测器电路，也可应用在长波红外光导探测器电路。

Description

CMOS低温低噪声运放电路
技术领域
本发明涉及一种CMOS运放电路，具体涉及一种CMOS低温低噪声的运放电路。
背景技术
在航天遥感领域中，大部分的红外探测器都在低温下工作，为提高***的性能，减少外界引入的干扰，要求探测器与电路近距离连接，即设计的电路也需在低温下工作。目前，商业化的电路产品都是针对常温设计的，在低温下可能无法正常工作。为了提高***的性能，必须设计低温下能正常工作的CMOS读出电路，其中读出电路中核心模块是CMOS差分运算放大器，如果具有成熟的低温CMOS差分运算放大器模块，将会更加有利于将来低温CMOS电路的设计。
2005年3月2日授权的曹必松等的中国专利CN 1588794 A，公布了一种射频频段低温低噪声放大器，该放大器是属于射频技术领域的放大器，主要应用于CDMA频段，采用的是双极型工艺，没有采用现在的常规CMOS工艺，无法应用到现在的主流CMOS电路的设计中。
发明内容
本发明的目的在于提供一种能应用在低温CMOS电路设计中的CMOS差分运算放大器标准模块，提高低温CMOS专用集成电路的设计水平。
该低温CMOS差分运算放大器的放大部分如图1所示，采用差分输入的一级折叠共源共栅结构。其中PM7和PM8是输入对管，PM7、PM8、NM4、NM5构成差分输入的共源共栅结构，PM4、PM5为差分输出的有源负载，NM6、NM7给共源共栅提供电流源,Bias1、Bias2、Bias3为偏置电压，In-、In+为差分运算放大器的正负输入端。该低温CMOS差分运算放大器的偏置电路部分如图2所示，其中NM3与NM0构成第一级电流镜，PM0与PM1构成第二级电流镜，NM1与放大部分的NM6、NM7构成电流镜，PM0与放大部分的PM3构成电流镜。
其特征在于：该CMOS低温低噪声差分运算放大器的输入管采用1500μm/1.5μm的大管子，大大降低了放大器的等效输入噪声；电路拓扑结构采用一级折叠共源共栅结构，无需使用米勒补偿电容，克服了普通的两级放大器在低温下米勒补偿电容变化而容易导致电路振荡的缺点；低温放大器的偏置电路采用三级镜像的方式，没有使用多晶硅电阻来生成参考电流，克服了多晶硅电阻随温度变化导致电路静态工作点漂移的缺点。该CMOS差分运算放大器在常温和低温77K之间都能正常工作。此设计方法适合于大部分的微米级或亚微米级的微电子工艺。该运放可作为CMOS电路设计的标准放大器模块使用，即可以应用在光伏红外探测器电路，也可应用在长波光导红外探测器电路。
本发明的优点如下：
1.该CMOS低温低噪声运放模块使用了共源共栅结构，一级放大就能达到80dB以上的放大倍数，电源电压抑制比也比较高，减小了电源纹波引入的噪声。
2.该CMOS低温低噪声运放模块用于红外光伏探测器电路时其等效输入电流噪声小于0.03pA/Hz1/21KHz。
3.该CMOS低温低噪声运放模块从常温300K到低温77K都能正常工作，不仅可应用于光伏和光导红外探测器的信号放大，还可以作为其它低温CMOS电路的标准运算放大器模块使用。
4.该CMOS低温低噪声运放模块采用标准的微米或亚微米CMOS工艺制造而成，保证了芯片制造的可重复性。
5.该CMOS低温低噪声运放模块无需使用补偿电容，克服了普通的两级放大器补偿电容在低温下变化而容易导致电路振荡的缺点。
附图说明
图1CMOS低温低噪声运放模块放大电路部分结构图。
图2CMOS低温低噪声运放模块偏置电路部分结构图。
图3CMOS低温低噪声运放模块输入对管的对称版图。
图4CMOS低温低噪声运放开环增益的仿真结果图。
图5CMOS低温低噪声运放模块放大电路总图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明：
实施例1
此电路总的噪声主要由输入管PM7、PM8管决定,其等效输入噪声电压计算公式为:
S v e ( f ) = 8 3 kT g m + K f C ox 2 WL 1 f (其中 g m = 2 K p W L I ds )
第一项为沟道热噪声,第二项为1/f噪声。
gm为输入管的跨导，为减小总噪声，输入管W/L的大小及偏置电流的设计非常重要。从以上公式可知增大gm可以减小沟道热噪声，在面积许可的条件下，增大输入管的W/L，采用1500μm/1.5μm来增大gm，在画版图时用72个41.7μm/1.5μm的管子组成输入对管PM7、PM8，且在输入对管的外面使用了保护环，有利于减少输入对管的失调及外界串扰进来噪声。PMOS比NMOS的1/f噪声小，所以输入管PM7、PM8选PMOS减小了1/f噪声。另外增大W×L也可以减小1/f噪声,在功耗和面积许可的条件下,其他管子也尽可能考虑低噪声标准来设计。当温度降低时电流加大以及域值电压VT增加可能会使器件无法工作，所以在设计每个管子的W/L时要充分考虑。
该低温低噪声CMOS差分运算放大器的放大部分如图1所示，采用差分输入的一级折叠共源共栅结构。其中PM7和PM8是输入对管，PM7、PM8、NM4、NM5构成差分输入的共源共栅结构，PM4、PM5为差分输出的有源负载，NM6、NM7给共源共栅提供电流源,Bias1、Bias2、Bias3为偏置电压，In-、In+为差分运算放大器的正负输入端。放大部分的管子参考尺寸如下表所示(单位为微米)。
管子 PM7、PM8 NM4、NM5 NM6、NM7 PM4、PM5 PM3
W/L 1500/1.5 120/10 120/10 10/10 200/10
实施例2
该低温低噪声CMOS差分运算放大器的偏置电路部分如图2所示，其中NM3与NM0构成第一级电流镜，PM0与PM1构成第二级电流镜，NM1与放大部分的NM6、NM7构成电流镜，PM0与放大部分的PM3构成电流镜。
偏置部分共由八个管子构成，采用二级管连接的PM2、NM3形成基准电流源，由NM3镜像到NM0产生一路电流，再由PM0镜像到PM1产生另外一路电流，该电流源没有使用对温度特别敏感的无源电阻，所以该电流源在常温和低温下都能正常工作，测试结果显示该电流源温度抑制能力很强，所以整个低温CMOS差分运算放大器芯片工作温度范围很宽，从常温300K到低温77K都能正常工作。
偏置电路部分的管子参考尺寸如下表所示(单位为微米)。
管子 PM1、PM0、NM1 NM0、NM3、PM2 NM2 PM6
W/L 10/10 10/50 100/10 40/10
实施例3
在画放大器版图时，所有的对管都采用叉指晶体管，尽量保证上下和左右对称，这样可以减小CMOS差分运算放大器在低温下的输入端失调，特别是差分放大器的输入管，尤为重要，在本电路中，由于差分输入对管采用了1500μm/1.5μm的大管子，为了实现上下和左右对称，在画版图时用72个41.7μm/1.5μm的管子组成输入对管，如图3所示，这在很大程度上减小了整个差分运算放大器的输入失调，测试结果表明该低温低噪声CMOS差分运算放大器的输入失调电压很小，小于1mV。
实施例4
该低温低噪声CMOS差分运算放大器模块采用的是差分输入的折叠式共源共栅结构，一级放大开环增益就超过80dB，达到了常规二级放大的放大倍数，该差分运算放大器的增益仿真结果如图4所示，其开环增益达到88dB。常规放大器使用二级放大，需使用米勒补偿电容来增加相位裕度，但在低温下由于米勒补偿电容的变化可能导致相位裕度的改变而引起放大器振荡，所以常规放大器在低温下容易振荡。本发明的低温低噪声CMOS运放采用的是一级放大，没有使用米勒补偿电路，该结构克服了常规两级放大器在低温下容易引起振荡的缺点。图5为CMOS低温低噪声运放电路的总图，偏置电路部分的Bias1、Bias2、Bias3与放大电路部分的Bias1、Bias2、Bias3是相连的，In+、In-是运放电路的正负两个输入端。
该CMOS低温低噪声运放电路可作为运放模块应用在光伏红外探测器CMOS电路和光导红外探测器CMOS电路，经过测试，该CMOS低温低噪声运放模块用于红外光伏探测器电路时其等效输入电流噪声很低，小于0.03pA/HZ1/21KHz。
由于该低温低噪声CMOS差分运算放大器采用了折叠共源共栅结构，工作电压范围较大，在±2.5伏和±1.2伏之间都能正常工作，但需考虑工作电压的不同导致了单元功耗的不同。
以上通过具体的实施例对本发明进行了说明，但本发明并不限于这些具体的实施例。本领域技术人员应该明白，还可以对本发明做各种修改、等同替换、变化等等，这些变换只要未背离本发明的精神，都应在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种CMOS低温低噪声运放电路，包括放大电路模块和偏置电路模块，其特征在于：
所述的放大电路模块采用差分输入的折叠共源共栅结构的放大电路，其中差分输入对管采用宽长比大于100的PMOS管，共源共栅结构的开环增益大于80dB；
所述的偏置电路模块采用多级电流镜套构的方式，其基准电流部分采用二极管连接方式的有源电阻组成。
CN201410546517.0A 2014-10-16 2014-10-16 Cmos低温低噪声运放电路 Pending CN104362992A (zh)

Priority Applications (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201410546517.0A CN104362992A (zh) 2014-10-16 2014-10-16 Cmos低温低噪声运放电路
CN201510145465.0A CN104765399A (zh) 2014-10-16 2015-03-31 Cmos低温低噪声运放电路
CN201520185762.3U CN204679894U (zh) 2014-10-16 2015-03-31 一种cmos低温低噪声运放电路

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201410546517.0A CN104362992A (zh) 2014-10-16 2014-10-16 Cmos低温低噪声运放电路

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN104362992A true CN104362992A (zh) 2015-02-18

Family

ID=52530225

Family Applications (3)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201410546517.0A Pending CN104362992A (zh) 2014-10-16 2014-10-16 Cmos低温低噪声运放电路
CN201520185762.3U Expired - Fee Related CN204679894U (zh) 2014-10-16 2015-03-31 一种cmos低温低噪声运放电路
CN201510145465.0A Pending CN104765399A (zh) 2014-10-16 2015-03-31 Cmos低温低噪声运放电路

Family Applications After (2)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201520185762.3U Expired - Fee Related CN204679894U (zh) 2014-10-16 2015-03-31 一种cmos低温低噪声运放电路
CN201510145465.0A Pending CN104765399A (zh) 2014-10-16 2015-03-31 Cmos低温低噪声运放电路

Country Status (1)

Country Link
CN (3) CN104362992A (zh)

Cited By (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN104980112A (zh) * 2015-07-20 2015-10-14 西安电子科技大学 低功耗高增益的循环型折叠式共源共栅放大器
CN105262448A (zh) * 2015-10-09 2016-01-20 天津大学 适用于超宽带微波检测的低功耗高摆率运算放大器
CN105322899A (zh) * 2015-09-30 2016-02-10 天津大学 适用于西格玛德尔塔调制器的增益增强型运算放大器
CN105322897A (zh) * 2015-09-30 2016-02-10 天津大学 适用于tft-lcd驱动电路的增益增强型运算放大器
CN105429601A (zh) * 2015-11-27 2016-03-23 天津大学 适用于电源管理的高摆率psrr增强型单级放大器
CN108957102A (zh) * 2018-08-28 2018-12-07 长沙理工大学 一种无运放的电流检测电路
CN110413033A (zh) * 2019-07-22 2019-11-05 贵州振华风光半导体有限公司 一种基于双极工艺的具有超低失调电压的集成电路
CN111244088A (zh) * 2020-02-24 2020-06-05 苏州迅芯微电子有限公司 一种流水式模数转换器中运算放大器的版图结构
CN113839630A (zh) * 2021-09-13 2021-12-24 中国科学院上海微***与信息技术研究所 一种可用于超低温的低压差分放大器

Families Citing this family (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN104362992A (zh) * 2014-10-16 2015-02-18 中国科学院上海技术物理研究所 Cmos低温低噪声运放电路
CN106788351B (zh) * 2016-12-23 2020-06-12 长沙景嘉微电子股份有限公司 一种带失调电压测试和校正的轨到轨参考电压比较器
CN109540290A (zh) * 2019-01-10 2019-03-29 中国科学院上海技术物理研究所 一种四采样低噪声cmos探测器读出电路
CN112636698A (zh) * 2020-08-21 2021-04-09 苏州芯智瑞微电子有限公司 一种cmos放大器电路及在射频识别的应用及包含该电路的集成电路
CN112650345B (zh) * 2020-12-23 2022-05-17 杭州晶华微电子股份有限公司 半导体装置

Family Cites Families (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6600302B2 (en) * 2001-10-31 2003-07-29 Hewlett-Packard Development Company, L.P. Voltage stabilization circuit
CN100511082C (zh) * 2007-01-16 2009-07-08 西安交通大学 一种参考电压模块及其温度补偿方法
CN101241378B (zh) * 2007-02-07 2010-08-18 中国科学院半导体研究所 输出可调节带隙基准源电路
CN100545779C (zh) * 2007-04-18 2009-09-30 中国科学院半导体研究所 高电压偏置pmos电流源电路
US20090160557A1 (en) * 2007-12-20 2009-06-25 Infineon Technologies Ag Self-biased cascode current mirror
CN101285706A (zh) * 2008-05-30 2008-10-15 中国科学院上海技术物理研究所 一种差分输入的低温红外探测器微弱电流放大器
CN104362992A (zh) * 2014-10-16 2015-02-18 中国科学院上海技术物理研究所 Cmos低温低噪声运放电路

Cited By (15)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN104980112B (zh) * 2015-07-20 2018-03-06 西安电子科技大学 低功耗高增益的循环型折叠式共源共栅放大器
CN104980112A (zh) * 2015-07-20 2015-10-14 西安电子科技大学 低功耗高增益的循环型折叠式共源共栅放大器
CN105322897B (zh) * 2015-09-30 2018-08-17 天津大学 适用于tft-lcd驱动电路的增益增强型运算放大器
CN105322897A (zh) * 2015-09-30 2016-02-10 天津大学 适用于tft-lcd驱动电路的增益增强型运算放大器
CN105322899A (zh) * 2015-09-30 2016-02-10 天津大学 适用于西格玛德尔塔调制器的增益增强型运算放大器
CN105322899B (zh) * 2015-09-30 2018-10-16 天津大学 适用于西格玛德尔塔调制器的增益增强型运算放大器
CN105262448A (zh) * 2015-10-09 2016-01-20 天津大学 适用于超宽带微波检测的低功耗高摆率运算放大器
CN105429601A (zh) * 2015-11-27 2016-03-23 天津大学 适用于电源管理的高摆率psrr增强型单级放大器
CN108957102A (zh) * 2018-08-28 2018-12-07 长沙理工大学 一种无运放的电流检测电路
CN108957102B (zh) * 2018-08-28 2024-03-08 长沙理工大学 一种无运放的电流检测电路
CN110413033A (zh) * 2019-07-22 2019-11-05 贵州振华风光半导体有限公司 一种基于双极工艺的具有超低失调电压的集成电路
CN111244088A (zh) * 2020-02-24 2020-06-05 苏州迅芯微电子有限公司 一种流水式模数转换器中运算放大器的版图结构
CN111244088B (zh) * 2020-02-24 2022-09-16 苏州迅芯微电子有限公司 一种流水式模数转换器中运算放大器的版图结构
CN113839630A (zh) * 2021-09-13 2021-12-24 中国科学院上海微***与信息技术研究所 一种可用于超低温的低压差分放大器
CN113839630B (zh) * 2021-09-13 2024-01-30 中国科学院上海微***与信息技术研究所 一种可用于超低温的低压差分放大器

Also Published As

Publication number Publication date
CN104765399A (zh) 2015-07-08
CN204679894U (zh) 2015-09-30

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN204679894U (zh) 一种cmos低温低噪声运放电路
US9236841B2 (en) Current-feedback operational amplifier
CN106817099B (zh) 用于生理电势信号检测的放大器
JPWO2010100741A1 (ja) 光通信装置
US20070030059A1 (en) Technique to improve the gain and signal to noise ratio in CMOS switched capacitor amplifiers
CN106160683B (zh) 运算放大器
CN104393846A (zh) 运算放大器
KR20050072547A (ko) 오토 튜닝 기능을 갖는 전압-전류 변환회로를 구비한전류원 회로
US8576007B2 (en) High speed amplifier
CN104216455B (zh) 用于4g通信芯片的低功耗基准电压源电路
CN103178789A (zh) 一种低温漂失调自校准运算放大器电路及设计方法
CN101839941B (zh) 信号感测放大器
CN214311491U (zh) 一种具有温度补偿功能的低功耗基准电压产生电路
Nagulapalli et al. A low power miller compensation technique for two stage op-amp in 65nm CMOS technology
KR102000759B1 (ko) 적응적 바이어스 회로 및 전력 증폭기
CN101285706A (zh) 一种差分输入的低温红外探测器微弱电流放大器
CN104881071A (zh) 低功耗基准电压源
Sansen Analog design procedures for channel lengths down to 20 nm
JP2007143162A (ja) 増幅器回路、及び増幅器回路を内蔵するシステム
CN107452199B (zh) 一种红外接收模块的i-v电路
Verma et al. Design of two-stage CMOS operational amplifier
CN110320953B (zh) 一种输出电压可调的基准电压源
US11101776B2 (en) Common source preamplifier for a MEMS capacitive sensor
JP6221614B2 (ja) Ｍｏｓトランジスタを利用した高抵抗回路
Della Sala et al. A body‐driven rail‐to‐rail 0.3 V operational transconductance amplifier exploiting current gain stages

Legal Events

Date Code Title Description
C06 Publication
PB01 Publication
C10 Entry into substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
C02 Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001)
WD01 Invention patent application deemed withdrawn after publication

Application publication date: 20150218