CN104601123A - 用于驱动大负载电容的低功耗三级运算放大器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于驱动大负载电容的低功耗三级运算放大器，所述放大器由第一至第八PMOS晶体管M10、M11、M12、M17、M18、M21、M24、M31以及第一至第七NMOS晶体管M13、M14、M15、M16、M22、M23、M30共15个MOS晶体管、两个电容即第一补偿电容Cm和第二补偿电容Ca、以及一个电阻Ra构成。与现有技术相比，本发明能够在低压低功耗(μW)条件下，该三级运算放大器能够驱动大负载电容(数百pF)，同时具有大增益带宽积和更好的摆率。
Description
技术领域
本发明涉及低压低功耗多级运算放大器，特别是涉及一种应用于低压低功耗的多级运算放大器。
背景技术
低压低功耗多级运算放大器的技术研究始终是低功耗电路很活跃的研究领域，多级运算放大器的补偿技术可以广泛应用于便携式电子设备，例如：手机电池和笔记本电池、LDO等设备中。近年来由于著名的三级运算放大器的多级补偿方法—嵌套式密勒补偿技术(NMC)的固有限制，即：该补偿技术存在右半平面零点和两个大补偿电容；这些不足极大地限制了其在低压低功耗多级运算放大器电路的应用。随之涌现出了许多关于多级运算放大器的补偿方法来改进NMC技术，它们在低功耗的条件下极大地提高运放的稳定性的同时，也拓展了增益带宽积和摆率。但是以上技术也存在一些不足，例如：有些补偿电容由于正比例于负载电容，而导致芯片面积增加，最终电路的制造成本也提高了；于是后来的补偿技术开始将补偿电容的面积正比例于负载电容的几何平均数，这样就大大节约了芯片的面积。
发明内容
为了克服上述现有技术，本发明提出了一种用于驱动大负载电容的低功耗三级运算放大器，提出有源反馈和RC串联补偿(AFMCRC)技术，通过RC串联在第二级输出端引入零点而形成Pole-ZeroDoublets，以此改善运算放大器的大信号和小信号性能——增益带宽积和瞬态响应，同时进一步降低功耗，争取在低功耗条件下，获得更好的增益 带宽积和更理想的瞬态响应。
本发明提出了一种用于驱动大负载电容的低功耗三级运算放大器，所述放大器由第一至第八第PMOS晶体管M10、M11、M12、M17、M18、M21、M24、M31以及第一至第七NMOS晶体管M13、M14、M15、M16、M22、M23、M30共15个MOS晶体管、两个电容即第一补偿电容Cm和第二补偿电容Ca、以及一个电阻Ra构成；其中：
第一、第四至第七PMOS晶体管M10、M17、M18、M21、M24、M31的源极共同接供电电源VDD；除了第二至第三PMOS晶体管M11、M12的衬底端接源极以外，第一、第四至第七PMOS晶体管M10、M17、M18、M21、M24、M31的衬底端接供电电源VDD；第一、第二、第五至第七NMOS晶体管M13、M14、M22、M23、M30的源极共同接地GND；第一至第七M13、M14、M15、M16、M22、M23、M30的衬底端接地GND；
第一PMOS晶体管M10的栅极接第一偏置电压Vb1、漏极接第二至第三PMOS晶体管M11、M12的源极；第一至第二PMOS晶体管M11、M12的栅极分别接输入电压Vin-和Vin+端；第一PMOS晶体管M11、第一NMOS晶体管M13的漏极共同接第三NMOS晶体管M15的源极，第三PMOS晶体管M12、第二NMOS晶体管M14的漏极共同接M16的源极；第一至第二NMOS晶体管M13、M14的栅极共同接第二偏置电压Vb2，第三至第四NMOS晶体管M15、M16的栅极共同接第三偏置电压Vb3；第六PMOS晶体管M21、第八PMOS晶体管M31的栅极共同接第四NMOS晶体管M16、第五PMOS晶体管M18的漏极；第四至第五PMOS晶体管M17、M18的栅极共同接第四PMOS晶体管M17、第三NMOS晶体管M15的漏极；第四NMOS晶体管M16的源极接第一补偿电容Cm的左端，第一补偿电容Cm的右端接输出端VOUT；
第六PMOS晶体管M21、第五NMOS晶体管M22的漏极共同接第五至第六NMOS晶体管M22、M23的栅极；第六NMOS晶体管M23和第七PMOS晶体管M24的漏极共同接M30栅极；第七PMOS晶体管M24的栅极接第四偏置电压Vb4；第七NMOS晶体管M30、第八PMOS晶体管M31的漏极共同接输出端VOUT；电阻Ra一端共同接第 七NMOS晶体管M30的栅极；电阻Ra另一端接电容Ca一端，电容Ca另一端接地GND；外接的负载电容CL接VOUT。
与现有技术相比，本发明能够在低压低功耗((μW)条件下，该三级运算放大器能够驱动大负载电容(数百pF)，同时具有大增益带宽积和更好的摆率。
附图说明
图1三级运算放大器的原理框图；其中：1stage即折叠共源共栅差分输入级；2stage即增益级；3stage即推挽输出级；
图2驱动负载电容为500pF和2nF的三级运算放大器的开环频率响应曲线；
图3驱动负载电容为500pF和2nF的三级运算放大器的瞬态响应曲线。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明，但本发明的实施范围并不局限于此。
本多级运算放大器由15个MOS晶体管(其中PMOS:M10、M11、M12、M17、M18、M21、M24和M31；NMOS:M13、M14、M15、M16、M22、M23和M30)、两个电容即第一补偿电容Cm和第二补偿电容Ca、一个电阻Ra构成。连接方式：M10、M17、M18、M21、M24和M31的源极共同接供电电源VDD；除了M11和M12的衬底端接源极外，M10、M17、M18、M21、M24、和M31的衬底端接供电电源VDD。M13、M14、M22、M23和M30的源极共同接地GND；M13、M14、M15、M16、M22、M23和M30的衬底端接地GND。
M10的栅极接偏置电压Vb1，M10漏极接M11和M12的源极；M11、M12的栅极分别接输入电压Vin-和Vin+端；M11和M13的漏极共同接M15的源极，M12和M14的漏极共同接M16的源极；M13和M14的栅极共同接偏置电压Vb2，M15和M16的栅极共同接 偏置电压Vb3；M21和M31的栅极共同接M16和M18的漏极；M17和M18的栅极共同接M17和M15的漏极；M16的源极接第一补偿电容Cm的左端，第一补偿电容Cm的右端接输出端VOUT。
M21和M22的漏极共同接M22和M23的栅极；M23和M24的漏极共同接M30栅极；M24的栅极接偏置电压Vb4；M30和M31的漏极共同接输出端VOUT；电阻Ra一端共同接M30的栅极；电阻Ra另一端接电容Ca一端，电容Ca另一端接地GND；外接的负载电容CL接VOUT。
下面是在SMIC 65nm CMOS工艺下采用Hspice仿真器，驱动CL＝500pF负载电容时的交流分析和瞬态分析仿真参数和结果。从中可以看到：增益带宽积GBW＝5.98MHz，相位裕度PM＝56.4°，摆率SR＝0.54V/μs，功耗为24μW。另外降低了第一补偿电容Cm，也就是降低了芯片的面积，对于低压低功耗的电路应用中这是十分有利的。因此本款多级运算放大器适用于低压低功耗的高速应用领域。
在低压低功耗((μW)条件下，该三级运算放大器能够驱动大负载电容(数百pF)，同时具有大增益带宽积和更好的摆率。为验证其效果，设定了在大负载电容为500pF，通过交流仿真和瞬态仿真得出其开环频率响应曲线(图2)和瞬态响应曲线(图3)，仿真的参数和结果如表格1和表格2所示。
表格1 仿真的参数CL＝500pF
表格2、仿真的结果CL＝500pF
| Parameter | Thiswork |
| Gain(dB) | 114 |
| PM(deg.) | 56.4 |
| GBW(MHz) | 5.98 |
| SR+/-(V/μs) | 0.54/0.49 |
| Power(mW) | 0.024 |
| Supply(V) | 1.2 |
| CL(pF) | 500 |
*Typical valueTT Corner,25℃。
Claims (1)
1.一种用于驱动大负载电容的低功耗三级运算放大器，其特征在于，所述放大器由第一至第八PMOS晶体管M10、M11、M12、M17、M18、M21、M24、M31以及第一至第七NMOS晶体管M13、M14、M15、M16、M22、M23、M30，共15个MOS晶体管、两个电容即第一补偿电容Cm和第二补偿电容Ca、以及一个电阻Ra构成；其中：
第一、第四至第七PMOS晶体管M10、M17、M18、M21、M24、M31的源极共同接供电电源VDD；除了第二至第三PMOS晶体管M11、M12的衬底端接源极以外，第一、第四至第七PMOS晶体管M10、M17、M18、M21、M24、M31的衬底端接供电电源VDD；第一、第二、第五至第七NMOS晶体管M13、M14、M22、M23、M30的源极共同接地GND；第一至第七M13、M14、M15、M16、M22、M23、M30的衬底端接地GND；
第一PMOS晶体管M10的栅极接第一偏置电压Vb1、漏极接第二至第三PMOS晶体管M11、M12的源极；第一至第二PMOS晶体管M11、M12的栅极分别接输入电压Vin-和Vin+端；第一PMOS晶体管M11、第一NMOS晶体管M13的漏极共同接第三NMOS晶体管M15的源极，第三PMOS晶体管M12、第二NMOS晶体管M14的漏极共同接M16的源极；第一至第二NMOS晶体管M13、M14的栅极共同接第二偏置电压Vb2，第三至第四NMOS晶体管M15、M16的栅极共同接第三偏置电压Vb3；第六PMOS晶体管M21、第八PMOS晶体管M31的栅极共同接第四NMOS晶体管M16、第五PMOS晶体管M18的漏极；第四至第五PMOS晶体管M17、M18的栅极共同接第四PMOS晶体管M17、第三NMOS晶体管M15的漏极；第四NMOS晶体管M16的源极接第一补偿电容Cm的左端，第一补偿电容Cm的右端接输出端VOUT；
第六PMOS晶体管M21、第五NMOS晶体管M22的漏极共同接第五至第六NMOS晶体管M22、M23的栅极；第六NMOS晶体管M23和第七PMOS晶体管M24的漏极共同接M30栅极；第七PMOS晶体管M24的栅极接第四偏置电压Vb4；第七NMOS晶体管M30、第八PMOS晶体管M31的漏极共同接输出端VOUT；电阻Ra一端共同接第七NMOS晶体管M30的栅极；电阻Ra另一端接第二补偿电容Ca一端，第二补偿电容Ca另一端接地GND；外接的负载电容CL接VOUT。
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|---|---|
| CN (1) | CN104601123A (zh) |
Cited By (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN105375895A (zh) * | 2015-10-09 | 2016-03-02 | 天津大学 | 适用于tft-lcd驱动电路的单级运算放大器 |
| CN105450906A (zh) * | 2015-11-27 | 2016-03-30 | 天津大学 | 适用于图像传感器的驱动容性大负载低噪声的运算放大器 |
| CN110333752A (zh) * | 2019-08-06 | 2019-10-15 | 南京微盟电子有限公司 | 一种恒定功率线性稳压器 |
| CN110768636A (zh) * | 2019-11-19 | 2020-02-07 | 西安邮电大学 | 一种用于多级运算放大器的稳定性补偿方法及电路结构 |
| CN114546015A (zh) * | 2022-03-08 | 2022-05-27 | 大唐青岛西海岸热力有限公司 | 一种热力设备安全供电*** |
| CN115097893A (zh) * | 2022-08-15 | 2022-09-23 | 深圳清华大学研究院 | 输出无外挂电容的ldo电路及mcu芯片 |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4559502A (en) * | 1984-04-19 | 1985-12-17 | Signetics Corporation | Multi-stage amplifier with capacitive nesting for frequency compensation |
| US20050174171A1 (en) * | 2004-02-09 | 2005-08-11 | Sandeep Oswal | Multistage common mode feedback for improved linearity line drivers |
| CN101388650A (zh) * | 2008-10-14 | 2009-03-18 | 复旦大学 | 一种嵌套式密勒有源电容频率补偿电路 |
| CN101917169A (zh) * | 2010-08-05 | 2010-12-15 | 复旦大学 | 高带宽低功耗频率补偿三级运算放大器 |
| CN103888082A (zh) * | 2014-03-24 | 2014-06-25 | 电子科技大学 | 一种三级运算放大器 |
-
2014
- 2014-12-24 CN CN201410819719.8A patent/CN104601123A/zh active Pending
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4559502A (en) * | 1984-04-19 | 1985-12-17 | Signetics Corporation | Multi-stage amplifier with capacitive nesting for frequency compensation |
| US20050174171A1 (en) * | 2004-02-09 | 2005-08-11 | Sandeep Oswal | Multistage common mode feedback for improved linearity line drivers |
| CN101388650A (zh) * | 2008-10-14 | 2009-03-18 | 复旦大学 | 一种嵌套式密勒有源电容频率补偿电路 |
| CN101917169A (zh) * | 2010-08-05 | 2010-12-15 | 复旦大学 | 高带宽低功耗频率补偿三级运算放大器 |
| CN103888082A (zh) * | 2014-03-24 | 2014-06-25 | 电子科技大学 | 一种三级运算放大器 |
Non-Patent Citations (2)
| Title |
|---|
| HOI LEE, PHILIP K. T. MOK: ""Active-Feedback Frequency-Compensation Technique for Low-Power Multistage Amplifiers"", 《IEEE JOURNAL OF SOLID-STATE CIRCUITS》 * |
| ZUSHU YAN ET AL: ""A 0.016-mm2 144- μW Three-Stage Amplifier Capable of Driving 1-to-15 nF Capacitive Load With >0.95-MHz GBW"", 《IEEE JOURNAL OF SOLID-STATE CIRCUITS》 * |
Cited By (9)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN105375895A (zh) * | 2015-10-09 | 2016-03-02 | 天津大学 | 适用于tft-lcd驱动电路的单级运算放大器 |
| CN105450906A (zh) * | 2015-11-27 | 2016-03-30 | 天津大学 | 适用于图像传感器的驱动容性大负载低噪声的运算放大器 |
| CN105450906B (zh) * | 2015-11-27 | 2018-10-16 | 天津大学 | 适用于图像传感器的驱动容性大负载低噪声的运算放大器 |
| CN110333752A (zh) * | 2019-08-06 | 2019-10-15 | 南京微盟电子有限公司 | 一种恒定功率线性稳压器 |
| CN110768636A (zh) * | 2019-11-19 | 2020-02-07 | 西安邮电大学 | 一种用于多级运算放大器的稳定性补偿方法及电路结构 |
| CN114546015A (zh) * | 2022-03-08 | 2022-05-27 | 大唐青岛西海岸热力有限公司 | 一种热力设备安全供电*** |
| CN114546015B (zh) * | 2022-03-08 | 2024-02-20 | 大唐青岛西海岸热力有限公司 | 一种热力设备安全供电*** |
| CN115097893A (zh) * | 2022-08-15 | 2022-09-23 | 深圳清华大学研究院 | 输出无外挂电容的ldo电路及mcu芯片 |
| CN115097893B (zh) * | 2022-08-15 | 2023-08-18 | 深圳清华大学研究院 | 输出无外挂电容的ldo电路及mcu芯片 |
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