CN105262448A - 适用于超宽带微波检测的低功耗高摆率运算放大器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及大规模集成电路，为达到高摆率，同时提高放大器的PSRR和CMRR。为此，本发明采取的技术方案是，适用于超宽带微波检测的低功耗高摆率运算放大器，由Recycling？folded？cascode放大级、摆率增强级和PSRR增强输出级组成；由Recycling？folded？cascode放大级输入差模信号Vin-和Vin+，经过cascode电流镜的摆率增强作用后，最终经过PSRR增强输出级到输出端Vout。本发明主要应用于大规模集成电路的设计制造。

Description

适用于超宽带微波检测的低功耗高摆率运算放大器

技术领域

本发明涉及大规模集成电路，低压低功耗，超宽带微波检测，摆率，运算放大器，具体讲，涉及适用于超宽带微波检测的低功耗高摆率运算放大器。

背景技术

低压低功耗宽带运算放大器始终是低功耗模拟电路很活跃的研究领域。关于超宽带(UWB)微波检测的研究最近也非常活跃。超宽带微波的应用要求放大器具有很高的信号抗干扰能力和高速度处理的特性。所以这就不能采用多级运算放大器，因为其带宽会随着增益级数的增加而降低，只能采用单级运算放大器。然而单级放大器的性能参数(增益、摆率和带宽等参数)会随着驱动能力的提高而增加功耗和面积，甚至降低放大器的稳定性。许多跨导运算放大器的带宽增强技术可以广泛应用于检测电子设备，例如：超宽带(UWB)微波检测、乳腺肿瘤检测设备、无线通信等设备中。近些年来由于市场的急剧扩大导致低压低功耗的产品走向小尺寸化、高度集成化，所以这就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。

发明内容

本发明意在弥补现有技术的不足，为达到高摆率，同时提高放大器的PSRR和CMRR。为此，本发明采取的技术方案是，适用于超宽带微波检测的低功耗高摆率运算放大器，由Recyclingfoldedcascode放大级、摆率增强级和PSRR增强输出级组成；由Recyclingfoldedcascode放大级输入差模信号Vin-和Vin+，经过cascode电流镜的摆率增强作用后，最终经过PSRR增强输出级到输出端Vout。

Recyclingfoldedcascode放大级包括输入跨导gm1和cascode电流镜。摆率增强级增强环路包括晶体管M3a-M3c、M4a-M4c、M11a-M11b、M12a-M12b；PSRR增强输出级包括晶体管M5-M10。

Recyclingfoldedcascode放大级由PMOS晶体管M1a、M1b、M2a、M2b、M5、M6、M7、M8、M9、M10和NMOS晶体管M11a、M11b、M12a、M12b、M3a、M3b、M3c、M4a、M4b、M4c组成。输入跨导级gm1由PMOS晶体管M1a、M1b、M2a、M2b组成。cascode电流镜由NMOS晶体管M11a、M11b、M12a、M12b、M3a、M3b、M3c、M4a、M4b、M4c组成。

具体的实施电路如下：所述的放大器由第一至第十一PMOS晶体管M0、M1a、M1b、M2a、M2b、M5、M6、M7、M8、M9、M10以及第一至第十NMOS晶体管M11a、M11b、M12a、M12b、M3a、M3b、M3c、M4a、M4b、M4c共二十一个MOS晶体管构成；其中：

第一、第六、第七PMOS晶体管M0、M5、M6的源极共同接供电电源VDD；所有PMOS晶体管M0、M1a、M1b、M2a、M2b、M5、M6、M7、M8、M9、M10的衬底端接供电电源VDD；第一至第十NMOS晶体管M11a、M11b、M12a、M12b、M3a、M3b、M3c、M4a、M4b、M4c的衬底接地GND；第五至第十NMOS晶体管M3a、M3b、M3c、M4a、M4b、M4c的源极共同接地GND；

第一PMOS晶体管M0的栅极接第一偏置电压Vb1，漏极接第二至第五PMOS晶体管M1a、M1b、M2a、M2b的源极；第二至第三PMOS晶体管M1a、M1b的栅极接输入端Vp；第四至第五PMOS晶体管M2a、M2b的栅极接输入端Vn；

第二PMOS晶体管M1a的漏极、第五NMOS晶体管M3a的漏极共同接第十PMOS晶体管M9的漏极和第九PMOS晶体管M8的栅极；第四PMOS晶体管M2a的漏极、第八NMOS晶体管M4a的漏极共同接第十一NMOS晶体管M10的漏极和第八PMOS晶体管M7的栅极；

第三PMOS晶体管M1b的漏极、第四NMOS晶体管M12b的漏极、第八至第九NMOS晶体管M4a、M4b的栅极共同接第三NMOS晶体管M12a的漏极；第五PMOS晶体管M2b的漏极、第二NMOS晶体管M11b的漏极、第五至第六NMOS晶体管M3a、M3b的栅极共同接第一NMOS晶体管M11a的漏极；第一NMOS晶体管M11a的源极接第六NMOS晶体管M3b的漏极；第三NMOS晶体管M12a的源极接第九NMOS晶体管M4b的漏极；第一至第四NMOS晶体管M11a、M11b、M12a、M12b的栅极共同接第二偏置电压Vb2；第七、第十NMOS晶体管M3c、M4c的栅极接第三偏置电压Vb3；

第六、第七PMOS晶体管M5、M6的栅极共同接第八PMOS晶体管M7的漏极和第十PMOS晶体管M9的源极；第十、第十一PMOS晶体管M9、M10的栅极共同接第三偏置电压Vb3；第六PMOS晶体管M5的漏极接第八PMOS晶体管M7的源极；第七PMOS晶体管M6的漏极接第九PMOS晶体管M8的源极；第九PMOS晶体管M8的漏极、第十一PMOS晶体管M10的源极共同接输出端Vout。

本发明的技术特点及效果：

本发明提出了一种用于超宽带微波检测的低功耗高摆率运算放大器，基于原有的RecyclingFoldedcascode放大器，本文采用撕裂cascode电流镜的输入端，更小的输入电流来倍增输出电流，从而增加输出端的压摆率，达到高摆率的目的。同时采用正反馈的环路来分别抑制共模信号和电源的纹波，进而提高放大器的PSRR和CMRR。于是放大器的带宽随之就增加。最终实现在同等芯片面积的条件下，提高放大器的压摆率(SR)和PSRR。

附图说明

本发明上述的优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1运算放大器的电路图。

具体实施方式

为了克服现有技术的不足之处，本发明提出了一种用于超宽带微波检测的低功耗高摆率运算放大器，基于原有的RecyclingFoldedcascode放大器，本文采用撕裂cascode电流镜的输入端，更小的输入电流来倍增输出电流，从而增加输出端的压摆率，达到高摆率的目的。同时采用正反馈的环路来分别抑制共模信号和电源的纹波，进而提高放大器的PSRR和CMRR。于是放大器的带宽随之就增加。最终实现在同等芯片面积的条件下，提高放大器的压摆率(SR)和PSRR。

本发明提出了一种用于超宽带微波检测的低功耗高摆率运算放大器，所述的放大器由Recyclingfoldedcascode放大级、摆率增强级和PSRR增强输出级组成。Recyclingfoldedcascode放大级包括输入跨导gm1和cascode电流镜。摆率增强级增强环路包括晶体管M3a-M3c、M4a-M4c、M11a-M11b、M12a-M12b；PSRR增强输出级包括晶体管M5-M10。

Recyclingfoldedcascode放大级由PMOS晶体管M1a、M1b、M2a、M2b、M5、M6、M7、M8、M9、M10和NMOS晶体管M11a、M11b、M12a、M12b、M3a、M3b、M3c、M4a、M4b、M4c组成。输入跨导级gm1由PMOS晶体管M1a、M1b、M2a、M2b组成。cascode电流镜由NMOS晶体管M11a、M11b、M12a、M12b、M3a、M3b、M3c、M4a、M4b、M4c组成。

具体的实施电路原理图如下：所述的放大器由第一至第十一PMOS晶体管M0、M1a、M1b、M2a、M2b、M5、M6、M7、M8、M9、M10以及第一至第十NMOS晶体管M11a、M11b、M12a、M12b、M3a、M3b、M3c、M4a、M4b、M4c共二十一个MOS晶体管构成；其中：

第一、第六、第七PMOS晶体管M0、M5、M6的源极共同接供电电源VDD；所有PMOS晶体管M0、M1a、M1b、M2a、M2b、M5、M6、M7、M8、M9、M10的衬底端接供电电源VDD；第一至第十NMOS晶体管M11a、M11b、M12a、M12b、M3a、M3b、M3c、M4a、M4b、M4c的衬底接地GND；第五至第十NMOS晶体管M3a、M3b、M3c、M4a、M4b、M4c的源极共同接地GND；

第一PMOS晶体管M0的栅极接第一偏置电压Vb1，漏极接第二至第五PMOS晶体管M1a、M1b、M2a、M2b的源极；第二至第三PMOS晶体管M1a、M1b的栅极接输入端Vp；第四至第五PMOS晶体管M2a、M2b的栅极接输入端Vn；

第二PMOS晶体管M1a的漏极、第五NMOS晶体管M3a的漏极共同接第十PMOS晶体管M9的漏极和第九PMOS晶体管M8的栅极；第四PMOS晶体管M2a的漏极、第八NMOS晶体管M4a的漏极共同接第十一NMOS晶体管M10的漏极和第八PMOS晶体管M7的栅极；

第三PMOS晶体管M1b的漏极、第四NMOS晶体管M12b的漏极、第八至第九NMOS晶体管M4a、M4b的栅极共同接第三NMOS晶体管M12a的漏极；第五PMOS晶体管M2b的漏极、第二NMOS晶体管M11b的漏极、第五至第六NMOS晶体管M3a、M3b的栅极共同接第一NMOS晶体管M11a的漏极；第一NMOS晶体管M11a的源极接第六NMOS晶体管M3b的漏极；第三NMOS晶体管M12a的源极接第九NMOS晶体管M4b的漏极；第一至第四NMOS晶体管M11a、M11b、M12a、M12b的栅极共同接第二偏置电压Vb2；第七、第十NMOS晶体管M3c、M4c的栅极接第三偏置电压Vb3；

第六、第七PMOS晶体管M5、M6的栅极共同接第八PMOS晶体管M7的漏极和第十PMOS晶体管M9的源极；第十、第十一PMOS晶体管M9、M10的栅极共同接第三偏置电压Vb3；第六PMOS晶体管M5的漏极接第八PMOS晶体管M7的源极；第七PMOS晶体管M6的漏极接第九PMOS晶体管M8的源极；第九PMOS晶体管M8的漏极、第十一PMOS晶体管M10的源极共同接输出端Vout。

如图1所示，选取第四至第五PMOS晶体管M1a、M1b的栅极输入端Vp和第六至第七PMOS晶体管M2a、M2b的栅极输入端Vn分别输入差模信号Vin-和Vin+，经过cascode电流镜的摆率增强作用后，最终经过PSRR增强输出级到输出端Vout。从而实现同等功耗的面积条件下提高SR、PSRR和容性负载驱动能力的目的。

Claims (4)

1.一种适用于超宽带微波检测的低功耗高摆率运算放大器，其特征是，由Recyclingfoldedcascode放大级、摆率增强级和PSRR增强输出级组成；由由Recyclingfoldedcascode放大级输入差模信号Vin-和Vin+，经过cascode电流镜的摆率增强作用后，最终经过PSRR增强输出级到输出端Vout。

2.如权利要求1所述的适用于超宽带微波检测的低功耗高摆率运算放大器，其特征是，Recyclingfoldedcascode放大级包括输入跨导增强级gm1和cascode电流镜。摆率增强级增强环路包括晶体管M3a-M3c、M4a-M4c、M11a-M11b、M12a-M12b；PSRR增强输出级包括晶体管M5-M10。

3.如权利要求1所述的适用于超宽带微波检测的低功耗高摆率运算放大器，Recyclingfoldedcascode放大级由PMOS晶体管M1a、M1b、M2a、M2b、M5、M6、M7、M8、M9、M10和NMOS晶体管M11a、M11b、M12a、M12b、M3a、M3b、M3c、M4a、M4b、M4c组成。输入跨导级gm1由PMOS晶体管M1a、M1b、M2a、M2b组成。cascode电流镜由NMOS晶体管M11a、M11b、M12a、M12b、M3a、M3b、M3c、M4a、M4b、M4c组成。

4.如权利要求1所述的适用于超宽带微波检测的低功耗高摆率运算放大器，其特征是，具体的实施电路如下：所述的放大器由第一至第十一PMOS晶体管M0、M1a、M1b、M2a、M2b、M5、M6、M7、M8、M9、M10以及第一至第十NMOS晶体管M11a、M11b、M12a、M12b、M3a、M3b、M3c、M4a、M4b、M4c共二十一个MOS晶体管构成；其中：

第一、第六、第七PMOS晶体管M0、M5、M6的源极共同接供电电源VDD；所有PMOS晶体管M0、M1a、M1b、M2a、M2b、M5、M6、M7、M8、M9、M10的衬底端接供电电源VDD；第一至第十NMOS晶体管M11a、M11b、M12a、M12b、M3a、M3b、M3c、M4a、M4b、M4c的衬底接地GND；第五至第十NMOS晶体管M3a、M3b、M3c、M4a、M4b、M4c的源极共同接地GND；

第一PMOS晶体管M0的栅极接第一偏置电压Vb1，漏极接第二至第五PMOS晶体管M1a、M1b、M2a、M2b的源极；第二至第三PMOS晶体管M1a、M1b的栅极接输入端Vp；第四至第五PMOS晶体管M2a、M2b的栅极接输入端Vn；

第二PMOS晶体管M1a的漏极、第五NMOS晶体管M3a的漏极共同接第十PMOS晶体管M9的漏极和第九PMOS晶体管M8的栅极；第四PMOS晶体管M2a的漏极、第八NMOS晶体管M4a的漏极共同接第十一NMOS晶体管M10的漏极和第八PMOS晶体管M7的栅极；

第三PMOS晶体管M1b的漏极、第四NMOS晶体管M12b的漏极、第八至第九NMOS晶体管M4a、M4b的栅极共同接第三NMOS晶体管M12a的漏极；第五PMOS晶体管M2b的漏极、第二NMOS晶体管M11b的漏极、第五至第六NMOS晶体管M3a、M3b的栅极共同接第一NMOS晶体管M11a的漏极；第一NMOS晶体管M11a的源极接第六NMOS晶体管M3b的漏极；第三NMOS晶体管M12a的源极接第九NMOS晶体管M4b的漏极；第一至第四NMOS晶体管M11a、M11b、M12a、M12b的栅极共同接第二偏置电压Vb2；第七、第十NMOS晶体管M3c、M4c的栅极接第三偏置电压Vb3；

第六、第七PMOS晶体管M5、M6的栅极共同接第八PMOS晶体管M7的漏极和第十PMOS晶体管M9的源极；第十、第十一PMOS晶体管M9、M10的栅极共同接第三偏置电压Vb3；第六PMOS晶体管M5的漏极接第八PMOS晶体管M7的源极；第七PMOS晶体管M6的漏极接第九PMOS晶体管M8的源极；第九PMOS晶体管M8的漏极、第十一PMOS晶体管M10的源极共同接输出端Vout。