CN110649900A - 一种高信噪比两级运算放大器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及集成电路技术领域，具体涉及一种高信噪比两级运算放大器，本发明采用的两级运算放大器第一级采用改进的折叠式共源共栅放大,与传统的折叠式共源共栅电路相比,由于相同条件下,P管的噪声小于N管的噪声,因此放大器的输入端N管差分对变为P管差分对。第二级采用单管共源级放大,这使放大器内部出现了一个高阻节点,从而引入了一个新的低频极点,虽然牺牲了一定的带宽,且需要频率补偿,但改进了开环增益和输出摆幅,这种折中有利于放大器性能的提高。其电容共模反馈电路优点还有运放的输出电压不受共模检测电路的限制,并且反馈电路不消耗静态直流功耗,实现起来容易,占用较小的芯片面积,具有很好的稳定效果具有很强的创造性。
Description
技术领域
本发明涉及集成电路技术领域，具体涉及一种高信噪比两级运算放大器。
背景技术
运算放大器(简称“运放”)是具有很高放大倍数的电路单元。在实际电路中，通常结合反馈网络共同组成某种功能模块。它是一种带有特殊耦合电路及反馈的放大器。其输出信号可以是输入信号加、减或微分、积分等数学运算的结果。由于早期应用于模拟计算机中，用以实现数学运算，故得名“运算放大器”。运放是一个从功能的角度命名的电路单元，可以由分立的器件实现，也可以实现在半导体芯片当中。随着半导体技术的发展，大部分的运放是以单芯片的形式存在。运放的种类繁多，广泛应用于电子行业当中。
1960年代晚期，仙童半导体(Fairchild Semiconductor)推出了第一个被广泛使用的集成电路运算放大器，型号为μA709，设计者则是鲍伯·韦勒(BobWidlar)。但是709很快地被随后而来的新产品μA741取代，741有着更好的性能，更为稳定，也更容易使用。741运算放大器成了微电子工业发展历史上一个独一无二的象征，历经了数十年的演进仍然没有被取代，很多集成电路的制造商至今仍然在生产741。直到今天μA741仍然是各大学电子工程系中讲解运放原理的典型教材。
发明内容
(一)解决的技术问题
针对现有技术的不足，本发明提供了一种高信噪比两级运算放大器，改进了开环增益和输出摆幅,这种折中有利于放大器性能的提高，其电容共模反馈电路优点还有运放的输出电压不受共模检测电路的限制,并且反馈电路不消耗静态直流功耗,实现起来容易,占用较小的芯片面积。
(二)技术方案
为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：
一种高信噪比两级运算放大器，其特征在于：所述放大器P管的噪声小于N管的噪声,因此放大器的输入端N管差分对变为P管差分对。其第二级采用单管共源级放大，放大器内部出现了一个高阻节点,新增一个新的低频极点,并根据需要进行频率补偿，其中CC为级联米勒补偿电容；CL为负载电容；p1为补偿后的次高频极点；p2为补偿后的高频极点；p3为补偿后的运放主极点。
优选的，所述放大器运放产生一个主极点和两个高频复极点,经过米勒补偿后,运放的主极点和高频极点由于米勒效应而分离开,主极点由第一级输出电阻以及补偿电容和最后一级放大倍数的乘积决定。
优选的，为了获得更高的速度和更低的功耗,在信号传输通路上的MOS管沟道长度取最小值,M10,M11；保证放大器的增益尽可能大,第一级级联负载管的沟道长度取值M6,M7,M8和M9；为了输出级的电流，输出管的M16和M17尺寸取值增大。
优选的，所述放大器的Vout+和Vout-分别为运放的输出电压,Vcm为稳定的输出共模电压,Vb为偏置电路产生的电容初始电压,Vcmfb为CMFB产生的调节电压,clk1和clk2为两相非交叠高电平有效时钟。
优选的，所述放大器的C1和C2为感应输出电压电容,其值大小相等,C3和C4为用作电阻的开关电容,其电阻为T/C,所有开关实现均为CMOS开关。
优选的，所述放大器采用0.5μm CMOS工艺模型得到的全差分运算放大器的小信号交流仿真特性，其中开环增益为76.4dB,单位增益带宽为204.5MHz,相位裕度为58°,建立时间为11ns。
(三)有益效果
本发明采用的两级运算放大器第一级采用改进的折叠式共源共栅放大,与传统的折叠式共源共栅电路相比,由于相同条件下,P管的噪声小于N管的噪声,因此放大器的输入端N管差分对变为P管差分对。第二级采用单管共源级放大,这使放大器内部出现了一个高阻节点,从而引入了一个新的低频极点,虽然牺牲了一定的带宽,且需要频率补偿,但改进了开环增益和输出摆幅,这种折中有利于放大器性能的提高。其电容共模反馈电路优点还有运放的输出电压不受共模检测电路的限制,并且反馈电路不消耗静态直流功耗,实现起来容易,占用较小的芯片面积,具有很好的稳定效果具有很强的创造性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明的电路结构示意图；
图2是本发明的开关电容共模反馈电路图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示本发明采用的运算放大器第一级采用改进的折叠式共源共栅放大,与传统的折叠式共源共栅电路相比,由于相同条件下,P管的噪声小于N管的噪声,因此放大器的输入端N管差分对变为P管差分对。第二级采用单管共源级放大,这使放大器内部出现了一个高阻节点,从而引入了一个新的低频极点,这样做虽然牺牲了一定的带宽,并且需要进行频率补偿,但同时改进了开环增益和输出摆幅,这种折中有利于放大器性能的提高。
其中CC为级联米勒补偿电容；CL为负载电容；p1为补偿后的次高频极点；p2为补偿后的高频极点；p3为补偿后的运放主极点。本文设计的运放产生一个主极点和两个高频复极点,经过米勒补偿后,运放的主极点和高频极点由于米勒效应而分离开,主极点由第一级输出电阻以及补偿电容和最后一级放大倍数的乘积决定,与传统的米勒零极点补偿相比,级联米勒电容补偿的负载电容范围更大,不需要零点补偿电阻,而且没有直接的高频馈通通路,大大改善了运放的电源抑制比,还能够利用较小的补偿电容获得很好的速度和相位裕量。
在MOS管的尺寸的选取上,为了获得更高的速度和更低的功耗,在信号传输通路上的MOS管沟道长度尽量取最小值,如M10,M11；同时为了保证放大器的增益尽可能大,第一级级联负载管的沟道长度取值较大,如M6,M7,M8和M9；为了输出级的电流大一些,输出管的M16和M17尺寸取值较大。
由于该运算放大器电路为全差分结构,在全差分的运放电路中需要共模反馈电路(CMFB)来稳定直流工作点。共模反馈电路如图2所示.
其中,Vout+和Vout-分别为运放的输出电压,Vcm为稳定的输出共模电压,Vb为偏置电路产生的电容初始电压,Vcmfb为CMFB产生的调节电压,clk1和clk2为两相非交叠高电平有效时钟,C1和C2为感应输出电压电容,其值大小相等,C3和C4为用作电阻的开关电容,其电阻为T/C,所有开关实现均为CMOS开关。
因此这种电容共模反馈电路优点还有运放的输出电压不受共模检测电路的限制,并且反馈电路不消耗静态直流功耗,实现起来容易,占用较小的芯片面积,具有很好的稳定效果。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (6)
1.一种高信噪比两级运算放大器，其特征在于：所述放大器P管的噪声小于N管的噪声,因此放大器的输入端N管差分对变为P管差分对。其第二级采用单管共源级放大，放大器内部出现了一个高阻节点,新增一个新的低频极点,并根据需要进行频率补偿，其中CC为级联米勒补偿电容；CL为负载电容；p1为补偿后的次高频极点；p2为补偿后的高频极点；p3为补偿后的运放主极点。
2.根据权利要求1所述的高信噪比两级运算放大器，其特征在于：所述放大器运放产生一个主极点和两个高频复极点,经过米勒补偿后,运放的主极点和高频极点由于米勒效应而分离开,主极点由第一级输出电阻以及补偿电容和最后一级放大倍数的乘积决定。
3.根据权利要求1所述的高信噪比两级运算放大器，其特征在于：为了获得更高的速度和更低的功耗,在信号传输通路上的MOS管沟道长度取最小值,M10,M11；保证放大器的增益尽可能大,第一级级联负载管的沟道长度取值M6,M7,M8和M9；为了输出级的电流，输出管的M16和M17尺寸取值增大。
4.根据权利要求1所述的高信噪比两级运算放大器，其特征在于：所述放大器的Vout+和Vout-分别为运放的输出电压,Vcm为稳定的输出共模电压,Vb为偏置电路产生的电容初始电压,Vcmfb为CMFB产生的调节电压,clk1和clk2为两相非交叠高电平有效时钟。
5.根据权利要求1所述的高信噪比两级运算放大器，其特征在于：所述放大器的C1和C2为感应输出电压电容,其值大小相等,C3和C4为用作电阻的开关电容,其电阻为T/C,所有开关实现均为CMOS开关。
6.根据权利要求1所述的高信噪比两级运算放大器，其特征在于：所述放大器采用0.5μm CMOS工艺模型得到的全差分运算放大器的小信号交流仿真特性，其中开环增益为76.4dB,单位增益带宽为204.5MHz,相位裕度为58°,建立时间为11ns。
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|---|---|---|---|---|
| CN113670345A (zh) * | 2021-08-10 | 2021-11-19 | 之江实验室 | 一种用于光电流信号分解的低噪声光电探测装置 |
| CN115686121A (zh) * | 2022-12-30 | 2023-02-03 | 中国电子科技集团公司第五十八研究所 | 一种双环补偿瞬态增强ldo电路 |
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