專利名稱：基于mos器件的寬帶低功耗斬波穩(wěn)定軌到軌放大器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于模擬集成電路設(shè)計領(lǐng)域，特別涉及一種基于MOS器件的寬帶低功耗斬波穩(wěn)定軌到軌放大器。
背景技術(shù)：
20世紀(jì)年代以來，隨著亞微米、超深亞微米技術(shù)的發(fā)展和系統(tǒng)芯片技術(shù)的日益成熟，采用電池供電的便攜式電子產(chǎn)品獲得了迅猛發(fā)展和快速普及。由于電池技術(shù)的發(fā)展遠(yuǎn)遠(yuǎn)跟不上與電子系統(tǒng)的發(fā)展，從心臟起搏器到助聽器、移動電話和各種各樣產(chǎn)品都對電子產(chǎn)品的供電電壓提出了嚴(yán)格的限制。另一方面，隨著器件尺寸不斷的縮小，工藝的擊穿電壓也在降低，亦對電源電壓提出了嚴(yán)格的限制。電子器件性能要求越來越高，開發(fā)周期越來越短，對開發(fā)與生產(chǎn)成本的制約也日趨嚴(yán)格，使低壓模擬集成電路受到了極大的關(guān)注。運算放大器是模擬電路中最重要的電路單元，廣泛應(yīng)用于模擬電路和混合信號處理電路中，如開關(guān)電容，模數(shù)、數(shù)模轉(zhuǎn)換器等。但是由于晶體管的閾值電壓并不隨著特征尺寸的減小而線性減小，所以在低電源電壓環(huán)境下，運算放大器的輸入輸出信號的動態(tài)范圍大大減小。為了增大輸入輸出信號的動態(tài)范圍，最好能達(dá)到整個電源電壓范圍，即軌至軌輸入/輸出，就必須對運放的差分輸入級和輸出級進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計，這就促成了軌至軌放大器的產(chǎn)生與發(fā)展。同時在低壓環(huán)境下，運算放大器低頻噪聲的影響會增大。為了提高運放的噪聲性能，增大信號的信噪比，就必須對運放的結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計，這就促成了斬波穩(wěn)定放大器的產(chǎn)生與發(fā)展。近幾年來，斬波穩(wěn)定軌到軌運算放大器已大量涌現(xiàn)，各大公司也紛紛推出自己相應(yīng)的產(chǎn)品。其應(yīng)用十分廣泛，可用在DVD播放器、聲卡、手機、系統(tǒng)、傳感器等各種電路當(dāng)中。 與傳統(tǒng)的運放相比，斬波穩(wěn)定軌到軌放大器主要具有以下幾個特點(1)共模輸入電壓范圍接近電源正負(fù)兩級。(2)低頻Ι/f噪聲被很好的抑制。(3)輸出電壓可以達(dá)到電源電壓正負(fù)兩級。傳統(tǒng)的斬波穩(wěn)定軌到軌放大器的電路結(jié)構(gòu)如圖1所示。輸入信號先經(jīng)過一個混頻器，然后進(jìn)入放大器的輸入級，輸入級由兩個NMOS管N1、N2和兩個PMOS管P1、P2組成，其將正反兩個方向的電流同時折疊流經(jīng)Pio、PII和mo、mi到正負(fù)輸出端，最后放大器的輸出端再次經(jīng)過一個混頻器到輸出端。其中，PMOS管P3、P6和NMOS管N3、N6都起到電流源的作用。但是，傳統(tǒng)的斬波穩(wěn)定軌到軌放大器存在以下不足1.相比于其他類型的放大器，其靜態(tài)功耗高。2.電流源P3、P6和N3、N6只是充當(dāng)電流源，未被利用傳輸小信號電流，是一種“浪費”。3.在功耗要求嚴(yán)格的情況下，難以達(dá)到高帶寬的性能。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是為克服已有技術(shù)的不足之處，提出一種基于MOS器件的寬帶低功耗斬波穩(wěn)定軌到軌放大器，其特征在于，所述寬帶低功耗斬波穩(wěn)定軌到軌放大器包括兩個混頻器其中升頻混頻器置于放大器輸入級之前，對輸入信號起升頻作用，降頻混頻器置于放大器輸出級之后，對輸入信號起降頻作用；軌到軌輸入級由PMOS 管 Pla、Plb、P2a、P2b 以及 NMOS 管 ma、Nib, N2a、N2b 組成，將輸入電壓信號轉(zhuǎn)換成電流信號，并形成反向回收電流；放大回收電流的中間級包括由NMOS管N7、N4、N3組成的第一電流鏡、由NMOS管 N8、N5、N6組成的第二電流鏡、由PMOS管P7、P4、P3組成的第三電流鏡以及由PMOS管P8、 P5、P6組成的第四電流鏡，實現(xiàn)對回收電流的放大作用；以及軌到軌輸出級由NMOS管mo、Nil以及PMOS管ΡΙΟ、Pll組成，實現(xiàn)信號的軌到軌輸出；所述寬帶低功耗斬波穩(wěn)定軌到軌放大器的正負(fù)輸入信號先通過一個混頻器進(jìn)行混頻，把信號調(diào)制到載波頻帶范圍內(nèi)，然后正向輸入信號通過輸入管Pla將電壓信號轉(zhuǎn)換成向下的電流信號，同時負(fù)向輸入信號通過輸入管P2b將電壓信號轉(zhuǎn)換成向上的回收電流信號，該回收電流通過交叉連接的由NMOS管N7、N4、N3組成的第一電流鏡放大K倍，并與 Pia管向下的電流一起通過mo流向負(fù)向輸出端；同時，負(fù)向輸入信號通過輸入管Ph將電壓信號轉(zhuǎn)換成向上的電流信號，同時正向輸入信號通過輸入管Plb將電壓信號轉(zhuǎn)換成向下的回收電流信號，該回收電流通過交叉連接的由NMOS管N8、N5、N6組成的第二電流鏡放大K 倍，并與Ph管向下的電流一起通過Nll流向正向輸出端；另外，正向輸入信號通過輸入管 Wa將電壓信號轉(zhuǎn)換成向上的電流信號，同時負(fù)向輸入信號通過輸入管N2b將電壓信號轉(zhuǎn)換成向下的回收電流信號，該回收電流通過交叉連接的由PMOS管P7、P4、P3組成的第三電流鏡放大K倍，并與Nla管向上的電流一起通過PlO流向負(fù)向輸出端；同時，負(fù)向輸入信號通過輸入管Nh將電壓信號轉(zhuǎn)換成向下的電流信號，同時正向輸入信號通過輸入管Nlb將電壓信號轉(zhuǎn)換成向上的回收電流信號，該回收電流通過交叉連接的由PMOS管P8、P5、P6組成的第四電流鏡放大K倍，并與Nh管向下的電流一起通過Pll流向正向輸出端，最后正負(fù)輸出信號再次經(jīng)過一個混頻器，將信號調(diào)制到基帶附近；其中的各個MOS器件采用常規(guī)MOS 晶體管或采用高遷移率的應(yīng)變硅MOS器件，以進(jìn)一步提高該電路的性能。所述軌到軌輸入級的四個PMOS管Pla、Plb、P2a、P2b的尺寸大小一致；四個NMOS 管ma、Nib, N2a、N2b的尺寸大小一致。所述由NMOS管N7、N4、N3組成的第一電流鏡與輸入級的P2b管連接；由NMOS管 N8、N5、N6組成的第二電流鏡與輸入級的Plb管連接；、由PMOS管P7、P4、P3組成的第三電流鏡與輸入級的N2b管連接；以及由PMOS管P8、P5、P6組成的第四電流鏡與輸入級的Nlb
管連接。所述正負(fù)輸入信號先通過一個混頻器進(jìn)行混頻再送到放大器的輸入端，最后放大器的正負(fù)輸出信號再次經(jīng)過一個混頻器進(jìn)行降頻再送到輸出端。本發(fā)明的有益效果是這種新型的寬帶低功耗斬波穩(wěn)定軌到軌放大器與傳統(tǒng)設(shè)計方案相比具有幾個明顯的優(yōu)點在不增加功耗的情況下提高兩倍以上帶寬的能力；降低低頻1/f噪聲；增加低頻增益；同時還可以在保持同樣的帶寬、噪聲等性能下降低一半功耗等諸多優(yōu)點。


圖1為傳統(tǒng)的軌到軌斬波穩(wěn)定放大器的電路結(jié)構(gòu)圖。圖2為本發(fā)明的新型的寬帶低功耗斬波穩(wěn)定軌到軌放大器的電路結(jié)構(gòu)圖。圖3為本發(fā)明的新型的寬帶低功耗斬波穩(wěn)定軌到軌放大器與傳統(tǒng)的軌到軌斬波穩(wěn)定放大器的頻響仿真對比圖。
具體實施例方式在圖2中，本發(fā)明提出的一種基于MOS器件的寬帶低功耗斬波穩(wěn)定軌到軌放大器， 其一種實施方式采用CMOS工藝實現(xiàn)；包括兩個混頻器中的升頻混頻器置于放大器輸入級之前，對輸入信號起升頻作用，降頻混頻器置于放大器輸出級之后，對輸入信號起降頻作用；軌到軌輸入級由PMOS 管 Pla、Plb、P2a、P2b 以及 NMOS 管 ma、mb、N2a、N2b 組成， 將輸入電壓信號轉(zhuǎn)換成電流信號，并形成反向回收電流；放大回收電流的中間級包括由匪OS管N7、N4、N3組成的第一電流鏡、由匪OS管 N8、N5、N6組成的第二電流鏡、由PMOS管P7、P4、P3組成的第三電流鏡以及由PMOS管P8、 P5、P6組成的第四電流鏡，實現(xiàn)對回收電流的放大作用；以及軌到軌輸出級主要是由NMOS管mo、mi以及PMOS管P10、Pll組成，實現(xiàn)信號的軌到軌輸出。該寬帶低功耗斬波穩(wěn)定軌到軌放大器的各MOS管具有如下連接結(jié)構(gòu)正負(fù)輸入信號與第一個混頻器相連接，第一個混頻器的正向輸出與Pla、Plb的柵極和ma、mb的柵極相連，第一個混頻器的負(fù)向輸出與P2a、P2b的柵極和N2a、N2b的柵極相連，Pla的漏極與N3的漏極、NlO的源極相連，Plb的漏極與N6、N5的柵極相連，P2b的漏極與N3、N4的柵極相連，P2a的漏極與N6的漏極、Nll的源極相連，Nla的漏極與P3的漏極、PlO的源極相連，Nlb的漏極與P6、P5的柵極相連，N2b的漏極與P3、P4的柵極相連， N2a的漏極與P6的漏極、Pll的源極相連，Pll的漏極與Nll的漏極相連，然后與第二個混頻的正向輸入相連，PlO的漏極與NlO的漏極相連，然后與第二個混頻器的負(fù)向輸入相連； N12和附3的柵極一起與共模反饋放大電路CMFB相連。所述寬帶低功耗斬波穩(wěn)定軌到軌放大器的正負(fù)輸入信號先通過一個混頻器進(jìn)行混頻，把信號調(diào)制到載波頻帶范圍內(nèi)，然后正向輸入信號通過輸入管Pla將電壓信號轉(zhuǎn)換成向下的電流信號，同時負(fù)向輸入信號通過輸入管P2b將電壓信號轉(zhuǎn)換成向上的回收電流信號，該回收電流通過交叉連接的由NMOS管N7、N4、N3組成的第一電流鏡放大K倍，并與 Pia管向下的電流一起通過mo流向負(fù)向輸出端；同時，負(fù)向輸入信號通過輸入管Ph將電壓信號轉(zhuǎn)換成向上的電流信號，同時正向輸入信號通過輸入管Plb將電壓信號轉(zhuǎn)換成向下的回收電流信號，該回收電流通過交叉連接的由NMOS管N8、N5、N6組成的第二電流鏡放大K 倍，并與Ph管向下的電流一起通過Nll流向正向輸出端；另外，正向輸入信號通過輸入管 Wa將電壓信號轉(zhuǎn)換成向上的電流信號，同時負(fù)向輸入信號通過輸入管N2b將電壓信號轉(zhuǎn)換成向下的回收電流信號，該回收電流通過交叉連接的由PMOS管P7、P4、P3組成的第三電流鏡放大K倍，并與Nla管向上的電流一起通過PlO流向負(fù)向輸出端；同時，負(fù)向輸入信號通過輸入管Nh將電壓信號轉(zhuǎn)換成向下的電流信號，同時正向輸入信號通過輸入管Nlb將電壓信號轉(zhuǎn)換成向上的回收電流信號，該回收電流通過交叉連接的由PMOS管P8、P5、P6組成的第四電流鏡放大K倍，并與Nh管向下的電流一起通過Pll流向正向輸出端，最后正負(fù)輸出信號再次經(jīng)過一個混頻器，將信號調(diào)制到基帶附近；其中的各個MOS器件采用常規(guī)MOS 晶體管或采用高遷移率的應(yīng)變硅MOS器件，以進(jìn)一步提高該電路的性能。所述軌到軌輸入級的四個PMOS管Pla、Plb、P2a、P2b的尺寸大小一致；四個NMOS 管ma、Nib, N2a、N2b的尺寸大小一致。所述由NMOS管N7、N4、N3組成的第一電流鏡與輸入級的P2b管連接；由NMOS管 N8、N5、N6組成的第二電流鏡與輸入級的Plb管連接；、由PMOS管P7、P4、P3組成的第三電流鏡與輸入級的N2b管連接；以及由PMOS管P8、P5、P6組成的第四電流鏡與輸入級的Nlb
管連接。所述正負(fù)輸入信號先通過一個混頻器進(jìn)行混頻再送到放大器的輸入端，最后放大器的正負(fù)輸出信號再次經(jīng)過一個混頻器進(jìn)行降頻再送到輸出端。由此可得，輸入等效跨導(dǎo)被放大了 K+1倍。本發(fā)明中，K的值被取為3，因此放大器的帶寬被放大到原來的兩倍。圖3為本發(fā)明的新型的寬帶低功耗斬波穩(wěn)定軌到軌放大器與傳統(tǒng)斬波穩(wěn)定軌到軌放大器的頻響仿真結(jié)果對比圖。從圖中可以看出，本發(fā)明的新型寬帶低功耗斬波穩(wěn)定軌到軌放大器的帶寬相比于傳統(tǒng)斬波穩(wěn)定軌到軌放大器提高了兩倍以上。同時，低頻增益仍然略有提高。
權(quán)利要求
1.一種基于MOS器件的寬帶低功耗斬波穩(wěn)定軌到軌放大器，其特征在于，所述寬帶低功耗斬波穩(wěn)定軌到軌放大器包括兩個混頻器其中升頻混頻器置于放大器輸入級之前，對輸入信號起升頻作用，降頻混頻器置于放大器輸出級之后，對輸入信號起降頻作用；軌到軌輸入級由PMOS管Pla、Plb、P2a、P2b以及NMOS管Nla、Nib、Nb、N2b組成，將輸入電壓信號轉(zhuǎn)換成電流信號，并形成反向回收電流；放大回收電流的中間級包括由匪OS管N7、N4、N3組成的第一電流鏡、由匪OS管N8、 N5、N6組成的第二電流鏡、由PMOS管P7、P4、P3組成的第三電流鏡以及由PMOS管P8、P5、 P6組成的第四電流鏡，實現(xiàn)對回收電流的放大作用；以及軌到軌輸出級由NMOS管附0、Nil以及PMOS管P10、Pll組成，實現(xiàn)信號的軌到軌輸出；所述寬帶低功耗斬波穩(wěn)定軌到軌放大器的正負(fù)輸入信號先通過一個混頻器進(jìn)行混頻， 把信號調(diào)制到載波頻帶范圍內(nèi)，然后正向輸入信號通過輸入管Pla將電壓信號轉(zhuǎn)換成向下的電流信號，同時負(fù)向輸入信號通過輸入管P2b將電壓信號轉(zhuǎn)換成向上的回收電流信號， 該回收電流通過交叉連接的由NMOS管N7、N4、N3組成的第一電流鏡放大K倍，并與Pla管向下的電流一起通過mo流向負(fù)向輸出端；同時，負(fù)向輸入信號通過輸入管？加將電壓信號轉(zhuǎn)換成向上的電流信號，同時正向輸入信號通過輸入管Plb將電壓信號轉(zhuǎn)換成向下的回收電流信號，該回收電流通過交叉連接的由NMOS管N8、N5、N6組成的第二電流鏡放大K倍， 并與Ph管向下的電流一起通過mi流向正向輸出端；另外，正向輸入信號通過輸入管Nla 將電壓信號轉(zhuǎn)換成向上的電流信號，同時負(fù)向輸入信號通過輸入管N2b將電壓信號轉(zhuǎn)換成向下的回收電流信號，該回收電流通過交叉連接的由PMOS管P7、P4、P3組成的第三電流鏡放大K倍，并與Nla管向上的電流一起通過PlO流向負(fù)向輸出端；同時，負(fù)向輸入信號通過輸入管Nh將電壓信號轉(zhuǎn)換成向下的電流信號，同時正向輸入信號通過輸入管Nlb將電壓信號轉(zhuǎn)換成向上的回收電流信號，該回收電流通過交叉連接的由PMOS管P8、P5、P6組成的第四電流鏡放大K倍，并與Nh管向下的電流一起通過Pll流向正向輸出端，最后正負(fù)輸出信號再次經(jīng)過一個混頻器，將信號調(diào)制到基帶附近；其中的各個MOS器件采用常規(guī)MOS晶體管或采用高遷移率的應(yīng)變硅MOS器件，以進(jìn)一步提高該電路的性能。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述基于MOS器件的寬帶低功耗斬波穩(wěn)定軌到軌放大器，其特征在于，所述軌到軌輸入級的四個PMOS管Pla、Plb、P2a、P^的尺寸大小一致；四個NMOS管ma、 mb、N2a、N2b的尺寸大小一致。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述基于MOS器件的寬帶低功耗斬波穩(wěn)定軌到軌放大器，其特征在于，所述由NMOS管N7、N4、N3組成的第一電流鏡與輸入級的P2b管連接；由NMOS管N8、N5、 N6組成的第二電流鏡與輸入級的Plb管連接；由PMOS管P7、P4、P3組成的第三電流鏡與輸入級的N2b管連接；以及由PMOS管P8、P5、P6組成的第四電流鏡與輸入級的Nlb管連接。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述基于MOS器件的寬帶低功耗斬波穩(wěn)定軌到軌放大器，其特征在于，所述正負(fù)輸入信號先通過一個混頻器進(jìn)行混頻再送到放大器的輸入端，最后放大器的正負(fù)輸出信號再次經(jīng)過一個混頻器進(jìn)行降頻再送到輸出端。
全文摘要
本發(fā)明公開了屬于模擬集成電路設(shè)計領(lǐng)域的一種基于MOS器件的寬帶低功耗斬波穩(wěn)定軌到軌放大器。包括升頻混頻器和降頻混頻器，實現(xiàn)對輸入信號的升頻和降頻功能、由四個NMOS管和四個PMOS管組成的軌到軌輸入級，將輸入電壓信號轉(zhuǎn)換成電流信號，并形成反向回收電流、由四個低壓電流鏡組成的放大回收電流的中間級，實現(xiàn)對回收電流的放大作用和由兩個PMOS管和兩個NMOS管組成的軌到軌輸出級，實現(xiàn)信號的軌到軌輸出；本發(fā)明具有在不增加功耗的情況下提高兩倍以上帶寬的能力；降低低頻1/f噪聲；增加低頻增益；同時還可以在保持同樣的帶寬、噪聲等性能下降低一半功耗及進(jìn)一步提高該電路的性能等諸多優(yōu)點。
文檔編號H03F3/45GK102176661SQ20111006121
公開日2011年9月7日 申請日期2011年3月15日 優(yōu)先權(quán)日2011年3月15日
發(fā)明者方華軍, 梁仁榮, 王敬, 許軍, 趙曉 申請人:清華大學(xué)