本發(fā)明涉及模擬集成電路設(shè)計(jì)技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種基于斬波穩(wěn)定技術(shù)的亞閾值襯底驅(qū)動(dòng)運(yùn)算跨導(dǎo)放大器。

背景技術(shù)：

近年來醫(yī)療電子技術(shù)的快速發(fā)展和物聯(lián)網(wǎng)的興起，大大的促進(jìn)了傳感器及其接口電路的發(fā)展。在醫(yī)療電子領(lǐng)域中，如生物體植入芯片，通常要求能正常穩(wěn)定地運(yùn)行幾年甚至幾十年，因此芯片傳感器接口電路功耗問題是設(shè)計(jì)的關(guān)鍵所在。這要求傳感器接口電路能在極低電壓環(huán)境下正常工作并且消耗極低功耗。然而隨著深亞微米半導(dǎo)體工藝的快速發(fā)展，使得低壓模擬電路設(shè)計(jì)遇到了困難，比如更低的供電電壓，本征增益降低，失調(diào)增大，噪聲以及動(dòng)態(tài)范圍變小等問題。

在上述應(yīng)用背景下，傳統(tǒng)的基于飽和區(qū)的模擬電路設(shè)計(jì)方法將很難繼續(xù)滿足要求。因?yàn)閭鹘y(tǒng)的飽和區(qū)設(shè)計(jì)方法，MOS管需要一定電壓才能開啟，而在低供電電壓環(huán)境下MOS管很難開啟并提供一定電壓動(dòng)態(tài)范圍；另一方面，飽和區(qū)的設(shè)計(jì)電流一般在μA級(jí)別，這不符合可植入式生物芯片極低功耗的要求。

為了解決上述問題，近幾年出現(xiàn)了采用襯底驅(qū)動(dòng)MOS管工作在亞閾值區(qū)進(jìn)行放大器設(shè)計(jì)。這種放大器稱為亞閾值襯底驅(qū)動(dòng)運(yùn)算跨導(dǎo)放大器，其電路結(jié)構(gòu)例如圖1所示。這種放大器通過襯底驅(qū)動(dòng)技術(shù)保證MOS管在低壓下恒定開啟，通過使其工作在亞閾值區(qū)以保證放大器功耗在納瓦量級(jí)。但是這種放大器存在嚴(yán)重的低頻噪聲和失調(diào)問題。亞閾值襯底驅(qū)動(dòng)運(yùn)算跨導(dǎo)放大器一般處理的信號(hào)帶寬為幾十至上百Hz，在這樣的低頻下，基于CMOS工藝的放大器有很大的1/f噪聲。一般1/f噪聲的拐點(diǎn)在1kHz左右，在幾十Hz處的噪底可以達(dá)到幾μV/sqrt(Hz)，而失調(diào)電壓可以達(dá)到10mV量級(jí)。過大的1/f噪聲會(huì)導(dǎo)致電路的信噪比下降，考慮到噪聲優(yōu)化時(shí)，為了達(dá)到一定的信噪比，放大器的功耗會(huì)大大增加。所以無論從電路精度還是功耗來說，亞閾值襯底驅(qū)動(dòng)運(yùn)算跨導(dǎo)放大器的1/f噪聲是設(shè)計(jì)者不得不面對(duì)的一個(gè)重點(diǎn)和難點(diǎn)問題。

綜上，傳統(tǒng)亞閾值襯底驅(qū)動(dòng)運(yùn)算跨導(dǎo)放大器存在以下不足：

1.1/f噪聲過大，一般1/f噪聲的拐點(diǎn)在1kHz左右，在幾十Hz處的噪底可以達(dá)到幾μV/sqrt(Hz)，大大降低電路的信噪比。

2.失調(diào)電壓大，影響電路精度。

3.1/f噪聲高導(dǎo)致噪聲優(yōu)化的同時(shí)，放大器功耗會(huì)增大。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明旨在至少解決上述技術(shù)問題之一。

為此，本發(fā)明的目的在于提出一種基于斬波穩(wěn)定技術(shù)的亞閾值襯底驅(qū)動(dòng)運(yùn)算跨導(dǎo)放大器，該放大器通過第一和第二斬波開關(guān)可減少亞閾值襯底驅(qū)動(dòng)運(yùn)算跨導(dǎo)放大器中的1/f噪聲和失調(diào)，從而獲得更好噪聲性能，具有廣闊的應(yīng)用前景。

為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的實(shí)施例提出了一種基于斬波穩(wěn)定技術(shù)的亞閾值襯底驅(qū)動(dòng)運(yùn)算跨導(dǎo)放大器，包括：襯底驅(qū)動(dòng)運(yùn)算跨導(dǎo)放大器和第一斬波開關(guān)和第二斬波開關(guān)，其中，所述襯底驅(qū)動(dòng)運(yùn)算跨導(dǎo)放大器包括輸入差分對(duì)、折疊共源共柵構(gòu)成的輸出阻抗級(jí)及電流源，所述輸入差分對(duì)由PMOS管M1和PMOS管M2組成，所述輸入差分對(duì)的襯底端接到輸入信號(hào)，而柵端被固定偏置到地，所述M1和M2的漏端分別與電流源管M10和電流源管M9的漏端連接，所述M1和M2的源端與電流源管M11的漏端連接，所述折疊共源共柵構(gòu)成的輸出阻抗級(jí)由NMOS管M3、NMOSM4以及PMOS管M5、PMOS管M6構(gòu)成，其中NMOS管M3、NMOS管M4的源端分別與電流源管M9、電流源管M10的漏端連接，PMOS管M5、PMOS管M6的源端與電流源管M7、電流源管M8的漏端連接；所述M7、M8的柵端與所述M5和M3的漏端連接，所述電流源用于為放大器提供恒定偏置電流。所述第一斬波開關(guān)位于所述輸入差分對(duì)的襯底端，所述第二斬波開關(guān)位于所述M3和M4的源端；其中，輸入信號(hào)經(jīng)過所述第一斬波開關(guān)被斬波調(diào)制進(jìn)入放大器進(jìn)行放大，放大后的信號(hào)經(jīng)過所述第二斬波開關(guān)時(shí)被所述第二斬波開關(guān)進(jìn)行斬波解調(diào)后回到原始頻率，經(jīng)過放大進(jìn)入輸出端，所述放大器本身所產(chǎn)生的失調(diào)電壓和1/f噪聲被所述第二斬波開關(guān)進(jìn)行斬波調(diào)制，以進(jìn)行輸入信號(hào)、失調(diào)及噪聲的分離。

另外，根據(jù)本發(fā)明上述實(shí)施例的基于斬波穩(wěn)定技術(shù)的亞閾值襯底驅(qū)動(dòng)運(yùn)算跨導(dǎo)放大器還可以具有如下附加的技術(shù)特征：

在一些示例中，所述第一斬波開關(guān)和第二斬波開關(guān)均由低壓開關(guān)組成。

在一些示例中，所述第一斬波開關(guān)和第二斬波開關(guān)的尺寸一致。

在一些示例中，襯底驅(qū)動(dòng)運(yùn)算跨導(dǎo)放大器中所有的MOS管均工作在亞閾值區(qū)。

在一些示例中，所述襯底驅(qū)動(dòng)運(yùn)算跨導(dǎo)放大器中所有的MOS管的功耗為納瓦量級(jí)。

在一些示例中，所述PMOS管M1和PMOS管M2均為標(biāo)準(zhǔn)的CMOS工藝的PMOS管。

根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的基于斬波穩(wěn)定技術(shù)的亞閾值襯底驅(qū)動(dòng)運(yùn)算跨導(dǎo)放大器，具有如下優(yōu)點(diǎn)：

1.采用標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝實(shí)現(xiàn)，易于集成，成本低。

2.1/f噪聲被顯著消除，具有很低的低頻噪底。

3.失調(diào)電壓能從10mV量級(jí)壓制到1mV左右。

4.通過斬波開關(guān)壓制1/f噪聲，使得到相同信噪比所需功耗大大減小。

本發(fā)明的附加方面和優(yōu)點(diǎn)將在下面的描述中部分給出，部分將從下面的描述中變得明顯，或通過本發(fā)明的實(shí)踐了解到。

附圖說明

本發(fā)明的上述和/或附加的方面和優(yōu)點(diǎn)從結(jié)合下面附圖對(duì)實(shí)施例的描述中將變得明顯和容易理解，其中：

圖1是傳統(tǒng)亞閾值襯底驅(qū)動(dòng)運(yùn)算跨導(dǎo)放大器的電路圖；

圖2是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的基于斬波穩(wěn)定技術(shù)的亞閾值襯底驅(qū)動(dòng)運(yùn)算跨導(dǎo)放大器的結(jié)構(gòu)框圖；

圖3是根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例基于斬波穩(wěn)定技術(shù)的亞閾值襯底驅(qū)動(dòng)運(yùn)算跨導(dǎo)放大器的電路圖；以及

圖4是傳統(tǒng)亞閾值襯底驅(qū)動(dòng)運(yùn)算跨導(dǎo)放大器與本發(fā)明實(shí)施例的基于斬波穩(wěn)定技術(shù)的亞閾值襯底驅(qū)動(dòng)運(yùn)算跨導(dǎo)放大器的輸入?yún)⒖荚肼晫?duì)比圖；以及

圖5是傳統(tǒng)亞閾值襯底驅(qū)動(dòng)運(yùn)算跨導(dǎo)放大器與本發(fā)明實(shí)施例的基于斬波穩(wěn)定技術(shù)的亞閾值襯底驅(qū)動(dòng)運(yùn)算跨導(dǎo)放大器的失調(diào)電壓對(duì)比圖。

具體實(shí)施方式

下面詳細(xì)描述本發(fā)明的實(shí)施例，所述實(shí)施例的示例在附圖中示出，其中自始至終相同或類似的標(biāo)號(hào)表示相同或類似的元件或具有相同或類似功能的元件。下面通過參考附圖描述的實(shí)施例是示例性的，僅用于解釋本發(fā)明，而不能理解為對(duì)本發(fā)明的限制。

在本發(fā)明的描述中，需要理解的是，術(shù)語“中心”、“縱向”、“橫向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“豎直”、“水平”、“頂”、“底”、“內(nèi)”、“外”等指示的方位或位置關(guān)系為基于附圖所示的方位或位置關(guān)系，僅是為了便于描述本發(fā)明和簡(jiǎn)化描述，而不是指示或暗示所指的裝置或元件必須具有特定的方位、以特定的方位構(gòu)造和操作，因此不能理解為對(duì)本發(fā)明的限制。此外，術(shù)語“第一”、“第二”僅用于描述目的，而不能理解為指示或暗示相對(duì)重要性。

在本發(fā)明的描述中，需要說明的是，除非另有明確的規(guī)定和限定，術(shù)語“安裝”、“相連”、“連接”應(yīng)做廣義理解，例如，可以是固定連接，也可以是可拆卸連接，或一體地連接；可以是機(jī)械連接，也可以是電連接；可以是直接相連，也可以通過中間媒介間接相連，可以是兩個(gè)元件內(nèi)部的連通。對(duì)于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員而言，可以具體情況理解上述術(shù)語在本發(fā)明中的具體含義。

以下結(jié)合附圖描述根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的基于斬波穩(wěn)定技術(shù)的亞閾值襯底驅(qū)動(dòng)運(yùn)算跨導(dǎo)放大器。

圖2是根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的基于斬波穩(wěn)定技術(shù)的亞閾值襯底驅(qū)動(dòng)運(yùn)算跨導(dǎo)放大器的結(jié)構(gòu)框圖。圖3是根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的基于斬波穩(wěn)定技術(shù)的亞閾值襯底驅(qū)動(dòng)運(yùn)算跨導(dǎo)放大器的電路圖。如圖2所示，并結(jié)合圖3，該基于斬波穩(wěn)定技術(shù)的亞閾值襯底驅(qū)動(dòng)運(yùn)算跨導(dǎo)放大器100，包括：襯底驅(qū)動(dòng)運(yùn)算跨導(dǎo)放大器110|、第一斬波開關(guān)120和第二斬波開關(guān)130。

其中，如圖3所示，襯底驅(qū)動(dòng)運(yùn)算跨導(dǎo)放大器110包括輸入差分對(duì)111、折疊共源共柵構(gòu)成的輸出阻抗級(jí)112及電流源113。輸入差分對(duì)111由PMOS管M1和PMOS管M2組成，輸入差分對(duì)111的襯底端接到輸入信號(hào)，而柵端被固定偏置到地，M1和M2的漏端分別與電流源管M10和電流源管M9的漏端連接，M1和M2的源端與電流源管M11的漏端連接。折疊共源共柵構(gòu)成的輸出阻抗級(jí)112由NMOS管M3、NMOSM4以及PMOS管M5、PMOS管M6構(gòu)成，其中NMOS管M3、NMOS管M4的源端分別與電流源管M9、電流源管M10的漏端連接，PMOS管M5、PMOS管M6的源端與電流源管M7、電流源管M8的漏端連接；M7、M8的柵端與M5和M3的漏端連接。電流源113用于為放大器100提供恒定偏置電流。

在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，襯底驅(qū)動(dòng)運(yùn)算跨導(dǎo)放大器110中所有的MOS管均工作在亞閾值區(qū)。更為具體地，襯底驅(qū)動(dòng)運(yùn)算跨導(dǎo)放大器110中所有的MOS管的功耗為納瓦量級(jí)。

在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，例如，PMOS管M1和PMOS管M2均為標(biāo)準(zhǔn)的CMOS工藝的PMOS管，無需進(jìn)行特殊工藝處理，從而易于集成，節(jié)省成本。

第一斬波開關(guān)120(即圖3中的斬波開關(guān)CH1)位于輸入差分對(duì)111的襯底端，第二斬波開關(guān)130(即圖3中的斬波開關(guān)CH2)位于NMOS管M3和NMOS管M4的源端。在一些示例中，例如，第一斬波開關(guān)120和第二斬波開關(guān)130均由低壓開關(guān)組成，以適應(yīng)低電壓工作環(huán)境。更為具體地，第一斬波開關(guān)120和第二斬波開關(guān)130的尺寸一致。

具體地，輸入信號(hào)經(jīng)過第一斬波開關(guān)120被斬波調(diào)制進(jìn)入放大器110進(jìn)行放大，放大后的信號(hào)經(jīng)過第二斬波開關(guān)130時(shí)被第二斬波開關(guān)130進(jìn)行斬波解調(diào)后回到原始頻率，之后信號(hào)經(jīng)過放大進(jìn)入輸出端，放大器110本身所產(chǎn)生的失調(diào)電壓和1/f噪聲被第二斬波開關(guān)130進(jìn)行斬波調(diào)制，從而實(shí)現(xiàn)輸入信號(hào)、失調(diào)及噪聲的分離，降低噪底。

在一些示例中，例如，本發(fā)明實(shí)施例的基于斬波穩(wěn)定技術(shù)的亞閾值襯底驅(qū)動(dòng)運(yùn)算跨導(dǎo)放大器，采用標(biāo)準(zhǔn)180nm CMOS工藝設(shè)計(jì)，其工作電壓為0.5V，其斬波時(shí)鐘頻率應(yīng)大于信號(hào)帶寬的2倍以上，同時(shí)，為了減少直流增益的降低，斬波時(shí)鐘頻率應(yīng)小于放大器帶寬的1/2，優(yōu)選地，斬波時(shí)鐘頻率為3.2kHz。基于此，該基于斬波穩(wěn)定技術(shù)的亞閾值襯底驅(qū)動(dòng)運(yùn)算跨導(dǎo)放大器的消耗功耗為353.6nA。

作為具體的示例，圖4是傳統(tǒng)亞閾值襯底驅(qū)動(dòng)運(yùn)算跨導(dǎo)放大器與本發(fā)明實(shí)施例的基于斬波穩(wěn)定技術(shù)的亞閾值襯底驅(qū)動(dòng)運(yùn)算跨導(dǎo)放大器的等效輸入噪聲對(duì)比圖。其中，線條1為傳統(tǒng)亞閾值襯底驅(qū)動(dòng)運(yùn)算跨導(dǎo)放大器的仿真結(jié)果，線條2為本發(fā)明實(shí)施例的基于斬波穩(wěn)定技術(shù)的亞閾值襯底驅(qū)動(dòng)運(yùn)算跨導(dǎo)放大器的仿真結(jié)果。根據(jù)圖4的仿真結(jié)果可知，本發(fā)明實(shí)施例的放大器可以顯著消除低頻1/f噪聲，噪底低至380nV/sqrt(Hz)。圖5是傳統(tǒng)亞閾值襯底驅(qū)動(dòng)運(yùn)算跨導(dǎo)放大器與本發(fā)明實(shí)施例的基于斬波穩(wěn)定技術(shù)的亞閾值襯底驅(qū)動(dòng)運(yùn)算跨導(dǎo)放大器的失調(diào)電壓對(duì)比圖。據(jù)圖5可知，原始放大器的失調(diào)標(biāo)準(zhǔn)偏差為2.7mV，失調(diào)為8.1mV，而本發(fā)明實(shí)施例的放大器的失調(diào)標(biāo)準(zhǔn)偏差為362.5μV，失調(diào)為1mV，失調(diào)電壓被壓制了7.45倍。

本發(fā)明實(shí)施例的基于斬波穩(wěn)定技術(shù)的亞閾值襯底驅(qū)動(dòng)運(yùn)算跨導(dǎo)放大器的結(jié)構(gòu)及其主要功能可概述為：該基于斬波穩(wěn)定技術(shù)的亞閾值襯底驅(qū)動(dòng)運(yùn)算跨導(dǎo)放大器主要包括兩大部分：襯底驅(qū)動(dòng)運(yùn)算跨導(dǎo)放大器和斬波開關(guān)。襯底驅(qū)動(dòng)運(yùn)算跨導(dǎo)放大器包括PMOS襯底驅(qū)動(dòng)輸入差分對(duì)、折疊共源共柵構(gòu)成的輸出阻抗級(jí)、以及由MOS管構(gòu)成的電流源，其中所有的MOS管都工作在亞閾值區(qū)，實(shí)現(xiàn)極低供電電壓下消耗納瓦功耗。PMOS襯底驅(qū)動(dòng)輸入差分對(duì)具有低電壓條件下軌到軌的輸入能力，實(shí)現(xiàn)輸入電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成電流信號(hào)的功能。折疊共源共柵構(gòu)成的輸出阻抗級(jí)為放大器提供高輸出阻抗，同時(shí)讓電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)。由MOS管構(gòu)成的電流源為放大器提供恒定偏置電流。斬波開關(guān)由低壓開關(guān)組成，通過斬波開關(guān)來減少亞閾值襯底驅(qū)動(dòng)運(yùn)算跨導(dǎo)放大器中的1/f噪聲和失調(diào)，以獲得更好噪聲性能。也即，本發(fā)明實(shí)施例的基于斬波穩(wěn)定技術(shù)的亞閾值襯底驅(qū)動(dòng)運(yùn)算跨導(dǎo)放大器解決了亞閾值襯底驅(qū)動(dòng)運(yùn)算跨導(dǎo)放大器失調(diào)和1/f噪聲的問題，其工作電壓可以低至0.5V，功耗可以低至360nA以下。因此，本發(fā)明實(shí)施例的基于斬波穩(wěn)定技術(shù)的亞閾值襯底驅(qū)動(dòng)運(yùn)算跨導(dǎo)放大器在醫(yī)療電子生物芯片和物聯(lián)網(wǎng)等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。

綜上，根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的基于斬波穩(wěn)定技術(shù)的亞閾值襯底驅(qū)動(dòng)運(yùn)算跨導(dǎo)放大器，具有如下優(yōu)點(diǎn)：

1.采用標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝實(shí)現(xiàn)，易于集成，成本低。

2.1/f噪聲被顯著消除，具有很低的低頻噪底。

3.失調(diào)電壓能從10mV量級(jí)壓制到1mV左右。

4.通過斬波開關(guān)壓制1/f噪聲，使得到相同信噪比所需功耗大大減小。

在本說明書的描述中，參考術(shù)語“一個(gè)實(shí)施例”、“一些實(shí)施例”、“示例”、“具體示例”、或“一些示例”等的描述意指結(jié)合該實(shí)施例或示例描述的具體特征、結(jié)構(gòu)、材料或者特點(diǎn)包含于本發(fā)明的至少一個(gè)實(shí)施例或示例中。在本說明書中，對(duì)上述術(shù)語的示意性表述不一定指的是相同的實(shí)施例或示例。而且，描述的具體特征、結(jié)構(gòu)、材料或者特點(diǎn)可以在任何的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例或示例中以合適的方式結(jié)合。

盡管已經(jīng)示出和描述了本發(fā)明的實(shí)施例，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員可以理解：在不脫離本發(fā)明的原理和宗旨的情況下可以對(duì)這些實(shí)施例進(jìn)行多種變化、修改、替換和變型，本發(fā)明的范圍由權(quán)利要求及其等同限定。