專利名稱：一種低電源電壓跨導(dǎo)可調(diào)的恒定跨導(dǎo)的軌到軌輸入運(yùn)算放大器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及運(yùn)算放大器技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種低電源電壓恒定跨導(dǎo)的軌到軌輸入運(yùn)算放大器。
背景技術(shù)：
運(yùn)算放大器是模擬集成電路中的一個(gè)重要模塊。隨著微電子制作工藝技術(shù)的高速發(fā)展，器件的特征尺寸越來越小，所能承受的電源電壓也越來越低，這會(huì)限制運(yùn)算放大器的性能，比如運(yùn)算放大器的共模輸入范圍。當(dāng)運(yùn)算放大器用做緩沖器時(shí)，需要與輸入信號(hào)范圍同樣大的共模輸入范圍。這時(shí)就需要使用軌到軌輸入運(yùn)算放大器以獲得大的動(dòng)態(tài)范圍。軌到軌輸入運(yùn)算放大器是一種特殊類型的放大器，其共模輸入電壓范圍為從負(fù)電源電壓軌到正電源電壓軌。它的輸入級(jí)由一對(duì)PMOS差分輸入對(duì)和一對(duì)NMOS差分輸入對(duì)組成。當(dāng)共模輸入電壓靠近負(fù)電源電壓軌，PMOS差分輸入對(duì)導(dǎo)通，NMOS差分輸入對(duì)截止； 當(dāng)共模輸入電壓靠近正電源電壓軌，PMOS差分輸入對(duì)截止，NMOS差分輸入對(duì)導(dǎo)通；當(dāng)共模輸入電壓處于正電源電壓和負(fù)電源電壓中間時(shí)，PMOS差分輸入對(duì)和NMOS差分輸入對(duì)都導(dǎo)通。軌到軌輸入運(yùn)算放大器存在的一個(gè)問題是其跨導(dǎo)會(huì)隨著共模輸入電壓的變化而發(fā)生較大的變化(在有些情況下，其跨導(dǎo)變化可達(dá)到100% )，這有可能會(huì)使電路發(fā)生振蕩?？鐚?dǎo)反饋是目前用于實(shí)現(xiàn)恒定跨導(dǎo)的軌到軌輸入運(yùn)算放大器的方法之一?，F(xiàn)有的跨導(dǎo)反饋方法都是采用一個(gè)差分輸入對(duì)來作為參考跨導(dǎo)，通過對(duì)輸入級(jí)中的NMOS差分輸入對(duì)和PMOS差分輸入對(duì)進(jìn)行復(fù)制來得到輸入級(jí)的跨導(dǎo)，通過反饋使二者相等，從而使輸入級(jí)的跨導(dǎo)恒定。 但在現(xiàn)有的電路實(shí)現(xiàn)方法中，由于輸入級(jí)的NMOS差分輸入對(duì)和復(fù)制的NMOS差分輸入對(duì)具有不同的共模輸入電壓(前者是軌到軌的共模輸入電壓，而后者是一個(gè)固定的共模輸入電壓)，這使得二者在共模輸入電壓較低時(shí)，其跨導(dǎo)具有較大的差異，同時(shí)還要求在較高的電源電壓下工作，否則會(huì)導(dǎo)致整個(gè)共模輸入范圍內(nèi)跨導(dǎo)具有比較大的波動(dòng)(比如在3V的工作電源電壓下，其跨導(dǎo)波動(dòng)在3 4%左右，而在IV時(shí)，其跨導(dǎo)波動(dòng)在11%左右)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的主要目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種低電源電壓跨導(dǎo)可調(diào)的恒定跨導(dǎo)的軌到軌輸入運(yùn)算放大器。為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案是一種低電源電壓跨導(dǎo)可調(diào)的恒定跨導(dǎo)的軌到軌輸入運(yùn)算放大器(如圖1所示)，由恒定跨導(dǎo)控制電路(1)、軌到軌輸入級(jí)(2)和輸出級(jí)⑶組成；所述恒定跨導(dǎo)控制電路(1)的Vinp輸入端和Virm輸入端分別與外部的模擬輸入信號(hào)Vinp和Virm相連；其Vbn輸出端和Vbp輸出端分別與所述軌到軌輸入級(jí)(2)的Vbn輸入端和Vbp輸入端相連；所述軌到軌輸入級(jí)O)的Vinp輸入端和Virm輸入端分別與外部的模擬輸入信號(hào)Vinp和Vinn相連；其pOp，pOn, nOp和nOn四個(gè)輸出端分別與所述輸出級(jí)(3)的I_pinp、 I_pinn、I_ninp和I_ninn四個(gè)輸入端相連；所述輸出級(jí)(3)的vout輸出端輸出放大器的輸出結(jié)果。本發(fā)明中，恒定跨導(dǎo)控制電路(如圖2所示)由偏置電路(1.1)，電流運(yùn)算電路 (1. 2)和跨導(dǎo)反饋電路(1. 3)組成；用于產(chǎn)生輸出信號(hào)Vbp和Vbn，分別控制軌到軌輸入級(jí)(2) 中的NMOS差分輸入對(duì)和PMOS差分輸入對(duì)的尾電流，使軌到軌輸入級(jí)O)的跨導(dǎo)近似為參考電阻阻值的倒數(shù)的2倍。其中所述偏置電路(1.1)有2個(gè)輸出端，用于給跨導(dǎo)反饋電路(1.3)中的MOS管提供偏置電壓Vb3和參考電壓DeltaV ；Vb3輸出端與跨導(dǎo)反饋電路(1.3)中的NMOS管M18和NMOS 管M19的柵極相連；DeltaV輸出端與跨導(dǎo)反饋電路(1.3)中的PMOS管M7和PMOS管M17的柵極相連。電流運(yùn)算電路(1.2)有四個(gè)輸出端，用于給跨導(dǎo)反饋電路(1.3)中的MOS管提供偏置電壓；Vb4輸出端與跨導(dǎo)反饋電路(1.3)中的PMOS管M8的柵極相連；Vb5輸出端與跨導(dǎo)反饋電路(1.3)中的NMOS管M13的柵極相連；Vb6輸出端與跨導(dǎo)反饋電路(1.3)中的PMOS 管M1的柵極相連；Vb7輸出端與跨導(dǎo)反饋電路(1. 3)中的NMOS管M2的柵極相連；其功能是使NMOS管M13和PMOS管M1流過的電流與軌到軌輸入級(jí)O)中的NMOS差分輸入對(duì)流過的尾電流成一定的比例關(guān)系，使NMOS管^和？1 3管禮流過的電流與軌到軌輸入級(jí)⑵中的 PMOS差分輸入對(duì)流過的尾電流成一定的比例關(guān)系?？鐚?dǎo)反饋電路(1. 3)由23個(gè)MOS管和5個(gè)電流源組成；PMOS管M1的漏極與電流源I1的一端、NMOS管M2的漏極、NMOS管M3的漏極和柵極、NMOS管M5的柵極共點(diǎn)；NMOS管 M5的漏極與PMOS管M4的漏極和柵極、PMOS管M6的柵極、PMOS管M14的柵極共點(diǎn)；PMOS管M6 的漏極與PMOS管M7的源極、PMOS管M11的漏極和柵極、NMOS管M9的漏極和柵極共點(diǎn)；PMOS 管M14的漏極與PMOS管M15的源極、PMOS管M12的漏極和柵極、NMOS管Mltl的漏極和柵極共點(diǎn)；PMOS管M8的漏極與PMOS管M11的源極、PMOS管M12的源極共點(diǎn)；NMOS管M13的漏極與匪OS管M9的源極、NMOS管Mltl的源極共點(diǎn)；PMOS管M7的漏極與PMOS管I^6的漏極、NMOS管 M20的漏極、NMOS管M18的源極共點(diǎn)；PMOS管M15的漏極與PMOS管M17的漏極、NMOS管M21的漏極、NMOS管M19的源極共點(diǎn)；PMOS管M15的柵極與PMOS管M16的柵極共點(diǎn)，并與地GND相連；PMOS管M16的源極與參考電阻隊(duì)的一端、電流源I2的一端共點(diǎn)；PMOS管M17的源極與參考電阻隊(duì)的另一端、電流源I3的一端共點(diǎn)；NMOS管Mw的漏極與NMOS管M20的柵極、NMOS 管M21的柵極、電流源I4的一端共點(diǎn)；NMOS管M19的漏極與PMOS管M22的柵極、電流源I5的一端共點(diǎn)，并與所述輸出端Vbp相連；PMOS管M22的漏極與NMOS管M23的柵極和漏極共點(diǎn)并與所述輸出端Vbn相連；PMOS管M1的源極、PMOS管M4的源極、PMOS管M6的源極、PMOS管M14 的源極、PMOS管M22的源極、電流源I1的另一端、電流源I2的另一端、電流源I3的另一端、電流源I4的另一端、電流源I5的另一端共點(diǎn)并與電源電壓Vdd相連；匪03管禮的源極、NMOS 管M3的源極、匪OS管M5的源極、匪OS管M2tl的源極、匪OS管M21的源極、匪OS管M23的源極共點(diǎn)并與地GND相連。本發(fā)明中，當(dāng)軌到軌輸入運(yùn)算放大器的共模輸入電壓發(fā)生變化時(shí)，所述恒定跨導(dǎo)控制電路(1)通過反饋，調(diào)整軌到軌輸入級(jí)O)的NMOS差分輸入對(duì)和PMOS差分輸入對(duì)的尾電流，使NMOS管M9和PMOS管M11的跨導(dǎo)之和的倒數(shù)近似與參考電阻隊(duì)的阻值的一半相等。而匪OS管M9和匪OS管Mltl，PMOS管M11和PMOS管M12分別是軌到軌輸入級(jí)O)中匪OS 差分輸入對(duì)和PMOS差分輸入對(duì)的復(fù)制，故NMOS管M9和PMOS管M11的跨導(dǎo)之和與軌到軌輸入級(jí)( 的跨導(dǎo)相等，從而使軌到軌輸入運(yùn)算放大器具有恒定跨導(dǎo)的特性。同時(shí)，改變參考電阻R1的阻值，可以改變軌到軌輸入運(yùn)算放大器的跨導(dǎo)，從而實(shí)現(xiàn)跨導(dǎo)可調(diào)的功能。本發(fā)明低電源電壓跨導(dǎo)可調(diào)的恒定跨導(dǎo)的軌到軌輸入運(yùn)算放大器具有以下有益效果1、利用本發(fā)明實(shí)現(xiàn)的軌到軌輸入運(yùn)算放大器，在電源電壓為IV時(shí)，在輸入共模電壓從0變到IV時(shí)，其跨導(dǎo)波動(dòng)可在1. 2%左右。因此本發(fā)明在用于實(shí)現(xiàn)低電源電壓下恒定跨導(dǎo)的軌到軌輸入運(yùn)算放大器時(shí)，可在功耗和性能方面達(dá)到比較好的折衷。2、利用本發(fā)明，可以通過調(diào)整電路中參考電阻的阻值來改變軌到軌輸入運(yùn)算放大器的跨導(dǎo)，從而實(shí)現(xiàn)其跨導(dǎo)可調(diào)。


圖1為本發(fā)明低電源電壓跨導(dǎo)可調(diào)的恒定跨導(dǎo)的軌到軌輸入運(yùn)算放大器的體系結(jié)構(gòu)2為本發(fā)明恒定跨導(dǎo)控制電路的電路圖
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步詳細(xì)說明。圖1所示為本發(fā)明提供的低電源電壓跨導(dǎo)可調(diào)的恒定跨導(dǎo)的軌到軌輸入運(yùn)算放大器的體系結(jié)構(gòu)圖，包括恒定跨導(dǎo)控制電路(1)、軌到軌輸入級(jí)(2)和輸出級(jí)(3)。圖2為本發(fā)明恒定跨導(dǎo)控制電路的電路圖。偏置電路(1. 1)用來產(chǎn)生共柵管Mw和M19的偏置電壓。電流源I4和電流源I5作為由M18、M19, M20和M21組成的跨阻放大器的有源負(fù)載。電流運(yùn)算電路(1.2)用來產(chǎn)生MOS管M1J2、M8和M13的偏置電壓，使流過M1J2、M8 和M13的電流滿足式(1)IMi = 0.5 * KJn ,IMi = 0.5 * KlIp，/Ms = Ip ,IMn =In(1)式(1)中的1 和Ip分別為軌到軌輸入級(jí)O)中的NMOS管的尾電流和PMOS管的尾電流，K1為比例因子，其值可以等于1，也可以小于1。設(shè)電流源I2和I3流過的電流為I，則電流源I1的電流為Ili =K,I(2)M4管、M6管和M14管的寬長(zhǎng)比之比為1 IA1 IA1 ；這樣，流過M4,M6管和M14管的電流分別為IMt =^(/-0.5/p+0.5/ ),lMb =(I-0.5Ip+0.5In), 7Mi4=(/-0.5/p+0.5/ ) (3)M9和Mltl管具有相同的寬長(zhǎng)比，流過它們的電流分別為0. 5In ;Mn和M12管具有相同的寬長(zhǎng)比，流過它們的電流分別為0. 5IP ;M7管、M15管、M16和M17管具有相同的寬長(zhǎng)比。根據(jù) KCL定理和式(1)可知，流過M7管、M15管、Mni管和M17管的電流為(在差分輸入為零時(shí))
權(quán)利要求
1.一種低電源電壓跨導(dǎo)可調(diào)的恒定跨導(dǎo)的軌到軌輸入運(yùn)算放大器，其特征在于由恒定跨導(dǎo)控制電路(1)、軌到軌輸入級(jí)( 和輸出級(jí)C3)組成；所述恒定跨導(dǎo)控制電路(1)的Vinp輸入端和Virm輸入端分別與外部的模擬輸入信號(hào) Vinp和Virm相連；其Vbn輸出端和Vl3p輸出端分別與所述軌到軌輸入級(jí)⑵的Vbn輸入端和 Vbp輸入端相連；所述軌到軌輸入級(jí)( 的Vinp輸入端和Virm輸入端分別與外部的模擬輸入信號(hào)Vinp 和Vinn相連；其ρ0ρ，ρ0η，η0ρ和nOn四個(gè)輸出端分別與所述輸出級(jí)(3)的I_pinp、I_pirm、 I_ninp和I_nirm四個(gè)輸入端相連；所述輸出級(jí)(3)的vout輸出端輸出放大器的輸出結(jié)果。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的低電源電壓跨導(dǎo)可調(diào)的恒定跨導(dǎo)的軌到軌輸入運(yùn)算放大器， 其特征在于所述恒定跨導(dǎo)控制電路⑴由偏置電路(1. 1)，電流運(yùn)算電路(1. 2)和跨導(dǎo)反饋電路(1.3)組成；用于產(chǎn)生輸出信號(hào)Vl3p和Vbn，分別控制軌到軌輸入級(jí)⑵中的NMOS差分輸入對(duì)和PMOS差分輸入對(duì)的尾電流，使軌到軌輸入級(jí)( 的跨導(dǎo)近似為參考電阻阻值的倒數(shù)的2倍。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的低電源電壓跨導(dǎo)可調(diào)的恒定跨導(dǎo)的軌到軌輸入運(yùn)算放大器， 其特征在于所述偏置電路(1.1)有2個(gè)輸出端，用于給跨導(dǎo)反饋電路(1.3)中的MOS管提供偏置電壓Vb3和參考電壓DeltaV ;Vb3輸出端與跨導(dǎo)反饋電路(1.3)中的NMOS管Mw和 NMOS管M19的柵極相連；DeltaV輸出端與跨導(dǎo)反饋電路(1.3)中的PMOS管M7和PMOS管M17 的柵極相連。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的低電源電壓跨導(dǎo)可調(diào)的恒定跨導(dǎo)的軌到軌輸入運(yùn)算放大器， 其特征在于所述的電流運(yùn)算電路(1. 有四個(gè)輸出端，用于給跨導(dǎo)反饋電路(1. 中的 MOS管提供偏置電壓；Vb4輸出端與跨導(dǎo)反饋電路(1.3)中的PMOS管M8的柵極相連；Vb5輸出端與跨導(dǎo)反饋電路(1.3)中的NMOS管M13的柵極相連；Vb6輸出端與跨導(dǎo)反饋電路(1.3) 中的PMOS管M1的柵極相連；Vb7輸出端與跨導(dǎo)反饋電路(1.3)中的NMOS管M2的柵極相連； 使NMOS管M13和PMOS管M1流過的電流與軌到軌輸入級(jí)O)中的NMOS差分輸入對(duì)流過的尾電流成一定的比例關(guān)系，使NMOS管^和？1 3管禮流過的電流與軌到軌輸入級(jí)⑵中的 PMOS差分輸入對(duì)流過的尾電流成一定的比例關(guān)系。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的低電源電壓跨導(dǎo)可調(diào)的恒定跨導(dǎo)的軌到軌輸入運(yùn)算放大器， 其特征在于所述的跨導(dǎo)反饋電路(1. 3)由23個(gè)MOS管和5個(gè)電流源組成；PMOS管M1的漏極與電流源I1的一端、NMOS管M2的漏極、NMOS管M3的漏極和柵極、NMOS管M5的柵極共點(diǎn)；NMOS管M5的漏極與PMOS管M4的漏極和柵極、PMOS管M6的柵極、PMOS管M14的柵極共點(diǎn)；PMOS管M6的漏極與PMOS管M7的源極、PMOS管M11的漏極和柵極、NMOS管M9的漏極和柵極共點(diǎn)；PMOS管M14的漏極與PMOS管M15的源極、PMOS管M12的漏極和柵極、NMOS管Mltl 的漏極和柵極共點(diǎn)；PMOS管M8的漏極與PMOS管M11的源極、PMOS管M12的源極共點(diǎn)；NMOS 管M13的漏極與NMOS管M9的源極、NMOS管Mltl的源極共點(diǎn)；PMOS管M7的漏極與PMOS管M16 的漏極、NMOS管M20的漏極、NMOS管M18的源極共點(diǎn)；PMOS管M15的漏極與PMOS管M17的漏極、NMOS管M21的漏極、NMOS管M19的源極共點(diǎn)；PMOS管M15的柵極與PMOS管M16的柵極共點(diǎn)，并與地GND相連；PMOS管M16的源極與參考電阻R1的一端、電流源I2的一端共點(diǎn)；PMOS 管M17的源極與參考電阻R1的另一端、電流源I3的一端共點(diǎn)；NMOS管M18的漏極與NMOS管M20的柵極、NMOS管M21的柵極、電流源I4的一端共點(diǎn)；NMOS管M19的漏極與PMOS管M22的柵極、電流源I5的一端共點(diǎn)，并與所述輸出端Vbp相連；PMOS管M22的漏極與NMOS管M23的柵極和漏極共點(diǎn)并與所述輸出端Vbn相連；PMOS管M1的源極、PMOS管M4的源極、PMOS管M6的源極、PMOS管M14的源極、PMOS管M22的源極、電流源I1的另一端、電流源I2的另一端、電流源 I3的另一端、電流源I4的另一端、電流源I5的另一端共點(diǎn)并與電源電壓Vdd相連；NMOS管M2 的源極、NMOS管M3的源極、NMOS管M5的源極、NMOS管M2tl的源極、NMOS管M21的源極、NMOS 管M23的源極共點(diǎn)并與地GND相連。
6.根據(jù)權(quán)利要求1-5任一所述的低電源電壓跨導(dǎo)可調(diào)的恒定跨導(dǎo)的軌到軌輸入運(yùn)算放大器，其特征在于，當(dāng)軌到軌輸入運(yùn)算放大器的共模輸入電壓發(fā)生變化時(shí)，所述恒定跨導(dǎo)控制電路(1)通過反饋，調(diào)整軌到軌輸入級(jí)O)的NMOS差分輸入對(duì)和PMOS差分輸入對(duì)的尾電流，使NMOS管禮和PMOS管M11的跨導(dǎo)之和的倒數(shù)近似與參考電阻隊(duì)的阻值的一半相等；而匪OS管M9和匪OS管Mltl，PMOS管M11和PMOS管M12分別是軌到軌輸入級(jí)(2)中匪OS 差分輸入對(duì)和PMOS差分輸入對(duì)的復(fù)制，NMOS管M9和PMOS管M11的跨導(dǎo)之和與軌到軌輸入級(jí)O)的跨導(dǎo)相等，使軌到軌輸入運(yùn)算放大器具有恒定跨導(dǎo)的特性，同時(shí)，改變參考電阻R1 的阻值，改變軌到軌輸入運(yùn)算放大器的跨導(dǎo)，實(shí)現(xiàn)跨導(dǎo)可調(diào)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種低電源電壓跨導(dǎo)可調(diào)的恒定跨導(dǎo)的軌到軌輸入運(yùn)算放大器，包括恒定跨導(dǎo)控制電路、軌到軌輸入級(jí)和輸出級(jí)。其中，恒定跨導(dǎo)控制電路通過反饋控制軌到軌輸入級(jí)的尾電流，使軌到軌輸入運(yùn)算放大器的跨導(dǎo)近似為參考電阻阻值的倒數(shù)的2倍。同時(shí)可以通過改變參考電阻的阻值，來改變軌到軌輸入運(yùn)算放大器的跨導(dǎo)。本發(fā)明可工作在低電源電壓下，具有軌到軌的共模輸入范圍，跨導(dǎo)可調(diào)，恒定跨導(dǎo)等優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號(hào)H03F3/45GK102340284SQ201010236020
公開日2012年2月1日 申請(qǐng)日期2010年7月23日 優(yōu)先權(quán)日2010年7月23日
發(fā)明者戴姍姍, 易婷, 洪志良 申請(qǐng)人:復(fù)旦大學(xué)