專利名稱：采用mos器件實(shí)現(xiàn)的寬帶低功耗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(jì)領(lǐng)域，特別涉及一種采用CMOS管的寬帶低功耗軌到軌放大器。
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(yùn)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(yùn)算放大器的輸入輸出信號的動態(tài)范圍大大減小。為了提高運(yùn)放的性能，增大輸入輸出信號的動態(tài)范圍，最好能達(dá)到整個(gè)電源電壓范圍，即軌至軌輸入/輸出，就必須對運(yùn)放的差分輸入級和輸出級進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)，這就促成了軌至軌放大器的產(chǎn)生與發(fā)展。近十年來，軌至軌運(yùn)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(jī)、系統(tǒng)、傳感器等各種電路當(dāng)中。與傳統(tǒng)的運(yùn)放相比，軌至軌放大器主要具有以下幾個(gè)特點(diǎn)(1)共模輸入電壓范圍接近電源正負(fù)兩級。( 輸入級的跨導(dǎo)在共模輸入電壓范圍內(nèi)基本保持恒定。( 輸出電壓可以達(dá)到電源電壓正負(fù)兩級。傳統(tǒng)的軌到軌放大器的電路結(jié)構(gòu)如圖1所示。輸入級由兩個(gè)NMOS管Ni、N2和兩個(gè)PMOS管PI、P2組成，其將正反兩個(gè)方向的電流同時(shí)折疊流經(jīng)P10、Pll和附0、Nll到正負(fù)輸出端。PMOS管P3、P6和NMOS管N3、N6都起到電流源的作用。但是，傳統(tǒng)的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(fèi)”。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，提出一種采用MOS器件實(shí)現(xiàn)的寬帶低功耗軌到軌放大器，其特征在于，所述寬帶低功耗軌到軌放大器包括軌到軌輸入級、放大回收電流的中間級以及軌到軌輸出級三個(gè)部分；所述軌到軌輸入級由PMOS 管 Pla、Plb、P2a、P2b 以及 NMOS 管 ma、Nib, N2a、N2b組成；所述放大回收電流的中間級包括四個(gè)電流鏡組成由NMOS管N7、N4、N3組成第一電流鏡，由匪OS管N8、N5、N6組成第二電流鏡，由PMOS管P7、P4、P3第三電流鏡以及由P8、 P5、P6組成第四電流鏡；所述軌到軌輸出級主要是由NMOS管附0、附1以及PMOS管P10、P11 組成。所述軌到軌放大器的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(shí)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N7、N4、N3組成的第三電流鏡被放大K倍，與Pla管向下的電流一起通過mo流向負(fù)向輸出端；同時(shí)，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(shí)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電流鏡N8、N6、N5組成的第二電流鏡被放大K倍，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ma將電壓信號轉(zhuǎn)換成向上的電流信號，同時(shí)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P7、P4、P3組成的第三電流鏡被放大K倍，與Nla管向上的電流一起通過PlO流向負(fù)向輸出端；同時(shí)，負(fù)向輸入信號通過輸入管擬3將電壓信號轉(zhuǎn)換成向下的電流信號，同時(shí)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P8、P6、P5組成的第二電流鏡被放大K倍，與Nh管向下的電流一起通過P11流向正向輸出端。其中的各個(gè)MOS管采用常規(guī)MOS晶體管或采用高遷移率的應(yīng)變硅MOS管，以進(jìn)一步提高該電路的性能。所述PMOS管的尺寸大小是一致的；所述NMOS管的尺寸大小是一致的。本發(fā)明的有益效果是這種新型的寬帶低功耗軌到軌放大器與傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方案相比具有以下幾個(gè)明顯的優(yōu)點(diǎn)具有在不增加功耗的情況下提高兩倍以上帶寬的能力；增加低頻增益、增加放大器的大信號擺率和小信號建立時(shí)間；同時(shí)還可以工作在低電壓的環(huán)境下， 增加輸入/輸出信號的幅度等諸多優(yōu)點(diǎn)。


圖1為傳統(tǒng)軌到軌放大器的電路結(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軌到軌放大器與傳統(tǒng)軌到軌放大器的頻響仿真對比圖。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明提出的采用MOS器件實(shí)現(xiàn)的寬帶低功耗軌到軌放大器，其一種具體實(shí)施方式
采用CMOS工藝實(shí)現(xiàn)。該寬帶低功耗軌到軌放大器包括軌到軌輸入級、放大回收電流的中間級以及軌到軌輸出級三個(gè)部分；如圖2所示，所述軌到軌輸入級由PMOS管Pla、Plb、P2a、P2b以及NMOS管Wa、 mb、N2a、N2b 組成；所述放大回收電流的中間級包括四個(gè)電流鏡組成由NMOS管N7、N4、N3組成第一電流鏡，由匪OS管N8、N5、N6組成第二電流鏡，由PMOS管P7、P4、P3第三電流鏡以及由P8、P5、P6組成第四電流鏡；所述軌到軌輸出級主要是由匪os管mo、mi以及pmos管PIO、PII 組成。在圖2中各器件之間的連接關(guān)系正向輸入信號與輸入管Pia、Pib、ma、mb的柵極連接到一起，負(fù)向輸入信號與輸入管P2a、P2b、N2a、N2b的柵極連接到一起，Plb的漏極與 N5、N6的柵極連接在一起，P2b的漏極與N3、N4的柵極連接在一起，Nlb的漏極與P5、P6的柵極連接在一起，N2b的漏極與P3、P4的柵極連接在一起，P3、P6的漏極分別與P10、P11的源級連接在一起，N3、N6的漏極分別與mo、mi的源級連接在一起，N10、N11的漏極分別于 Ρ ο,Pll的漏極連接在一起。所述軌到軌放大器的工作原理是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(shí)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N7、N4、N3組成的第三電流鏡被放大K倍，與P1 a管向下的電流一起通過mo流向負(fù)向輸出端；同時(shí)，負(fù)向輸入信號通過輸入管MMf電壓信號轉(zhuǎn)換成向上的電流信號，同時(shí)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電流鏡N8、N6、N5組成的第二電流鏡被放大K倍，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ma將電壓信號轉(zhuǎn)換成向上的電流信號，同時(shí)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P7、P4、P3組成的第三電流鏡被放大K倍，與Nla 管向上的電流一起通過PlO流向負(fù)向輸出端；同時(shí)，負(fù)向輸入信號通過輸入管擬3將電壓信號轉(zhuǎn)換成向下的電流信號，同時(shí)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P8、P6、P5組成的第二電流鏡被放大K倍，與Nh 管向下的電流一起通過Pll流向正向輸出端。由此可得，輸入等效跨導(dǎo)被放大了 K+1倍；其中的各個(gè)MOS管采用常規(guī)MOS晶體管或采用高遷移率的應(yīng)變硅MOS管，以進(jìn)一步提高該電路的性能。所述PMOS管的尺寸大小是一致的；所述NMOS管的尺寸大小是一致的。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，所述由NMOS 管N8、N5、N6組成的第二電流鏡與輸入級的Plb管連接，所述由PMOS管P7、P4、P3組成的第三電流鏡與輸入級的N2b管連接，PMOS管P8、P5、P6組成的第四電流鏡與輸入級的Nlb
管連接。圖3為本發(fā)明的新型的寬帶低功耗軌到軌放大器與傳統(tǒng)軌到軌放大器的頻響仿真結(jié)果對比圖。從圖中可以看出，在K值取為3時(shí)，本發(fā)明的新型軌到軌放大器的帶寬相比于傳統(tǒng)軌到軌放大器的提高了兩倍以上。同時(shí)，低頻增益仍然略有提高。
權(quán)利要求
1.一種采用MOS器件實(shí)現(xiàn)的寬帶低功耗軌到軌放大器，其特征在于，所述寬帶低功耗軌到軌放大器包括軌到軌輸入級、放大回收電流的中間級以及軌到軌輸出級三個(gè)部分；所述軌到軌輸入級由PMOS管Pla、Plb、P2a、P2b以及NMOS管Nla、Nlb、N^i、N2b組成； 所述放大回收電流的中間級包括四個(gè)電流鏡組成由NMOS管N7、N4、N3組成第一電流鏡，由NMOS管N8、N5、N6組成第二電流鏡，由PMOS管P7、P4、P3第三電流鏡以及由P8、P5、 P6組成第四電流鏡；所述軌到軌輸出級主要是由NMOS管mo、mi以及pmos管pio、pii組成。 所述寬帶低功耗軌到軌放大器的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(shí)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N7、N4、N3組成的第三電流鏡被放大K倍，與P1 a管向下的電流一起通過mo流向負(fù)向輸出端；同時(shí)，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(shí)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電流鏡N8、N6、N5組成的第二電流鏡被放大K倍，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ma將電壓信號轉(zhuǎn)換成向上的電流信號，同時(shí)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P7、P4、P3組成的第三電流鏡被放大K倍，與Nla管向上的電流一起通過PlO流向負(fù)向輸出端；同時(shí)，負(fù)向輸入信號通過輸入管擬3將電壓信號轉(zhuǎn)換成向下的電流信號，同時(shí)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P8、P6、P5組成的第二電流鏡被放大K倍，與Nh管向下的電流一起通過P11流向正向輸出端。其中的各個(gè)MOS管采用常規(guī)MOS晶體管或采用高遷移率的應(yīng)變硅MOS管，以進(jìn)一步提高該電路的性能。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述采用MOS管的寬帶低功耗軌到軌放大器，其特征在于，所述 PMOS管的尺寸大小是一致的；所述NMOS管的尺寸大小是一致的。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述采用MOS管的寬帶低功耗軌到軌放大器，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P^管連接，所述由NMOS管N8、N5、N6組成的第二電流鏡與輸入級的Plb管連接，所述由PMOS管P7、P4、P3組成的第三電流鏡與輸入級的N2b管連接，PMOS管P8、P5、P6組成的第四電流鏡與輸入級的Nlb管連接。
全文摘要
本發(fā)明公開了屬于模擬集成電路設(shè)計(jì)領(lǐng)域的一種采用MOS器件實(shí)現(xiàn)的寬帶低功耗軌到軌放大器，其包括由四個(gè)NMOS管和四個(gè)PMOS管組成軌到軌輸入級，該電路將輸入電壓信號轉(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由四個(gè)低壓電流鏡組成，實(shí)現(xiàn)對回收電流的放大作用；以及由兩個(gè)PMOS管和兩個(gè)NMOS管組成的軌到軌輸出級，實(shí)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；增加低頻增益和大信號擺率；同時(shí)還可以工作在低電壓的環(huán)境中增加輸入/輸出信號的幅度等諸多優(yōu)點(diǎn)。其中的各個(gè)MOS管可采用常規(guī)MOS晶體管，也可以采用高遷移率的應(yīng)變硅MOS管，以進(jìn)一步提高該電路的性能。
文檔編號H03F3/45GK102176660SQ20111006108
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)