基于納米mos器件的低電壓低功耗放大器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了屬于模擬集成電路領域的一種基于納米MOS器件的低電壓低功耗放大器。隨著集成電路工藝的發(fā)展，基于納米MOS器件的模擬電路設計成為新的挑戰(zhàn)和研究重點。本發(fā)明放大器包括四個PMOS管組成的全差分輸入級，該輸入級將輸入電壓信號轉(zhuǎn)換成電流信號；兩組電流鏡組成的電流回收級；一組電流鏡組成的低壓軌到軌輸出級，該輸出級提供輸出阻抗，輸出級的電流源管采用差轉(zhuǎn)單模式，放大器為單端輸出。本發(fā)明的基于納米MOS器件的低電壓低功耗放大器在不增加直流電流和版圖面積的情況下，實現(xiàn)了至少準確提高3倍帶寬的能力，同時相應的提高了低頻增益和大信號擺率。該放大器電路適用于納米MOS器件電路的低壓環(huán)境，可提供大帶寬大輸出擺幅。
【專利說明】基于納米MOS器件的低電壓低功耗放大器
【技術(shù)領域】
[0001]本發(fā)明屬于模擬集成電路設計領域，具體涉及一種基于納米MOS器件的低電壓低功耗放大器。
【背景技術(shù)】
[0002]現(xiàn)代集成電路技術(shù)已經(jīng)由深亞微米集成電路發(fā)展到了納米集成電路級別?；?2納米工藝的CPU已經(jīng)在Intel得到量產(chǎn)，國內(nèi)也已經(jīng)開展了 22納米集成電路的研究。得益于特征尺寸的減小和系統(tǒng)芯片技術(shù)的日益成熟，芯片規(guī)模越來越大，功能也越來越繁瑣。近年來，移動芯片的飛速發(fā)展，促進了便攜式移動電子設備的普及。
[0003]由于電池技術(shù)的發(fā)展遠遠跟不上電子系統(tǒng)的發(fā)展，從心臟起搏器到助聽器、移動電話和各種各樣便攜式移動產(chǎn)品都對產(chǎn)品的供電電壓提出了嚴格的限制。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格的限制。例如，65納米工藝的供電電壓是1.2V，45納米工藝為1.1V，32納米和28納米的供電電壓已經(jīng)降至IJ IV。供電電壓的降低，使得在模擬電路設計中遇到一系列的困難。比如，輸入電壓動態(tài)范圍減小，沒有額外的電壓空間來使用增益提高技術(shù)，MOS管本征增益減小，噪聲惡化，隨機失調(diào)對系統(tǒng)的影響增大等等。納米集成電路的尺寸優(yōu)勢，及其在模擬電路設計中帶來的種種困難，使得納米集成電路低電壓模擬設計受到廣泛關(guān)注。
[0004]運算放大器是模擬電路中最重要的電路單元，廣泛應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。因為晶體管的閾值電壓并不隨著特征尺寸的減小而線性減小，所以在納米集成電路低電源電壓環(huán)境下，運算放大器信號動態(tài)范圍大大減小。同時，低電壓的供電環(huán)境和動態(tài)范圍的限制，許多高增益電路技術(shù)的使用變得困難，如套筒結(jié)構(gòu)。而為了獲得大的帶寬，放大器的直流電流變大，這又增大了放大器的功耗。另夕卜，在開關(guān)電容電路中，為了獲得高信噪比，必須增大采樣電容，而同時又必須保證一定的擺率，從而進一步增大電流和功耗。所以為了提高運放的性能，增大動態(tài)范圍，提高增益和帶寬，必須對放大電路進行改進，以提高電流的利用效率。
[0005]傳統(tǒng)的對稱型跨導放大器，其輸出管采用單管電流源負載，很適合工作在納米集成電路的低電壓環(huán)境。傳統(tǒng)的對稱型跨導放大器結(jié)構(gòu)如圖1所示。輸入級由兩個PMOS管Ml、M2組成，其將正反兩個方向的電流通過M3、M5組成的電流鏡和M4、M6組成的電流鏡復制，進入輸出級。增大比例系數(shù)B可以提高對稱跨導運放的帶寬和增益。
[0006]傳統(tǒng)的對稱型跨導放大器存在以下不足:
[0007]1.受限于低電壓環(huán)境，傳統(tǒng)對稱跨導放大器的增益很低，一般在40dB左右。
[0008]2.增大比例系數(shù)B可以提高傳統(tǒng)對稱跨導運放的帶寬和增益，但是會增加輸出級的電流，功耗增大。
[0009]3.在功耗要求嚴格的情況下，難以達到高帶寬的性能。

【發(fā)明內(nèi)容】
[0010]本發(fā)明旨在至少解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的技術(shù)問題之一。為此，本發(fā)明的目的在于提出一種基于納米MOS器件的低電壓低功耗放大器。
[0011]為了實現(xiàn)上述目的，根據(jù)本發(fā)明實施例的基于納米MOS器件的低電壓低功耗放大器，包括:全差分輸入級，所述全差分輸入級由Mla，Mlb, M2a，M2b四個PMOS管組成；電流回收級，所述電流回收級由兩個電流鏡組成:由NMOS管M3b和M3c組成第一電流鏡，由NMOS管M4b和M4c組成第二電流鏡；軌到軌輸出級，所述軌到軌輸出級由一個電流鏡M7和M8組成，其中，所述基于納米MOS器件的低電壓低功耗放大器采用標準CMOS電流源偏置，輸入級由PMOS管M9和偏置電壓Vb偏置，輸出級由電流鏡M7和M8進行偏置，所述基于納米MOS器件的低電壓低功耗放大器的正向輸入信號,通過PMOS管M2a轉(zhuǎn)換成向上的小信號電流，同時，負向輸入信號通過PMOS管Mlb轉(zhuǎn)換成向下的小信號電流。該向下的小信號電流通過M4b和M4c組成的第二電流鏡進行第一次放大，該放大信號與PMOS管M2a形成的向上的小信號電流反向疊加，相加成的小信號電流通過由NMOS管M4a和M6組成的電流鏡，并且由此電流鏡進行第二次放大，放大后方向向上的小信號電流進入輸出端，所述基于納米MOS器件的低電壓低功耗放大器的負向輸入信號，通過PMOS管Mla轉(zhuǎn)換成向下的小信號電流，同時，正向輸入信號通過PMOS管M2b轉(zhuǎn)換成向上的小信號電流。該向上的小信號電流通過M3b和M3c組成的第一電流鏡進行第一次放大，該放大信號與PMOS管Mla形成的向下的小信號電流反向疊加，相加成的小信號電流通過由NMOS管M3a和M5組成的電流鏡，并且由此電流鏡進行第二次放大，從NMOS管M5出來的向下的小信號電流，通過由PMOS管M7和M8組成的輸出負載電流鏡復制，在輸出端與另一端方向向上的小信號電流疊加。輸出端電流減小，電壓升高，實現(xiàn)放大功能。
[0012]根據(jù)本發(fā)明實施例的基于納米MOS器件的低電壓低功耗放大器，在不增加直流電流和版圖面積的情況下，實現(xiàn)了至少準確提高3倍帶寬的能力，同時相應的提高了低頻增益和大信號擺率。該放大器電路適用于納米MOS器件電路的低壓環(huán)境，可提供大帶寬大輸出擺幅。
[0013]另外，根據(jù)本發(fā)明實施例的基于納米MOS器件的低電壓低功耗放大器還可以具有如下附加技術(shù)特征:
[0014]在本發(fā)明的一個實施例中，所述PMOS管Mla, Mlb, M2a, M2a尺寸大小一致；所述NMOS管M3a，M3b尺寸大小之和等于M3c ;所述NMOS管M4a，M4b尺寸大小之和等于M4c ;所述NMOS管M3a，M3b尺寸大小相等；所述NMOS管M4a，M4b尺寸大小相等。
[0015]在本發(fā)明的一個實施例中，所述由NMOS管M3b，M3c組成的電流鏡與輸入級的M2b管連接；所述由NMOS管M4b，M4c組成的電流鏡與輸入級的Mlb管連接；所述由NMOS管M5，M3a組成的電流鏡與輸入級的Mla管連接；所述由NMOS管M6，M4a組成的電流鏡與輸入級的M2a管連接。
[0016]本發(fā)明的附加方面和優(yōu)點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)明的實踐了解到。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0017]本發(fā)明的上述和/或附加的方面和優(yōu)點從結(jié)合下面附圖對實施例的描述中將變得明顯和容易理解，其中:[0018]圖1為傳統(tǒng)對稱型跨導放大器的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0019]圖2為本發(fā)明的新型的基于納米MOS器件的低電壓低功耗放大器的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0020]圖3為本發(fā)明的新型的基于納米MOS器件的低電壓低功耗放大器與傳統(tǒng)的對稱型跨導放大器的頻率響應仿真對比圖。
【具體實施方式】
[0021]下面詳細描述本發(fā)明的實施例，所述實施例的示例在附圖中示出，其中自始至終相同或類似的標號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施例是示例性的，旨在用于解釋本發(fā)明，而不能理解為對本發(fā)明的限制。
[0022]本發(fā)明提出的基于納米MOS器件的低電壓低功耗放大器，其一種【具體實施方式】采用納米CMOS工藝實現(xiàn)。該基于納米MOS器件的低電壓低功耗放大器包括輸入級、電流回收級以及軌到軌輸出級三個部分；
[0023]如圖2所示，全差分輸入級由Mla，Mlb, M2a，M2b四個PMOS管組成。電流回收級由兩個電流鏡組成:由NMOS管M3b和M3c組成第一電流鏡，由NMOS管M4b和M4c組成第二電流鏡。軌到軌輸出級由一個電流鏡M7和M8組成。
[0024]在圖2中各器件之間的連接關(guān)系如下:正向輸入信號與輸入管M2a、M2b的柵極連接到一起，負向輸入信號與輸入管Mla、Mlb的柵極連接到一起，Mla、Mlb、M2a、M2b的源極連接電源管M9的漏極。Mla的漏極連接M5、M3a的柵極以及M3a、M3b的漏極；Mlb的漏極連接M4b、M4c的柵極以及M4c的漏極；M2a的漏極連接M6、M4a的柵極以及M4a、M4b的漏極；M2b的漏極連接M3b、M3c的柵極以及M3c的漏極。M5的漏極和M7的漏極相連，M6的漏極和M8的漏極相連。
[0025]圖2所示的基于納米MOS器件的低電壓低功耗放大器的正向輸入信號，通過PMOS管M2a轉(zhuǎn)換成向上的小信號電流，同時，負向輸入信號通過PMOS管Mlb轉(zhuǎn)換成向下的小信號電流。該向下的小信號電流通過M4b和M4c組成的第二電流鏡進行第一次放大，該放大信號與PMOS管M2a形成的向上的小信號電流反向疊加，相加成的小信號電流通過由NMOS管M4a和M6組成的電流鏡，并且由此電流鏡進行第二次放大，放大后方向向上的小信號電流進入輸出端。
[0026]圖2所示的基于納米MOS器件的低電壓低功耗放大器的負向輸入信號，通過PMOS管Mla轉(zhuǎn)換成向下的小信號電流，同時，正向輸入信號通過PMOS管M2b轉(zhuǎn)換成向上的小信號電流。該向上的小信號電流通過M3b和M3c組成的第一電流鏡進行第一次放大，該放大信號與PMOS管Mla形成的向下的小信號電流反向疊加，相加成的小信號電流通過由NMOS管M3a和M5組成的電流鏡，并且由此電流鏡進行第二次放大。
[0027]從NMOS管M5出來的向下的小信號電流，通過由PMOS管M7和M8組成的輸出負載電流鏡復制，在輸出端與另一端方向向上的小信號電流疊加。輸出端電流減小，電壓升高，實現(xiàn)放大功能。
[0028]在本發(fā)明的一個實施例中，PMOS管Mla，Mlb，M2a，M2a尺寸大小一致；NM0S管M3a，M3b尺寸大小之和等于M3c ；NM0S管M4a，M4b尺寸大小之和等于M4c ；NM0S管M3a，M3b尺寸大小相等；NM0S管M4a，M4b尺寸大小相等。即:輸入管Mla、Mlb、M2a、M2b的具有相等尺寸，M3a、M3b、M3c 的尺寸為 I:1:2，M4a、M4b、M4c 的尺寸為 1:1:2。[0029]上述放大器，可以將低頻增益提高10dB，帶寬提高到傳統(tǒng)對稱型放大器的3倍。
[0030]圖3為本發(fā)明的新型的基于納米MOS器件的低電壓低功耗放大器與傳統(tǒng)對稱型放大器的頻響仿真結(jié)果對比圖。從圖3中可以看出，本發(fā)明的新型的基于納米MOS器件的低電壓低功耗放大器的帶寬相比于傳統(tǒng)對稱型放大器提高了 3倍以上，同時，低頻增益提高7 IOdB0
[0031]本發(fā)明所述的新型的基于納米MOS器件的低電壓低功耗放大器，應用在使用納米器件設計的低電壓供電環(huán)境，在不增加版圖面積和功耗的情況下，可至少提高低頻增益10dB，可將帶寬提高到原來的3倍，同時能增加放大器的大信號擺率。
[0032]在本發(fā)明的描述中，需要理解的是，術(shù)語“中心”、“縱向”、“橫向”、“長度”、“寬度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“豎直”、“水平”、“頂”、“底” “內(nèi)”、“外”、“順時針”、“逆時針”、“軸向”、“徑向”、“周向”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，因此不能理解為對本發(fā)明的限制。
[0033]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重要性或者隱含指明所指示的技術(shù)特征的數(shù)量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隱含地包括一個或者更多個該特征。在本發(fā)明的描述中，“多個”的含義是兩個或兩個以上，除非另有明確具體的限定。
[0034]在本發(fā)明中，除非另有明確的規(guī)定和限定，術(shù)語“安裝”、“相連”、“連接”、“固定”等術(shù)語應做廣義理解，例如，可以是固定連接，也可以是可拆卸連接，或成一體；可以是機械連接，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，可以是兩個元件內(nèi)部的連通或兩個元件的相互作用關(guān)系。對于本領域的普通技術(shù)人員而言，可以根據(jù)具體情況理解上述術(shù)語在本發(fā)明中的具體含義。
[0035]在本發(fā)明中，除非另有明確的規(guī)定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接觸，或第一和第二特征通過中間媒介間接接觸。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或僅僅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或僅僅表示第一特征水平高度小于第二特征。
[0036]在本說明書的描述中，參考術(shù)語“一個實施例”、“一些實施例”、“示例”、“具體示例”、或“一些示例”等的描述意指結(jié)合該實施例或示例描述的具體特征、結(jié)構(gòu)、材料或者特點包含于本發(fā)明的至少一個實施例或示例中。在本說明書中，對上述術(shù)語的示意性表述不必須針對的是相同的實施例或示例。而且，描述的具體特征、結(jié)構(gòu)、材料或者特點可以在任一個或多個實施例或示例中以合適的方式結(jié)合。此外，本領域的技術(shù)人員可以將本說明書中描述的不同實施例或示例進行結(jié)合和組合。
[0037]盡管上面已經(jīng)示出和描述了本發(fā)明的實施例，可以理解的是，上述實施例是示例性的，不能理解為對本發(fā)明的限制，本領域的普通技術(shù)人員在本發(fā)明的范圍內(nèi)可以對上述實施例進行變化、修改、替換和變型。
【權(quán)利要求】
1.一種基于納米MOS器件的低電壓低功耗放大器,其特征在于,包括: 全差分輸入級，所述全差分輸入級由Mla，Mlb，M2a，M2b四個PMOS管組成； 電流回收級，所述電流回收級由兩個電流鏡組成:由NMOS管M3b和M3c組成第一電流鏡，由NMOS管M4b和M4c組成第二電流鏡； 軌到軌輸出級，所述軌到軌輸出級由一個電流鏡M7和M8組成，其中， 所述基于納米MOS器件的低電壓低功耗放大器采用標準CMOS電流源偏置，輸入級由PMOS管M9和偏置電壓Vb偏置，輸出級由電流鏡M7和M8進行偏置， 所述基于納米MOS器件的低電壓低功耗放大器的正向輸入信號，通過PMOS管M2a轉(zhuǎn)換成向上的小信號電流，同時，負向輸入信號通過PMOS管Mlb轉(zhuǎn)換成向下的小信號電流，所述向下的小信號電流通過M4b和M4c組成的第二電流鏡進行第一次放大，所述放大信號與PMOS管M2a形成的向上的小信號電流反向疊加，相加成的小信號電流通過由NMOS管M4a和M6組成的電流鏡，并且由此電流鏡進行第二次放大，放大后方向向上的小信號電流進入輸出端， 所述基于納米MOS器件的低電壓低功耗放大器的負向輸入信號，通過PMOS管Mla轉(zhuǎn)換成向下的小信號電流，同時，正向輸入信號通過PMOS管M2b轉(zhuǎn)換成向上的小信號電流，所述向上的小信號電流通過M3b和M3c組成的第一電流鏡進行第一次放大，該放大信號與PMOS管Mla形成的向下的小信號電流反向疊加，相加成的小信號電流通過由NMOS管M3a和M5組成的電流鏡，并且由此電流鏡進行第二次放大， 從NMOS管M5出來的向下的小信號電流，通過由PMOS管M7和M8組成的輸出負載電流鏡復制，在輸出端與另一端方向向上的小信號電流疊加。輸出端電流減小，電壓升高，實現(xiàn)放大功能。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述基于納米MOS器件的低電壓低功耗放大器，其特征在于， 所述PMOS管Mla，Mlb, M2a, M2a尺寸大小一致； 所述NMOS管M3a，M3b尺寸大小之和等于M3c ； 所述NMOS管M4a, M4b尺寸大小之和等于M4c ； 所述NMOS管M3a，M3b尺寸大小相等； 所述NMOS管M4a，M4b尺寸大小相等。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述基于納米MOS器件的低電壓低功耗放大器，其特征在于， 所述由NMOS管M3b，M3c組成的電流鏡與輸入級的M2b管連接； 所述由NMOS管M4b，M4c組成的電流鏡與輸入級的Mlb管連接； 所述由NMOS管M5，M3a組成的電流鏡與輸入級的Mla管連接； 所述由NMOS管M6，M4a組成的電流鏡與輸入級的M2a管連接。
【文檔編號】H03F1/02GK103684282SQ201310719175
【公開日】2014年3月26日 申請日期:2013年12月24日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月24日
【發(fā)明者】方華軍, 凌童, 趙曉, 許軍, 王敬 申請人:清華大學