電流復(fù)用型前饋補(bǔ)償全差分運(yùn)算放大器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種電流復(fù)用型前饋補(bǔ)償全差分運(yùn)算放大器，屬于全差分運(yùn)算放大器【技術(shù)領(lǐng)域】，它包括第一增益級(jí)、第二增益級(jí)、前饋級(jí)和共模反饋電路，其中前饋級(jí)與第二增益級(jí)互為負(fù)載且電流復(fù)用，本發(fā)明能夠顯著地降低整個(gè)運(yùn)放的功耗，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了高的低頻開環(huán)增益，并極大地?cái)U(kuò)展運(yùn)放的帶寬，可以廣泛應(yīng)用于無線射頻芯片模擬前端的跨阻放大器、可編程增益放大器或?yàn)V波器中，具有良好的應(yīng)用前景。
【專利說明】電流復(fù)用型前饋補(bǔ)償全差分運(yùn)算放大器

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ] 本發(fā)明涉及全差分運(yùn)算放大器【技術(shù)領(lǐng)域】。

【背景技術(shù)】
[0002]在無線射頻芯片的模擬前端中，為了高精度地處理大帶寬信號(hào)，跨阻放大器(TIA)、可編程增益放大器(PGA)與濾波器需要有較高增益和大增益帶寬積(GBW)的全差分運(yùn)算放大器(簡(jiǎn)稱全差分運(yùn)放)。
[0003]傳統(tǒng)的兩級(jí)全差分運(yùn)放由于采用電容的米勒補(bǔ)償直接制約了帶寬的提高，使得跨阻放大器、可編程增益放大器與濾波器的帶寬有限?；谇梆佈a(bǔ)償?shù)娜罘诌\(yùn)放包括第一增益級(jí)、第二增益級(jí)、前饋級(jí)和共模反饋電路四部分，其通過在兩個(gè)增益級(jí)之間引入前饋級(jí)，從而在前饋路徑中產(chǎn)生一個(gè)零點(diǎn)，該零點(diǎn)即可近似地補(bǔ)償次極點(diǎn)。由于不使用米勒電容，該結(jié)構(gòu)極大地?cái)U(kuò)展了運(yùn)放的帶寬，但是，由于第二增益級(jí)和前饋級(jí)獨(dú)立存在，該結(jié)構(gòu)消耗的電流相對(duì)比較大，這就增加了整體電路的功耗。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是提供了一種電流復(fù)用型前饋補(bǔ)償全差分運(yùn)算放大器，它使第二增益級(jí)和前饋級(jí)互為負(fù)載從而實(shí)現(xiàn)了電流復(fù)用，避免了第二增益級(jí)和前饋級(jí)獨(dú)立存在時(shí)消耗電流較大的弊端，顯著地降低了整體電路的功耗。
[0005]為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明所采取的技術(shù)方案是:一種電流復(fù)用型前饋補(bǔ)償全差分運(yùn)算放大器，它包括第一增益級(jí)、第二增益級(jí)、前饋級(jí)和共模反饋電路，其中前饋級(jí)與第二增益級(jí)具有互為負(fù)載且電流復(fù)用的連接結(jié)構(gòu)。
[0006]作為優(yōu)選，第一增益級(jí)為局部共模反饋的全差分放大器。
[0007]作為優(yōu)選，共模反饋電路是基于電壓比較器的共模檢測(cè)電路。
[0008]采用上述技術(shù)方案所產(chǎn)生的有益效果在于:本發(fā)明中第二級(jí)與前饋級(jí)互為負(fù)載，實(shí)現(xiàn)了電流的復(fù)用，顯著地降低了整個(gè)運(yùn)放的功耗，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了高的低頻開環(huán)增益，并極大地?cái)U(kuò)展了運(yùn)放的帶寬，可以廣泛應(yīng)用于無線射頻芯片模擬前端的跨阻放大器、可編程增益放大器或?yàn)V波器中，具有良好的應(yīng)用前景。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0009]圖1是本發(fā)明的電路結(jié)構(gòu)示意圖。

【具體實(shí)施方式】
[0010]下面結(jié)合附圖和【具體實(shí)施方式】對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的說明。
[0011]如圖1所示，一種電流復(fù)用型前饋補(bǔ)償全差分運(yùn)算放大器，其包括第一增益級(jí)、第二增益級(jí)、前饋級(jí)和共模反饋電路，其中前饋級(jí)與第二增益級(jí)互為負(fù)載且電流復(fù)用，第一增益級(jí)為局部共模反饋的全差分放大器，共模反饋電路是基于電壓比較器的共模檢測(cè)電路。
[0012]整個(gè)運(yùn)放的外部端口有同相輸入端VIP、反相輸入端VIN、同相輸出端V0P、反相輸出端V0N、共模電壓參考端CMREF，以及偏置電壓端Vbias/Vbiasl。
[0013]第一增益級(jí)由NMOS (N型金屬-氧化物-半導(dǎo)體)管M1、M2、M3、M4、M17及PMOS(P型金屬-氧化物-半導(dǎo)體)管M5、M6和電阻Rl、R2組成，其中Rl、R2為第一級(jí)的局部共模反饋電阻，且阻值相等。
[0014]NMOS管M1、M2的柵端分別與運(yùn)放的反相輸入端VIN、同相輸入端VIP相連接；NM0S管M1、M2的源端都連接到NMOS管M17的漏端；NM0S管M1、M2的漏端分別與NMOS管M3、M4的源端相連接；NM0S管M3、M4的漏端分別與第一級(jí)的輸出端0UT2、OUTl相連接；NM0S管M3、M4的柵端均與偏置電壓端Vbiasl相連接；PM0S管M5、M6的漏端分別與第一級(jí)的輸出端0UT2、0UT1相連接；PM0S管M5、M6的源端均與電源端VDD相連接；PM0S管M5、M6的柵端連接于Rl、R2的正端；R1、R2的負(fù)端分別與第一級(jí)的輸出端0UT2、OUTl相連接；NM0S管M17的柵、源端分別與偏置電壓端Vbiasdi GND相連接。
[0015]第二增益級(jí)由PMOS管M9、MlO、M21構(gòu)成。
[0016]PMOS管M9、MlO的漏端分別與運(yùn)放的反相輸出端V0N、同相輸出端VOP相連接；PMOS管M9、MlO的柵端分別與第一級(jí)的的輸出端0UT2、OUTl相連接；PM0S管M9、MlO的源端均接于PMOS管M21的漏端；PM0S管M21的柵、源端分別與共模反饋CMFB端、電源VDD相連接。
[0017]前饋級(jí)由NMOS管M7、M8、M18構(gòu)成。
[0018]NMOS管M7、M8的柵端分別與運(yùn)放的同相輸入端VIP、反相輸入端VIN相連接；NM0S管M7、M8的漏端分別與運(yùn)放的反相輸出端V0N、同相輸出端VOP相連接；NMOS管M7、M8的源端均接于匪OS管M18的漏端；NM0S管M18的柵、源端分別與偏置電壓端Vbiasdi GND相連接。
[0019]共模反饋電路由NMOS 管 M11、M12、M13、M14、M19、M20 及 PMOS 管 M15、M16 構(gòu)成，通過運(yùn)放的輸出與共模參考CMREF相比較產(chǎn)生反饋電壓CMFB控制PMOS管M21來使輸出VOP、VON的共模穩(wěn)定在CMREF附近。
[0020]NMOS管M11、M12的柵端分別與運(yùn)放的反相輸出端V0N、共模參考CMREF端相連接；NMOS管M11、M12的漏端分別與PMOS管M15的漏端、共模反饋CMFB端相連接；NMOS管Mil、M12的源端均接于NMOS管M19漏端；NM0S管M13、M14的柵端分別與共模參考CMREF端、運(yùn)放的同相輸出端VOP相連接；NM0S管M13、M14的漏端分別與共模反饋CMFB端、PMOS管M15的漏端相連接；NM0S管M13、M14的源端均接于NMOS管M20的漏端；NM0S管M19、M20的柵、源端分別與偏置電壓端Vbias、地GND相連接；PM0S管M15的柵、源端分別與其漏端、電源VDD相連接；PM0S管M16的柵、源及漏端分別與PMOS管M15的柵端、電源VDD、共模反饋CMFB端相連接。
[0021]在此全差分運(yùn)算放大器中，考慮到寄生電容在高頻響應(yīng)中的影響限制了帶寬的增力口，運(yùn)放中各個(gè)管子尺寸不能太大以減小寄生電容。具體應(yīng)用如下:
第一級(jí)的增益Al=gml.(gm


3ro3rol 丨丨-^o5
// Rl)，
第二級(jí)的增益 A2=gm9.(ro9 Il ro7),
前饋級(jí)的增益A3=gm7.(ro7 Il ro9),
總的增益 Α=Α1.Α2+Α3， 其中g(shù)ml、gm3、gm7、gmi3為相應(yīng)MOS (金屬-氧化物-半導(dǎo)體)管的跨導(dǎo)，為相應(yīng)MOS管的輸出電阻。
[0022]第一級(jí)的極點(diǎn)Pl= -1 / Cl.(gm3ro3roi // ro5 // Rl),
第二級(jí)的極點(diǎn) p2= -1 / C2.(ro9 // ro7),
由前饋級(jí)引入的左半平面零點(diǎn)的理論值為z=pl.(1+A1.Α2 / A3)，
其中Cl為第一級(jí)輸出結(jié)點(diǎn)0UT1/0UT2到地的電容總和；C2為第二級(jí)輸出結(jié)點(diǎn)V0P/V0N到地的電容總和(包含負(fù)載電容在內(nèi))。
[0023]調(diào)整前饋級(jí)的電路參數(shù)令z=p2，從而抵消掉次極點(diǎn)的影響，擴(kuò)展了運(yùn)放的帶寬。
[0024]為避免共模振蕩，本發(fā)明的實(shí)際設(shè)計(jì)中還應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況做共模環(huán)路的補(bǔ)償。
[0025]基于本發(fā)明的電路結(jié)構(gòu)，應(yīng)用TSMC0.18um RF CMOS工藝所設(shè)計(jì)的全差分運(yùn)放經(jīng)過版圖的交流后仿真顯示在電源1.8V、電流1.3mA、溫度為27°C、TT工藝角、負(fù)載電容2pF時(shí)的開環(huán)低頻增益為60dB，3dB帶寬在9MHz以上，增益帶寬積(GBW)在9G以上，開環(huán)相位裕度為15° (全差分運(yùn)放的開環(huán)相位裕度一般不會(huì)影響閉環(huán)應(yīng)用中差模環(huán)路的相位裕度的調(diào)整)，而基于現(xiàn)有的第二增益級(jí)和前饋級(jí)獨(dú)立存在的前饋補(bǔ)償全差分運(yùn)放要達(dá)到類似的結(jié)果，需要電流2mA左右，可見本發(fā)明確實(shí)降低了電路的整體功耗。
[0026]總之，本發(fā)明中第二增益級(jí)與前饋級(jí)互為負(fù)載，實(shí)現(xiàn)了電流的復(fù)用，同時(shí)達(dá)到了大的帶寬和相對(duì)較低的功耗，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，它可以廣泛應(yīng)用于處理寬帶信號(hào)的無線射頻芯片模擬前端的跨阻放大器、可編程增益放大器或?yàn)V波器中，從而降低整個(gè)芯片的功耗，具有良好的應(yīng)用前景。
[0027]對(duì)于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說，可以根據(jù)以上描述的技術(shù)方案以及構(gòu)思，做出其他各種相應(yīng)的改變及變形，而所有的這些改變以及變形都在本專利權(quán)利要求的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種電流復(fù)用型前饋補(bǔ)償全差分運(yùn)算放大器，其包括第一增益級(jí)、第二增益級(jí)、前饋級(jí)和共模反饋電路，其特征在于:前饋級(jí)與第二增益級(jí)具有互為負(fù)載且電流復(fù)用的連接結(jié)構(gòu)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電流復(fù)用型前饋補(bǔ)償全差分運(yùn)算放大器，其特征在于所述第一增益級(jí)為局部共模反饋的全差分放大器。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電流復(fù)用型前饋補(bǔ)償全差分運(yùn)算放大器，其特征在于所述共模反饋電路是基于電壓比較器的共模檢測(cè)電路。
【文檔編號(hào)】H03F3/45GK104283519SQ201410573839
【公開日】2015年1月14日 申請(qǐng)日期:2014年10月24日 優(yōu)先權(quán)日:2014年10月24日
【發(fā)明者】王帥, 葉向陽, 高博, 曲韓賓, 吳蘭 申請(qǐng)人:中國電子科技集團(tuán)公司第十三研究所