CN101860334B

CN101860334B - 一种分隔直流交流通路的循环电流跨导运算放大器

Info

Publication number: CN101860334B
Application number: CN201010202321A
Authority: CN
Inventors: 李一雷; 韩科锋; 谈熙; 闫娜; 闵昊
Original assignee: Fudan University
Current assignee: Fudan University
Priority date: 2010-06-17
Filing date: 2010-06-17
Publication date: 2012-10-17
Anticipated expiration: 2030-06-17
Also published as: CN101860334A

Abstract

本发明属于集成电路设计技术领域，具体为一种分隔直流交流通路的循环电流跨导运算放大器。该跨导运算放大器包括输入对管、交叉耦合电流镜、直流通路以及直流电流源；通过交叉耦合电流镜放大循环电流，并用直流通路分隔循环电流的直流信号和交流信号通路。本发明通过交叉耦合的方法使两路差分信号产生的小信号电流能够以正确的相位相加，并且通过引入额外的直流通路，消除了直流电流对于交叉耦合电流镜尺寸的限制，使电流镜能将循环电流放大由设计者设定的任意倍数。本发明在功耗不变的情况下，提高了跨导运算放大器的跨导，因而在负载不变的情况下，提高了单位增益带宽、增益和压摆率。

Description

一种分隔直流交流通路的循环电流跨导运算放大器

技术领域

本发明属于集成电路设计技术领域。具体涉及一种模拟电路技术中的运算放大器。

背景技术

在模拟电路中，运算放大器是一种最基本的模块。运算放大器具有高增益、高带宽等特点，通过在运算放大器环路中加入反馈可以构成滤波器、模拟加法器、单位增益缓冲器等不同的重要电路。

在实际应用中，运算放大器根据信号和输出信号的类型可以分为电流运算放大器、电压运算放大器、跨导运算放大器和跨阻运算放大器四种。近年来，随着手持设备的广泛应用，运算放大器的能效比越来越受到重视。如何在功耗不变的情况下提高跨导运算放大器的增益、单位增益带宽和压摆率，提高运算放大器的能效比，以便应用于对于功耗要求较高的场合，是目前业内关注的重要课题。

发明内容

本发明的目的在于提出一种可提高增益、单位增益带宽和压摆率的跨导运算放大器。

本发明提出跨导运算放大器，是通过分隔交叉耦合回路中的直流和交流通路来提高跨导运算放大器的小信号跨导和大信号跨导，从而提高它的增益、单位增益带宽和压摆率。

图1给出了本发明的基本电路结构。它包括输入对管1、交叉耦合电流镜2、直流通路3以及直流电流源4。直流电流源为整个电路提供直流电流，它的输出连接到输入对管1。输入对管1包括晶体管M1a和M2a、M1b和M2b，其中由晶体管对M1b和M2b以交叉耦合的形式连接到交叉耦合电流镜2和直流通路3上。本发明的核心在于交叉耦合电流镜2与直流通路3部分。该直流通路3对于交流信号呈高阻态，由此直流信号与交流信号被分隔开。因此，交叉耦合电流镜2的尺寸比例不会受到直流电流的限制，即输入对管1中的晶体管对M1b和M2b可以有较大的直流电流及跨导，但流过它们的直流电流并不全部流过交叉耦合电流镜2，而是被直流通路3分流了一部分电流，从而交叉耦合电流镜2的比例系数可以是任意设定的一个值；因此，流过输入对管(1)中晶体管M1b和M2b管的交流电流(即循环电流)可以被交叉耦合电流镜2充分地放大。随着输入对管1中晶体管M1b和M2b管跨导的上升以及交叉耦合电流镜2的比例系数的变大，跨导运算放大器的跨导也变大，因此跨导运算放大器的增益和单位增益带宽也相应变大。对于大信号，由于交叉耦合电流镜2的电流放大作用仍然有效，所以压摆率也得到了提高。

对于图1中的直流通路3，可以有不同的实现方式。例如，它的偏置可以外接，也可以连接到一侧交叉耦合电流镜的栅端(即自偏置)。为了提高输出阻抗，可以采取共源共栅的形式，而用于低电压时，也可以取消共源共栅管。图2给出了一个用NMOS作为直流通路的例子，其中(a)使用了共源共栅管，(b)则没有使用。

另外，图1中的输入对管1采用的是PMOS对管输入，而在输入共模电平不同时，也可以使用NMOS对管作为输入管。图3给出了一个采用NMOS做输入对管1、直流通路3采用非共源共栅结构且偏置方式为自偏置的例子。

最后需指出的是，本发明并不局限与CMOS工艺，在双极型工艺或BiCMOS工艺中也可以应用，只需将MOSFET换成相应的三极管即可。

附图说明

图1是分隔直流交流通路的循环电流跨导运算放大器的示意图。

图2是两种可能的直流通路实现方式示意图。

图3是采用NMOS做输入管、直流通路采用非共源共栅结构且偏置方式为自偏置的循环流跨导运算放大器例子。

图4是本发明的具体实施方式的一个例子。

图中标号：1为输入对管，2为交叉耦合电流镜，3为直流通路，4为直流电流源，5为共源共栅管。

具体实施方式

下面通过一个具体实例进一步详细描述本发明。

图4给出了基于本发明而设计的折叠-共源共栅运算跨导放大器的完整电路图。输入对管1分成晶体管M1a、M1b、M2a和M2b四个部分，其中晶体管M1a和M1b的尺寸比例与晶体管M2a和M2b管的比例都为p∶(1-p)，0＜p＜1。交叉耦合电流镜2中包括晶体管M3a、M3b和晶体管M4a、M4b；直流通路3包括晶体管M3c、M4c；晶体管M3a、M3b与M3c管子的尺寸比例与晶体管M4a、M4b与M4c管子的尺寸比例都等于(1+p)∶α(1-p)∶β(1-p)，0＜α，β＜1且α+β＝1。这样，交叉耦合电流镜2的尺寸比例即为(1+p)∶α(1-p)。当输入差分交流信号时，由于直流通路3对于交流信号为高阻抗，故输入对管1中晶体管M1b和M2b产生的小信号电流(即循环电流)全部流入交叉耦合电流镜2，经过交叉耦合电流镜2放大(1+p)/[α(1-p)]倍后与输入对管1中M1a和M2a管产生的小信号电流叠加，并通过共源共栅管5将两路差分小信号转为单端信号输出。相对于普通的共源共栅跨导运算放大器，本发明在功耗不变的情况下将跨导提高了[p+(1+p)/α]倍，因此在相同负载情况下单位增益带宽也为原来的[p+(1+p)/α]倍，同时增益也有所上升。对于大信号，假设在Vp端输入的电压信号跳变至VDD，而Vn端的输入信号跳变至GND，则输入对管(1)中M1a和M1b都关断，M1b关断则又使得交叉耦合电流镜2中的M4b没有电流流过，因此交叉耦合电流镜2中的M4a也没有电流流过。所以，输出端的电流全部由输入对管1中M2b产生的电流经过交叉耦合电流2放大后产生。对于Vp端输入的电压信号跳变至GND，而Vn端的输入信号跳变至VDD的情况也可以做类似推导，结果亦相同。相比普通折叠共源共栅跨导运算放大器，本发明将放大器的压摆率提高了(1+p)/[α(1-p)]倍。

最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims

1.一种分隔直流交流通路的循环电流跨导运算放大器，其特征在于包括输入对管(1)、交叉耦合电流镜(2)、直流通路(3)以及直流电流源(4)；其中，直流电流源(4)为整个电路提供直流电流，连接到输入对管(1)；输入对管(1)包括晶体管M1a和M2a、M1b和M2b，其中晶体管M1b和M2b以交叉耦合的形式连接到交叉耦合电流镜(2)和直流通路(3)上；晶体管M1a和M2a分别连接到交叉耦合电流镜(2)上；其中晶体管M1a和M1b的尺寸比例，以及晶体管M2a和M2b管的比例都为p∶(1-p)，0＜p＜1；通过交叉耦合电流镜(2)放大循环电流，并用直流通路(3)分隔循环电流的直流信号和交流信号通路，实现跨导放大器单位增益带宽、增益和压摆率的提高。

2.根据权利要求1所述的跨导运算放大器，其特征在于输入对管(1)采用NMOS对管，或者PMOS对管，或者三极管。