CN102006022B - 基于cmos工艺的低压运算放大器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于CMOS工艺的低压运算放大器。它含有：三个偏置电流设置PMOS管、一个PMOS差分输入对、两个由NMOS管组成的电流镜、一个由PMOS管组成的电流镜和两个工作在亚阈值区的电平移位PMOS管。本发明的低压运算放大器结构新颖、电路简单，消除了NMOS器件的阈值电压必须大于寄生PNP管的发射极基极电压V_EB(on)的限制，可采用任意阈值的标准CMOS工艺实现。本发明电路工作电压低于1V，所需静态电流小，且基本不随温度变化。本发明可以广泛地应用于工作电压在1V以下的模拟集成电路领域，尤其是Sub-1-V CMOS带隙基准源电路中。

Description

基于CMOS工艺的低压运算放大器

技术领域

本发明涉及一种低压运算放大器，特别涉及一种基于CMOS工艺的低压运算放大器。它的直接应用领域是低压模拟集成电路，特别是Sub-1V的CMOS带隙基准源电路。

背景技术

低压低功耗是模拟集成电路设计的两个重要发展趋势，越来越多的集成电路系统将在1V以下单电源电压下工作。Sub-1V CMOS带隙基准是电源电压低于1V的模拟集成电路的核心单元之一，而工作电压低于1V的低压运算放大器则直接决定了Sub-1V CMOS带隙基准的性能。

用于sub-1V带隙基准的常规低压运算放大器通常要么需要使用特殊工艺，要么对工艺的参数有一定要求。图1是一种采用直流电平移位电流镜技术的低压运算放大器电路图。(参见文献1：K.N.Leung and P.K.T.Mok，“A sub-1-V15-ppm/℃CMOS bandgAP voltage referencewithout requiring low threshold voltage device，”IEEE J.Of Solid-State Ckts.，Vol.37，pp.526-530，Apr2002)。此常规低压运算放大器虽然能够在标准工艺下实现，但它有一个基本要求：NMOS的阈值电压要必须大于寄生PNP管的发射极-基极电压V_EB(on)，也就是处于饱和工作状态时的PNP管Q_PC1a和Q_PC2a的发射极和基极之间的压降，这个值在常温下通常为0.7V左右。

当NMOS晶体管的阈值电压大于一个V_EB(on)时，才能保证NMOS晶体管M_N1a和M_N2a工作在饱和区。当NMOS晶体管的阈值电压小于一个V_EB(on)的时候，M_N1a和M_N2a的漏源电压会小于它们各自的过驱动电压，从而使得M_N1a和M_N2a工作在线性区，而不是饱和区，就会导致整个运算放大器静态电流的增大。此现象在低温时尤为明显，由于在低温时通常NMOS的阈值电压随温度减小而增加的幅度要小于V_EB(on)随温度减小而增加的幅度，导致M_N1a和M_N2a的漏源电压变得更小，更进一步进入线性区，使得运算放大器的性能参数(比如说输入失调，静态电流等)变得更差，因而显著地影响带隙基准源电路的性能。

发明内容

本发明提供一种基于CMOS工艺的低压运算放大器，以克服常规低压运算放大器对于NMOS晶体管阈值电压必须大于一个V_EB(on)的限制，且可采用任意阈值电压的标准CMOS工艺实现，工作电压低于1V，所需静态电流小。

本发明解决上述技术问题所采取的技术方案在于本发明的一种基于CMOS工艺的低压运算放大器，含有一个偏置电流单元、一个PMOS差分对、第一电流镜、第二电流镜、第三电流镜以及两个电平位移管，具体为：

一个偏置电流单元，为低压运算放大器提供偏置电流，包括：

第一PMOS管M_P1、第四PMOS管M_P4和第五PMOS管M_P5，其中，M_P4，M_P1和M_P5的源极均与电源V_DD相接，M_P4，M_P1和M_P5的栅极均与偏置电压端V_BP相接，M_P4的漏极、M_P6的源极与M_N3、M_N1的栅极连接在一起，M_P1的漏极、M_P+的源极与M_P-的源极连接在一起，M_P5的漏极、M_P7的源极与M_N2的栅极、M_N4的栅极连接在一起；和

一个PMOS差分对单元，为低压运算放大器提供输入，包括：

第八PMOS管M_P+和第九PMOS管M_P-，其中，M_P+、M_P-的源极与M_P1的漏极连接在一起，M_P+的栅极接低压运算放大器的正向输入端V_in+，M_P-的栅极接低压运算放大器的的负向输入端V_in-，M_P+的漏极、M_N1的漏极与M_P6的栅极连接在一起，M_P-的漏极、M_N2的漏极与M_P7的栅极连接在一起；和

第一电流镜单元，为正向输入信号V_in+提供信号路径，包括：

第一NMOS管M_N1和第三NMOS管M_N3，其中，M_N3、M_N1的源极接地GND，M_N3、M_N1的栅极与M_P6的源极相接，M_N1的漏极与M_P+的漏极相接，M_N3的漏极与M_P2的漏极相接，同时作低压运算放大器的输出端V_o；和

第二电流镜单元，为负向输入信号V_in-提供信号路径，包括：

第二NMOS管M_N2和第四NMOS管M_N4，其中，M_N2、M_N4的源极接地GND，M_N2、M_N4的栅极与M_P7的源极相接，M_N2的漏极与M_P-的漏极相接，M_N4的漏极与M_P3的漏极相接；和

第三电流镜单元，为负向输入信号V_in-提供信号路径，包括：

第三PMOS管M_P3和第二PMOS管M_P2，其中，M_P3、M_P2的源极接电源V_DD，M_P3、M_P2的栅极与M_P3的漏极相接，M_P3的栅极、M_P3的漏极和M_N4的漏极连接在一起，M_P2的漏极与M_N3的漏极相接；和

两个电平位移管单元，用于降低M_N1、M_N2的漏-源极间的电压差，包括：

第六PMOS管M_P6和第七PMOS管M_P7，其中，M_P6的漏极接地GND，M_P6的栅极、M_P+的漏极和M_N1的漏极连接在一起，M_P6的源极、P_M4的漏极和M_N3的栅极、M_N1的栅极连接在一起，M_P7的漏极接地GND，M_P7的栅极、M_P-的漏极和M_N2的漏极连接在一起，M_P7的源极、M_P5的漏极和M_N2的栅极、M_N4的栅极连接在一起。

有益效果：

本发明的基于CMOS工艺的低压运算放大器，通过使用工作在亚阈值电压区的PMOS管来实现电平移位电路，使得：1)低压运算放大器无需使用高阈值电压的NMOS管，消除了NMOS器件的阈值电压必须大于寄生PNP管的发射极-基极电压V_EB(on)的限制，可采用任意阈值的标准CMOS工艺来实现；2)静态电流小，基本不随温度变化的。

在-55℃到125℃的全温范围内，常规低压运算放大器的静态电流的最大值一般为最小值的7倍以上，而本发明电路的静态电流值基本不随温度变化。在-55℃时，常规低压运算放大器的静态电流可达45μA左右，在相同的偏置电压条件下，本发明的运算放大器的静态电流小于2.18μA，因而本发明电路的功耗较之常规低压运算放大器减小20倍以上。

附图说明

图1是常规低压运算放大器的电路图；

图2是本发明基于CMOS工艺的低压运算放大器的电路图；

图3是常规低压运算放大器的静态电流随温度变化的曲线图；

图4是本发明基于CMOS工艺的低压运算放大器的静态电流随温度变化的曲线图。

具体实施方式

本发明的具体实施方式不仅限于下面的描述，现结合附图加以进一步说明。

本发明具体实施的基于CMOS工艺的低压运算放大器的电路图如图2所示。它的具体结构和连接关系与本说明书的发明内容部分相同，此处不再重复。它的工作原理如下：

如图2所示，通过外部提供的偏置电压V_BP，PMOS管M_P4、M_P1、M_P5为本发明的运算放大器提供适当的偏置电流。根据V_in+和V_in-值的不同，运算放大器分别处于正向放大状态和反向放大状态。

当V_in+值大于V_in-值时，运算放大器处于正向放大状态。此时，流经M_N2的电流要大于流经M_N1的电流。由于M_N3和M_N1构成第一电流镜，流经M_N1的电流通过镜像后流经M_N3；同样，M_N2和M_N4构成第二电流镜，M_P3和M_P2也构成第三电流镜，而流经M_N2的电流通过第二、第三电流镜，镜像后流经M_P2。由于流经M_N2的电流要大于流经M_N1的电流，通过电流镜镜像之后，流经M_P2的电流同样会大于流经M_N3的电流，此时流经M_P2的电流和流经M_N3的电流产生冲突，V_o电压被拉高，从而维持电路处于正常工作状态，运算放大器处于正向放大状态。

当V_in+值小于V_in-值时，运算放大器处于反向放大状态。此时，流经M_N2的电流要小于流经M_N1的电流。由于M_N3和M_N1构成第一电流镜，流经M_N1的电流通过镜像后流经M_N3。同样，同样，M_N2和M_N4构成第二电流镜，M_P3和M_P2也构成第三电流镜，流经M_N2的电流通过第二、第三电流镜，镜像后流经M_P2。由于流经M_N2的电流要小于流经M_N1的电流，通过电流镜镜像之后，流经M_P2的电流同样会小于流经M_N3的电流，此时流经M_P2的电流和流经M_N3的电流产生冲突，V_o电压被拉低，从而维持电路处于正常工作状态，运算放大器处于反向放大状态。

通过对M_P6、M_P7的宽长比和M_P4和M_P5偏置电流的设计，确保M_P6、M_P7工作在亚阈值状态，根据亚阈值状态的特征，此时M_P6、M_P7的栅源电压要小于NMOS管M_N1和M_N2的阈值电压，从而使得M_N1、M_N2的漏源电压大于它们相应的过驱动电压，确保M_N1、M_N2始终工作在饱和区。此时电路的最低工作电压约为V_GS加上一个过驱动电压，因此可做到1V以下。

通过Cadence软件仿真，在相同的偏置电压条件下，分别得到常规低压运算放大器和本发明电路的静态电流随温度变化的情况。

图3是常规低压运算放大器的静态电流随温度变化的曲线图。在-55℃时，常规低压运算放大器的静态电流约为45μA；在125℃时，此电路的静态电流约为6μA。在-55℃到125℃的整个温度范围内，常规运算放大器的静态电流的最大值为最小值的七倍以上。

图4是本发明电路的静态电流随温度变化的曲线图。在-55℃时，本发明电路的静态电流约为2.177μA；在125℃时，本发明电路的静态电流约为2.161μA。在同等条件下，与常规低压运算放大器相比，本发明的低压运算放大器不但所需静态电流更小，而且基本不随温度变化。

本发明的低压运算放大器采用TSMC0.18μm工艺实现。

本发明电路中的PMOS、NMOS管的基本参数为：

NMOS管的阈值电压V_T：0.461V～0.543V；

PMOS管的阈值电压V_T：0.413V～0.463V；

NMOS管、PMOS管的栅氧厚度：3.947nm～4.213nm；

M_P1、M_P4，M_P5的栅的宽长比：4μm/1μm；

M_P2、M_P3的栅的宽长比：2μm/1μm；

M_N1、M_N2、M_N3、M_N4的栅的宽长比：1μm/1μm；

M_P6、M_P7的栅的宽长比：4μm/0.18μm；

M_P+、M_P-的栅的宽长比：20μm/5μm。

Claims (1)

1.一种基于CMOS工艺的低压运算放大器，其特征在于，它含有一个偏置电流单元、一个PMOS差分对单元、第一电流镜单元、第二电流镜单元、第三电流镜单元以及两个电平位移管单元，具体为：

一个偏置电流单元，为低压运算放大器提供偏置电流，包括：

第一PMOS管M_P1、第四PMOS管M_P4和第五PMOS管M_P5，其中，M_P4，M_P1和M_P5的源极均与电源V_DD相接，M_P4，M_P1和M_P5的栅极均与偏置电压端V_BP相接，M_P4的漏极、M_P6的源极与M_N3、M_N1的栅极连接在一起，M_P1的漏极、M_P+的源极与M_P-的源极连接在一起，M_P5的漏极、M_P7的源极与M_N2的栅极、M_N4的栅极连接在一起；和

一个PMOS差分对单元，为低压运算放大器提供输入，包括：

第八PMOS管M_P+和第九PMOS管M_P-，其中，M_P+、M_P-的源极与M_P1的漏极连接在一起，M_P+的栅极接低压运算放大器的正向输入端V_in+，M_P-的栅极接低压运算放大器的的负向输入端V_in-，M_P+的漏极、M_N1的漏极与M_P6的栅极连接在一起，M_P-的漏极、M_N2的漏极与M_P7的栅极连接在一起；和

第一电流镜单元，为正向输入信号V_in+提供信号路径，包括：

第一NMOS管M_N1和第三NMOS管M_N3，其中，M_N3、M_N1的源极接地GND，M_N3、M_N1的栅极与M_P6的源极相接，M_N1的漏极与M_P+的漏极相接，M_N3的漏极与M_P2的漏极相接，同时作低压运算放大器的输出端V_o；和

第二电流镜单元，为负向输入信号V_in-提供信号路径，包括：

第二NMOS管M_N2和第四NMOS管M_N4，其中，M_N2、M_N4的源极接地GND，M_N2、M_N4的栅极与M_P7的源极相接，M_N2的漏极与M_P-的漏极相接，M_N4的漏极与M_P3的漏极相接；和

第三电流镜单元，为负向输入信号V_in-提供信号路径，包括：

第三PMOS管M_P3和第二PMOS管M_P2，其中，M_P3、M_P2的源极接电源V_DD，M_P3、M_P2的栅极与M_P3的漏极相接，M_P3的栅极、M_P3的漏极和M_N4的漏极连接在一起，M_P2的漏极与M_N3的漏极相接；和

两个电平位移管单元，用于降低M_N1、M_N2的漏-源极间的电压差，包括：

第六PMOS管M_P6和第七PMOS管M_P7，其中，M_P6的漏极接地GND，M_P6的栅极、M_P+的漏极和M_N1的漏极连接在一起，M_P6的源极、P_M4的漏极和M_N3的栅极、M_N1的栅极连接在一起，M_P7的漏极接地GND，M_P7的栅极、M_P-的漏极和M_N2的漏极连接在一起，M_P7的源极、M_P5的漏极和M_N2的栅极、M_N4的栅极连接在一起。

Images