CN102158180B - 一种低功耗开关型运算放大器 - Google Patents

一种低功耗开关型运算放大器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种低功耗开关型运算放大器，包括开关型运算放大电路、用于向开关型运算放大电路提供共模电压反馈信号的共模反馈电路和用于向开关型运算放大电路与共模反馈电路提供偏置电压信号的偏置电路。本发明的开关型运算放大器为一级电流镜的形式，输入级负载采用内部正反馈结构提高增益，输出级为宽摆幅AB类，并且在不需要放大器工作的时候，使用两个开关管将包括放大电路，偏置电路和共模反馈电路全部关闭，显著降低了功耗，能够被广泛应用于模数转化器，滤波器等领域。

Description

一种低功耗开关型运算放大器
技术领域
本发明属于微电子技术领域，具体涉及一种低功耗开关型运算放大器。
背景技术
现代集成电路与SOC(系统级芯片)技术的发展推动了便携式电子设备的普及和应用。而模数转换器(ADC，Analog-to-Digital Converter)是便携式设备的电子系统中不可或缺的关键功能部件之一。开关电容电路由于可以非常精确地实现各种比例系数，且对工艺，环境温度变化等各种影响不敏感，而广泛应用于模数转换器中。
运算放大器是开关电容电路的核心单元，如何降低放大器的功耗是降低系统功耗的关键。开关型运算放大器就是可以开关的运算放大器，1994年第一次被提出来主要用来设计低压电路。而如果电路系统是由半周期延迟积分器组成，那么有半个周期运算放大器是不需要工作的，可以使其关闭节省功耗。图1所示为最早的开关型运算放大器，这种结构很简单，直接旁路掉偏置电流，使系统完全关闭，但是电路启动速度不快。
后面经过发展，开关型运算放大器多为图2类似结构的两级运算放大器，因为第二级电流比较大，权衡功耗和开启速度，只关闭第二级，保留输入级电流，方便电路启动，关闭输出同时保存补偿电容上的电荷。但是，两级运算放大器本身不是效率很高的结构，特别当负载电容比较大的时候，需要把次级点推到远离原点，这将消耗很大的电流。而传统的一级运算放大器，如套筒型结构和折叠共源共栅结构，并不适合用于低压设计，而且开关速度很慢。
发明内容
本发明提供了一种低功耗开关型运算放大器，通过采用单级电流镜结构，解决了上述传统开关型运算放大器存在的缺陷，实现了在主运放非工作状态下关闭所有电路，降低放大器整体功耗。
一种低功耗开关型运算放大器，包括开关型运算放大电路、用于向开关型运算放大电路提供共模电压反馈信号的共模反馈电路和用于向开关型运算放大电路与共模反馈电路提供偏置电压信号的偏置电路。
所述的开关型运算放大电路包括2个开关管和17个MOS管。其中，第一MOS管的栅极为所述的开关型运算放大器的正输入端，第一MOS管的源极与第二MOS管的源极和第三MOS管的漏极相连，第一MOS管的漏极与第十七MOS管的栅极、第五MOS管的栅极、第六MOS管的栅极、第八MOS管的栅极、第六MOS管的漏极和第四MOS管的漏极相连，第二MOS管的栅极为所述的开关型运算放大器的负输入端，第二MOS管的漏极与第十六MOS管的栅极、第四MOS管的栅极、第七MOS管的栅极、第九MOS管的栅极、第七MOS管的漏极和第五MOS管的漏极相连，第三MOS管的栅极接收所述的偏置电路提供的偏置电压信号，第三MOS管的源极与第十一MOS管的源极、第十三MOS管的源极、第十MOS管的源极、第十二MOS管的源极和第二开关管的漏极相连，第二开关管的栅极接收外部设备提供的时钟信号，第二开关管的源极接地，第十一MOS管的栅极与第十三MOS管的栅极、第十一MOS管的漏极和第十七MOS管的漏极相连，第十三MOS管的漏极与第十五MOS管的漏极和第九MOS管的漏极相连并构成所述的开关型运算放大器的负输出端，第十五MOS管的栅极与第十四MOS管的栅极相连并接收所述的共模反馈电路提供的共模电压反馈信号，第十五MOS管的源极与第九MOS管的源极、第十七MOS管的源极、第七MOS管的源极、第五MOS管的源极、第四MOS管的源极、第六MOS管的源极、第十六MOS管的源极、第八MOS管的源极、第十四MOS管的源极和第一开关管的漏极相连，第一开关管的栅极接收外部设备提供的反相时钟信号，第一开关管的源极接收外部设备提供的电源电压，第十MOS管的栅极与第十二MOS管的栅极、第十MOS管的漏极和第十六MOS管的漏极相连，第十二MOS管的漏极与第十四MOS管的漏极和第八MOS管的漏极相连并构成所述的开关型运算放大器的正输出端。
所述的偏置电路包括3个偏置MOS管。其中，第一偏置MOS管的源极与所述的第二开关管的漏极相连，第一偏置MOS管的栅极与第二偏置MOS管的漏极、第一偏置MOS管的漏极和所述的第三MOS管的栅极相连并为所述的开关型运算放大电路和所述的共模反馈电路提供偏置电压信号，第二偏置MOS管的源极与第三偏置MOS管的源极和所述的第一开关管的漏极相连，第二偏置MOS管的栅极与第三偏置MOS管的栅极和第三偏置MOS管的漏极相连并接收外部设备提供的参考电流。
所述的共模反馈电路包括5个反馈MOS管、3个开关管和2个电容。其中，第三反馈MOS管的源极与第四反馈MOS管的源极和所述的第一开关管的漏极相连，第三反馈MOS管的栅极与第四反馈MOS管的栅极、第三反馈MOS管的漏极和第一反馈MOS管的漏极相连，第四反馈MOS管的漏极与第二反馈MOS管的漏极和所述的第十四MOS管的栅极相连并为所述的开关型运算放大电路提供共模电压反馈信号，第二反馈MOS管的栅极接收外部设备提供的参考电压，第二反馈MOS管的源极与第一反馈MOS管的源极和第五反馈MOS管的漏极相连，第五反馈MOS管的栅极与所述的第三MOS管的栅极相连并接收所述的偏置电路提供的偏置电压信号，第五反馈MOS管的源极与所述的第二开关管的漏极相连，第一反馈MOS管的栅极与第一电容的一端、第二电容的一端和第五开关管的漏极相连，第五开关管的栅极接收外部设备提供的反相时钟信号，第五开关管的源极接收外部设备提供的参考电压，第二电容的另端与第四开关管的源极和所述的第十五MOS管的漏极相连，第四开关管的栅极接收外部设备提供的反相时钟信号，第四开关管的漏极接收外部设备提供的直流电压，第一电容的另端与第三开关管的源极和所述的第十四MOS管的漏极相连，第三开关管的栅极接收外部设备提供的反相时钟信号，第三开关管的漏极接收外部设备提供的直流电压。
优选的技术方案中，所述的第一开关管为PMOS管，所述的第二开关管为NMOS管。
优选的技术方案中，所述的开关型运算放大电路中，第一MOS管、第二MOS管、第三MOS管、第十MOS管、第十一MOS管、第十二MOS管和第十三MOS管为NMOS管，其余的MOS管都为PMOS管。
优选的技术方案中，所述的第一偏置MOS管为NMOS管，所述的第二偏置MOS管和所述的第三偏置MOS管为PMOS管。
优选的技术方案中，所述的第一反馈MOS管、所述的第二反馈MOS管和所述的第五反馈MOS管为NMOS管，所述的第三反馈MOS管和所述的第四反馈MOS管为PMOS管。
优选的技术方案中，所述的第三开关管和所述的第四开关管的漏极接收的直流电压为所述的第一开关管的源极接收的电源电压的一半。
本发明的工作原理为：开关型运算放大器的一个工作周期包括两个时钟相位：工作相位(即时钟信号为高电平时)和关闭相位(即时钟信号为低电平时)。当处于关闭相位时，第一开关管和第二开关管关断，整个放大器处于关闭状态，无静态功耗，放大器的正输出端和负输出端通过第三开关管和第四开关管连通到直流电压，同时第五开关管导通，第一电容和第二电容上信号被清零，参考电流一直充电使第二偏置MOS管和第三偏置MOS管进入截至区，无电流流过第一偏置MOS管，第二偏置MOS管的栅极电荷保持；当处于工作相位时，时钟信号为高电平，第一开关管和第二开关管开启，电源到地通路连通，整个放大器开始工作，第二偏置MOS管的栅极保持的电荷为开关型运算放大电路和共模反馈电路提供快速的开启电压，同时不会产生很大的电流尖峰，输入信号从放大器的正输入端进入(负输入端原理相同)，信号经过第一MOS管反相放大，然后经过放大的信号，一路通过第六MOS管和第八MOS管的镜像反相放大后，到达放大器的正输出端，另一路通过第六MOS管和第十七MOS管镜像反相放大产生支路电流，再经过第十一MOS管和第十三MOS管镜像反相放大到达放大器的负输出端，实现AB类放大，同时第三开关管、第四开关管和第五开关管全部关断，第一电容和第二电容的一端分别采样放大器的正输出端和负输出端的信号，第一电容和第二电容的另端连接第一反馈MOS管的栅极，根据电荷守恒原理，连接第一反馈MOS管栅极的极板电荷在此相位保持不变，电容采样得到的共模误差信号经过共模反馈电路中的误差放大器放大后，通过第十四MOS管和第十五MOS管反馈到放大器的输出，使输出共模电压稳定在直流电压。
本发明的有益技术效果为：
(1)本发明放大器的开关型运算放大电路的输入级带有内部正反馈，改善电流镜结构增益不高的缺点；
(2)本发明放大器的开关型运算放大电路的输入级负载采用PMOS管减小整体闪烁噪声，比两级放大器功耗低；
(3)本发明放大器的开关型运算放大电路的输出级为AB类，提高了放大器的驱动能力和增益，进一步提高效率，摆幅也很大；
(4)本发明放大器使用两个开关连接放大器和电源，在放大器不工作时，将其全部关闭，比传统两级开关型的放大器只关闭输出级节省更多的功耗；
(5)本发明放大器使用内部电流翻转的偏置电路，有效减小放大器开启瞬间的电流毛刺，降低动态功耗；
(6)本发明放大器的共模反馈电路采用开关电容电路和单级差分转单端误差放大器，提高共模信号建立速度。
附图说明
图1为最早的开关型运算放大器的电路结构示意图。
图2为两级开关型运算放大器的电路结构示意图。
图3为本发明开关型运算放大器的电路结构示意图。
具体实施方式
为了更为具体地描述本发明，下面结合附图及具体实施方式对本发明的技术方案及其相关原理进行详细说明。
如图1所示，一种低功耗开关型运算放大器，包括开关型运算放大电路1、用于向开关型运算放大电路1提供共模电压反馈信号CMFB的共模反馈电路3和用于向开关型运算放大电路1与共模反馈电路3提供偏置电压信号Vbias的偏置电路2。
开关型运算放大电路1包括2个开关管和17个MOS管。其中，第一MOS管M1的栅极为开关型运算放大器的正输入端IN+，第一MOS管M1的源极与第二MOS管M2的源极和第三MOS管M3的漏极相连，第一MOS管M1的漏极与第十七MOS管M17的栅极、第五MOS管M5的栅极、第六MOS管M6的栅极、第八MOS管M8的栅极、第六MOS管M6的漏极和第四MOS管M4的漏极相连，第二MOS管M2的栅极为开关型运算放大器的负输入端IN-，第二MOS管M2的漏极与第十六MOS管M16的栅极、第四MOS管M4的栅极、第七MOS管M7的栅极、第九MOS管M9的栅极、第七MOS管M7的漏极和第五MOS管M5的漏极相连，第三MOS管M3的栅极接收偏置电路2提供的偏置电压信号Vbias，第三MOS管M3的源极与第十一MOS管M11的源极、第十三MOS管M13的源极、第十MOS管M10的源极、第十二MOS管M12的源极和第二开关管S2的漏极相连，第二开关管S2的栅极接收外部设备提供的时钟信号Φ2，第二开关管S2的源极接地，第十一MOS管M11的栅极与第十三MOS管M13的栅极、第十一MOS管M11的漏极和第十七MOS管M17的漏极相连，第十三MOS管M13的漏极与第十五MOS管M15的漏极和第九MOS管M9的漏极相连并构成开关型运算放大器的负输出端OUT-，第十五MOS管M15的栅极与第十四MOS管M14的栅极相连并接收共模反馈电路3提供的共模电压反馈信号CMFB，第十五MOS管M15的源极与第九MOS管M9的源极、第十七MOS管M17的源极、第七MOS管M7的源极、第五MOS管M5的源极、第四MOS管M4的源极、第六MOS管M6的源极、第十六MOS管M16的源极、第八MOS管M8的源极、第十四MOS管M14的源极和第一开关管S1的漏极相连，第一开关管S1的栅极接收外部设备提供的反相时钟信号/Φ2，第一开关管S1的源极接收外部设备提供的电源电压VDD，第十MOS管M10的栅极与第十二MOS管M12的栅极、第十MOS管M10的漏极和第十六MOS管M16的漏极相连，第十二MOS管M12的漏极与第十四MOS管M14的漏极和第八MOS管M8的漏极相连并构成开关型运算放大器的正输出端OUT+。
在开关型运算放大电路1中，第一MOS管M1、第二MOS管M2、第三MOS管M3、第十MOS管M10、第十一MOS管M11、第十二MOS管M12和第十三MOS管M13为NMOS管，其余的MOS管都为PMOS管。第一开关管S1为PMOS管，第二开关管S2为NMOS管。
偏置电路2包括3个偏置MOS管。其中，第一偏置MOS管Mb1的源极与第二开关管S2的漏极相连，第一偏置MOS管Mb1的栅极与第二偏置MOS管Mb2的漏极、第一偏置MOS管Mb1的漏极和第三MOS管M3的栅极相连并为开关型运算放大电路1和共模反馈电路3提供偏置电压信号Vbias，第二偏置MOS管Mb2的源极与第三偏置MOS管Mb3的源极和第一开关管S1的漏极相连，第二偏置MOS管Mb2的栅极与第三偏置MOS管Mb3的栅极和第三偏置MOS管Mb3的漏极相连并接收外部设备提供的参考电流Iref。第一偏置MOS管Mb1为NMOS管，第二偏置MOS管Mb2和第三偏置MOS管Mb3为PMOS管。
共模反馈电路3包括5个反馈MOS管、3个开关管和2个电容。其中，第三反馈MOS管Mc3的源极与第四反馈MOS管Mc4的源极和第一开关管S1的漏极相连，第三反馈MOS管Mc3的栅极与第四反馈MOS管Mc4的栅极、第三反馈MOS管Mc3的漏极和第一反馈MOS管Mc1的漏极相连，第四反馈MOS管Mc4的漏极与第二反馈MOS管Mc2的漏极和第十四MOS管M14的栅极相连并为开关型运算放大电路1提供共模电压反馈信号CMFB，第二反馈MOS管Mc2的栅极接收外部设备提供的参考电压Vref，第二反馈MOS管Mc2的源极与第一反馈MOS管Mc1的源极和第五反馈MOS管Mc5的漏极相连，第五反馈MOS管Mc5的栅极与第三MOS管M3的栅极相连并接收偏置电路2提供的偏置电压信号Vbias，第五反馈MOS管Mc5的源极与第二开关管S2的漏极相连，第一反馈MOS管Mc1的栅极与第一电容C1的一端、第二电容C2的一端和第五开关管S5的漏极相连，第五开关管S5的栅极接收外部设备提供的反相时钟信号/Φ2，第五开关管S5的源极接收外部设备提供的参考电压Vref，第二电容C2的另端与第四开关管S4的源极和第十五MOS管M15的漏极相连，第四开关管S4的栅极接收外部设备提供的反相时钟信号/Φ2，第四开关管S4的漏极接收外部设备提供的直流电压VDD/2，第一电容C1的另端与第三开关管S3的源极和第十四MOS管M14的漏极相连，第三开关管S3的栅极接收外部设备提供的反相时钟信号/Φ2，第三开关管S3的漏极接收外部设备提供的直流电压VDD/2。第一反馈MOS管Mc1、第二反馈MOS管Mc2和第五反馈MOS管Mc5为NMOS管，第三反馈MOS管Mc3和所述的第四反馈MOS管Mc4为PMOS管。
本实施例的工作原理是：开关型运算放大器的一个工作周期包括两个时钟相位：工作相位(即时钟信号Φ2为高电平时)和关闭相位(即时钟信号Φ2为低电平时)。当处于关闭相位时，第一开关管S1和第二开关管S2关断，整个放大器处于关闭状态，无静态功耗，放大器的正输出端OUT+和负输出端OUT-通过第三开关管S3和第四开关管S4连通到直流电压VDD/2，同时第五开关管S5导通，第一电容C1和第二电容C2上信号被清零，参考电流Iref一直充电使第二偏置MOS管Mb2和第三偏置MOS管Mb3进入截至区，无电流流过第一偏置MOS管Mb1，第二偏置MOS管Mb2的栅极电荷保持；当处于工作相位时，时钟信号Φ2为高电平，第一开关管S1和第二开关管S2开启，电源到地通路连通，整个放大器开始工作，第二偏置MOS管Mb2的栅极保持的电荷为开关型运算放大电路1和共模反馈电路3提供快速的开启电压，同时不会产生很大的电流尖峰，输入信号从放大器的正输入端IN+进入(负输入端IN-原理相同)，信号经过第一MOS管M1反相放大，然后经过放大的信号，一路通过第六MOS管M6和第八MOS管M8的镜像反相放大后，到达放大器的正输出端OUT+，另一路通过第六MOS管M6和第十七MOS管M17镜像反相放大产生支路电流，再经过第十一MOS管M11和第十三MOS管M13镜像反相放大到达放大器的负输出端OUT-，实现AB类放大，同时第三开关管S3、第四开关管S4和第五开关管S5全部关断，第一电容C1和第二电容C2的一端分别采样放大器的正输出端OUT+和负输出端OUT-的信号，第一电容C1和第二电容C2的另端连接第一反馈MOS管Mc1的栅极，根据电荷守恒原理，连接第一反馈MOS管Mc1栅极的极板电荷在此相位保持不变，电容采样得到的共模误差信号经过共模反馈电路中的误差放大器放大后，通过第十四MOS管M14和第十五MOS管M15反馈到放大器的输出OUT，使输出共模电压稳定在直流电压VDD/2。

Claims (4)

1.一种低功耗开关型运算放大器，包括开关型运算放大电路、用于向开关型运算放大电路提供共模电压反馈信号的共模反馈电路和用于向开关型运算放大电路与共模反馈电路提供偏置电压信号的偏置电路，其特征在于：
所述的开关型运算放大电路包括2个开关管和17个MOS管；其中，第一MOS管的栅极为所述的开关型运算放大器的正输入端，第一MOS管的源极与第二MOS管的源极和第三MOS管的漏极相连，第一MOS管的漏极与第十七MOS管的栅极、第五MOS管的栅极、第六MOS管的栅极、第八MOS管的栅极、第六MOS管的漏极和第四MOS管的漏极相连，第二MOS管的栅极为所述的开关型运算放大器的负输入端，第二MOS管的漏极与第十六MOS管的栅极、第四MOS管的栅极、第七MOS管的栅极、第九MOS管的栅极、第七MOS管的漏极和第五MOS管的漏极相连，第三MOS管的栅极接收所述的偏置电路提供的偏置电压信号，第三MOS管的源极与第十一MOS管的源极、第十三MOS管的源极、第十MOS管的源极、第十二MOS管的源极和第二开关管的漏极相连，第二开关管的栅极接收外部设备提供的时钟信号，第二开关管的源极接地，第十一MOS管的栅极与第十三MOS管的栅极、第十一MOS管的漏极和第十七MOS管的漏极相连，第十三MOS管的漏极与第十五MOS管的漏极和第九MOS管的漏极相连并构成所述的开关型运算放大器的负输出端，第十五MOS管的栅极与第十四MOS管的栅极相连并接收所述的共模反馈电路提供的共模电压反馈信号，第十五MOS管的源极与第九MOS管的源极、第十七MOS管的源极、第七MOS管的源极、第五MOS管的源极、第四MOS管的源极、第六MOS管的源极、第十六MOS管的源极、第八MOS管的源极、第十四MOS管的源极和第一开关管的漏极相连，第一开关管的栅极接收外部设备提供的反相时钟信号，第一开关管的源极接收外部设备提供的电源电压，第十MOS管的栅极与第十二MOS管的栅极、第十MOS管的漏极和第十六MOS管的漏极相连，第十二MOS管的漏极与第十四MOS管的漏极和第八MOS管的漏极相连并构成所述的开关型运算放大器的正输出端；所述的第一MOS管、第二MOS管、第三MOS管、第十MOS管、第十一MOS管、第十二MOS管和第十三MOS管均为NMOS管，其余的MOS管均为PMOS管；
所述的偏置电路包括3个偏置MOS管；其中，第一偏置MOS管的源极与所述的第二开关管的漏极相连，第一偏置MOS管的栅极与第二偏置MOS管的漏极、第一偏置MOS管的漏极和所述的第三MOS管的栅极相连并为所述的开关型运算放大电路和所述的共模反馈电路提供偏置电压信号，第二偏置MOS管的源极与第三偏置MOS管的源极和所述的第一开关管的漏极相连，第二偏置MOS管的栅极与第三偏置MOS管的栅极和第三偏置MOS管的漏极相连并接收外部设备提供的参考电流；
所述的共模反馈电路包括5个反馈MOS管、3个开关管和2个电容；其中，第三反馈MOS管的源极与第四反馈MOS管的源极和所述的第一开关管的漏极相连，第三反馈MOS管的栅极与第四反馈MOS管的栅极、第三反馈MOS管的漏极和第一反馈MOS管的漏极相连，第四反馈MOS管的漏极与第二反馈MOS管的漏极和所述的第十四MOS管的栅极相连并为所述的开关型运算放大电路提供共模电压反馈信号，第二反馈MOS管的栅极接收外部设备提供的参考电压，第二反馈MOS管的源极与第一反馈MOS管的源极和第五反馈MOS管的漏极相连，第五反馈MOS管的栅极与所述的第三MOS管的栅极相连并接收所述的偏置电路提供的偏置电压信号，第五反馈MOS管的源极与所述的第二开关管的漏极相连，第一反馈MOS管的栅极与第一电容的一端、第二电容的一端和第五开关管的漏极相连，第五开关管的栅极接收外部设备提供的反相时钟信号，第五开关管的源极接收外部设备提供的参考电压，第二电容的另端与第四开关管的源极和所述的第十五MOS管的漏极相连，第四开关管的栅极接收外部设备提供的反相时钟信号，第四开关管的漏极接收外部设备提供的直流电压，第一电容的另端与第三开关管的源极和所述的第十四MOS管的漏极相连，第三开关管的栅极接收外部设备提供的反相时钟信号，第三开关管的漏极接收外部设备提供的直流电压；
所述的直流电压为第一开关管的源极接收的电源电压的一半。
2.根据权利要求1所述的低功耗开关型运算放大器，其特征在于：所述的第一开关管为PMOS管，所述的第二开关管为NMOS管。
3.根据权利要求1所述的低功耗开关型运算放大器，其特征在于：所述的第一偏置MOS管为NMOS管，所述的第二偏置MOS管和所述的第三偏置MOS管为PMOS管。
4.根据权利要求1所述的低功耗开关型运算放大器，其特征在于：所述的第一反馈MOS管、所述的第二反馈MOS管和所述的第五反馈MOS管为NMOS管，所述的第三反馈MOS管和所述的第四反馈MOS管为PMOS管。
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