CN102394580B

CN102394580B - 一种带有启动电路的部分共模反馈全差分运算放大器

Info

Publication number: CN102394580B
Application number: CN201110275012.1A
Authority: CN
Inventors: 胡嵩; 李伟男; 黄煜梅; 洪志良
Original assignee: Fudan University
Current assignee: Fudan University
Priority date: 2011-09-16
Filing date: 2011-09-16
Publication date: 2015-03-04
Anticipated expiration: 2031-09-16
Also published as: CN102394580A

Abstract

本发明属于模拟集成电路设计技术领域，公开了一种带有启动电路的部分共模反馈全差分运算放大器电路。该电路包括基本的两级运算放大器主电路、部分共模反馈电路和启动电路；所述启动电路包括状态检测电路、复位电路以及偏置开关电路；本发明可解决传统部分共模反馈全差分运算放大器在一些应用中不能正常工作的问题。本发明中的启动电路可以检测到电路非正常工作的状态，并通过复位电路使得运算放大器进入正常工作状态。启动电路中的偏置开关电路可以避免电路启动过程中部分共模反馈电路中的固定偏置负载管与复位电路之间的竞争。本发明适用于需要使用全差分运算放大器的电路。

Description

一种带有启动电路的部分共模反馈全差分运算放大器

技术领域

本发明属于模拟集成电路设计技术领域，具体涉及一种带有启动电路的部分共模反馈全差分运算放大器电路。

背景技术

全差分运算放大器是模拟集成电路中最基本模块之一。其特点在于差分信号输入、差分信号输出，可以抑制共模干扰信号。在混合信号电路中，为了抑制地上的噪声和电源上的脉冲干扰等，全差分运算放大器更是得到了广泛的应用。

图1举例说明了一个传统的部分共模反馈全差分运算放大器。第一到第六NMOS管NM1-NM6、第一到第五PMOS管PM1-PM5、第一和第二电阻R1-R2、第一和第二电容C1-C2构成两级运算放大器主电路，第七和第八NMOS管NM7-NM8、第六到第八PMOS管PM6-PM8、第三和第四电阻R3-R4、第三和第四电容C3-C4构成了部分共模反馈电路。共模反馈电路输出信号V _fb控制运算放大器主电路第一级的第三和第四NMOS管NM3、NM4；在部分共模反馈电路技术中，第一级还有另一部分负载由栅端接到固定电平的偏置管构成，如图1中的第五和第六NMOS管NM5、NM6。这种部分共模反馈技术由于能够提高共模反馈环路的相位裕度，因此得到了广泛的采用。

在一些应用中，全差分运算放大器的输出和输入相连。图2和图3分别举例说明了属于这种情况的两种应用场合。图2是开关电容网络中的一个状态。图2所示的状态下，全差分运算放大器的输出和输入直接相连。图3是一种无线通信接收机的射频前端模块，由低噪声放大器、电流模式无源混频器和跨阻放大器构成。跨阻放大器中的全差分运算放大器的输出和输入通过电阻相连接。

倘若将图1所示的传统部分共模反馈全差分运算放大器应用在诸如图2和图3这类场合中，电路将存在一个非正常工作的稳态。在电路上电时，若运算放大器的两个输出V _out+和V _out-同时为高电平，共模反馈电路中的比较放大器饱和，V _fb为低电平；此时，由于输出与输入相连，运算放大器的两个输入V _in+和V _in-也为高电平，两级运算放大器主电路第一级的输出（即第二级的输入）将被运算放大器第一级的固定偏置负载管（如图1中的第五和第六NMOS管NM5、NM6）下拉到低电平。最终，电路将稳定在这一非正常工作的状态。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种采用部分共模反馈技术的全差分运算放大器，它可以应用在输出和输入连接的场合。

本发明提供的带有启动电路的部分共模反馈全差分运算放大器包括基本的两级运算放大器主电路、部分共模反馈电路和启动电路。所述启动电路又包括状态检测电路、复位电路以及偏置开关电路。状态检测电路输入端连接到检测到的两级运算放大器输出端共模电平，状态检测电路输出信号连接到复位电路；复位电路连接在两级运算放大器第一级输出与电源之间，提供上拉通路；偏置开关电路连接到两级运算放大器第一级的固定偏置负载管的栅端偏置，可对其进行切换。

启动电路中的状态检测电路，通过运算放大器输出端的共模电平，检测两级运算放大器是否进入非正常工作状态。状态检测电路的第一级阈值设置偏高，且经过反相器链连接到复位电路，以避免启动过程中运算放大器输出端的电压摆动对状态检测电路的影响。

启动电路中的复位电路，在两级运算放大器处于非正常工作状态时，通过上拉两级运算放大器的第一级输出（即第二级的输入），破坏这一非正常工作状态，使运算放大器在共模反馈电路的作用下进入正常工作状态。

启动电路中的偏置开关电路，在电路启动过程中切断运算放大器第一级固定偏置负载管的栅端与固定偏置电压之间的连接，并将其下拉到低电平，以避免由于采用部分共模反馈技术，运算放大器第一级的固定偏置负载管与复位电路之间的竞争。电路启动之后，固定偏置负载管的栅端偏置将恢复正常。

本发明中的部分共模反馈全差分运算放大器，由于采用了部分共模反馈技术，可提高共模反馈环路的相位裕度；且发明中的启动电路解决了传统电路在运算放大器输出和输入连接的应用场合下不能正常工作的问题。

附图说明

图1为传统的采用部分共模反馈技术的全差分两级运算放大器电路图。

图2为开关电容网络的一个状态。

图3为一种无线通信接收机的射频前端电路。

图4为本发明的带有启动电路的部分共模反馈全差分两级运算放大器电路图。

具体实施方式

下面结合一个具体实例对本发明作进一步详细说明。

如图4，本发明包括两级运算放大器主电路、部分共模反馈电路以及启动电路。其中，第一到第六NMOS管 NM1-NM6、第一到第五PMOS管PM1-PM5、第一和第二电阻R1-R2、第一和第二电容C1-C2构成两级运算放大器主电路。第七和第八NMOS管NM7-NM8、第六到第八PMOS管PM6-PM8、第三和第四电阻R3-R4、第三和第四电容C3-C4构成部分共模反馈电路。共模反馈电路输出信号V _fb控制运算放大器主电路第一级的部分负载，包括第三和第四NMOS管NM3、NM4。由于采用部分共模反馈技术，第一级还有另一部分负载不受V _fb控制，如图4中的第五和第六NMOS管NM5、NM6。本发明中的启动电路包括第九和第十NMOS管NM9-NM10、第九到第十四PMOS管PM9-PM14、第一和第二反相器INV1-INV2。启动电路又包括状态检测电路、复位电路以及偏置开关电路。其中，状态检测电路由第九NMOS管NM9、第十三PMOS管PM13、第一和第二反相器INV1-INV2构成；偏置开关电路由第十NMOS管NM10和第十四PMOS管PM14构成；复位电路由第九到第十二PMOS管PM9-PM12构成。

状态检测电路第一级包括第九NMOS管NM9和第十三PMOS管PM13，可检测由第三和第四电阻R3、R4采集到的两级运算放大器输出端的共模电平；状态检测电路第一级的输出经过第一和第二反相器INV1、INV2控制复位电路中第十一和第十二PMOS管PM11、PM12。复位电路连接在两级运算放大器第一级的输出与电源之间，提供上拉通路。偏置开关电路可对两级运算放大器第一级的固定偏置负载管（即第五和第六NMOS管NM5、NM6）的栅端偏置电压进行切换。

以下通过介绍本发明的全差分运算放大器从前述非正常工作的状态中启动，并进入正常工作状态的过程，说明本发明电路的工作机理。

在前述的非正常工作状态中，运算放大器的输出和输入均为高电平；运算放大器第一级输出（即第二级的输入）为低电平。这样，第十三PMOS管PM13关闭，V _sense被第九NMOS管NM9下拉到低电平；这时，V _s1为高电平，V _s2为低电平。由于V _s2为低电平，复位电路中的第十一和十二PMOS管PM11、PM12导通。复位电路上拉两级运算放大器第一级的输出；进而，运算放大器的输出被第一和第二NMOS管NM1、NM2下拉；于是，前述的非正常工作状态被破坏。运算放大器最终在共模反馈电路的作用下进入正常工作状态。

值得注意的是，在采用部分共模反馈技术时，两级运算放大器的第一级还有另一部分负载不受V _fb控制，如图1和图4中的第五和第六NMOS管NM5、NM6。倘若如图1中的传统电路，将第五和第六NMOS管NM5、NM6的栅端直接连接到固定偏置电压，电路在启动时，第五和第六NMOS管NM5、NM6将与复位电路产生竞争，可能导致启动电路失效。

本发明中的偏置开关电路可以解决这一问题。如前所述，在电路启动时，V _s1为高电平，V _s2为低电平。此时，偏置开关电路中的第十四PMOS管PM14关闭，第十NMOS管NM10导通。第五和第六NMOS管NM5、NM6的栅端通过第十四PMOS管PM14与固定偏置电压V _bn1切断，并被第十NMOS管NM10下拉到低电平，从而避免了电路启动时第五和第六NMOS管NM5、NM6与复位电路中第九到第十二PMOS管PM9-PM12之间的竞争。

在运算放大器进入正常工作状态之后，即输出共模电平正常时，第十三PMOS管PM13导通。V _sense被上拉到高电平，V _s1为低电平，V _s2为高电平。由于V _s2为高电平，复位电路中的第十一和第十二PMOS管PM11、PM12关闭。同时，偏置开关电路中的第十四PMOS管PM14导通，第十NMOS管NM10关闭，第五和第六NMOS管NM5、NM6的栅端被偏置在正常工作时的V _bn1。

值得指出的是，在运算放大器进入正常工作状态后，启动电路中的偏置开关电路以及复位电路均不消耗电流。通过合理设置第九NMOS管NM9和第十三PMOS管PM13尺寸，状态检测电路仅消耗微小电流。

图4电路实例中的一些特征进一步保证了电路的正常工作。

首先，电路设计时，启动电路的状态检测电路第一级中第十三PMOS管PM13强于第九NMOS管NM9。一方面，保证状态检测电路在电路正常工作时，做出与电路非正常工作状态时不同的输出响应；另一方面，由于电路的输出共模最终需要在共模反馈电路的作用下稳定在某值，在这一过程中，电路的输出共模可能会经历阻尼振荡过程，这取决于共模反馈环路的频率响应特性。通过使第十三PMOS管PM13强于第九NMOS管NM9，状态检测电路第一级阈值电压偏高，增大裕量，进而避免电路输出共模电平的摆动对状态检测电路输出的影响。

其次，状态检测电路中的第一和第二反相器INV1、INV2除了可以产生偏置开关电路所需的控制信号V _s1以外，还可以结合前述高阈值状态检测第一级电路进一步增强复位电路控制信号V _s2的稳定性。

最后，复位电路中的偏置管第九和第十PMOS管PM9、PM10，可以限制复位电路的电流，以避免电路启动过程中复位电路对两级运算放大器主电路的影响。

Claims

1.一种带有启动电路的部分共模反馈全差分运算放大器电路，其特征在于，该电路包括基本的两级运算放大器主电路、部分共模反馈电路和启动电路；所述启动电路包括状态检测电路、复位电路以及偏置开关电路；其中：

所述状态检测电路，通过运算放大器输出端的共模电平，检测两级运算放大器是否进入非正常工作状态；状态检测电路的第一级阈值设置偏高，且经过反相器链连接到复位电路，以减小启动过程中运算放大器输出端的电压摆动对状态检测电路的影响；

所述复位电路，通过上拉两级运算放大器的第一级输出即第二级的输入，破坏两级运算放大器非正常工作的状态，使运算放大器在部分共模反馈电路的作用下进入正常工作状态；

所述偏置开关电路，在电路启动过程中切断运算放大器第一级固定偏置负载管的栅端与固定偏置之间的连接，并将其下拉到低电平，以避免由于采用部分共模反馈技术，运算放大器第一级的固定偏置负载管与复位电路之间的竞争；电路启动之后，该栅端偏置电压将恢复正常值。

2.根据权利要求1所述的带有启动电路的部分共模反馈全差分运算放大器电路，其特征在于，所述两级运算放大器主电路由第一到第六NMOS管（NM1-NM6）、第一到第五PMOS管（PM1-PM5）、第一和第二电阻（R1、R2）、第一和第二电容（C1、C2）构成；所述部分共模反馈电路由第七和第八NMOS管（NM7、NM8）、第六到第八PMOS管（PM6-PM8）、第三和第四电阻（R3、R4）、第三和第四电容（C3、C4）构成；部分共模反馈电路输出信号V _fb控制运算放大器主电路第一级的第三和第四NMOS管（NM3、NM4）。

3.根据权利要求1所述的带有启动电路的部分共模反馈全差分运算放大器电路，其特征在于，所述启动电路由第九和第十NMOS管（NM9、NM10）、第九到第十四PMOS管（PM9-PM14）、第一和第二反相器（INV1、INV2）构成；其中，第九NMOS管（NM9）、第十三PMOS管（PM13）、第一和第二反相器（INV1、INV2）构成状态检测电路；第九到第十二PMOS管（PM9-PM12）构成复位电路；第十NMOS管（NM10）和第十四PMOS管（PM14）构成偏置开关电路；其中，所述状态检测电路第一级包括第九NMOS管（NM9）和第十三PMOS管（PM13），检测由第三和第四电阻（R3、R4）采集到的两级运算放大器输出端的共模电平；状态检测电路第一级的输出经过第一和第二反相器（INV1、INV2）控制复位电路中第十一和第十二PMOS管（PM11、PM12）；所述复位电路连接在两级运算放大器第一级的输出与电源之间，提供上拉通路；所述偏置开关电路对两级运算放大器第一级的固定偏置负载管即第五和第六NMOS管（NM5、NM6）的栅端偏置电压进行切换。