CN103684282A - 基于纳米mos器件的低电压低功耗放大器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了属于模拟集成电路领域的一种基于纳米MOS器件的低电压低功耗放大器。随着集成电路工艺的发展，基于纳米MOS器件的模拟电路设计成为新的挑战和研究重点。本发明放大器包括四个PMOS管组成的全差分输入级，该输入级将输入电压信号转换成电流信号；两组电流镜组成的电流回收级；一组电流镜组成的低压轨到轨输出级，该输出级提供输出阻抗，输出级的电流源管采用差转单模式，放大器为单端输出。本发明的基于纳米MOS器件的低电压低功耗放大器在不增加直流电流和版图面积的情况下，实现了至少准确提高3倍带宽的能力，同时相应的提高了低频增益和大信号摆率。该放大器电路适用于纳米MOS器件电路的低压环境，可提供大带宽大输出摆幅。
Description
技术领域
本发明属于模拟集成电路设计领域，具体涉及一种基于纳米MOS器件的低电压低功耗放大器。
背景技术
现代集成电路技术已经由深亚微米集成电路发展到了纳米集成电路级别。基于22纳米工艺的CPU已经在Intel得到量产，国内也已经开展了22纳米集成电路的研究。得益于特征尺寸的减小和系统芯片技术的日益成熟，芯片规模越来越大，功能也越来越繁琐。近年来，移动芯片的飞速发展，促进了便携式移动电子设备的普及。
由于电池技术的发展远远跟不上电子系统的发展，从心脏起搏器到助听器、移动电话和各种各样便携式移动产品都对产品的供电电压提出了严格的限制。另一方面，随着器件尺寸不断的缩小，工艺的击穿电压也在降低，亦对电源电压提出了严格的限制。例如，65纳米工艺的供电电压是1.2V，45纳米工艺为1.1V，32纳米和28纳米的供电电压已经降到1V。供电电压的降低，使得在模拟电路设计中遇到一系列的困难。比如，输入电压动态范围减小，没有额外的电压空间来使用增益提高技术，MOS管本征增益减小，噪声恶化，随机失调对系统的影响增大等等。纳米集成电路的尺寸优势，及其在模拟电路设计中带来的种种困难，使得纳米集成电路低电压模拟设计受到广泛关注。
运算放大器是模拟电路中最重要的电路单元，广泛应用于模拟电路和混合信号处理电路中，如开关电容，模数、数模转换器等。因为晶体管的阈值电压并不随着特征尺寸的减小而线性减小，所以在纳米集成电路低电源电压环境下，运算放大器信号动态范围大大减小。同时，低电压的供电环境和动态范围的限制，许多高增益电路技术的使用变得困难，如套筒结构。而为了获得大的带宽，放大器的直流电流变大，这又增大了放大器的功耗。另外，在开关电容电路中，为了获得高信噪比，必须增大采样电容，而同时又必须保证一定的摆率，从而进一步增大电流和功耗。所以为了提高运放的性能，增大动态范围，提高增益和带宽，必须对放大电路进行改进，以提高电流的利用效率。
传统的对称型跨导放大器，其输出管采用单管电流源负载，很适合工作在纳米集成电路的低电压环境。传统的对称型跨导放大器结构如图1所示。输入级由两个PMOS管M1、M2组成，其将正反两个方向的电流通过M3、M5组成的电流镜和M4、M6组成的电流镜复制，进入输出级。增大比例系数B可以提高对称跨导运放的带宽和增益。
传统的对称型跨导放大器存在以下不足：
1.受限于低电压环境，传统对称跨导放大器的增益很低，一般在40dB左右。
2.增大比例系数B可以提高传统对称跨导运放的带宽和增益，但是会增加输出级的电流，功耗增大。
3.在功耗要求严格的情况下，难以达到高带宽的性能。
发明内容
本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明的目的在于提出一种基于纳米MOS器件的低电压低功耗放大器。
为了实现上述目的，根据本发明实施例的基于纳米MOS器件的低电压低功耗放大器，包括:全差分输入级，所述全差分输入级由M1a，M1b，M2a，M2b四个PMOS管组成；电流回收级，所述电流回收级由两个电流镜组成：由NMOS管M3b和M3c组成第一电流镜，由NMOS管M4b和M4c组成第二电流镜；轨到轨输出级，所述轨到轨输出级由一个电流镜M7和M8组成，其中，所述基于纳米MOS器件的低电压低功耗放大器采用标准CMOS电流源偏置，输入级由PMOS管M9和偏置电压Vb偏置，输出级由电流镜M7和M8进行偏置，所述基于纳米MOS器件的低电压低功耗放大器的正向输入信号，通过PMOS管M2a转换成向上的小信号电流，同时，负向输入信号通过PMOS管M1b转换成向下的小信号电流。该向下的小信号电流通过M4b和M4c组成的第二电流镜进行第一次放大，该放大信号与PMOS管M2a形成的向上的小信号电流反向叠加，相加成的小信号电流通过由NMOS管M4a和M6组成的电流镜，并且由此电流镜进行第二次放大，放大后方向向上的小信号电流进入输出端，所述基于纳米MOS器件的低电压低功耗放大器的负向输入信号，通过PMOS管M1a转换成向下的小信号电流，同时，正向输入信号通过PMOS管M2b转换成向上的小信号电流。该向上的小信号电流通过M3b和M3c组成的第一电流镜进行第一次放大，该放大信号与PMOS管M1a形成的向下的小信号电流反向叠加，相加成的小信号电流通过由NMOS管M3a和M5组成的电流镜，并且由此电流镜进行第二次放大，从NMOS管M5出来的向下的小信号电流，通过由PMOS管M7和M8组成的输出负载电流镜复制，在输出端与另一端方向向上的小信号电流叠加。输出端电流减小，电压升高，实现放大功能。
根据本发明实施例的基于纳米MOS器件的低电压低功耗放大器，在不增加直流电流和版图面积的情况下，实现了至少准确提高3倍带宽的能力，同时相应的提高了低频增益和大信号摆率。该放大器电路适用于纳米MOS器件电路的低压环境，可提供大带宽大输出摆幅。
另外，根据本发明实施例的基于纳米MOS器件的低电压低功耗放大器还可以具有如下附加技术特征：
在本发明的一个实施例中，所述PMOS管M1a，M1b，M2a，M2a尺寸大小一致；所述NMOS管M3a，M3b尺寸大小之和等于M3c；所述NMOS管M4a，M4b尺寸大小之和等于M4c；所述NMOS管M3a，M3b尺寸大小相等；所述NMOS管M4a，M4b尺寸大小相等。
在本发明的一个实施例中，所述由NMOS管M3b，M3c组成的电流镜与输入级的M2b管连接；所述由NMOS管M4b，M4c组成的电流镜与输入级的M1b管连接；所述由NMOS管M5，M3a组成的电流镜与输入级的M1a管连接；所述由NMOS管M6，M4a组成的电流镜与输入级的M2a管连接。
本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1为传统对称型跨导放大器的结构示意图。
图2为本发明的新型的基于纳米MOS器件的低电压低功耗放大器的结构示意图。
图3为本发明的新型的基于纳米MOS器件的低电压低功耗放大器与传统的对称型跨导放大器的频率响应仿真对比图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
本发明提出的基于纳米MOS器件的低电压低功耗放大器，其一种具体实施方式采用纳米CMOS工艺实现。该基于纳米MOS器件的低电压低功耗放大器包括输入级、电流回收级以及轨到轨输出级三个部分；
如图2所示，全差分输入级由M1a，M1b，M2a，M2b四个PMOS管组成。电流回收级由两个电流镜组成：由NMOS管M3b和M3c组成第一电流镜，由NMOS管M4b和M4c组成第二电流镜。轨到轨输出级由一个电流镜M7和M8组成。
在图2中各器件之间的连接关系如下：正向输入信号与输入管M2a、M2b的栅极连接到一起，负向输入信号与输入管M1a、M1b的栅极连接到一起，M1a、M1b、M2a、M2b的源极连接电源管M9的漏极。M1a的漏极连接M5、M3a的栅极以及M3a、M3b的漏极；M1b的漏极连接M4b、M4c的栅极以及M4c的漏极；M2a的漏极连接M6、M4a的栅极以及M4a、M4b的漏极；M2b的漏极连接M3b、M3c的栅极以及M3c的漏极。M5的漏极和M7的漏极相连，M6的漏极和M8的漏极相连。
图2所示的基于纳米MOS器件的低电压低功耗放大器的正向输入信号，通过PMOS管M2a转换成向上的小信号电流，同时，负向输入信号通过PMOS管M1b转换成向下的小信号电流。该向下的小信号电流通过M4b和M4c组成的第二电流镜进行第一次放大，该放大信号与PMOS管M2a形成的向上的小信号电流反向叠加，相加成的小信号电流通过由NMOS管M4a和M6组成的电流镜，并且由此电流镜进行第二次放大，放大后方向向上的小信号电流进入输出端。
图2所示的基于纳米MOS器件的低电压低功耗放大器的负向输入信号，通过PMOS管M1a转换成向下的小信号电流，同时，正向输入信号通过PMOS管M2b转换成向上的小信号电流。该向上的小信号电流通过M3b和M3c组成的第一电流镜进行第一次放大，该放大信号与PMOS管M1a形成的向下的小信号电流反向叠加，相加成的小信号电流通过由NMOS管M3a和M5组成的电流镜，并且由此电流镜进行第二次放大。
从NMOS管M5出来的向下的小信号电流，通过由PMOS管M7和M8组成的输出负载电流镜复制，在输出端与另一端方向向上的小信号电流叠加。输出端电流减小，电压升高，实现放大功能。
在本发明的一个实施例中，PMOS管M1a，M1b，M2a，M2a尺寸大小一致；NMOS管M3a，M3b尺寸大小之和等于M3c；NMOS管M4a，M4b尺寸大小之和等于M4c；NMOS管M3a，M3b尺寸大小相等；NMOS管M4a，M4b尺寸大小相等。即：输入管M1a、M1b、M2a、M2b的具有相等尺寸，M3a、M3b、M3c的尺寸为1：1：2，M4a、M4b、M4c的尺寸为1：1：2。
上述放大器，可以将低频增益提高10dB，带宽提高到传统对称型放大器的3倍。
图3为本发明的新型的基于纳米MOS器件的低电压低功耗放大器与传统对称型放大器的频响仿真结果对比图。从图3中可以看出，本发明的新型的基于纳米MOS器件的低电压低功耗放大器的带宽相比于传统对称型放大器提高了3倍以上，同时，低频增益提高了10dB。
本发明所述的新型的基于纳米MOS器件的低电压低功耗放大器，应用在使用纳米器件设计的低电压供电环境，在不增加版图面积和功耗的情况下，可至少提高低频增益10dB，可将带宽提高到原来的3倍，同时能增加放大器的大信号摆率。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例进行结合和组合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
Claims (3)
1.一种基于纳米MOS器件的低电压低功耗放大器，其特征在于，包括：
全差分输入级，所述全差分输入级由M1a，M1b，M2a，M2b四个PMOS管组成；
电流回收级，所述电流回收级由两个电流镜组成：由NMOS管M3b和M3c组成第一电流镜，由NMOS管M4b和M4c组成第二电流镜；
轨到轨输出级，所述轨到轨输出级由一个电流镜M7和M8组成，其中，
所述基于纳米MOS器件的低电压低功耗放大器采用标准CMOS电流源偏置，输入级由PMOS管M9和偏置电压Vb偏置，输出级由电流镜M7和M8进行偏置，
所述基于纳米MOS器件的低电压低功耗放大器的正向输入信号，通过PMOS管M2a转换成向上的小信号电流，同时，负向输入信号通过PMOS管M1b转换成向下的小信号电流，所述向下的小信号电流通过M4b和M4c组成的第二电流镜进行第一次放大，所述放大信号与PMOS管M2a形成的向上的小信号电流反向叠加，相加成的小信号电流通过由NMOS管M4a和M6组成的电流镜，并且由此电流镜进行第二次放大，放大后方向向上的小信号电流进入输出端，
所述基于纳米MOS器件的低电压低功耗放大器的负向输入信号，通过PMOS管M1a转换成向下的小信号电流，同时，正向输入信号通过PMOS管M2b转换成向上的小信号电流，所述向上的小信号电流通过M3b和M3c组成的第一电流镜进行第一次放大，该放大信号与PMOS管M1a形成的向下的小信号电流反向叠加，相加成的小信号电流通过由NMOS管M3a和M5组成的电流镜，并且由此电流镜进行第二次放大，
从NMOS管M5出来的向下的小信号电流，通过由PMOS管M7和M8组成的输出负载电流镜复制，在输出端与另一端方向向上的小信号电流叠加。输出端电流减小，电压升高，实现放大功能。
2.根据权利要求1所述基于纳米MOS器件的低电压低功耗放大器，其特征在于，
所述PMOS管M1a，M1b，M2a，M2a尺寸大小一致；
所述NMOS管M3a，M3b尺寸大小之和等于M3c；
所述NMOS管M4a，M4b尺寸大小之和等于M4c；
所述NMOS管M3a，M3b尺寸大小相等；
所述NMOS管M4a，M4b尺寸大小相等。
3.根据权利要求1所述基于纳米MOS器件的低电压低功耗放大器，其特征在于，
所述由NMOS管M3b，M3c组成的电流镜与输入级的M2b管连接；
所述由NMOS管M4b，M4c组成的电流镜与输入级的M1b管连接；
所述由NMOS管M5，M3a组成的电流镜与输入级的M1a管连接；
所述由NMOS管M6，M4a组成的电流镜与输入级的M2a管连接。
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