CN104796102A - 一种流水线adc中宽带电流型运算放大器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及运算放大器领域,具体是一种流水线ADC中宽带电流型运算放大器。本发明主体采用折叠式增益提高结构。BN和BP为辅助运放,其中BN为电流型辅助运放,BP采用传统的折叠式共源共栅结构。电流共模反馈电路接于主运放的M1与M2的漏极,通过调节主运放支路电流对输出信号的共模电平进行调节。本发明在提高输出摆幅的同时,减小信号主通路上的寄生电容,提高整个运放的电路速度。将该运算放大器应用于视频处理的ADC中,可提高ADC的速度,满足视频处理的要求,并具有低功耗,动态范围大等特点。
Description
技术领域
本发明涉及运算放大器领域,具体是一种流水线ADC中宽带电流型运算放大器。
背景技术
数字图形处理、数字通信等领域的飞速发展对ADC的速度、精度和功耗等性能提出了更高的要求。在众多ADC的结构中,流水线ADC同时具备高速与高精度的优势,因而备受关注,应用最广。
目前,比较器的带宽,采样电容上的噪声,以及各级负载电容都使流水线ADC速度的进一步提高受到影响。但对流水线ADC速度影响最大的是采样保持电路的运算放大器和各级余量运算放大器的带宽。
为了获得较准确的增益和较小的非线性误差,传统的流水线ADC的采样保持电路的运算放大器和各级余量运算放大器通常采用闭环的高性能放大器来实现。这种结构通过增加辅助运放来提高输出阻抗并提高开环增益,但是,所增加的辅助运放又会引入新的寄生电容,从而增加了极点,减小了整个运放的带宽。
采用电流作为输入变量的电流模放大器可提供较大的带宽,较低的功耗和更宽的信号范围,因此近年来受到研究人员的重视。电流模放大器中的信号采用电流方式传输,处于饱和状态的晶体管的漏源电压与漏电流呈现平方根关系,从而降低了放大器对输出摆幅和电源电压的要求。通常电流放大器信号通路上的寄生电容较小,因此能有效地提高电路速度,减少系统的建立时间。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是:如何提高ADC的速度,满足视频处理的要求,并具有低功耗,动态范围大等特点。
本发明的所采用的技术方案是:一种流水线ADC中宽带电流型运算放大器,NMOS管M1的栅极、NMOS管M2的栅极连接到偏置电压Vb3,NMOS管M1的源极、NMOS管M2的源极连接到NMOS管M13的漏极,NMOS管M13的源极接地,NMOS管M13的栅极连接偏置电压Vb2,NMOS管M1的漏极、NMOS管M3的源极连接第一辅助运放BP的y2端、控制电流I1端,NMOS管M2的漏极、NMOS管M4的源极连接第二辅助运放BP的y2端和控制电流I2端,第一辅助运放BP的x2端接于所述第二辅助运放BP的x2端,NMOS管M3的栅极连接第一辅助运放BP的z2端,NMOS管M4的栅极连接第二辅助运放BP的z2端,NMOS管M3的漏极、PMOS管M5的漏极连接到输出信号Vop,NMOS管M4的漏极、PMOS管M6的漏极连接到输出信号Von,PMOS管M5的栅极连接到第三辅助运放BN的z1端,PMOS管M6的栅极连接到第四辅助运放BN的z1端,PMOS管M5的源极、PMOS管M7的漏极、NMOS管M15的漏极连接到第三辅助BN的y1端,PMOS管M6的源极、PMOS管M8的漏极、NMOS管M14的漏极连接到第四辅助BN的y1端,第三辅助BN的x1端连接第四辅助BN的x1端,PMOS管M7的栅极、PMOS管M8的栅极连接到偏置电压Vb1,PMOS管M7的源极、PMOS管M8的源极连接电源VDD,NMOS管M14的源极、NMOS管M15的源极连接NMOS管M16的漏极,NMOS管M14的栅极连接输入信号Vin,NMOS管M15的栅极连接输入信号Vip,NMOS管M16的源极接地,NMOS管M16的栅极连接偏置电压Vb4,控制电流I1端和控制电流I2端连接到电流共模反馈电路,电流共模反馈电路连接电压共模反馈电路CMFB,电压共模反馈电路CMFB连接到输出信号Vop和输出信号Vop。
作为一种优选方式:所述电流共模反馈电路中,NMOS管M9的源极、NMOS管M10的源极接地,NMOS管M9的栅极、NMOS管M9的栅极连接电压共模反馈电路CMFB的VCM端,NMOS管M9的漏极、PMOS管M11的漏极连接到控制电流I1端,NMOS管M10的漏极、PMOS管M12的漏极连接到控制电流I2端,PMOS管M11的源极、PMOS管M12的源极连接电源VDD,PMOS管M11的栅极、PMOS管M12的栅极连接到偏置电压Vb5。
作为一种优选方式:第一辅助运放BP电路与第二辅助运放BP电路结构相同,BP电路中,NMOS管Mp10的栅极、NMOS管Mp11的栅极连接到偏置电压Vp5,NMOS管Mp10的源极、NMOS管Mp11的源极连接到NMOS管Mp12的漏极,NMOS管Mp12的源极接地,NMOS管Mp12的栅极连接偏置电压Vp6,NMOS管Mp10的漏极、NMOS管Mp8的源极连接,NMOS管Mp11的漏极、NMOS管Mp9的源极连接,NMOS管Mp8的栅极、NMOS管Mp9的栅极连接偏置电压Vp4,NMOS管Mp8的漏极、PMOS管Mp6的漏极连接,NMOS管Mp9的漏极、PMOS管Mp7的漏极连接到z2端,PMOS管Mp6的栅极、PMOS管Mp7的栅极连接偏置电压Vp3,PMOS管Mp6的源极、PMOS管Mp4的漏极、NMOS管Mp3的漏极连接,PMOS管Mp7的源极、PMOS管Mp5的漏极、NMOS管Mp1的漏极连接,PMOS管Mp4的栅极、PMOS管Mp5的栅极连接到偏置电压Vp2,PMOS管Mp4的源极、PMOS管Mp5的源极连接电源VDD,NMOS管Mp1的源极、NMOS管Mp2的源极连接NMOS管Mp3的漏极,NMOS管Mp1的栅极连接y2端,NMOS管Mp2的栅极连接x2端,NMOS管Mp3的源极接地,NMOS管Mp3的栅极连接偏置电压Vp1。
作为一种优选方式:第三辅助运放BN电路与第四辅助运放BN电路结构相同,BN电路中,NMOS管MB7的栅极、NMOS管MB8的栅极连接到偏置电压Vb3,NMOS管MB7的源极、NMOS管MB8的源极连接到NMOS管MB9的漏极,NMOS管MB9的源极接地,NMOS管MB9的栅极连接偏置电压Vb4,NMOS管MB7的漏极、NMOS管MB2的源极连接x1端,NMOS管MB8的漏极、NMOS管MB1的源极连接y1端,NMOS管MB2的漏极、PMOS管MB3的漏极连接z1端,NMOS管MB1的漏极、PMOS管MB1的栅极连接,PMOS管MB3的栅极、PMOS管MB4的栅极连接偏置电压Vb2,PMOS管MB3的源极、PMOS管MB5的漏极连接,PMOS管MB4的源极、PMOS管MB6的漏极连接,PMOS管MB5的栅极、PMOS管MB6的栅极连接到偏置电压Vb1,PMOS管MB5的源极、PMOS管MB6的源极连接电源VDD。
本发明的有益效果是:本法在提高输出摆幅的同时,减小信号主通路上的寄生电容,提高整个运放的电路速度。将该运算放大器应用于视频处理的ADC中,可提高ADC的速度,满足视频处理的要求,并具有低功耗,动态范围大等特点。
附图说明
图1是本发明的电路结构示意图;
图2是本发明的第一辅助运放BP电路结构示意图;
图3是本发明的第三辅助运放BN电路结构示意图;
图4是本发明的电压共模反馈电路图(CMFB);
图5是本发明的整个运放建立时间的波形图;
图6是本发明整个运放的增益相位波特图;
图7是本发明采样保持电路的输出信号频谱图。
具体实施方式
本说明书所附图式所绘示的结构、大小和比例等,均仅用以配合说明书所揭示的内容,以供熟悉此技术的人士阅读和理解,并非用来限定本发明可以实施的限定条件,因此不具有技术上的实质意义,任何结构的修饰、大小的改变和比例关系的调整,在不影响本发明所能产生的功效以及本发明所能实现的目的的前提条件下,均应仍落在本发明所揭示的技术内容所能涵盖的范围内。另外,本说明书中所引用的诸如“上”、“下”、“左”、“右”以及“一”等用语,也仅仅是为了便于叙述的明了,而不是用来限定本发明可以实施的范围,其相对关系的调整或更改在无实质变更技术内容的前提下,应当也视为本发明可以实施的范畴。本发明中所有标注相同的节点代表同一个节点。
本发明主体采用折叠式增益提高结构。BN和BP为辅助运放,其中BN为电流型辅助运放,BP采用传统的折叠式共源共栅结构。电流共模反馈电路接于主运放的M1与M2的漏极,通过调节主运放支路电流对输出信号的共模电平进行调节。CMFB为电压共模反馈电路,接于电流共模反馈的M9与M10的栅极检测输出信号共模电平。
如图1所示,一种流水线ADC中宽带电流型运算放大器,NMOS管M1的栅极、NMOS管M2的栅极连接到偏置电压Vb3,NMOS管M1的源极、NMOS管M2的源极连接到NMOS管M13的漏极,NMOS管M13的源极接地,NMOS管M13的栅极连接偏置电压Vb2,NMOS管M1的漏极、NMOS管M3的源极连接第一辅助运放BP的y2端、控制电流I1端,NMOS管M2的漏极、NMOS管M4的源极连接第二辅助运放BP的y2端和控制电流I2端,第一辅助运放BP的x2端接于所述第二辅助运放BP的x2端,NMOS管M3的栅极连接第一辅助运放BP的z2端,NMOS管M4的栅极连接第二辅助运放BP的z2端,NMOS管M3的漏极、PMOS管M5的漏极连接到输出信号Vop,NMOS管M4的漏极、PMOS管M6的漏极连接到输出信号Von,PMOS管M5的栅极连接到第三辅助运放BN的z1端,PMOS管M6的栅极连接到第四辅助运放BN的z1端,PMOS管M5的源极、PMOS管M7的漏极、NMOS管M15的漏极连接到第三辅助BN的y1端,PMOS管M6的源极、PMOS管M8的漏极、NMOS管M14的漏极连接到第四辅助BN的y1端,第三辅助BN的x1端连接第四辅助BN的x1端,PMOS管M7的栅极、PMOS管M8的栅极连接到偏置电压Vb1,PMOS管M7的源极、PMOS管M8的源极连接电源VDD,NMOS管M14的源极、NMOS管M15的源极连接NMOS管M16的漏极,NMOS管M14的栅极连接输入信号Vin,NMOS管M15的栅极连接输入信号Vip,NMOS管M16的源极接地,NMOS管M16的栅极连接偏置电压Vb4,控制电流I1端和控制电流I2端连接到电流共模反馈电路,电流共模反馈电路连接电压共模反馈电路CMFB,电压共模反馈电路CMFB连接到输出信号Vop和输出信号Vop。所述电流共模反馈电路中,NMOS管M9的源极、NMOS管M10的源极接地,NMOS管M9的栅极、NMOS管M9的栅极连接电压共模反馈电路CMFB的VCM端,NMOS管M9的漏极、PMOS管M11的漏极连接到控制电流I1端,NMOS管M10的漏极、PMOS管M12的漏极连接到控制电流I2端,PMOS管M11的源极、PMOS管M12的源极连接电源VDD,PMOS管M11的栅极、PMOS管M12的栅极连接到偏置电压Vb5。
如图2所示,第一辅助运放BP电路与第二辅助运放BP电路结构相同,BP电路中,NMOS管Mp10的栅极、NMOS管Mp11的栅极连接到偏置电压Vp5,NMOS管Mp10的源极、NMOS管Mp11的源极连接到NMOS管Mp12的漏极,NMOS管Mp12的源极接地,NMOS管Mp12的栅极连接偏置电压Vp6,NMOS管Mp10的漏极、NMOS管Mp8的源极连接,NMOS管Mp11的漏极、NMOS管Mp9的源极连接,NMOS管Mp8的栅极、NMOS管Mp9的栅极连接偏置电压Vp4,NMOS管Mp8的漏极、PMOS管Mp6的漏极连接,NMOS管Mp9的漏极、PMOS管Mp7的漏极连接到z2端,PMOS管Mp6的栅极、PMOS管Mp7的栅极连接偏置电压Vp3,PMOS管Mp6的源极、PMOS管Mp4的漏极、NMOS管Mp3的漏极连接,PMOS管Mp7的源极、PMOS管Mp5的漏极、NMOS管Mp1的漏极连接,PMOS管Mp4的栅极、PMOS管Mp5的栅极连接到偏置电压Vp2,PMOS管Mp4的源极、PMOS管Mp5的源极连接电源VDD,NMOS管Mp1的源极、NMOS管Mp2的源极连接NMOS管Mp3的漏极,NMOS管Mp1的栅极连接y2端,NMOS管Mp2的栅极连接x2端,NMOS管Mp3的源极接地,NMOS管Mp3的栅极连接偏置电压Vp1。
如图3所示,第三辅助运放BN电路与第四辅助运放BN电路结构相同,BN电路中,NMOS管MB7的栅极、NMOS管MB8的栅极连接到偏置电压Vb3,NMOS管MB7的源极、NMOS管MB8的源极连接到NMOS管MB9的漏极,NMOS管MB9的源极接地,NMOS管MB9的栅极连接偏置电压Vb4,NMOS管MB7的漏极、NMOS管MB2的源极连接x1端,NMOS管MB8的漏极、NMOS管MB1的源极连接y1端,NMOS管MB2的漏极、PMOS管MB3的漏极连接z1端,NMOS管MB1的漏极、PMOS管MB1的栅极连接,PMOS管MB3的栅极、PMOS管MB4的栅极连接偏置电压Vb2,PMOS管MB3的源极、PMOS管MB5的漏极连接,PMOS管MB4的源极、PMOS管MB6的漏极连接,PMOS管MB5的栅极、PMOS管MB6的栅极连接到偏置电压Vb1,PMOS管MB5的源极、PMOS管MB6的源极连接电源VDD。所述辅助运放BN的x1端的输入信号ix1用于稳定输出端z1的共模电平。利用y1点输入阻抗无穷大,输入电流为0,以及该电路输出阻抗较大等特性,将其作为辅助运放应用在增益提高型运放中。另外,NMOS管MB1的栅漏短路,使得信号在从y1点向z1点传递时少了栅极与漏极之间的寄生电容的影响,从而增加了整个运放的带宽。
如图4所示,所述电压共模反馈电路(CMFB)采用开关电容电路的结构。包括电容C1、C2、C3、C4,开关S1、S2、S3、S4、S5、S6,偏置电压Vb3,标准共模电压Vinc,输入信号Vop、Von,输出信号VCM,电容C1的上端与开关S1的左端相连,电容C1的下端与开关S3的左端相连,电容C3的上端与电容C1的下端相连,电容C3的下端与开关S5的左端相连,电容C2的上端与开关S1的右端相连,电容C2的下端与开关S3的右端相连,电容C4的上端与开关S3的右端相连,电容C4的下端与开关S5的右端相连,开关S2的左端和右端分别接电容C2的上端和标准共模电压Vinc,开关S4的左端和右端分别接电容C2的下端和输出信号VCM,开关S6的左端和右端分别接电容C4的下端和标准共模电压Vinc,输入信号Vop位于电容C1的上端,偏置电压Vb3位于电容C1的下端,输入信号Von位于电容C3的下端。所述CMFB电路检测输出共模电平,再利用电流共模反馈电路将两个控制电流I1、I2分别反馈回主运放的M1与M2的漏极,从而起到调节输出共模电平的作用。当输出端共模电平符合设计要求时,I1≈I2≈0,M11的源漏电流和M9相等,即IS11=IS9,同理IS12=IS10。当共模电平偏移设计值+Δv时,CMFB的输出VCM电压升高,则IS9>IS11,小信号电流从主运放M3和M4管的源极流向电流共模反馈电路,则vy2电压下降,辅助运放BP的负反馈作用使共模电平下降;反之,共模电平偏移-Δv时,vy2电压上升,则共模电平上升。
本发明中电流增益ABi,电压增益ABv以及输出阻抗Rout如下各式:
Rout≈[1+gmB2rb2]rOB2□rb1≈rb1
其中,rb1和rb2分别为与MB2相连接的PMOS电流源和NMOS电流源的等效输出阻抗。Rx是辅助运放BN的x1端的输出阻抗,可以看出x1端的输出阻抗较小。所述电流型运算放大器的总增益Av为:
Av=AMABv
AM≈gm1[(gm3rO3rO1)□(gm5rO5rO7)]
其中AM为主运放的开环增益。
第1非主极点可推导得:
从该式可以看出,整个运放的第1非主极点受到主运放的第1非主极点和辅助运放BN的单位增益带宽的影响。辅助运放BN的单位增益带宽越大,P2的频率受辅助运放的影响越小。若辅助运放采用以PMOS管做输入管的折叠式共源共栅的运放结构,则单位增益带宽可近似的写为:gmin/Cout,其中gmin为输入管的跨导,Cout为辅助运放输出端的等效电容。通常NMOS管的跨导比PMOS管的大,所以在输出端口等效电容相等的情况下,(gmB2/CB2)>(gmin/Cout)。这表明采用的辅助运放的结构较传统的折叠式共源共栅的结构,在相同负载下,对主运放第1非主极点的影响较小。
在电路仿真实验中,选择ADC的采样频率为160MHz时,采样保持周期为6.25ns,其中采样和保持的过程各占3.125ns。当采保电路输入幅值为1V的阶跃信号时,在采样期间非线性转换时间和运放的建立时间波形如图5所示,从图可以看出,经过1.83ns的转换和建立时间,输出信号基本稳定。
整个运放的增益相位波特图如图6所示,运放的增益为83.19dB,单位增益带宽为1.6GHz,相位裕度为61.6deg。在输入正弦信号为63.68MHz时,采样保持电路的输出信号频谱图如图7所示,可以计算得:SNR=66.92dB,ENOB=10.82bit。
综上所述,转换速率的实验值与估算值接近,该运放的增益与带宽均符合本芯片的设计要求,采保电路的动态性能满足ADC的要求,本设计的运放单位增益带宽和转换速率较大,具有较好的频率特性。所以,本发明具有较强的实用价值。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效,而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神和技术思想下,对上述实施例进行修饰或改变。因此,举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神和技术思想下所完成的一切等效修饰或改变,仍应由本发明的权利要求所涵盖。
Claims (4)
1.一种流水线ADC中宽带电流型运算放大器,其特征在于:NMOS管M1的栅极、NMOS管M2的栅极连接到偏置电压V b3,NMOS管M1的源极、NMOS管M2的源极连接到NMOS管M13的漏极,NMOS管M13的源极接地,NMOS管M13的栅极连接偏置电压V b2,NMOS管M1的漏极、NMOS管M3的源极连接第一辅助运放BP的y2端、控制电流I1端,NMOS管M2的漏极、NMOS管M4的源极连接第二辅助运放BP的y2端和控制电流I2端,第一辅助运放BP的x2端接于所述第二辅助运放BP的x2端,NMOS管M3的栅极连接第一辅助运放BP的z2端,NMOS管M4的栅极连接第二辅助运放BP的z2端,NMOS管M3的漏极、PMOS管M5的漏极连接到输出信号V op ,NMOS管M4的漏极、PMOS管M6的漏极连接到输出信号V on ,PMOS管M5的栅极连接到第三辅助运放BN的z1端,PMOS管M6的栅极连接到第四辅助运放BN的z1端,PMOS管M5的源极、PMOS管M7的漏极、NMOS管M15的漏极连接到第三辅助BN的y1端,PMOS管M6的源极、PMOS管M8的漏极、NMOS管M14的漏极连接到第四辅助BN的y1端,第三辅助BN的x1端连接第四辅助BN的x1端,PMOS管M7的栅极、PMOS管M8的栅极连接到偏置电压V b1,PMOS管M7的源极、PMOS管M8的源极连接电源VDD,NMOS管M14的源极、NMOS管M15的源极连接NMOS管M16的漏极,NMOS管M14的栅极连接输入信号V in ,NMOS管M15的栅极连接输入信号V ip ,NMOS管M16的源极接地,NMOS管M16的栅极连接偏置电压V b4,控制电流I1端和控制电流I2端连接到电流共模反馈电路,电流共模反馈电路连接电压共模反馈电路CMFB,电压共模反馈电路CMFB连接到输出信号V op 和输出信号V op 。
2.根据权利要求1所述的一种流水线ADC中宽带电流型运算放大器,其特征在于:所述电流共模反馈电路中,NMOS管M9的源极、NMOS管M10的源极接地,NMOS管M9的栅极、NMOS管M9的栅极连接电压共模反馈电路CMFB的VCM端,NMOS管M9的漏极、PMOS管M11的漏极连接到控制电流I1端,NMOS管M10的漏极、PMOS管M12的漏极连接到控制电流I2端,PMOS管M11的源极、PMOS管M12的源极连接电源VDD,PMOS管M11的栅极、PMOS管M12的栅极连接到偏置电压V b5。
3.根据权利要求1所述的一种流水线ADC中宽带电流型运算放大器,其特征在于:第一辅助运放BP电路与第二辅助运放BP电路结构相同,BP电路中,NMOS管Mp10的栅极、NMOS管Mp11的栅极连接到偏置电压V p5 ,NMOS管Mp10的源极、NMOS管Mp11的源极连接到NMOS管Mp12的漏极,NMOS管Mp12的源极接地,NMOS管Mp12的栅极连接偏置电压V p6 ,NMOS管Mp10的漏极、NMOS管Mp8的源极连接,NMOS管Mp11的漏极、NMOS管Mp9的源极连接,NMOS管Mp8的栅极、NMOS管Mp9的栅极连接偏置电压V p4 ,NMOS管Mp8的漏极、PMOS管Mp6的漏极连接,NMOS管Mp9的漏极、PMOS管Mp7的漏极连接到z2端,PMOS管Mp6的栅极、PMOS管Mp7的栅极连接偏置电压V p3 ,PMOS管Mp6的源极、PMOS管Mp4的漏极、NMOS管Mp3的漏极连接,PMOS管Mp7的源极、PMOS管Mp5的漏极、NMOS管Mp1的漏极连接,PMOS管Mp4的栅极、PMOS管Mp5的栅极连接到偏置电压V p2 ,PMOS管Mp4的源极、PMOS管Mp5的源极连接电源VDD,NMOS管Mp1的源极、NMOS管Mp2的源极连接NMOS管Mp3的漏极,NMOS管Mp1的栅极连接y2端,NMOS管Mp2的栅极连接x2端,NMOS管Mp3的源极接地,NMOS管Mp3的栅极连接偏置电压V p1 。
4.根据权利要求1所述的一种流水线ADC中宽带电流型运算放大器,其特征在于:第三辅助运放BN电路与第四辅助运放BN电路结构相同,BN电路中,NMOS管MB7的栅极、NMOS管MB8的栅极连接到偏置电压V b3 ,NMOS管MB7的源极、NMOS管MB8的源极连接到NMOS管MB9的漏极,NMOS管MB9的源极接地,NMOS管MB9的栅极连接偏置电压V b4 ,NMOS管MB7的漏极、NMOS管MB2的源极连接x1端,NMOS管MB8的漏极、NMOS管MB1的源极连接y1端,NMOS管MB2的漏极、PMOS管MB3的漏极连接z1端,NMOS管MB1的漏极、PMOS管MB1的栅极连接,PMOS管MB3的栅极、PMOS管MB4的栅极连接偏置电压V b2 ,PMOS管MB3的源极、PMOS管MB5的漏极连接,PMOS管MB4的源极、PMOS管MB6的漏极连接,PMOS管MB5的栅极、PMOS管MB6的栅极连接到偏置电压V b1 ,PMOS管MB5的源极、PMOS管MB6的源极连接电源VDD。
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