CN105007046B - 极低电压连续时间自调零纳瓦功耗跨导放大器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种极低电压连续时间自调零纳瓦功耗跨导放大器，包括：主放大器，主放大器包括输入差分对、反馈差分对、交叉耦合跨导增强结构和Cascode阻抗级；辅助放大器，辅助放大器包括输入差分对、反馈差分对和Cascode阻抗级，用于在自身失调消除后压制所述主放大器的失调；采样电容和低压开关，采样电容和低压开关用于对辅助放大器的失调进行采样和补偿。该放大器解决了极低电压纳瓦功耗放大器的失调和1/f噪声的问题，其工作电压可以低至0.5V，功耗可以低至100nW以下。本发明放大器在生物芯片，医疗电子和物联网等领域具有广阔的应用前景。

Description

极低电压连续时间自调零纳瓦功耗跨导放大器

技术领域

本发明涉及模拟集成电路设计技术领域，特别涉及一种极低电压连续时间自调零纳瓦功耗跨导放大器。

背景技术

近年来物联网概念的提出和发展，极大地促进了传感器及其接口电路的发展。在某些特殊应用领域，如可植入式生物芯片中，传感器接口电路的功耗将是设计者首要考虑的问题。在一些设计中，人们开始使用远程供电或者能量收集技术来解决生物芯片的供电问题。由于这两种技术的限制，所能提供的供电电压不稳定且电压很低，供电功率也受到限制。人们希望生物芯片能长时间工作，这就要求传感器接口电路必须具有极低功耗且能适应极低电压环境。另一方面，半导体工艺越来越先进给模拟电路设计带来了一系列问题，譬如供电电压的降低，增益受限，信号动态范围降低，功耗问题，噪声及失调问题。

在上述应用背景下，传统的基于饱和区的模拟电路设计方法将不再适用。因为传统的饱和区设计方法，MOS管需要一定电压才能开启，而在低压环境下MOS管很难开启并提供一定电压动态范围；另一方面，饱和区的设计电流一般在μA级别，这样的功耗不符合可植入式生物芯片的要求。

为了解决上述问题，近几年学术界出现了采用衬底驱动和亚阈值设计技术相结合的方法进行放大器设计，这种放大器称为极低电压纳瓦功耗放大器。这种放大器通过衬底驱动技术保证MOS管恒定开启，通过亚阈值设计技术保证放大器功耗在纳瓦量级。但是这种放大器存在严重的低频噪声和失调问题。极低电压纳瓦功耗放大器一般处理的信号带宽为几十至上百Hz，而在这样的低频下，基于CMOS工艺的放大器有很大的1/f噪声。一般1/f噪声的拐点在1kHz左右，在几十Hz处的噪底可以达到几μV/sqrt(Hz)，而失调电压可以达到10mV量级。过大的1/f噪声会导致电路的信噪比下降，考虑到噪声优化，为了达到一定的信噪比，放大器的功耗会迅速上升。所以无论从电路精度还是功耗来说，纳瓦功耗放大器的1/f噪声是设计者不得不面对的一个重点和难点问题。

图1是相关技术中的纳瓦功耗放大器的电路图，相关技术中的纳瓦功耗放大器存在以下不足：

1、1/f噪声过大，一般1/f噪声的拐点在1kHz左右，在几十Hz处的噪底可以达到几μV/sqrt(Hz)，严重影响电路精度。

2、失调电压大，影响电路精度。

3、1/f噪声高导致噪声优化困难，从而使得一定信噪比下放大器功耗增大。

发明内容

本发明的目的旨在至少解决上述的技术缺陷之一。

为此，本发明的目的在于提出一种极低电压连续时间自调零纳瓦功耗跨导放大器。该放大器解决了极低电压纳瓦功耗放大器的失调和1/f噪声的问题，其工作电压可以低至0.5V，功耗可以低至100nW以下。本发明放大器在生物芯片，医疗电子和物联网等领域具有广阔的应用前景。

为了实现上述目的，本发明公开了一种极低电压连续时间自调零纳瓦功耗跨导放大器，包括：主放大器，所述主放大器包括输入差分对、反馈差分对、交叉耦合跨导增强结构和Cascode阻抗级；辅助放大器，所述辅助放大器包括输入差分对、反馈差分对和Cascode阻抗级，用于在自身失调消除后压制所述主放大器的失调；以及采样电容和低压开关，所述采样电容通过所述低压开关与所述辅助放大器相连，所述采样电容和低压开关用于对所述辅助放大器的失调进行采样，并且根据所述采样电容采样的采样结果对所述辅助放大器的失调进行补偿，以使消除失调后的所述辅助放大器压制所述主放大器的失调。

另外，根据本发明上述实施例的极低电压连续时间自调零纳瓦功耗跨导放大器还可以具有如下附加的技术特征：

在一些示例中，所述主放大器的输入差分对由PMOS管M1和M2组成，所述M1和M2的栅极与负电源VSS相连，所述主放大器的反馈差分对由另外的PMOS管M3和M4构成，所述主放大器的交叉耦合跨导增强结构包括其分流作用的NMOS管M5和M6，连接成正反馈的形式以增强等效跨导，所述主放大器的交叉耦合跨导增强结构的电流镜由开关管M9和M10以及开关管M15和M16组成，输入信号和反馈信号经过所述输入差分对和所述反馈差分对转化成小信号电流，所述小信号电流经过正反馈结构放大，然后被所述电流镜复制和第二次放大，所述主放大器的Cascode阻抗级由开关管M7、M9、M11、M12以及开关管M14、M16、M17和M18组成，用于提供高输出阻抗。

在一些示例中，所述辅助放大器的输入差分对由PMOS管M21和M22组成，所述M21和M22的栅极与所述负电源VSS相连，所述辅助放大器的反馈差分对由PMOS管M23和M24构成，所述辅助放大器的Cascode阻抗级由开关管M25、M27、M29和M31以及开关管M26、M28、M30和M32构成，用于提供高输出阻抗。

在一些示例中，在时钟周期CLK1时，所述辅助放大器输入端短接，失调电压由所述采样电容的C2采样。在时钟周期CLK2时，所述C2上的失调电压被保持并反馈至所述辅助放大器，以消除所述辅助放大器的失调影响，然后将消除失调后的所述辅助放大器接入信号通路中，以压制所述主放大器的失调并且由所述采样电容的C1采样，在整个时钟内所述C1上的失调被保持，以消除所述主放大器的失调影响。

在一些示例中，所述主放大器的输入差分对为衬底驱动输入差分对、所述反馈差分对为衬底驱动反馈差分对，所述辅助放大器的输入差分对为衬底驱动输入差分对、所述反馈差分对为衬底驱动反馈差分对。

在一些示例中，所述PMOS管M1、M2、M3和M4尺寸大小一致，所述PMOS管M21、M22、M23和M24尺寸大小一致。

在一些示例中，所述主放大器和所述辅助放大器均工作在亚阈值区。

在一些示例中，所述低压开关为低压轨到轨开关。

根据本发明实施例的极低电压连续时间自调零纳瓦功耗跨导放大器，具有以下优点：

1、1/f噪声几乎被完全消除，具有很低的低频噪底；

2、失调电压能从10mV量级压制到几十μV；

3、同等信噪比下，因为1/f噪声被压制，使得所需功耗大大减小；

4、采用标准CMOS工艺实现，易于集成，成本低。

本发明附加的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

本发明上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中，

图1为传统的极低电压纳瓦功耗跨导放大器的电路图；

图2为根据本发明一个实施例的极低电压连续时间自调零纳瓦功耗跨导放大器的电路图；

图3为传统极低电压纳瓦功耗跨导放大器与本发明实施例的极低电压连续时间自调零纳瓦功耗跨导放大器的等效输入噪声对比图；以及

图4为传统极低电压纳瓦功耗跨导放大器与本发明实施例的极低电压连续时间自调零纳瓦功耗跨导放大器的失调电压对比图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，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，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”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。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；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。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

以下结合附图描述根据本发明实施例的极低电压连续时间自调零纳瓦功耗跨导放大器。

图2为根据本发明一个实施例的极低电压连续时间自调零纳瓦功耗跨导放大器的电路图。如图2所示，根据本发明一个实施例的极低电压连续时间自调零纳瓦功耗跨导放大器，包括：主放大器110、辅助放大器120、采样电容130和低压开关140。其中，低压开关140为低压轨到轨开关。

其中，主放大器110包括输入差分对、反馈差分对、交叉耦合跨导增强结构和Cascode阻抗级。辅助放大器120包括输入差分对、反馈差分对和Cascode阻抗级，用于在自身失调消除后压制主放大器110的失调。采样电容130通过低压开关140与辅助放大器120相连，采样电容130和低压开关140用于对辅助放大器120的失调进行采样，并且根据采样电容130采样的采样结果对辅助放大器120的失调进行补偿，以使消除失调后的辅助放大器120压制主放大器110的失调。

在本发明的一个实施例中，主放大器110的输入差分对为衬底驱动输入差分对、反馈差分对为衬底驱动反馈差分对，辅助放大器120的输入差分对为衬底驱动输入差分对、反馈差分对为衬底驱动反馈差分对。

结合图2所示，主放大器110的输入差分对由PMOS管M1和M2组成，所述M1和M2的栅极与负电源VSS相连，主放大器110的反馈差分对由另外的PMOS管M3和M4构成，主放大器110的交叉耦合跨导增强结构包括其分流作用的NMOS管M5和M6，连接成正反馈的形式以增强等效跨导，主放大器110的交叉耦合跨导增强结构的电流镜由开关管M9和M10以及开关管M15和M16组成，输入信号和反馈信号经过输入差分对和反馈差分对转化成小信号电流，小信号电流经过正反馈结构放大，然后被电流镜复制和第二次放大，主放大器110的Cascode阻抗级由开关管M7、M9、M11、M12以及开关管M14、M16、M17和M18组成，用于提供高输出阻抗。

也就是说，所述极低压纳瓦功耗主放大器，其输入信号差分对由PMOS管M1和M2组成，采用衬底驱动以保证管子在低压下开启，M1和M2的栅极与负电源VSS相连；另一组PMOS管M3和M4构成反馈信号差分对，同样采用衬底驱动方式；NMOS管M5和M6起分流作用，连接成正反馈的形式以增强等效跨导；M9和M10，M15和M16是电流镜，输入信号和反馈信号经过输入信号差分对和反馈信号差分对转化成小信号电流，小信号电流经过正反馈结构放大，然后被电流镜复制和第二次放大；M7，M9，M11，M12以及M14，M16，M17，M18是cascode阻抗级，cascode结构提供高输出阻抗。

结合图2所示，辅助放大器120的输入差分对由PMOS管M21和M22组成，M21和M22的栅极与负电源VSS相连，辅助放大器120的反馈差分对由PMOS管M23和M24构成，辅助放大器120的Cascode阻抗级由开关管M25、M27、M29和M31以及开关管M26、M28、M30和M32构成，用于提供高输出阻抗。

也就是说，所述极低压纳瓦功耗辅助放大器，其输入信号差分对由PMOS管M21和M22组成，采用衬底驱动以保证管子在低压下开启，M21和M22的栅极与负电源VSS相连；另一组PMOS管M23和M24构成反馈信号差分对，同样采用衬底驱动方式；M25，M27，M29，M31以及M26，M28，M30，M32是cascode阻抗级，cascode结构提供高输出阻抗。

基于上述的主放大器110、辅助放大器120的结构，以及主放大器110、辅助放大器120、采样电容130和低压开关140之间的关系，在时钟周期CLK1时，辅助放大器120输入端(即S2接通采样电容130的C2，S1接通VP)短接，失调电压由采样电容的C2采样。在时钟周期CLK2时，C2上的失调电压被保持并反馈至辅助放大器120，以消除辅助放大器120的失调影响，然后将消除失调后的辅助放大器120接入信号通路中，以压制主放大器110的失调并且由采样电容130的C1采样，在整个时钟内C1上的失调被保持，以消除主放大器110的失调影响。

也就是说，所述极低电压连续时间自调零纳瓦功耗跨导放大器，在时钟周期CLK1时辅助放大器输入端短接(S2接通C2，S1接通VP)，此时失调电压被C2采样。在时钟周期CLK2时，C2上的失调电压被保持并反馈至辅助放大器，消除辅助放大器的失调影响；此时消除失调后的辅助放大器接入信号通路中，压制主放大器的失调并且采样至C1。整个时钟内C1上的失调将被保持，以消除主放大器的失调影响。

在本发明的一个实施例中，PMOS管M1、M2、M3和M4尺寸大小一致，所述PMOS管M21、M22、M23和M24尺寸大小一致。

在本发明的一个实施例中，主放大器110和辅助放大器120均工作在亚阈值区。

结合图3和图4所示，极低电压连续时间自调零纳瓦功耗跨导放大器，采用标准180nm CMOS工艺设计，其工作电压为0.5V，消耗功耗52nW。图3是传统极低电压纳瓦功耗跨导放大器与本发明的极低电压连续时间自调零纳瓦功耗跨导放大器的等效输入噪声对比图，根据仿真结果可知，本发明实施例的放大器几乎可以完全消除低频1/f噪声，噪底低至24.6nV/sqrt(Hz)。图4是传统极低电压纳瓦功耗跨导放大器与本发明的极低电压连续时间自调零纳瓦功耗跨导放大器的失调电压对比图。根据图4可以看出，原始放大器的失调标准偏差为4.7mV，失调为14.1mV；本发明实施例的放大器的失调标准偏差为22.4μV，失调为67.2μV，失调电压被压制了210倍。

根据本发明实施例的极低电压连续时间自调零纳瓦功耗跨导放大器，具有以下优点：

1、1/f噪声几乎被完全消除，具有很低的低频噪底；

2、失调电压能从10mV量级压制到几十μV；

3、同等信噪比下，因为1/f噪声被压制，使得所需功耗大大减小；

4、采用标准CMOS工艺实现，易于集成，成本低。

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不脱离本发明的原理和宗旨的情况下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 (7)

1.一种极低电压连续时间自调零纳瓦功耗跨导放大器，其特征在于，包括：

主放大器，所述主放大器包括输入差分对、反馈差分对、交叉耦合跨导增强结构和Cascode阻抗级，所述主放大器的输入差分对为衬底驱动输入差分对、所述主放大器的反馈差分对为衬底驱动反馈差分对；

辅助放大器，所述辅助放大器包括输入差分对、反馈差分对和Cascode阻抗级，用于在自身失调消除后压制所述主放大器的失调，所述辅助放大器的输入差分对为衬底驱动输入差分对、所述辅助放大器的反馈差分对为衬底驱动反馈差分对；以及

采样电容和低压开关，所述采样电容通过所述低压开关与所述辅助放大器相连，所述采样电容和低压开关用于对所述辅助放大器的失调进行采样，并且根据所述采样电容采样的采样结果对所述辅助放大器的失调进行补偿，以使消除失调后的所述辅助放大器压制所述主放大器的失调。

2.根据权利要求1所述的极低电压连续时间自调零纳瓦功耗跨导放大器，其特征在于，所述主放大器的输入差分对由PMOS管M1和M2组成，所述M1和M2的栅极与负电源VSS相连，所述主放大器的反馈差分对由另外的PMOS管M3和M4构成，所述主放大器的交叉耦合跨导增强结构包括起 分流作用的NMOS管M5和M6，连接成正反馈的形式以增强等效跨导，所述主放大器的交叉耦合跨导增强结构的电流镜由开关管M9和M10以及开关管M15和M16组成，输入信号和反馈信号经过所述输入差分对和所述反馈差分对转化成小信号电流，所述小信号电流经过正反馈结构放大，然后被所述电流镜复制和第二次放大，所述主放大器的Cascode阻抗级由开关管M7、M9、M11、M12以及开关管M14、M16、M17和M18组成，用于提供高输出阻抗。

3.根据权利要求2所述的极低电压连续时间自调零纳瓦功耗跨导放大器，其特征在于，所述辅助放大器的输入差分对由PMOS管M21和M22组成，所述M21和M22的栅极与所述负电源VSS相连，所述辅助放大器的反馈差分对由PMOS管M23和M24构成，所述辅助放大器的Cascode阻抗级由开关管M25、M27、M29和M31以及开关管M26、M28、M30和M32构成，用于提供高输出阻抗。

4.根据权利要求3所述的极低电压连续时间自调零纳瓦功耗跨导放大器，其特征在于，在时钟周期CLK1时，所述辅助放大器输入端短接，失调电压由所述采样电容的电容C2采样，在时钟周期CLK2时，所述C2上的失调电压被保持并反馈至所述辅助放大器，以消除所述辅助放大器的失调影响，然后将消除失调后的所述辅助放大器接入信号通路中，以压制所述主放大器的失调并且由所述采样电容的电容C1采样，在整个时钟内所述C1上的失调被保持，以消除所述主放大器的失调影响。

5.根据权利要求3所述的极低电压连续时间自调零纳瓦功耗跨导放大器，其特征在于，所述PMOS管M1、M2、M3和M4尺寸大小一致，所述PMOS管M21、M22、M23和M24尺寸大小一致。

6.根据权利要求1所述的极低电压连续时间自调零纳瓦功耗跨导放大器，其特征在于，所述主放大器和所述辅助放大器均工作在亚阈值区。

7.根据权利要求1所述的极低电压连续时间自调零纳瓦功耗跨导放大器，其特征在于，所述低压开关为低压轨到轨开关。