CN105162424A - 一种低功耗线性跨导误差放大器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种低功耗线性跨导误差放大器，其包括偏置电路模块和采用局部源级负反馈的二级主运放模块，偏置电路模块包含嵌位OPA运算放大器、PMOS管Mp4、PMOS管Mp8和NMOS管Mn5；采用局部源级负反馈的二级主运放模块包括PMOS管Mp1、PMOS管Mp2、PMOS管Mp3、PMOS管Mp5、PMOS管Mp6、PMOS管Mp9、NMOS管Mn1、NMOS管Mn2、NMOS管Mn3、NMOS管Mn4、电阻R1、电阻R2、电阻RS和米勒电容C1。本发明公开的误差放大器具有以下有益效果：采用局部源级负反馈技术实现线性跨导；整个线性跨导误差放大器在亚阈值区工作减小静态电流，实现低功耗工作。

Description

一种低功耗线性跨导误差放大器

技术领域

本发明属于微电子技术领域中，特别涉及一种低功耗线性跨导误差放大器。

背景技术

DC/DC转换器中误差放大器作为电压环路重要的组成部分，其主要作用是完成整个电压环路的补偿，对于一个低功耗的DC-DC转换器来说，误差放大器的低功耗实现也就显得特别重要。

传统的误差放大器电路如图1所示，其是简单的采用米勒补偿的二级运放，对于一个输出电压做电源的运算放大器来说，其由于电源的变化范围较大会导致其在不同的电源电压下静态电流Iq变化大且由于其工作在饱和区，无法实现低功耗。

发明内容

本发明的目的在于克服上述静态电流大且随电源电压的变化而变化的不足，提出一种低功耗线性跨导误差放大器，满足DC-DC转换器的低功耗应用要求。

技术方案：一种低功耗线性跨导误差放大器，包括偏置电路模块和采用局部源级负反馈的二级主运放模块，

偏置电路模块包含嵌位OPA运算放大器、PMOS管Mp4、PMOS管Mp8和NMOS管Mn5，嵌位OPA运算放大器的正向输入端外接偏置电压V_bias，嵌位OPA运算放大器的反向输入端外接PMOS管Mp8的栅极；NMOS管Mn5的栅极连接嵌位OPA运算放大器的输出端，NMOS管Mn5的源级连接PMOS管Mp8的源级，NMOS管Mn5的漏极连接PMOS管Mp4的漏极，PMOS管Mp8的漏极接地；

采用局部源级负反馈的二级主运放模块包括PMOS管Mp1、PMOS管Mp2、PMOS管Mp3、PMOS管Mp5、PMOS管Mp6、PMOS管Mp9、NMOS管Mn1、NMOS管Mn2、NMOS管Mn3、NMOS管Mn4、电阻R1、电阻R2、电阻RS和米勒电容C1，PMOS管Mp3的栅极连接PMOS管Mp4的栅极，PMOS管Mp3的源级连接电源，PMOS管Mp3的漏极分别连接输入管PMOS管Mp1、电阻RS一端，电阻RS的另一端连接PMOS管Mp2的源级，PMOS管Mp1栅极作为整个误差放大器的正向输入端，PMOS管Mp2的栅极作为整个误差放大器的反向输入端，

PMOS管Mp1的漏极连接NMOS管Mn1的漏极且作为嵌位OPA运算放大器的反向输入端，PMOS管Mp2的漏极连接NMOS管Mn2的漏极，NMOS管Mn1的栅极连接NMOS管Mn2的栅极且作为嵌位OPA运算放大器的正向输入端，NMOS管Mn2的漏极作为第一级的输出连接至NMOS管Mn3的栅极，NMOS管Mn3的源级接电阻R1的一端，电阻R1的另一端接地，NMOS管Mn3的漏极反馈连接回输入管PMOS管Mp2的源级形成局部源级负反馈结构。

作为本发明中一种低功耗线性跨导误差放大器的一种优选方案：嵌位OPA运算放大器包括PMOS管Mp7、PMOS管Mp8、NMOS管Mn5、NMOS管Mn6、NMOS管Mn7以及负载电容C,

PMOS管Mp7的源极、PMOS管Mp8的源极分别与电源相连，PMOS管Mp7的栅漏与PMOS管Mp8的栅极相连，NMOS管Mn5的漏极与PMOS管Mp7的漏极相连，NMOS管Mn6的漏极连接至PMOS管Mp8的漏极，NMOS管Mn5的栅极和NMOS管Mn6的栅极作为嵌位OPA运算放大器的输入端嵌位住NMOS管Mn1的栅漏级，NMOS管Mn5的源级和NMOS管Mn6的源级相连，NMOS管Mn7的漏极分别与NMOS管Mn5的源级、NMOS管Mn6的源级相连，NMOS管Mn7的栅极连接NMOS管Mn5的栅极，NMOS管Mn5的栅极外接外部偏置V_bias，NMOS管Mn7的源级接地,负载电容C的一端接地，负载电容C的另一端连接NMOS管Mn6的漏极。

作为本发明中一种低功耗线性跨导误差放大器的一种优选方案：第一级的输出连接第二级的输入管NMOS管Mn4的栅极，NMOS管Mn4的源级接电阻R2的一端，电阻R2的另一端接地，NMOS管Mn4的漏极连接PMOS管Mp5的栅极和PMOS管Mp6的漏极，PMOS管Mp6的漏极作为误差放大器的输出，PMOS管Mp5的源级分别连接PMOS管Mp9的漏极、PMOS管Mp6的栅极，PMOS管Mp5的漏极接地，PMOS管Mp9作为电流源，PMOS管Mp9的源级接电源，PMOS管Mp9的栅极接嵌位OPA运算放大器模块中的NMOS管Mn7的栅极，PMOS管Mp6的源级接电源，PMOS管Mp6漏极接误差放大器的输出。

有益效果：本发明公开的一种低功耗线性跨导误差放大器具有以下有益效果：

采用局部源级负反馈技术实现线性跨导，其跨导只与一个电阻有关，从而实现跨导可调；

整个线性跨导误差放大器在亚阈值区工作减小静态电流，从而减小功耗，实现整个DC-DC的低功耗甚至超低功耗工作。

附图说明

图1为传统的误差放大器电路图；

图2为本发明的公开的一种低功耗线性跨导误差放大器的电路图；

图3为嵌位OPA运算放大器的电路图；

图4为第一级输出局部源级负反馈电路的小信号电路图；

图5为第二级输出的小信号电路图；

图6为本发明的一种低功耗线性跨导误差放大器的总的增益相位仿真曲线图；

图7为本发明的一种低功耗线性跨导误差放大器第一级增益相位仿真曲线图；

图8为本发明的一种低功耗线性跨导误差放大器的共模抑制比仿真曲线图；

图9为本发明的一种低功耗线性跨导误差放大器的电源抑制比仿真曲线图；

图10为本发明的一种低功耗线性跨导误差放大器的静态电流仿真图。

具体实施方式：

下面对本发明的具体实施方式详细说明。

为了实现低功耗，使得运算放大器的负载接外部偏置V_Bias，另外为了实现电流镜的负载，使用一个运算放大器OPA嵌位NMOS管Mn1的栅漏级，避免了镜像极点，对稳定性也有一定的好处；同时在运算放大器的第一级采用局部源级负反馈，可以进一步减小静态电流Iq。

图3是嵌位OPA运算放大器的具体电路图，其是实现电路偏置的重要组成部分，偏置的原理如下：

图2中的尾电流Id3可以比表示为：

I_d3＝I₁+I₂+I₃(1)

由于Mp4和Mp3的电流镜镜像的作用，那么流过Mp4的电流为：

$I_{d4}=\frac{I_1+I_2+I_3}{4}---\left(2\right)$

而Id4的电流是Vgs5和Vgs8的函数，可表示为：

I_d4＝f(V_gs5)＝f(V_gs8)(3)

同时嵌位OPA的输出电压可以表示为

V_o＝V_gs5+V_gs8+V_bias(4)

由上式可以使嵌位OPA的输出电压与Id4达到一种自适应匹配。

同样对于嵌位OPA来说，失调电压的影响很重要，其公式如下：

$V_{OS,in}=\frac{V_{GS}-V_{TH}}{2}\[\frac{{\mathrm{\ΔR}}_D}{R_D}+\frac{\mathrm{\Δ}(W/L)}{W/L}\]-{\mathrm{\ΔV}}_{TH}---\left(5\right)$

由上式可知，减小MOS管的过驱动电压可以减小失调，可知如果MOS偏置在亚阈值区，整个运放的失调较小。所以图3中所示的嵌位OPA通过较低的偏置电压V_bias工作在亚阈值区，失调较小。

图4是图2中中间虚线方框中的小信号电路图，对于总体的电路，由于Bias电压固定，所以输入差分对管之一的PMOS管Mp1管这条支路电流保持不变，那么对于交流小信号分析，A点可以认为是交流地。其中gm1是输入管Mp2的跨导、gm2是Mn3的跨导，忽略体效应,设净输入电压Vin＝Vgs，其中gm2为输入管Mp2的跨导，gm3为反馈晶体管Mn3的跨导，由于Mp3为共源输入管，这里Vgs与Vo的相位相反。

由小信号电路图可知，Mn3的漏电流Id如下式表示(忽略沟长调制效应ro→∞)

I_d＝g_mn3V_o＝g_mn3*(-V_gs*Av)＝g_mn3*(-V_gs*g_mp2r_o2)＝-g_mn3V_gsg_mp2r_o2(6)

V_FB＝V_gs+V_o＝V_gs+(g_mn3V_gs-I_d)*R_s(7)

将(1)式代入(2)式,消去Vgs得到

$\frac{I_d}{V_{FB}}=\frac{g_{m1}{g}_{m2}{r}_{o2}}{1+(g_{m1}+g_{m1}{g}_{m2}{r}_{o2})*R_S}\≈\frac{1}{R_S}---\left(8\right)$

综上所述：

Mn3的漏电流Id由Rs唯一确定，再经过Mn4与Mn3的等比例镜像取出到输出级。

由公式(3)可以得到当Rs增加时，流过Mn3的电流Id减小，可以实现低静态电流和低功耗。

图5是图2中输出级(图2中右边虚线方框)的小信号电路图，其中gm4、gm5和gm6分别是MOS管的Mn4、Mp5和Mp6的跨导，忽略体效应和沟长调制效应，则有如下公式：

$g_{m5}(V_o-V_5)=\frac{V_5}{r_{o5}}---\left(9\right)$

由上式可得

$V_5=\frac{g_{m5}{r}_{o5}}{1+g_{m5}{r}_{o5}}\≈V_o---\left(10\right)$

另外

g_m6V₅＝-g_m4V_gs(11)

V_in＝V_gs+g_m6V_oR₂(12)

联立上面4式可得：

$A_{v2}=\frac{V_o}{V_{in}}=\frac{g_{m4}}{g_{m6}+g_{m4}{g}_{m6}{R}_2}=\frac{g_{m4}}{g_{m6}(1+g_{m4}{R}_2)}---\left(13\right)$

由于其工作在亚阈值区，gm很小，Rs也不大。

由(13)式可得：

$A_{v2}\≈\frac{1}{1+g_{m4}{R}_2}\≈1---\left(14\right)$

可知其第二级增益不高，增益主要由第一级电路提供。

整个误差放大器的总增益为

Av_all＝Av₁*Av₂≈Av₁(15)

图1为传统的两级米勒补偿的误差放大器，其工作原理是通过第一级增大增益，第二级增大摆幅，且所有的MOS管都工作在饱和区，静态电流随着电源电压的变化而变化。

图2为本发明的一种低功耗线性跨导误差放大器，其自偏置的实现是利用MOS管Mn3和Mn4组成的电流镜确定流过Mn3的漏电流，且其实Vgs5和Vgs8的函数，所以嵌位OPA运算放大器可以根据通过Mn3的漏电流实现自适应偏置；且运算工作在亚阈值区，实现了低功耗。如图2所示，一种低功耗线性跨导误差放大器，包括偏置电路模块和采用局部源级负反馈的二级主运放模块，

偏置电路模块包含嵌位OPA运算放大器、PMOS管Mp4、PMOS管Mp8和NMOS管Mn5，嵌位OPA运算放大器的正向输入端外接偏置电压V_bias，嵌位OPA运算放大器的反向输入端外接PMOS管Mp8的栅极；NMOS管Mn5的栅极连接嵌位OPA运算放大器的输出端，NMOS管Mn5的源级连接PMOS管Mp8的源级，NMOS管Mn5的漏极连接PMOS管Mp4的漏极，PMOS管Mp8的漏极接地；

采用局部源级负反馈的二级主运放模块包括PMOS管Mp1、PMOS管Mp2、PMOS管Mp3、PMOS管Mp5、PMOS管Mp6、PMOS管Mp9、NMOS管Mn1、NMOS管Mn2、NMOS管Mn3、NMOS管Mn4、电阻R1、电阻R2、电阻RS和米勒电容C1，PMOS管Mp3的栅极连接PMOS管Mp4的栅极，PMOS管Mp3的源级连接电源，PMOS管Mp3的漏极分别连接输入管PMOS管Mp1、电阻RS一端，电阻RS的另一端连接PMOS管Mp2的源级，PMOS管Mp1栅极作为整个误差放大器的正向输入端，PMOS管Mp2的栅极作为整个误差放大器的反向输入端，

PMOS管Mp1的漏极连接NMOS管Mn1的漏极且作为嵌位OPA运算放大器的反向输入端，PMOS管Mp2的漏极连接NMOS管Mn2的漏极，NMOS管Mn1的栅极连接NMOS管Mn2的栅极且作为嵌位OPA运算放大器的正向输入端，NMOS管Mn2的漏极作为第一级的输出连接至NMOS管Mn3的栅极，NMOS管Mn3的源级接电阻R1的一端，电阻R1的另一端接地，NMOS管Mn3的漏极反馈连接回输入管PMOS管Mp2的源级形成局部源级负反馈结构。

图3为图2中嵌位OPA运算放大器的内部具体电路图，其采用输入端和尾电流MOS管都由V_Bias的外部偏置实现亚阈值区工作，减小静态电流从而达到减小功耗的目的。如图3所示，嵌位OPA运算放大器包括PMOS管Mp7、PMOS管Mp8、NMOS管Mn5、NMOS管Mn6、NMOS管Mn7以及负载电容C,

PMOS管Mp7的源极、PMOS管Mp8的源极分别与电源相连，PMOS管Mp7的栅漏与PMOS管Mp8的栅极相连，NMOS管Mn5的漏极与PMOS管Mp7的漏极相连，NMOS管Mn6的漏极连接至PMOS管Mp8的漏极，NMOS管Mn5的栅极和NMOS管Mn6的栅极作为嵌位OPA运算放大器的输入端嵌位住NMOS管Mn1的栅漏级，NMOS管Mn5的源级和NMOS管Mn6的源级相连，NMOS管Mn7的漏极分别与NMOS管Mn5的源级、NMOS管Mn6的源级相连，NMOS管Mn7的栅极连接NMOS管Mn5的栅极，NMOS管Mn5的栅极外接外部偏置V_bias，NMOS管Mn7的源级接地,负载电容C的一端接地，负载电容C的另一端连接NMOS管Mn6的漏极。

图4为一种低功耗线性跨导误差放大器的第一级输出的局部源级负反馈电路的小信号电路图。其采用电流电压负反馈增大了输出阻抗。

图5为一种低功耗线性跨导误差放大器的第二级输出的小信号电路图。由小信号分析看出其第二级增益为1，相当于一个单位增益缓冲级。

图6是本发明的一种低功耗线性跨导误差放大器的增益和相位仿真图，

图7是整个一种低功耗线性跨导误差放大器的第一级电路的增益和相位仿真图，由以上仿真图可知第一级增益为41.96dB，整个误差放大器的增益为44.76dB，符合理论推导结果。

图8为本发明的一种低功耗线性跨导误差放大器的共模抑制比，可以从仿真图中看出其低频下的共模抑制比为56dB，满足DC-DC转换器要求。

图9为本发明的一种低功耗线性跨导误差放大器的电源抑制比，可以从仿真图中看出其低频下的电源抑制比大于70dB，满足DC-DC转换器要求。

图10为本发明的一种低功耗线性跨导误差放大器的尾电流和第二级输出电流仿真图，由图可知其总功耗小于500nA，实现了误差放大器的低功耗。

本设计发明的一种低功耗线性跨导误差放大器的实现，实现了电路的低功耗，满足了DC-DC转换器设计中的低功耗需求。

上面对本发明的实施方式做了详细说明。但是本发明并不限于上述实施方式，在所属技术领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。

Claims (3)

1.一种低功耗线性跨导误差放大器，其特征在于，包括偏置电路模块和采用局部源级负反馈的二级主运放模块，

偏置电路模块包含嵌位OPA运算放大器、PMOS管Mp4、PMOS管Mp8和NMOS管Mn5，嵌位OPA运算放大器的正向输入端外接偏置电压V_bias，嵌位OPA运算放大器的反向输入端外接PMOS管Mp8的栅极；NMOS管Mn5的栅极连接嵌位OPA运算放大器的输出端，NMOS管Mn5的源级连接PMOS管Mp8的源级，NMOS管Mn5的漏极连接PMOS管Mp4的漏极，PMOS管Mp8的漏极接地；

采用局部源级负反馈的二级主运放模块包括PMOS管Mp1、PMOS管Mp2、PMOS管Mp3、PMOS管Mp5、PMOS管Mp6、PMOS管Mp9、NMOS管Mn1、NMOS管Mn2、NMOS管Mn3、NMOS管Mn4、电阻R1、电阻R2、电阻RS和米勒电容C1，PMOS管Mp3的栅极连接PMOS管Mp4的栅极，PMOS管Mp3的源级连接电源，PMOS管Mp3的漏极分别连接输入管PMOS管Mp1、电阻RS一端，电阻RS的另一端连接PMOS管Mp2的源级，PMOS管Mp1栅极作为整个误差放大器的正向输入端，PMOS管Mp2的栅极作为整个误差放大器的反向输入端，PMOS管Mp1的漏极连接NMOS管Mn1的漏极且作为嵌位OPA运算放大器的反向输入端，PMOS管Mp2的漏极连接NMOS管Mn2的漏极，NMOS管Mn1的栅极连接NMOS管Mn2的栅极且作为嵌位OPA运算放大器的正向输入端，NMOS管Mn2的漏极作为第一级的输出连接至NMOS管Mn3的栅极，NMOS管Mn3的源级接电阻R1的一端，电阻R1的另一端接地，NMOS管Mn3的漏极反馈连接回输入管PMOS管Mp2的源级形成局部源级负反馈结构。

2.根据权利要求1所述的一种低功耗线性跨导误差放大器，其特征在于，嵌位OPA运算放大器包括PMOS管Mp7、PMOS管Mp8、NMOS管Mn5、NMOS管Mn6、NMOS管Mn7以及负载电容C,

PMOS管Mp7的源极、PMOS管Mp8的源极分别与电源相连，PMOS管Mp7的栅漏与PMOS管Mp8的栅极相连，NMOS管Mn5的漏极与PMOS管Mp7的漏极相连，NMOS管Mn6的漏极连接至PMOS管Mp8的漏极，NMOS管Mn5的栅极和NMOS管Mn6的栅极作为嵌位OPA运算放大器的输入端嵌位住NMOS管Mn1的栅漏级，NMOS管Mn5的源级和NMOS管Mn6的源级相连，NMOS管Mn7的漏极分别与NMOS管Mn5的源级、NMOS管Mn6的源级相连，NMOS管Mn7的栅极连接NMOS管Mn5的栅极，NMOS管Mn5的栅极外接外部偏置V_bias，NMOS管Mn7的源级接地,负载电容C的一端接地，负载电容C的另一端连接NMOS管Mn6的漏极。

3.根据权利要求1所述的一种低功耗线性跨导误差放大器，其特征在于，第一级的输出连接第二级的输入管NMOS管Mn4的栅极，NMOS管Mn4的源级接电阻R2的一端，电阻R2的另一端接地，NMOS管Mn4的漏极连接PMOS管Mp5的栅极和PMOS管Mp6的漏极，PMOS管Mp6的漏极作为误差放大器的输出，PMOS管Mp5的源级分别连接PMOS管Mp9的漏极、PMOS管Mp6的栅极，PMOS管Mp5的漏极接地，PMOS管Mp9作为电流源，PMOS管Mp9的源级接电源，PMOS管Mp9的栅极接嵌位OPA运算放大器模块中的NMOS管Mn7的栅极，PMOS管Mp6的源级接电源，PMOS管Mp6漏极接误差放大器的输出。