CN106208978B - 基于斩波稳定技术的亚阈值衬底驱动运算跨导放大器 - Google Patents

基于斩波稳定技术的亚阈值衬底驱动运算跨导放大器 Download PDF

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Abstract

本发明提出一种基于斩波稳定技术的亚阈值衬底驱动运算跨导放大器，包括：衬底驱动运算跨导放大器、第一斩波开关和第二斩波开关，衬底驱动运算跨导放大器包括PMOS衬底驱动输入差分对、折叠共源共栅构成的输出阻抗级、由MOS管构成的电流源，所有MOS管都工作在亚阈值区，实现极低供电电压下消耗纳瓦功耗，PMOS衬底驱动输入差分对具有低电压条件下轨到轨的输入能力，实现输入电压信号转换成电流信号的功能，输出阻抗级为放大器提供高输出阻抗，同时让电流信号转换为电压信号。本发明通过第一和第二斩波开关可减少亚阈值衬底驱动运算跨导放大器中的1/f噪声和失调，从而获得更好噪声性能，具有广阔的应用前景。

Description

基于斩波稳定技术的亚阈值衬底驱动运算跨导放大器
技术领域
本发明涉及模拟集成电路设计技术领域，特别涉及一种基于斩波稳定技术的亚阈值衬底驱动运算跨导放大器。
背景技术
近年来医疗电子技术的快速发展和物联网的兴起，大大的促进了传感器及其接口电路的发展。在医疗电子领域中，如生物体植入芯片，通常要求能正常稳定地运行几年甚至几十年，因此芯片传感器接口电路功耗问题是设计的关键所在。这要求传感器接口电路能在极低电压环境下正常工作并且消耗极低功耗。然而随着深亚微米半导体工艺的快速发展，使得低压模拟电路设计遇到了困难，比如更低的供电电压，本征增益降低，失调增大，噪声以及动态范围变小等问题。
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很难继续满足要求。因为传统的饱和区设计方法，MOS管需要一定电压才能开启，而在低供电电压环境下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，这不符合可植入式生物芯片极低功耗的要求。
为了解决上述问题，近几年出现了采用衬底驱动MOS管工作在亚阈值区进行放大器设计。这种放大器称为亚阈值衬底驱动运算跨导放大器，其电路结构例如图1所示。这种放大器通过衬底驱动技术保证MOS管在低压下恒定开启，通过使其工作在亚阈值区以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。亚阈值衬底驱动运算跨导放大器一般处理的信号带宽为几十至上百Hz，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，考虑到噪声优化时，为了达到一定的信噪比，放大器的功耗会大大增加。所以无论从电路精度还是功耗来说，亚阈值衬底驱动运算跨导放大器的1/f噪声是设计者不得不面对的一个重点和难点问题。
综上，传统亚阈值衬底驱动运算跨导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)，大大降低电路的信噪比。
2.失调电压大，影响电路精度。
3.1/f噪声高导致噪声优化的同时，放大器功耗会增大。
发明内容
本发明旨在至少解决上述技术问题之一。
为此，本发明的目的在于提出一种基于斩波稳定技术的亚阈值衬底驱动运算跨导放大器，该放大器通过第一和第二斩波开关可减少亚阈值衬底驱动运算跨导放大器中的1/f噪声和失调，从而获得更好噪声性能，具有广阔的应用前景。
为了实现上述目的，本发明的实施例提出了一种基于斩波稳定技术的亚阈值衬底驱动运算跨导放大器，包括：衬底驱动运算跨导放大器和第一斩波开关和第二斩波开关，其中，所述衬底驱动运算跨导放大器包括输入差分对、折叠共源共栅构成的输出阻抗级及电流源，所述输入差分对由PMOS管M1和PMOS管M2组成，所述输入差分对的衬底端接到输入信号，而栅端被固定偏置到地，所述M1和M2的漏端分别与电流源管M10和电流源管M9的漏端连接，所述M1和M2的源端与电流源管M11的漏端连接，所述折叠共源共栅构成的输出阻抗级由NMOS管M3、NMOS管M4以及PMOS管M5、PMOS管M6构成，其中NMOS管M3、NMOS管M4的源端分别与电流源管M9、电流源管M10的漏端连接，PMOS管M5、PMOS管M6的源端与电流源管M7、电流源管M8的漏端连接；所述M7、M8的栅端与所述M5和M3的漏端连接，所述电流源用于为放大器提供恒定偏置电流。所述第一斩波开关位于所述输入差分对的衬底端，所述第二斩波开关位于所述M3和M4的源端；其中，输入信号经过所述第一斩波开关被斩波调制进入放大器进行放大，放大后的信号经过所述第二斩波开关时被所述第二斩波开关进行斩波解调后回到原始频率，经过放大进入输出端，所述放大器本身所产生的失调电压和1/f噪声被所述第二斩波开关进行斩波调制，以进行输入信号、失调及噪声的分离。
另外，根据本发明上述实施例的基于斩波稳定技术的亚阈值衬底驱动运算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，所述第一斩波开关和第二斩波开关均由低压开关组成。
在一些示例中，所述第一斩波开关和第二斩波开关的尺寸一致。
在一些示例中，衬底驱动运算跨导放大器中所有的MOS管均工作在亚阈值区。
在一些示例中，所述衬底驱动运算跨导放大器中所有的MOS管的功耗为纳瓦量级。
在一些示例中，所述PMOS管M1和PMOS管M2均为标准的CMOS工艺的PMOS管。
根据本发明实施例的基于斩波稳定技术的亚阈值衬底驱动运算跨导放大器，具有如下优点：
1.采用标准CMOS工艺实现，易于集成，成本低。
2.1/f噪声被显著消除，具有很低的低频噪底。
3.失调电压能从10mV量级压制到1mV左右。
4.通过斩波开关压制1/f噪声，使得到相同信噪比所需功耗大大减小。
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是传统亚阈值衬底驱动运算跨导放大器的电路图；
图2是根据本发明实施例的基于斩波稳定技术的亚阈值衬底驱动运算跨导放大器的结构框图；
图3是根据本发明一个实施例基于斩波稳定技术的亚阈值衬底驱动运算跨导放大器的电路图；以及
图4是传统亚阈值衬底驱动运算跨导放大器与本发明实施例的基于斩波稳定技术的亚阈值衬底驱动运算跨导放大器的输入参考噪声对比图；以及
图5是传统亚阈值衬底驱动运算跨导放大器与本发明实施例的基于斩波稳定技术的亚阈值衬底驱动运算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，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，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基于斩波稳定技术的亚阈值衬底驱动运算跨导放大器。
图2是根据本发明一个实施例的基于斩波稳定技术的亚阈值衬底驱动运算跨导放大器的结构框图。图3是根据本发明一个实施例的基于斩波稳定技术的亚阈值衬底驱动运算跨导放大器的电路图。如图2所示，并结合图3，该基于斩波稳定技术的亚阈值衬底驱动运算跨导放大器100，包括：衬底驱动运算跨导放大器110、第一斩波开关120和第二斩波开关130。
其中，如图3所示，衬底驱动运算跨导放大器110包括输入差分对111、折叠共源共栅构成的输出阻抗级112及电流源113。输入差分对111由PMOS管M1和PMOS管M2组成，输入差分对111的衬底端接到输入信号，而栅端被固定偏置到地，M1和M2的漏端分别与电流源管M10和电流源管M9的漏端连接，M1和M2的源端与电流源管M11的漏端连接。折叠共源共栅构成的输出阻抗级112由NMOS管M3、NMOS管M4以及PMOS管M5、PMOS管M6构成，其中NMOS管M3、NMOS管M4的源端分别与电流源管M9、电流源管M10的漏端连接，PMOS管M5、PMOS管M6的源端与电流源管M7、电流源管M8的漏端连接；M7、M8的栅端与M5和M3的漏端连接。电流源113用于为放大器100提供恒定偏置电流。
在本发明的一个实施例中，衬底驱动运算跨导放大器110中所有的MOS管均工作在亚阈值区。更为具体地，衬底驱动运算跨导放大器110中所有的MOS管的功耗为纳瓦量级。
在本发明的一个实施例中，例如，PMOS管M1和PMOS管M2均为标准的CMOS工艺的PMOS管，无需进行特殊工艺处理，从而易于集成，节省成本。
第一斩波开关120(即图3中的斩波开关CH1)位于输入差分对111的衬底端，第二斩波开关130(即图3中的斩波开关CH2)位于NMOS管M3和NMOS管M4的源端。在一些示例中，例如，第一斩波开关120和第二斩波开关130均由低压开关组成，以适应低电压工作环境。更为具体地，第一斩波开关120和第二斩波开关130的尺寸一致。
具体地，输入信号经过第一斩波开关120被斩波调制进入放大器110进行放大，放大后的信号经过第二斩波开关130时被第二斩波开关130进行斩波解调后回到原始频率，之后信号经过放大进入输出端，放大器110本身所产生的失调电压和1/f噪声被第二斩波开关130进行斩波调制，从而实现输入信号、失调及噪声的分离，降低噪底。
在一些示例中，例如，本发明实施例的基于斩波稳定技术的亚阈值衬底驱动运算跨导放大器，采用标准180nm CMOS工艺设计，其工作电压为0.5V，其斩波时钟频率应大于信号带宽的2倍以上，同时，为了减少直流增益的降低，斩波时钟频率应小于放大器带宽的1/2，优选地，斩波时钟频率为3.2kHz。基于此，该基于斩波稳定技术的亚阈值衬底驱动运算跨导放大器的消耗功耗为353.6nA。
作为具体的示例，图4是传统亚阈值衬底驱动运算跨导放大器与本发明实施例的基于斩波稳定技术的亚阈值衬底驱动运算跨导放大器的等效输入噪声对比图。其中，线条1为传统亚阈值衬底驱动运算跨导放大器的仿真结果，线条2为本发明实施例的基于斩波稳定技术的亚阈值衬底驱动运算跨导放大器的仿真结果。根据图4的仿真结果可知，本发明实施例的放大器可以显著消除低频1/f噪声，噪底低至380nV/sqrt(Hz)。图5是传统亚阈值衬底驱动运算跨导放大器与本发明实施例的基于斩波稳定技术的亚阈值衬底驱动运算跨导放大器的失调电压对比图。据图5可知，原始放大器的失调标准偏差为2.7mV，失调为8.1mV，而本发明实施例的放大器的失调标准偏差为362.5μV，失调为1mV，失调电压被压制了7.45倍。
本发明实施例的基于斩波稳定技术的亚阈值衬底驱动运算跨导放大器的结构及其主要功能可概述为：该基于斩波稳定技术的亚阈值衬底驱动运算跨导放大器主要包括两大部分：衬底驱动运算跨导放大器和斩波开关。衬底驱动运算跨导放大器包括PMOS衬底驱动输入差分对、折叠共源共栅构成的输出阻抗级、以及由MOS管构成的电流源，其中所有的MOS管都工作在亚阈值区，实现极低供电电压下消耗纳瓦功耗。PMOS衬底驱动输入差分对具有低电压条件下轨到轨的输入能力，实现输入电压信号转换成电流信号的功能。折叠共源共栅构成的输出阻抗级为放大器提供高输出阻抗，同时让电流信号转换为电压信号。由MOS管构成的电流源为放大器提供恒定偏置电流。斩波开关由低压开关组成，通过斩波开关来减少亚阈值衬底驱动运算跨导放大器中的1/f噪声和失调，以获得更好噪声性能。也即，本发明实施例的基于斩波稳定技术的亚阈值衬底驱动运算跨导放大器解决了亚阈值衬底驱动运算跨导放大器失调和1/f噪声的问题，其工作电压可以低至0.5V，功耗可以低至360nA以下。因此，本发明实施例的基于斩波稳定技术的亚阈值衬底驱动运算跨导放大器在医疗电子生物芯片和物联网等领域具有广阔的应用前景。
综上，根据本发明实施例的基于斩波稳定技术的亚阈值衬底驱动运算跨导放大器，具有如下优点：
1.采用标准CMOS工艺实现，易于集成，成本低。
2.1/f噪声被显著消除，具有很低的低频噪底。
3.失调电压能从10mV量级压制到1mV左右。
4.通过斩波开关压制1/f噪声，使得到相同信噪比所需功耗大大减小。
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一定指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何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同限定。

Claims (6)

1.一种基于斩波稳定技术的亚阈值衬底驱动运算跨导放大器，其特征在于，包括：衬底驱动运算跨导放大器、第一斩波开关和第二斩波开关，其中，
所述衬底驱动运算跨导放大器包括输入差分对、折叠共源共栅构成的输出阻抗级及电流源，所述输入差分对由PMOS管M1和PMOS管M2组成，所述输入差分对的衬底端接到输入信号，而栅端被固定偏置到地，所述M1和M2的漏端分别与电流源管M10和电流源管M9的漏端连接，所述M1和M2的源端与电流源管M11的漏端连接，所述折叠共源共栅构成的输出阻抗级由NMOS管M3、NMOS管M4以及PMOS管M5、PMOS管M6构成，其中NMOS管M3、NMOS管M4的源端分别与电流源管M9、电流源管M10的漏端连接，PMOS管M5、PMOS管M6的源端与电流源管M7、电流源管M8的漏端连接；所述M7、M8的栅端与所述M5和M3的漏端连接，所述电流源用于为基于斩波稳定技术的亚阈值衬底驱动运算跨导放大器提供恒定偏置电流，所述电流源由所述电流源管M7、所述电流源管M8、所述电流源管M9、所述电流源管M10及所述电流源管M11构成；
所述第一斩波开关位于所述输入差分对的衬底端，所述第二斩波开关位于所述M3和M4的源端；
其中，输入信号经过所述第一斩波开关被斩波调制进入所述衬底驱动运算跨导放大器进行放大，放大后的信号经过所述第二斩波开关时被所述第二斩波开关进行斩波解调后回到原始频率，经过放大进入输出端，所述衬底驱动运算跨导放大器本身所产生的失调电压和1/f噪声被所述第二斩波开关进行斩波调制，以进行输入信号、失调及噪声的分离。
2.根据权利要求1所述的基于斩波稳定技术的亚阈值衬底驱动运算跨导放大器，其特征在于，所述第一斩波开关和第二斩波开关均由低压开关组成。
3.根据权利要求1所述的基于斩波稳定技术的亚阈值衬底驱动运算跨导放大器，其特征在于，所述第一斩波开关和第二斩波开关的尺寸一致。
4.根据权利要求1所述的基于斩波稳定技术的亚阈值衬底驱动运算跨导放大器，其特征在于，衬底驱动运算跨导放大器中所有的MOS管均工作在亚阈值区。
5.根据权利要求4所述的基于斩波稳定技术的亚阈值衬底驱动运算跨导放大器，其特征在于，所述衬底驱动运算跨导放大器中所有的MOS管的功耗为纳瓦量级。
6.根据权利要求1所述的基于斩波稳定技术的亚阈值衬底驱动运算跨导放大器，其特征在于，所述PMOS管M1和PMOS管M2均为标准的CMOS工艺的PMOS管。
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