CN107196612B - 一种具有高增益特性的推挽放大器 - Google Patents

一种具有高增益特性的推挽放大器 Download PDF

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Abstract

本发明属于模拟集成电路设计领域，具体的说是涉及一种具有高增益特性的推挽放大器。本发明的电路将第一级出来的信号拆分开来，下拉电流由共源级NMOS管替代PMOS follower，上拉电流由共源级NMOS输出接NPN管的follower提供，形成输出级。同时，加入RZ和CC分离主极点和输出极点，通过将输出极点推向高频来实现高带宽。第一级通过折叠式Cascode提供高输出阻抗以形成主极点。本发明的有益效果是：本发明的放大器实现了高增益，高带宽，高SR，解决了传统功率放大电路无法兼顾电流增益和电压增益的问题。

Description

一种具有高增益特性的推挽放大器
技术领域
本发明属于模拟集成电路设计领域，具体的说是涉及一种具有高增益特性的推挽放大器。
背景技术
运算放大器作为模拟系统和混合信号系统中的基本模块，对整个电路系统的性能而言至关重要。电路设计者根据应用需求选取不同的运放结构来突出所关注的性能指标，以满足系统设计需求。
具体而言，为了实现输出端具有较大的抽灌电流能力，运放输出级通常采用推挽式功率放大电路来提升摆率。然而，传统功率放大电路输出阻抗较低，牺牲了电压增益来获取高的电流增益。与此相对的，要获得高的电压增益，输出阻抗必定不能太低，因此对于两级放大器而言，输出极点将会严重限制放大器的带宽，同时电流抽灌能力相对功率放大器而言也更弱。
发明内容
本发明的目的，是为了解决传统推挽功率放大器增益较低的问题，本发明基于BICMOS工艺，提出一种兼顾电流增益和电压增益的放大器，该放大器还具有高带宽，易于补偿的特点。
本发明的技术方案是：一种具有高增益特性的推挽放大器；其特征在于，包括第一PMOS管M2、第二PMOS管M3、第三PMOS管M4、第四PMOS管M5、第五PMOS管M6、第一NMOS管M1、第二NMOS管M7、第三NMOS管M8、第四NMOS管M9、第五NMOS管M10、第一三极管Q1、第二三极管Q2、第三三极管Q3、电容和电阻；其中，
第一三极管Q1的基极为放大器的反相输入端，第一三极管Q1的集电极接第一PMOS管M2的漏极，第一三极管Q1的发射极接第一NMOS管M1的漏极；第二三极管Q2的基极为放大器的同相输入端，集电极接第二PMOS管M3的漏极，第二三极管Q2的发射极接第一NMOS管M1的漏极；第一NMOS管M1的栅极接Vb1，第一NMOS管M1的源极接地；
第一PMOS管M2的源极接电源，其栅极接Vb2；第四PMOS管M5的源极接第一PMOS管M2的漏极，第四PMOS管M5的栅极接Vb2；第二NMOS管M7的漏极接第四PMOS管M5的源极，第二NMOS管M7的栅极与漏极互连，第二NMOS管M7的源极接地；
第三PMOS管M4的源极接电源，其栅极接Vb2；第五PMOS管M6的源极接第三PMOS管M4的漏极，第五PMOS管M6的栅极接Vb2；第三NMOS管M8的漏极接第五PMOS管M6的漏极，第三NMOS管M8的栅极接第四PMOS管M5的源极，第三NMOS管M8的源极接地；
第三PMOS管M4的源极接电源，其栅极接Vb2；第四NMOS管M9的漏极接第三PMOS管M4的漏极，第四NMOS管M9的栅极接第五PMOS管M6的漏极，第四NMOS管M9的源极接地；
第三三极管Q3的集电极接电源，其基极接第三PMOS管M4的漏极，第三三极管Q3的发射极接第五NMOS管M10的漏极；第五NMOS管M10的栅极接第五PMOS管M6的漏极，第五NMOS管M10的源极接地；
第五PMOS管M6源极与第三NMOS管M8漏极的连接点依次通过电容和电阻后接第三三极管Q3发射极与第五NMOS管M10漏极的连接点；
第三三极管Q3发射极、第五NMOS管M10漏极和电阻的连接点为放大器的输出端。
本发明的总的技术方案，将第一级出来的信号拆分开来，下拉电流由共源级NMOS管替代PMOS follower，上拉电流由共源级NMOS输出接NPN管的follower提供，形成输出级。同时，加入RZ和CC分离主极点和输出极点，通过将输出极点推向高频来实现高带宽。第一级通过折叠式Cascode提供高输出阻抗以形成主极点
本发明的有益效果是：本发明的放大器实现了高增益，高带宽，高SR，解决了传统功率放大电路无法兼顾电流增益和电压增益的问题。
附图说明
图1放大器电路结构示意图；
图2放大器输出阻抗示意图；
图3放大器ac响应曲线；
图4放大器SR仿真曲线。
具体实施方式
下面结合附图，详细描述本发明的技术方案：
如图1所示，本发明的放大器包括：第一级折叠式Cascode放大电路—输入对管Q1～Q2，尾电流源M1，共源共栅级M2～M3，M5～M8；第二级高增益推挽放大器—偏置M4，放大管M9～M10，Q3；密勒补偿电容CC，补偿电阻RZ。
本发明提出的第一级为输入对管为NPN的折叠式Cascode放大器，NPN做对管相较MOS管有更大的跨导，且第一级的增益为gmirO8，若IM1与IM3成比例，该增益将不随偏置电流而改变。第二级由M4管偏置，令(W/L)9＝k(W/L)10，则整个放大器的DC增益为：
AOL＝gmirO8×[k(β+1)+1]gm10ROUT
可以看到，第二级通过NPN实现了gm boosting，其输出阻抗可以根据图2所示的第二级小信号等效电路来计算，可表示为：
所以整个放大器的DC增益可重写为：
M4，M9，M10取长沟道可保证一定输出阻抗，该阻抗远大于传统功率放大电路的gmN -1||gmP -1，从而确保了较高的电压增益。较大的电流增益可通过增大gm10和k来实现。由于第二级具有可观的增益，可以通过第二级来实现密勒补偿。该放大器的零极点分布为：
可以看到，由于第二级实现了gm boosting，次级点被推到了相当高的位置，而主极点的位置被锁定在低频，从而实现了极点分离。零点可以通过设置更小的RZ来补偿次级点，确保了寄生极点不会靠近低频。因此该放大器的GBW可以确定为：
由于第二级通过gm boosting将放大器零极点的位置摆放得更为理想，密勒电容CC可以相应做小一些，从而增大了GBW；另一方面，采用NPN管作为输入对管，本身具有较高的gm，进一步增大了GBW，从而实现了放大器的高带宽。
放大器第二级实际上通过Q3和M10实现了推挽，输出上拉和下拉电流最大可以达到：
IOH＝(1+β)IM4
可以看到，由于NPN管的加入，上拉电流可以做到很大。
采用上述方案实施的放大器仿真波形如图3和图4所示。从图中可以看出，放大器的DC增益达到了95dB，相位裕度80°，增益裕度11dB，GBW 5.7MHz，SR为1.6V/μs。从性能指标上看，该放大器实现了高增益，高带宽，高SR，解决了传统功率放大电路无法兼顾电流增益和电压增益的问题。

Claims (1)

1.一种具有高增益特性的推挽放大器；其特征在于，包括第一PMOS管M2、第二PMOS管M3、第三PMOS管M4、第四PMOS管M5、第五PMOS管M6、第一NMOS管M1、第二NMOS管M7、第三NMOS管M8、第四NMOS管M9、第五NMOS管M10、第一三极管Q1、第二三极管Q2、第三三极管Q3、电容和电阻；其中，
第一三极管Q1的基极为放大器的反相输入端，第一三极管Q1的集电极接第一PMOS管M2的漏极，第一三极管Q1的发射极接第一NMOS管M1的漏极；第二三极管Q2的基极为放大器的同相输入端，集电极接第二PMOS管M3的漏极，第二三极管Q2的发射极接第一NMOS管M1的漏极；第一NMOS管M1的栅极接Vbias1，第一NMOS管M1的源极接地；
第一PMOS管M2的源极接电源，其栅极接Vbias2；第四PMOS管M5的源极接第一PMOS管M2的漏极，第四PMOS管M5的栅极接Vb3；第二NMOS管M7的漏极接第四PMOS管M5的源极，第二NMOS管M7的栅极与漏极互连，第二NMOS管M7的源极接地；
第三PMOS管M4的源极接电源，其栅极接Vbias2；第五PMOS管M6的源极接第二PMOS管M3的漏极，第五PMOS管M6的栅极接Vb3；第三NMOS管M8的漏极接第五PMOS管M6的漏极，第三NMOS管M8的栅极接第四PMOS管M5的漏极，第三NMOS管M8的源极接地；
第四NMOS管M9的漏极接第三PMOS管M4的漏极，第四NMOS管M9的栅极接第五PMOS管M6的漏极，第四NMOS管M9的源极接地；
第三三极管Q3的集电极接电源，其基极接第三PMOS管M4的漏极，第三三极管Q3的发射极接第五NMOS管M10的漏极；第五NMOS管M10的栅极接第五PMOS管M6的漏极，第五NMOS管M10的源极接地；
第五PMOS管M6漏极与第三NMOS管M8漏极的连接点依次通过电容和电阻后接第三三极管Q3发射极与第五NMOS管M10漏极的连接点；
第三三极管Q3发射极、第五NMOS管M10漏极和电阻的共同连接点为放大器的输出端。
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