CN204168255U - 电流复用型前馈补偿全差分运算放大器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种电流复用型前馈补偿全差分运算放大器，属于全差分运算放大器技术领域，它包括第一增益级、第二增益级、前馈级和共模反馈电路，其中前馈级与第二增益级互为负载且电流复用，本实用新型能够显著地降低整个运放的功耗，同时实现了高的低频开环增益，并极大地扩展运放的带宽，可以广泛应用于无线射频芯片模拟前端的跨阻放大器、可编程增益放大器或滤波器中，具有良好的应用前景。

Description

电流复用型前馈补偿全差分运算放大器

技术领域

本实用新型涉及全差分运算放大器技术领域。

背景技术

在无线射频芯片的模拟前端中，为了高精度地处理大带宽信号，跨阻放大器（TIA）、可编程增益放大器（PGA）与滤波器需要有较高增益和大增益带宽积（GBW）的全差分运算放大器（简称全差分运放）。

传统的两级全差分运放由于采用电容的米勒补偿直接制约了带宽的提高，使得跨阻放大器、可编程增益放大器与滤波器的带宽有限。基于前馈补偿的全差分运放包括第一增益级、第二增益级、前馈级和共模反馈电路四部分，其通过在两个增益级之间引入前馈级，从而在前馈路径中产生一个零点，该零点即可近似地补偿次极点。由于不使用米勒电容，该结构极大地扩展了运放的带宽，但是，由于第二增益级和前馈级独立存在，该结构消耗的电流相对比较大，这就增加了整体电路的功耗。

实用新型内容

本实用新型要解决的技术问题是提供了一种电流复用型前馈补偿全差分运算放大器，它使第二增益级和前馈级互为负载从而实现了电流复用，避免了第二增益级和前馈级独立存在时消耗电流较大的弊端，显著地降低了整体电路的功耗。

为解决上述技术问题，本实用新型所采取的技术方案是：一种电流复用型前馈补偿全差分运算放大器，它包括第一增益级、第二增益级、前馈级和共模反馈电路，其中前馈级与第二增益级具有互为负载且电流复用的连接结构。

作为优选，第一增益级为局部共模反馈的全差分放大器。

作为优选，共模反馈电路是基于电压比较器的共模检测电路。

采用上述技术方案所产生的有益效果在于：本实用新型中第二级与前馈级互为负载，实现了电流的复用，显著地降低了整个运放的功耗，同时实现了高的低频开环增益，并极大地扩展了运放的带宽，可以广泛应用于无线射频芯片模拟前端的跨阻放大器、可编程增益放大器或滤波器中，具有良好的应用前景。

附图说明

图1是本实用新型的电路结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步详细的说明。

如图1所示，一种电流复用型前馈补偿全差分运算放大器，其包括第一增益级、第二增益级、前馈级和共模反馈电路，其中前馈级与第二增益级互为负载且电流复用，第一增益级为局部共模反馈的全差分放大器,共模反馈电路是基于电压比较器的共模检测电路。

整个运放的外部端口有同相输入端VIP、反相输入端VIN、同相输出端VOP、反相输出端VON、共模电压参考端CMREF，以及偏置电压端Vbias/Vbias1。

第一增益级由NMOS（N型金属-氧化物-半导体）管M1、M2、M3、M4、M17 及PMOS（P型金属-氧化物-半导体）管M5、M6和电阻R1、R2组成，其中R1、R2为第一级的局部共模反馈电阻，且阻值相等。

NMOS管M1、M2的栅端分别与运放的反相输入端VIN、同相输入端VIP相连接；NMOS管M1、M2的源端都连接到NMOS管M17的漏端；NMOS管M1、M2的漏端分别与NMOS管M3、M4的源端相连接；NMOS管M3、M4的漏端分别与第一级的输出端OUT2、OUT1相连接；NMOS管M3、M4的栅端均与偏置电压端Vbias1相连接；PMOS管M5、M6的漏端分别与第一级的输出端OUT2、OUT1相连接；PMOS管M5、M6的源端均与电源端VDD相连接；PMOS管M5、M6的栅端连接于R1、R2的正端；R1、R2的负端分别与第一级的输出端OUT2、OUT1相连接；NMOS管M17的栅、源端分别与偏置电压端Vbias、地GND相连接。

第二增益级由PMOS管M9、M10、M21构成。

PMOS管M9、M10的漏端分别与运放的反相输出端VON、同相输出端VOP相连接；PMOS管M9、M10的栅端分别与第一级的的输出端OUT2、OUT1相连接；PMOS管M9、M10的源端均接于PMOS管M21的漏端；PMOS管M21的栅、源端分别与共模反馈CMFB端、电源VDD相连接。

前馈级由NMOS管M7、M8、M18构成。

NMOS管M7、M8的栅端分别与运放的同相输入端VIP、反相输入端VIN相连接；NMOS管M7、M8的漏端分别与运放的反相输出端VON、同相输出端VOP相连接； NMOS管M7、M8的源端均接于NMOS管M18的漏端；NMOS管M18的栅、源端分别与偏置电压端Vbias、地GND相连接。

共模反馈电路由NMOS管M11、M12、M13 、M14、M19 、M20及PMOS管M15、M16构成，通过运放的输出与共模参考CMREF相比较产生反馈电压CMFB控制PMOS管M21来使输出VOP、VON的共模稳定在CMREF附近。

NMOS管M11、M12的栅端分别与运放的反相输出端VON、共模参考CMREF端相连接；NMOS管M11、M12的漏端分别与PMOS管M15的漏端、共模反馈CMFB端相连接； NMOS管M11、M12的源端均接于NMOS管M19漏端；NMOS管M13、M14的栅端分别与共模参考CMREF端、运放的同相输出端VOP相连接；NMOS管M13、M14的漏端分别与共模反馈CMFB端、PMOS管M15的漏端相连接；NMOS管M13、M14的源端均接于NMOS管M20的漏端；NMOS管M19、M20的栅、源端分别与偏置电压端Vbias、地GND相连接；PMOS管M15的栅、源端分别与其漏端、电源VDD相连接；PMOS管M16的栅、源及漏端分别与PMOS管M15的栅端、电源VDD、共模反馈CMFB端相连接。

在此全差分运算放大器中，考虑到寄生电容在高频响应中的影响限制了带宽的增加，运放中各个管子尺寸不能太大以减小寄生电容。具体应用如下：

第一级的增益A1=g_m1?(g_m3ro3ro1∥r_o5∥R1)，

第二级的增益A2=g_m9?(r_o9∥r_o7)，

前馈级的增益A3=g_m7?（r_o7∥r_o9），

总的增益     A=A1?A2+A3，

其中g_m1、g_m3、g_m7、g_m9为相应MOS（金属-氧化物-半导体）管的跨导，r_o1、r_o3、r_o7、r_o9为相应MOS管的输出电阻。

第一级的极点p1= ?1∕C1?(g_m3ro3ro1∥r_o5∥R1)，

第二级的极点p2= ?1∕C2?(r_o9∥r_o7)，

由前馈级引入的左半平面零点的理论值为z=p1?(1+A1?A2∕A3)，

其中C1为第一级输出结点OUT1/OUT2到地的电容总和；C2为第二级输出结点VOP/VON到地的电容总和（包含负载电容在内）。

调整前馈级的电路参数令z=p2，从而抵消掉次极点的影响，扩展了运放的带宽。

为避免共模振荡，本实用新型的实际设计中还应根据实际情况做共模环路的补偿。

基于本实用新型的电路结构，应用TSMC0.18um RF CMOS工艺所设计的全差分运放经过版图的交流后仿真显示在电源1.8V、电流1.3mA、温度为27℃、TT工艺角、负载电容2pF时的开环低频增益为60dB，3dB带宽在9MHz以上，增益带宽积（GBW）在9G以上，开环相位裕度为15°（全差分运放的开环相位裕度一般不会影响闭环应用中差模环路的相位裕度的调整），而基于现有的第二增益级和前馈级独立存在的前馈补偿全差分运放要达到类似的结果，需要电流2mA左右，可见本实用新型确实降低了电路的整体功耗。

总之，本实用新型中第二增益级与前馈级互为负载，实现了电流的复用，同时达到了大的带宽和相对较低的功耗，其结构简单，它可以广泛应用于处理宽带信号的无线射频芯片模拟前端的跨阻放大器、可编程增益放大器或滤波器中，从而降低整个芯片的功耗，具有良好的应用前景。

对于本领域的技术人员来说，可以根据以上描述的技术方案以及构思，做出其他各种相应的改变及变形，而所有的这些改变以及变形都在本专利权利要求的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种电流复用型前馈补偿全差分运算放大器，其包括第一增益级、第二增益级、前馈级和共模反馈电路，其特征在于：前馈级与第二增益级具有互为负载且电流复用的连接结构。

2.根据权利要求１所述的电流复用型前馈补偿全差分运算放大器，其特征在于所述第一增益级为局部共模反馈的全差分放大器。

3.根据权利要求１所述的电流复用型前馈补偿全差分运算放大器，其特征在于所述共模反馈电路是基于电压比较器的共模检测电路。