[发明专利]一种低功耗大摆幅开关型运算放大器

说明书

技术领域

本发明涉及一种可用于开关电容电路的新型开关型运算放大器，尤其 涉及一种低功耗大摆幅的开关型运算放大器。

背景技术

模数转换器作为模拟信号和数字信号的接口转换电路，被广泛应用于 通信基站、医疗设备、卫星接收系统、雷达、红外成像、数字示波器、消 费类电子等领域。受到消费电子市场的不断推动，由电池供电的便携式设 备日益普及，要求模数转换器在实现高性能的同时消耗尽可能小的功耗。 同时，随着集成电路工艺的不断发展，电源电压在不断地降低，因此低电 压设计也是非常的重要。

模数转换器一般通过工作在一定时钟频率下的开关电容电路实现，而 开关电容电路的核心单元是运算放大器。要实现高性能的模数转换器，就 需要高性能的运算放大器。图1是3种典型运算放大器的结构。图1(a)是 套筒式结构的运算放大器，具有良好的频响特性，可以在较低的功耗下实 现高增益，但是这种结构的运算放大器摆幅很小，不适合在低电压下工作； 图1(b)是折叠式共源共栅结构的运算放大器，和套筒式结构相比，可以 得到更大的摆幅但是需要消耗更大的功耗，并且工作在低电压下摆幅仍然 很小，也不适合低电压工作；图1(c)是典型的两级结构的运算放大器， 可以得到最大的输出摆幅，但是由于两级运放需要通过频率补偿来保证稳 定性，因此运算放大器的第二级将会消耗很大的功耗。

由此可见传统的几种运算放大器结构在功耗和摆幅方面存在一定的 折衷关系，很难在较低功耗的同时实现较大的摆幅。因此要实现低功耗大 摆幅的运算放大器，需要从运算放大器的结构上考虑。

发明内容

本发明提供了一种新型开关型运算放大器，能够得到较大的输出摆幅 和较低的功耗，可用于任何工作在一定时钟频率下的开关电容电路。

为了达到上述目的，本发明的技术方案如下：

一种低功耗大摆幅开关型运算放大器，其包含有：A.第一级放大 器，用来输入放大信号；B.电平位移电路，包括NMOS管的电平位移 电路和PMOS管的电平位移电路，用于接收所述第一级放大器输出的信 号；C.第二级放大器，为AB类放大器，包括一NMOS管与一PMOS 管以漏端相连，并以所述相连的漏端作为放大信号的输出端；所述NMOS 管与PMOS管的栅极均用于接收所述电平位移电路输出的信号，同时， 其偏置状态受所述电平位移电路控制；D.补偿电路，耦接于所述第一 级放大器与所述第二级放大器之间，用来依据所述第二级放大器输出的放 大信号产生一补偿信号，并将该补偿信号反馈至所述第一级放大器的输出 端。

进一步，所述的运算放大器中所述NMOS管的电平位移电路采用2 个开关电容电路实现；每个所述开关电容电路包括两个电容与四个开关， 其中，第一电容连接于所述第一级放大器输出端和所述第二级放大器的 NMOS管栅极之间，并通过第一开关和第二开关与第二电容两端连接，所 述第二电容通过第三开关与所述第一级放大器输出共模电平连接、通过第 四开关与偏置电压连接。

作为本发明优选方式之一，所述PMOS管的电平位移电路采用2个 开关电容电路实现；每个所述开关电容电路包括两个电容与四个开关，其 中，第一电容连接于所述第一级放大器输出端和    所述第二级放大器的 PMOS管栅极之间，并通过第一开关和第二开关与第二电容两端连接，所 述第二电容通过第三开关与所述第一级放大器输出共模电平连接、通过第 四开关与偏置电压连接。

再者，所述PMOS管的电平位移电路采用2个电流镜像电路方式实 现；每个所述电流镜像电路为PMOS电流镜，包括一个源极和栅极相连 并与所述第二级放大器的PMOS管栅极相连的PMOS管，及连接在PMOS 管和地之间的NMOS管，NMOS管的栅极接其对称侧第二级放大器的 NMOS输入管栅极。

更进一步，所述的运算放大器中的所述第一级放大器为套筒式结构差 分放大器，且所述第一级放大器的输出共模电平设置为电源电压的一半， 使所述套筒式结构差分放大器的所有晶体管工作在饱和区。

较佳的，所述的运算放大器中的所述补偿电路为嵌套式密勒补偿电 路，即同时采用密勒补偿电容和共栅补偿电容来实现所述补偿电路。所述 密勒补偿电容连接于所述第一级放大器的输出和所述第二级放大器的输 出之间。所述共栅补偿电容连接于所述第一级放大器的输入NMOS管的 漏极和所述第二级放大器的输出之间。