[发明专利]一种低功耗宽带高增益高摆率单级运算跨导放大器

说明书

技术领域

本发明涉及一种兼容低功耗、高速、高精度特性的线性跨导单级运放电路，属于模拟集成运放技术领域，通过对负载电流镜非线性效应与线性传输比控制的兼容和集成，获得高效电流利用效率以及功耗约束下电路速度与精度的协调统一，实现电路静态、动态特性的全面提升。

背景技术

SoC数模混合单芯片系统中，系统功能扩展与性能提高只有在低功耗的约束下才具有更现实的意义。现有技术中，电路速度或动态性能的改善通常以大电流驱动即功耗增加为代价，低功耗高速高精度相互制约的要求显著增加了线性运放电路设计和实现的难度。因此，低功耗高速运放电路设计与实现，需要突破现有线性结构的局限。

对于传统的单级OTA线性运算跨导电路(见图1)，在低电源电压限制下，难以充分利用Cascode结构的高阻输出特性实现高增益，通过降低输出电流提高阻抗和增益的方法又难以满足动态电流调节与驱动下的高速响应要求；相反，当N值固定后，通过增大静态电流I_B提高带宽，获得大摆率驱动下的高速响应，不但引起功耗的增加，同时导致增益的下降。因此，对于传统OTA结构，只能在静态电流I_B、输入差分对管跨导因子、差分对负载电流镜W/L比例因子N值三种参数之间进行优化选取，以平衡增益、带宽、摆率和功耗的需求，但同时满足各方需求则极为困难。为解决电路中的固有矛盾，需通过非线性效应和参数可配置控制突破原有线性电路结构的制约和局限。

发明内容

本发明目的在于为了解决了常规运放电路中难以调和的电路系统速度、精度与功耗间的固有矛盾，提供一种低功耗宽带高增益高摆率单级运算跨导放大器。

本发明一种低功耗宽带高增益高摆率单级运算跨导放大器，由恒定电流偏置依次串接差分输入级、负载电流镜传输输出级三部分构成，其中负载电流镜传输输出级由八个N型MOS管NM1至NM8构成，N型MOS管NM1的漏极分别接差分输入级的一个输出端和N型MOS管NM3、NM6、NM7的栅极，N型MOS管NM1的漏极分别接差分输入级的另一个输出端和N型MOS管NM4、NM5、NM8的栅极，N型MOS管NM1的源极分别接N型MOS管NM3、NM5的漏极，N型MOS管NM2的源极分别接N型MOS管NM4、NM6的漏极，N型MOS管NM3、NM4、NM5、NM6、NM7、NM8的源极分别连接接地，N型MOS管NM7漏极构成负载电流镜传输输出级的第一输出端，N型MOS管NM8漏极构成负载电流镜传输输出级的第二输出端。

所述恒定电流偏置由P型MOS管PM0构成，P型MOS管PM0的漏极接电源Vdd，P型MOS管PM0的源极接差分输入级。

所述差分输入级由两个P型MOS管PM1、PM2构成，P型MOS管PM1、PM2的漏极接恒定电流偏置的输出端，P型MOS管PM1、PM2的源极接负载电流镜传输输出级的输入端。

本发明通过小信号下起正反馈作用的交叉耦合对管结构与宽动态范围内有效的负载电流镜线性-非线性模式自适应配置结构的兼容与相互作用，有效解决了常规运放电路中难以调和的电路系统速度、精度与功耗间的固有矛盾。模式控制的关键是在静态条件下将负载电流镜偏置在线性-非线性临界工作模式下，确保静态低功耗；同时在交流小信号下，利用线性范围内交叉耦合对管对负载电流镜线性传输比的下降控制作用，实现高增益(A_V)倍增以确保高精度控制，带宽(p_-3dB和GBW)倍增以确保小信号高速及线性处理性能；在大信号下，虽然交叉耦合对管失效，但大的输入动态范围可自动将差分负载电流镜转入深度非线性工作模式，即通过电流传输的非线性效应实现压摆率(SR)的倍增，以提高瞬态响应速度。通过线性传输宽长比的配置以及非线性效应，能够彻底解决线性运放电路内在固有局限约束，实现静态、交流小信号和动态大信号下电路性能的全面改善和提高。

本发明具有在同等静态低功耗下，电路交流小信号增益、带宽以及大信号电压摆率的倍增。采用CSMC0.18mm标准CMOS工艺，在静态电流为29mA和30pF负载电容的条件下，低频增益为71.3dB，单位增益带宽为6.5MHz，大信号下的正向压摆率为+12.5V/ms，反向压摆率为-12.8V/ms。相比同等条件下的经典单级OTA结构，增益增加了24dB，带宽提高了9倍，电压摆率增大20倍。

附图说明

图1为传统运算跨导放大器OTA的原理电路图。

图2为普通线性比例电流镜和Cascode线性电流镜的电路图。

图3为线性/非线性自适应电流镜的电路图。