[发明专利]一种全差分运算跨导放大器

说明书

技术领域

本发明涉及电路开发技术领域，特别涉及一种全差分运算跨导放大器。

背景技术

随着CMOS工艺的发展，电源电压和晶体管本征增益逐渐降低，对于基于开关电容电路的离散时间信号处理电路来说，其性能提高的主要瓶颈之一就是高性能的运算跨导放大器（OTA）。OTA的设计最重要的指标是电压增益（A_V）和增益带宽积（GBW）。其中电压增益A_V为跨导（G_m）与输出电阻（R_O）的乘积，表示为：A_V=G_mR_O，增益带宽积GBW为跨导（G_m）与输出电容（C_O）之比，表示为：GBW=G_m/C_O。现有的OTA结构有多种，单级OTA主要包括套筒式共源共栅（Telescopic Cascode）结构以及折叠式共源共栅（folded Cascode）结构等。

在开关电容等电路的设计中，OTA的有限增益会导致电荷转移不完全，使得输出出现有限增益误差，故尽量提高OTA的增益是设计的努力方向之一。在一定的功耗（即跨导G_m）下，如何提高输出电阻R_O以提高增益，成为设计优化的关键之一。此外，在开关电容电路设计中，OTA的增益带宽积GBW决定了闭环带宽，即电路的工作速度，故尽量提高OTA的GBW也是设计的一个方向。在相同跨导条件下，OTA的增益带宽积GBW反比于输出电容负载C_O.OTA的电容负载C_O由有效负载C_L和寄生电容C_p并联而成，所以如何尽量减小输出节点的寄生电容C_p成为设计优化的重要内容。

图1是现有的套筒式共源共栅结构运算跨导放大器（OTA）的电路图，输入是差分信号Vin和Vip,输出是差分信号Von和Vop，负载电容是CL.。MOS管M11和M12是输入管，MOS管M13和M14是电流源管。输出是共源共栅结构，共源共栅结构由MOS管M11，M12，M15-M110组成，可以提供较大的输出电阻以提高增益。Vop和Von通过共模反馈模块，输出V_cmfb信号，并通过MOS管M14来控制输出共模电平。流过单端支路的偏置电流记为I.该OTA的增益可以表示为：

A_V1=G_m11(R_ds11G_m15R_ds15//R_ds19G_m17R_ds17).

假设有：

Rds11Gm15Rds15≅Rds19Gm17Rds17=RO,]]>

则增益可以表示为：

A_V1=G_m11R_O/2.

输出节点的负载电容为CL，寄生电容记为C_p1，则该OTA的增益带宽积为：