[发明专利]基于纳米MOS器件的低电压低功耗放大器

说明书

技术领域

本发明属于模拟集成电路设计领域，具体涉及一种基于纳米MOS器件的低电压低功耗放大器。

背景技术

现代集成电路技术已经由深亚微米集成电路发展到了纳米集成电路级别。基于22纳米工艺的CPU已经在Intel得到量产，国内也已经开展了22纳米集成电路的研究。得益于特征尺寸的减小和系统芯片技术的日益成熟，芯片规模越来越大，功能也越来越繁琐。近年来，移动芯片的飞速发展，促进了便携式移动电子设备的普及。

由于电池技术的发展远远跟不上电子系统的发展，从心脏起搏器到助听器、移动电话和各种各样便携式移动产品都对产品的供电电压提出了严格的限制。另一方面，随着器件尺寸不断的缩小，工艺的击穿电压也在降低，亦对电源电压提出了严格的限制。例如，65纳米工艺的供电电压是1.2V，45纳米工艺为1.1V，32纳米和28纳米的供电电压已经降到1V。供电电压的降低，使得在模拟电路设计中遇到一系列的困难。比如，输入电压动态范围减小，没有额外的电压空间来使用增益提高技术，MOS管本征增益减小，噪声恶化，随机失调对系统的影响增大等等。纳米集成电路的尺寸优势，及其在模拟电路设计中带来的种种困难，使得纳米集成电路低电压模拟设计受到广泛关注。

运算放大器是模拟电路中最重要的电路单元，广泛应用于模拟电路和混合信号处理电路中，如开关电容，模数、数模转换器等。因为晶体管的阈值电压并不随着特征尺寸的减小而线性减小，所以在纳米集成电路低电源电压环境下，运算放大器信号动态范围大大减小。同时，低电压的供电环境和动态范围的限制，许多高增益电路技术的使用变得困难，如套筒结构。而为了获得大的带宽，放大器的直流电流变大，这又增大了放大器的功耗。另外，在开关电容电路中，为了获得高信噪比，必须增大采样电容，而同时又必须保证一定的摆率，从而进一步增大电流和功耗。所以为了提高运放的性能，增大动态范围，提高增益和带宽，必须对放大电路进行改进，以提高电流的利用效率。

传统的对称型跨导放大器，其输出管采用单管电流源负载，很适合工作在纳米集成电路的低电压环境。传统的对称型跨导放大器结构如图1所示。输入级由两个PMOS管M1、M2组成，其将正反两个方向的电流通过M3、M5组成的电流镜和M4、M6组成的电流镜复制，进入输出级。增大比例系数B可以提高对称跨导运放的带宽和增益。

传统的对称型跨导放大器存在以下不足：

1.受限于低电压环境，传统对称跨导放大器的增益很低，一般在40dB左右。

2.增大比例系数B可以提高传统对称跨导运放的带宽和增益，但是会增加输出级的电流，功耗增大。

3.在功耗要求严格的情况下，难以达到高带宽的性能。

发明内容

本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明的目的在于提出一种基于纳米MOS器件的低电压低功耗放大器。