[发明专利]运算跨导放大器

说明书

本发明公开了一种适应于深亚微米CMOS工艺的电源电压较低特点的运算跨导放大器，包括带有差分输入级和共源输出级的基本结构，以及给差分输入级提供偏置电流的自适应偏置镜像电流源电路。在深亚微米CMOS工艺下(标称电源电压为1～1.2V)，本发明运算跨导放大器的输入偏置电压仍然能够设置成与输出共模电压VOCM相等的值，即电源电压的一半，虽然此时尾电流源的压降很小，但是仍能维持恒定电流，因而本发明的运算跨导放大器仍然可以获得较高的共模抑制比。基于本发明的运算跨导放大器的反相比例放大器不但在维持最大输入输出摆幅的同时规避了建立问题，而且不再需要额外的输入共模反馈电路。与传统结构相比，额外增加的NMOS管和偏置恒定电流源仅对运算跨导放大器贡献共模噪声，不会带来闭环带宽减小、噪声恶化等问题。

技术领域

本发明涉及半导体技术领域，涉及一种运算跨导放大器，具体涉及一种能够适用于深亚微米CMOS工艺的运算跨导放大器。

背景技术

运算跨导放大器(OTA)广泛应用于模拟集成电路设计，其最典型的应用是设计具有线性输入输出关系的负反馈放大器。图1是基于OTA搭建的反相比例放大器的电路结构图(其中R1为输入电阻，R2为反馈电阻)，其中VICM 表示共模输入电压，VOCM表示共模输出电压。因为负反馈机制，反相比例放大器能够在较宽的输入电压范围内实现信号的线性放大。我们希望VICM和 VOCM都设置为电源电压的一半以获得尽可能大的电压摆幅，自然希望OTA的输入偏置电压也等于电源电压的一半，否则反馈网络上存在静态电流，当增益改变时(即反馈网络改变)时，静态电流的变化使得OTA需要一定的时间重新建立工作点，这会带来建立问题。

随着制造工艺技术的发展，CMOS先进工艺的工作电压VDD已经降到了 1.2V甚至更低，这使得OTA的电压裕度分配比较紧张。而电压裕度不充裕会导致差分输入对尾电流源的输出阻抗的下降，进而，OTA的共模抑制比就会显著下降。假设输入差分对由PMOS管组成，电源到OTA输入端的压降至少为 0.8V(输入管V_SG≈0.5V，尾电流源的V_SD≈0.3V)，显然，在深亚微米 CMOS工艺下，传统结构OTA的输入偏置电压不能再设为电源电压的一半了。反相比例放大结构中OTA的输入端是交流“虚”地的，因此其输入偏置电压可以设置为靠近地或者靠近电源(当输入差分对为NMOS管时)以缓解电源电压下降带来的电压裕度紧张问题。这种情况下，OTA的输入偏置电压(亦即其共模输入电压)与反相比例放大器的VICM、VOCM均不相同了，这意味着，反馈网络上存在静态电流；通过调整反馈电阻改变闭环增益时，因共模电平不同导致的静态电流也会变化。这会带来两个方面的影响：(1)OTA的输入端需添加一个输入共模反馈电路以固定OTA的输入偏置电压，如图2所示，反馈电阻改变导致流过自身的电流变化时，该结构自动调整NMOS管I0的电流，以维持输入偏置电压(图2中OTA1的反相输入端偏置电压)的稳定；(2)增益切换时，流过反馈网络的电流瞬变导致OTA的静态工作点的重新建立，即带来建立问题，影响负反馈放大器的响应速度。此外，如果输入共模反馈电路的带宽不足，也可能成为限制负反馈放大器响应速度的重要因素。

澳门大学Pui-In Mak发表在IEEE TCAS-I上的论文“On the Design of aProgrammable-Gain Amplifier With Built-In Compact DC-Offset Cancellers forVery Low-Voltage WLAN Systems”采用直接粗暴的方式来解决建立问题，即针对不同的增益设定(即不同的反馈电阻取值)，通过开关分别接入相应的电路提供流过反馈电阻的电流变化部分，这样，反馈网络从OTA输出端抽取的电流不再随增益切换而变化，避免了OTA的建立问题。这一方法虽然解决了建立问题，但是电路结构复杂，额外开关电路的引入导致闭环带宽变小(寄生电容变大)、噪声来源增多等问题。

发明内容

本发明提供一种能够适用于深亚微米CMOS工艺的运算跨导放大器，解决了现有技术中深亚微米CMOS工艺的电源电压降低至1.2V及以下时运算跨导放大器电压裕度分配紧张的问题。