專利名稱：具有改進(jìn)的轉(zhuǎn)換速率的運(yùn)算放大器的制作方法
具有改進(jìn)的轉(zhuǎn)換速率的運(yùn)算放大器相關(guān)申請(qǐng)的交叉參考本申請(qǐng)要求于2010年3月2日提交的印度專利申請(qǐng)序列號(hào)M2/MUM/2010的優(yōu)先權(quán)，其全部內(nèi)容作為參考合并在此。本申請(qǐng)還要求2010年4月21日提交的申請(qǐng)序列號(hào) 12/764，294的對(duì)應(yīng)美國專利申請(qǐng)的優(yōu)先權(quán)，其全部內(nèi)容作為參考合并在此。
背景技術(shù)：
普通的兩級(jí)運(yùn)算放大器包括輸入級(jí)和第二級(jí)。輸入級(jí)通常是具有跨導(dǎo)特性的差分放大器，從差分電壓輸入產(chǎn)生輸出電流。跨導(dǎo)典型地非常高，因此相當(dāng)小的輸入電壓可能足以導(dǎo)致輸入級(jí)飽和，從而產(chǎn)生恒定電流輸出。第二級(jí)接收來自輸入級(jí)的電流輸出，在第二級(jí)實(shí)現(xiàn)頻率補(bǔ)償。該級(jí)的低通特性近似于積分器，因此如果電流輸入恒定，則該電流輸入可以產(chǎn)生線性增大的輸出。至第二級(jí)的輸入電流連同放大器的補(bǔ)償電容和增益帶寬一起都影響兩級(jí)運(yùn)算放大器的轉(zhuǎn)換速率。放大器的轉(zhuǎn)換速率表示電路中任何點(diǎn)處信號(hào)改變的最大速率。換言之，如果輸入信號(hào)的頻率超過放大器的轉(zhuǎn)換速率限制，則轉(zhuǎn)換速率的限制會(huì)造成非線性效應(yīng)，這會(huì)導(dǎo)致放大器輸出嚴(yán)重失真。因而，輸入信號(hào)的頻率通常受到電路設(shè)計(jì)期間放大器的能力的限制。

發(fā)明內(nèi)容
在一示例中，提出了一種具有改進(jìn)的轉(zhuǎn)換速率的運(yùn)算放大器電路。該運(yùn)算放大器電路包括運(yùn)算放大器，接收第一電壓輸入和第二電壓輸入。運(yùn)算放大器電路還包括電流增強(qiáng)器電路，包括第一電流源、第二電流源、第三電流源和第四電流源。運(yùn)算放大器電路還包括第一比較器，具有非反相輸入、反相輸入和輸出，非反相輸入耦接至第一電壓輸入，反相輸入耦接至第二電壓輸入；以及第二比較器，具有非反相輸入、反相輸入和輸出，非反相輸入耦接至第二電壓輸入，反相輸入耦接至第一電壓輸入。第一和第二比較器的輸出控制第一、第二、第三和第四電流源提供附加電流，改進(jìn)運(yùn)算放大器電路的轉(zhuǎn)換速率。在另一示例中，用具有不同尺寸的晶體管來實(shí)現(xiàn)電路的第一比較器和第二比較器。不同尺寸可以是不同溝道長度。此外，第一比較器檢測(cè)正轉(zhuǎn)換運(yùn)算的開始，并且第二比較器檢測(cè)負(fù)轉(zhuǎn)換運(yùn)算的開始，使得在第一比較器檢測(cè)到正轉(zhuǎn)換運(yùn)算的開始時(shí)激活第一和第三電流源，并在第二比較器檢測(cè)到負(fù)轉(zhuǎn)換運(yùn)算的開始時(shí)激活第二和第四電流源。此外，當(dāng)?shù)谝浑妷狠斎肱c第二電壓輸入之差是大于閾值電壓的正值時(shí)，檢測(cè)到正轉(zhuǎn)換運(yùn)算的開始，當(dāng)?shù)谝浑妷狠斎肱c第二電壓輸入之差是絕對(duì)值大于閾值電壓的負(fù)值時(shí)，檢測(cè)到負(fù)轉(zhuǎn)換運(yùn)算的開始。運(yùn)算放大器的比較器還可以使用FinFET器件來實(shí)現(xiàn)。在一示例中，還提供了一種改進(jìn)運(yùn)算放大器的轉(zhuǎn)換速率的方法。該方法包括檢測(cè)轉(zhuǎn)換運(yùn)算的開始；在轉(zhuǎn)換運(yùn)算期間激活附加電流源，以改進(jìn)轉(zhuǎn)換速率；當(dāng)未檢測(cè)到轉(zhuǎn)換運(yùn)算時(shí)，對(duì)附加電流源解除激活，從而最小化來自附加電流流動(dòng)的附加功率耗散。此外，檢測(cè)轉(zhuǎn)換運(yùn)算的開始可以進(jìn)一步包括將運(yùn)算放大器的輸入處第一電壓和第二電壓之差與一個(gè)或多個(gè)比較器的開關(guān)閾值電壓相比較。在一個(gè)示例中，依據(jù)檢測(cè)到的轉(zhuǎn)換運(yùn)算為正還是為
4負(fù)，激活運(yùn)算放大器的附加電流源。如果輸入電壓之差為正并且大于一個(gè)或多個(gè)比較器的開關(guān)閾值電壓，則轉(zhuǎn)換運(yùn)算可以為正，如果輸入電壓之差為負(fù)并且該差的絕對(duì)值大于一個(gè)或多個(gè)比較器的開關(guān)閾值電壓，則轉(zhuǎn)換運(yùn)算可以為負(fù)。在另一示例中，用于改進(jìn)轉(zhuǎn)換速率的所述一個(gè)或多個(gè)比較器的兩個(gè)輸入晶體管具有不同尺寸。不同尺寸可以包括不同溝道長度。此外，第一比較器和第二比較器可以使用 FinFET器件來實(shí)現(xiàn)。在另一示例中，提供了一種針對(duì)運(yùn)算放大器的轉(zhuǎn)換速率改進(jìn)電路。轉(zhuǎn)換速率改進(jìn)電路包括電流增強(qiáng)器電路，包括第一電流源、第二電流源、第三電流源和第四電流源；以及比較器電路，包括第一比較器和第二比較器，其中第一比較器具有非反相輸入、反相輸入和輸出，非反相輸入耦接至第一電壓輸入，并且反相輸入耦接至第二電壓輸入，第二比較器具有非反相輸入、反相輸入和輸出，非反相輸入耦接至第二電壓輸入，并且反相輸入耦接至第一電壓輸入；其中第一和第二比較器的輸出控制第一、第二、第三和第四電流源提供附加電流，改進(jìn)運(yùn)算放大器電路的轉(zhuǎn)換速率。第一電壓輸入和第二電壓輸入還可以是至運(yùn)算放大器的電壓輸入。以上發(fā)明內(nèi)容僅僅是說明性的，而絕不是限制性的。除了上述示例性的各方案、 各實(shí)施例和各特征之外，參照附圖和以下詳細(xì)說明，將清楚其他方案、其他實(shí)施例和其他特征。


將通過以下描述和附圖進(jìn)一步說明實(shí)施例。圖1是具有改進(jìn)的轉(zhuǎn)換速率的運(yùn)算放大器電路的示意電路圖。圖加是兩級(jí)運(yùn)算放大器的FinFET實(shí)現(xiàn)的示意電路圖。圖2b是具有第一和第三電流源的第一比較器的FinFET實(shí)現(xiàn)的示意電路圖。圖2c是具有第二和第四電流源的第二比較器的FinFET實(shí)現(xiàn)的示意電路圖。圖3是兩級(jí)運(yùn)算放大器與本申請(qǐng)的具有改進(jìn)轉(zhuǎn)換速率的運(yùn)算放大器電路實(shí)施例之間的轉(zhuǎn)換速率比較圖。圖4是第一兩級(jí)運(yùn)算放大器、第二兩級(jí)運(yùn)算放大器與本申請(qǐng)的具有改進(jìn)轉(zhuǎn)換速率的運(yùn)算放大器電路實(shí)施例之間的瞬態(tài)響應(yīng)比較圖。
具體實(shí)施例方式在以下詳細(xì)說明中，參考了作為詳細(xì)說明的一部分的附圖。在附圖中，類似符號(hào)通常表示類似部件，除非上下文另行指明。
具體實(shí)施方式
部分、附圖和權(quán)利要求書中記載的示例性實(shí)施例并不是限制性的。在不脫離在此所呈現(xiàn)主題的精神或范圍的情況下，可以利用其他實(shí)施例，且可以進(jìn)行其他改變。應(yīng)當(dāng)理解，在此一般性記載以及附圖中圖示的本公開的各方案可以按照在此明確和隱含公開的多種不同配置來設(shè)置、替換、組合、分割和設(shè)計(jì)。本申請(qǐng)?zhí)峁┮环N運(yùn)算放大器，具有高轉(zhuǎn)換速率，同時(shí)保持低功率開銷和基本性能度量。在一實(shí)施例中，該電路的工作原理依賴于檢測(cè)電路的轉(zhuǎn)換運(yùn)算的開始，并相應(yīng)地激活附加電流源。因?yàn)橹辉陔娐返霓D(zhuǎn)換運(yùn)算期間激活附加電流源，所以運(yùn)算放大器電路的功率耗散和其他性能度量保持不變。
圖1是具有改進(jìn)轉(zhuǎn)換速率的運(yùn)算放大器電路100的實(shí)施例的示意電路圖。運(yùn)算放大器電路100包括兩級(jí)運(yùn)算放大器電路102、附加電流源104和比較器電路106。兩級(jí)運(yùn)算放大器電路102包括串聯(lián)連接的第一放大器108和第二放大器110，其中第一放大器108接收電壓輸入Vinl和Vin2，第二放大器110輸出電壓V。ut。與補(bǔ)償器電容器114串聯(lián)的電阻器 112與第二放大器并聯(lián)耦接。兩級(jí)運(yùn)算放大器電路102的輸出端耦接至負(fù)載電容器128。比較器電路106包括第一比較器IM和第二比較器126，兩個(gè)比較器都接收電壓輸入Vinl和Vin2，并且分別具有第一比較器輸出C1和第二比較器輸出C2。附加電流源104包括第一電流源116、第二電流源118、第三電流源120和第四電流源122。根據(jù)第一比較器輸出C1來控制第一電流源116和第三電流源120，而根據(jù)第二比較器輸出C2來控制第二電流源118和第四電流源122。第一電流源116和第二電流源118耦接至兩級(jí)運(yùn)算放大器電路 102的輸出，而第三電流源120和第四電流源122耦接至運(yùn)算放大器102的第一放大器108 的電源。如圖1所示，附加電流源104和比較器電路106是附加電路，可以用于改進(jìn)兩級(jí)運(yùn)算放大器電路102的轉(zhuǎn)換速率。附加電流源104在效果上是用于兩級(jí)運(yùn)算放大器電路102 的電流增強(qiáng)模塊，比較器電路106在效果上是用于檢測(cè)轉(zhuǎn)換的開始的檢測(cè)電路。如圖1所示，第一比較器124和第二比較器1 是非對(duì)稱的。非對(duì)稱比較器具有非對(duì)稱輸入差分級(jí)，這造成人為輸入偏移電壓，該人為輸入偏移電壓是比較器的差分開關(guān)閾值電壓。可以使用尺寸不同的比較器輸入晶體管或者尺寸不同的比較器輸入級(jí)負(fù)載晶體管來實(shí)現(xiàn)這種非對(duì)稱輸入差分級(jí)。在本申請(qǐng)的實(shí)施例中，用溝道長度不同的輸入晶體管來實(shí)現(xiàn)第一比較器1 和第二比較器126。比較器IM和1 可以進(jìn)一步設(shè)計(jì)成在電壓輸入Vinl 和Vin2之差的絕對(duì)值小于閾值Vsw時(shí)，使控制邏輯電路的輸出保持在適當(dāng)邏輯電平(即，邏輯“高”或邏輯“低”，這依據(jù)四個(gè)附加電流源116、118、120和122的極性)。在本實(shí)施例的情況下，當(dāng)未檢測(cè)到轉(zhuǎn)換開始時(shí)，第一比較器1 和第二比較器126的輸出在控制P-FinFET 電流源時(shí)為VDD，或者在控制N-FinFET電流源時(shí)為地。如上所述，第一電流源116和第三電流源120由第一比較器124控制，第二電流源 118和第四電流源122由第二比較器126控制。第一電流源116和第三電流源120的電流值可以近似相等，而第二電流源118和第四電流源122在值方面也可以近似相等。在功能上，當(dāng)Vinl比Vin2大某一邊際值時(shí)，第一比較器124工作于正轉(zhuǎn)換模式，而當(dāng) Vinl比Vin2小某一邊際值時(shí)，第二比較器1 工作于負(fù)轉(zhuǎn)換模式。在電壓輸入Vinl和Vin2之
差超過例如Vsw之類的閾值電壓的情況下，第一比較器的反相輸出巧變低，并且第一電流源
116和第三電流源120被激活。第一電流源116的激活提供了通過補(bǔ)償電容器114的附加電流，第三電流源120的激活提供了對(duì)補(bǔ)償電容器114的相對(duì)端子放電的路徑。結(jié)果，第三電流源120輔助第一電流源116來改進(jìn)電路的正轉(zhuǎn)換速率。類似地，當(dāng)檢測(cè)到負(fù)轉(zhuǎn)換運(yùn)算的開始時(shí)(電壓輸入Vinl和Vin2之差的絕對(duì)值超過閾值電壓Vsw)，第二比較器的輸出C2變高。在這種情況下，激活第二電流源118和第四電流源 122，并改進(jìn)負(fù)轉(zhuǎn)換速率。在兩種情況下，閾值電壓Vsw確定檢測(cè)器電路的開關(guān)點(diǎn)，并且可以被設(shè)計(jì)成適應(yīng)于不同的運(yùn)算放大器應(yīng)用。在本申請(qǐng)的一個(gè)實(shí)施例中，使用45nm技術(shù)的FinFET器件來實(shí)現(xiàn)具有改進(jìn)轉(zhuǎn)換速率的運(yùn)算放大器。在本實(shí)施例中使用的FinFET技術(shù)參數(shù)具有最小溝道長度(L)20nm，有效氧化物厚度(EOT)O. 9nm，鰭寬度(WFIN)6nm以及鰭高度(HFIN)30nm。溝道摻雜是 1 X IO15Cm-3,源極/漏極摻雜是1 X 102°cnT3，其中交疊距離(LOV)是2nm，進(jìn)入溝道的高斯摻雜梯度是lnm/decade。圖2a是兩級(jí)運(yùn)算放大器的FinFET實(shí)現(xiàn)的示意電路圖202 ；圖2b是具有第一和第三電流源的第一比較器的FinFET實(shí)現(xiàn)的示意電路圖204 ；圖2c是具有第二和第四電流源的第二比較器的FinFET實(shí)現(xiàn)的示意電路圖206。在圖2a_2c所示的示例實(shí)施例中，括號(hào)中的數(shù)字指示各個(gè)FinFET器件的鰭的個(gè)數(shù)。還提供了電容器和電阻器的示例值。如圖2a所示，兩級(jí)運(yùn)算放大器參數(shù)是針對(duì)給定功率約束下最大轉(zhuǎn)換速率而設(shè)計(jì)和優(yōu)化的，并相應(yīng)地用于仿真以說明由于實(shí)現(xiàn)圖2b和2c所示比較器和電流增強(qiáng)器電路而帶來的轉(zhuǎn)換速率改進(jìn)。在圖2的實(shí)施例中，使用溝道長度50nm的FinFET器件來設(shè)計(jì)運(yùn)算放大器電路 202。然而，為了獲得所需的閾值(開關(guān)電壓)Vsw，希望通過實(shí)施非對(duì)稱輸入器件來使用非對(duì)稱比較器。如上所述，可以按照不同方式實(shí)現(xiàn)比較器電路204和206的非對(duì)稱性，例如通過在兩個(gè)相應(yīng)輸入晶體管的長度或指狀物個(gè)數(shù)之間引入失配來實(shí)現(xiàn)非對(duì)稱性。在圖2所示示例實(shí)施例中，在輸入級(jí)中使用具有不同溝道長度的FinFET器件，來實(shí)現(xiàn)所需的非對(duì)稱性。在圖2b的第一比較器電路204中，圖2b中比較器的輸入晶體管MlO和Mll具有不同溝道長度。MlO以及第一比較器電路204中其他FinFET器件的溝道長度是50nm，而輸入晶體管Mll的溝道長度是lOOnm。類似地，圖2c中第二比較器電路206的晶體管M23和 M24具有不同溝道長度。M23以及第二比較器電路206中其他FinFET器件的溝道長度是 50nm，而輸入晶體管M24的溝道長度是lOOnm。如上所述，以在給定功率約束下優(yōu)化圖2a的運(yùn)算放大器電路202的參數(shù)為開始， 來說明針對(duì)運(yùn)算放大器電路的轉(zhuǎn)換速率改進(jìn)。表1中示出了優(yōu)化的參數(shù)以及轉(zhuǎn)換速率值。 轉(zhuǎn)換速率值是針對(duì)上升和下降時(shí)間為IOOps的輸入信號(hào)而測(cè)量的。在下面的討論中，該電路稱為“兩級(jí)Op-Amp 1”。
權(quán)利要求
1.一種運(yùn)算放大器電路，包括運(yùn)算放大器，接收第一電壓輸入和第二電壓輸入；電流增強(qiáng)器電路，包括第一電流源、第二電流源、第三電流源和第四電流源；第一比較器，具有非反相輸入、反相輸入和輸出，非反相輸入耦接至第一電壓輸入，反相輸入耦接至第二電壓輸入；以及第二比較器，具有非反相輸入、反相輸入和輸出，非反相輸入耦接至第二電壓輸入，反相輸入耦接至第一電壓輸入；其中，第一和第二比較器的輸出控制第一、第二、第三和第四電流源提供附加電流，以改進(jìn)運(yùn)算放大器電路的轉(zhuǎn)換速率。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的運(yùn)算放大器電路，其中，用具有不同尺寸的晶體管來實(shí)現(xiàn)第一比較器和第二比較器。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的運(yùn)算放大器電路，其中，不同尺寸包括不同溝道長度。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的運(yùn)算放大器電路，其中，第一比較器檢測(cè)正轉(zhuǎn)換運(yùn)算的開始。
5.根據(jù)權(quán)利要求1-4之一所述的運(yùn)算放大器電路，其中，第二比較器檢測(cè)負(fù)轉(zhuǎn)換運(yùn)算的開始。
6.根據(jù)權(quán)利要求2-4之一所述的運(yùn)算放大器電路，其中，在第一比較器檢測(cè)到正轉(zhuǎn)換運(yùn)算的開始時(shí)激活第一和第三電流源。
7.根據(jù)權(quán)利要求2-4之一所述的運(yùn)算放大器電路，其中，當(dāng)?shù)谝浑妷狠斎肱c第二電壓輸入之差是大于閾值電壓的正值時(shí)，檢測(cè)到正轉(zhuǎn)換運(yùn)算的開始。
8.根據(jù)權(quán)利要求2-4之一所述的運(yùn)算放大器電路，其中，在第二比較器檢測(cè)到負(fù)轉(zhuǎn)換運(yùn)算的開始時(shí)激活第二和第四電流源。
9.根據(jù)權(quán)利要求2-4之一所述的運(yùn)算放大器電路，其中，當(dāng)?shù)谝浑妷狠斎肱c第二電壓輸入之差是絕對(duì)值大于閾值電壓的負(fù)值時(shí)，檢測(cè)到負(fù)轉(zhuǎn)換運(yùn)算的開始。
10.根據(jù)權(quán)利要求1-4之一所述的運(yùn)算放大器電路，其中，運(yùn)算放大器、第一比較器和第二比較器使用FinFET器件來實(shí)現(xiàn)。
11.一種改進(jìn)運(yùn)算放大器的轉(zhuǎn)換速率的方法，包括檢測(cè)轉(zhuǎn)換運(yùn)算的開始；在轉(zhuǎn)換運(yùn)算期間激活附加電流源，以改進(jìn)轉(zhuǎn)換速率；當(dāng)未檢測(cè)到轉(zhuǎn)換運(yùn)算時(shí)，對(duì)附加電流源解除激活，從而最小化來自附加電流流動(dòng)的附加功率耗散。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，其中，檢測(cè)轉(zhuǎn)換運(yùn)算的開始包括將運(yùn)算放大器的輸入處第一電壓和第二電壓之差與閾值相比較。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，其中，依據(jù)檢測(cè)到的轉(zhuǎn)換運(yùn)算為正還是為負(fù)，激活附加電流源。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的方法，其中，如果輸入電壓之差為正并且大于第一比較器的開關(guān)閾值電壓，則轉(zhuǎn)換運(yùn)算為正。
15.根據(jù)權(quán)利要求13所述的方法，其中，如果輸入電壓之差為負(fù)并且該差的絕對(duì)值大于第二比較器的開關(guān)閾值電壓，則轉(zhuǎn)換運(yùn)算為負(fù)。
16.根據(jù)權(quán)利要求12-15之一所述的方法，其中，一個(gè)或多個(gè)比較器的兩個(gè)輸入晶體管具有不同尺寸。
17.根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法，其中，不同尺寸包括不同溝道長度。
18.根據(jù)權(quán)利要求12-15之一所述的方法，其中，運(yùn)算放大器、第一比較器和第二比較器使用FinFET器件來實(shí)現(xiàn)。
19.一種針對(duì)運(yùn)算放大器的轉(zhuǎn)換速率改進(jìn)電路，包括電流增強(qiáng)器電路，包括第一電流源、第二電流源、第三電流源和第四電流源；比較器電路，包括第一比較器和第二比較器，其中第一比較器具有非反相輸入、反相輸入和輸出，非反相輸入耦接至第一電壓輸入，并且反相輸入耦接至第二電壓輸入，第二比較器具有非反相輸入、反相輸入和輸出，非反相輸入耦接至第二電壓輸入，并且反相輸入耦接至第一電壓輸入；其中第一和第二比較器的輸出控制第一、第二、第三和第四電流源提供附加電流，以改進(jìn)運(yùn)算放大器電路的轉(zhuǎn)換速率。
20.根據(jù)權(quán)利要求19所述的轉(zhuǎn)換速率改進(jìn)電路，其中，第一電壓輸入和第二電壓輸入是至運(yùn)算放大器的電壓輸入。
全文摘要
提供了一種轉(zhuǎn)換速率改進(jìn)運(yùn)算放大器電路，以利用功率耗散和其他運(yùn)算放大器參數(shù)的最小犧牲來改進(jìn)運(yùn)算放大器的轉(zhuǎn)換速率。為改進(jìn)運(yùn)算放大器的轉(zhuǎn)換速率，在檢測(cè)到轉(zhuǎn)換運(yùn)算時(shí)激活附加電流源?？梢允褂脙蓚€(gè)比較器電路來實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)換運(yùn)算的檢測(cè)和基于檢測(cè)對(duì)電流源的激活，兩個(gè)比較器電路一個(gè)用于正轉(zhuǎn)換運(yùn)算，一個(gè)用于負(fù)轉(zhuǎn)換運(yùn)算。實(shí)現(xiàn)該轉(zhuǎn)換速率改進(jìn)構(gòu)思的亞45nm FinFET實(shí)施方式，并與轉(zhuǎn)換速率優(yōu)化的單獨(dú)兩級(jí)運(yùn)算放大器相比較。仿真顯示出通過比較器電路的實(shí)施方式，顯著改進(jìn)了轉(zhuǎn)換速率(5590V/μS相比于273V/μS)，同時(shí)功率耗散的增加最少(78μW相比于46μW)。
文檔編號(hào)H03F3/45GK102474230SQ201080030261
公開日2012年5月23日 申請(qǐng)日期2010年11月17日 優(yōu)先權(quán)日2010年3月2日
發(fā)明者V·拉姆戈帕爾·拉奧, 拉杰什·A·塔克爾, 迪內(nèi)?！·夏爾馬, 馬揚(yáng)克·斯里瓦斯塔瓦, 馬赫什·B·帕希爾, 馬里亞姆·舒賈依·巴吉尼 申請(qǐng)人:印度孟買技術(shù)研究院