專利名稱：基于mos器件的寬帶低功耗電流回收斬波穩(wěn)定放大器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于模擬集成電路設(shè)計(jì)領(lǐng)域，特別涉及一種基于MOS器件的寬帶低功耗電 流回收斬波穩(wěn)定放大器。
背景技術(shù)：
20世紀(jì)年代以來，隨著亞微米、超深亞微米技術(shù)的發(fā)展和系統(tǒng)芯片技術(shù)的日益成 熟，采用電池供電的便攜式電子產(chǎn)品獲得了迅猛發(fā)展和快速普及。由于電池技術(shù)的發(fā)展遠(yuǎn) 遠(yuǎn)跟不上與電子系統(tǒng)的發(fā)展，從心臟起搏器到助聽器、移動電話和各種各樣產(chǎn)品都對電子 產(chǎn)品的供電電壓提出了嚴(yán)格的限制。另一方面，隨著器件尺寸不斷的縮小，工藝的擊穿電壓 也在降低，亦對電源電壓提出了嚴(yán)格的限制。電子器件性能要求越來越高，開發(fā)周期越來越 短，對開發(fā)與生產(chǎn)成本的制約也日趨嚴(yán)格，使低壓模擬集成電路受到了極大的關(guān)注。運(yùn)算放大器是模擬電路中最重要的電路單元，廣泛應(yīng)用于模擬電路和混合信號處 理電路中，如開關(guān)電容，模數(shù)、數(shù)模轉(zhuǎn)換器等。但是由于晶體管的閾值電壓并不隨著特征尺 寸的減小而線性減小，所以在低電源電壓環(huán)境下，運(yùn)算放大器的各項(xiàng)新能指標(biāo)會大大減小。 為了提高運(yùn)放的性能，增大電路處理信號的帶寬范圍，就必須對傳統(tǒng)的折疊共源共柵運(yùn)放 進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)，這就促成了各種新型的低功耗寬帶放大器的產(chǎn)生與發(fā)展。同時(shí)在低壓環(huán)境 下，運(yùn)算放大器低頻噪聲的影響會增大。為了提高運(yùn)放的噪聲性能，增大信號的信噪比，就 必須對運(yùn)放的結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)，這就促成了斬波穩(wěn)定放大器的產(chǎn)生與發(fā)展。近幾年來，低功耗寬帶斬波穩(wěn)定運(yùn)算放大器已大量涌現(xiàn)，各大公司也紛紛推出自 己相應(yīng)的產(chǎn)品。其應(yīng)用十分廣泛，可用在DVD播放器、聲卡、手機(jī)、系統(tǒng)、傳感器等各種電路 當(dāng)中。傳統(tǒng)的折疊共源共柵斬波穩(wěn)定放大器主要具有以下幾個(gè)特點(diǎn)(1)低頻Ι/f噪聲被 很好的抑制。(2)具有較高的低頻增益和較寬的帶寬。(3)輸出電壓可以達(dá)到電源電壓正 負(fù)兩級。傳統(tǒng)的斬波穩(wěn)定折疊共源共柵放大器的電路結(jié)構(gòu)如圖1所示。輸入信號先經(jīng)過一 個(gè)混頻器，然后進(jìn)入放大器的輸入級，輸入級由兩個(gè)PMOS管Pl、P2組成，其將正反兩個(gè)方向 的電流同時(shí)折疊流經(jīng)N3、N4到正負(fù)輸出端，最后放大器的輸出端再次經(jīng)過一個(gè)混頻器到輸 出端。其中，NMOS管Ni、N2都起到電流源的作用。但是，傳統(tǒng)的斬波穩(wěn)定折疊共源共柵放 大器存在以下不足1.相比于其他類型的放大器，其靜態(tài)功耗高。2.電流源N1、N2只是充當(dāng)電流源，未被利用傳輸小信號電流，是一種“浪費(fèi)”。3.在功耗要求嚴(yán)格的情況下，難以達(dá)到高帶寬的性能。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是為克服已有技術(shù)的不足之處，提出一種基于MOS器件的寬帶低功 耗電流回收斬波穩(wěn)定放大器，其特征在于，所述寬帶低功耗電流回收斬波穩(wěn)定放大器包括 升頻和降頻兩個(gè)混頻器、分流輸入級、放大回收電流的中間級和軌到軌輸出級；
所述升頻混頻器置于放大器輸入級之前，對輸入信號的起升頻作用，降頻混頻器 置于放大器輸出級之后，對輸入信號起降頻作用；所述分流輸入級由PMOS管Pla、Plb、P2a、 P2b組成；所述放大回收電流的中間級包括由NMOS管N7、N5和m組成的第一電流鏡和由 NMOS管N8、N2和N6組成的第二電流鏡；所述軌到軌輸出級是由NMOS管N3、N4以及PMOS 管P5、P6組成。所述寬帶低功耗電流回收斬波穩(wěn)定放大器正負(fù)輸入信號先通過一個(gè)混頻器進(jìn)行 混頻，把信號調(diào)制到載波頻帶范圍內(nèi)，然后正向輸入信號通過輸入管Pla將電壓信號轉(zhuǎn)換 成向下的電流信號，同時(shí)負(fù)向輸入信號通過輸入管P2b將電壓信號轉(zhuǎn)換成向上的回收電流 信號，該回收電流通過交叉連接的由NMOS管N7、N5、Nl組成的第一電流鏡被放大K倍，與 Pla管向下的電流一起通過N3流向負(fù)向輸出端；同時(shí)，負(fù)向輸入信號通過輸入管Ph將電 壓信號轉(zhuǎn)換成向上的電流信號，同時(shí)正向輸入信號通過輸入管Plb將電壓信號轉(zhuǎn)換成向下 的回收電流信號，該回收電流通過交叉連接的由NMOS管N8、N2、N6組成的第二電流鏡被放 大K倍，與Ph管向下的電流一起通過N4流向正向輸出端；最后正負(fù)輸出信號再次經(jīng)過一 個(gè)混頻器，將信號調(diào)制到基帶附近。其中的各個(gè)MOS器件采用常規(guī)MOS晶體管，或采用高遷 移率的應(yīng)變硅MOS器件，以進(jìn)一步提高該電路的性能。所述輸入級的四個(gè)PMOS管尺寸大小一致。所述由NMOS管N7、N5、m組成的第一電流鏡與輸入級的P2b管連接，所述由NMOS 管N8、N2、N6組成的第二電流鏡與輸入級的PIb管連接。所述正負(fù)輸入信號先通過一個(gè)混頻器進(jìn)行混頻再送到放大器的輸入端，最后放大 器的正負(fù)輸出信號再次經(jīng)過一個(gè)混頻器進(jìn)行降頻再送到輸出端。本發(fā)明的有益效果是這種新型的寬帶低功耗電流回收斬波穩(wěn)定放大器與傳統(tǒng)設(shè) 計(jì)方案相比具有以下幾個(gè)明顯的優(yōu)點(diǎn)在不增加功耗的情況下提高兩倍以上帶寬的能力； 降低低頻1/f噪聲；增加低頻增益；同時(shí)還可以在保持同樣的帶寬、噪聲等性能下降低一半 功耗等諸多優(yōu)點(diǎn)。


圖1為傳統(tǒng)折疊共源共柵斬波穩(wěn)定放大器的電路結(jié)構(gòu)圖。圖2為本發(fā)明的新型的寬帶低功耗電流回收斬波穩(wěn)定放大器的電路結(jié)構(gòu)圖。圖3為本發(fā)明的新型的寬帶低功耗電流回收斬波穩(wěn)定放大器與傳統(tǒng)的折疊共源 共柵斬波穩(wěn)定放大器的頻響仿真對比圖。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明提出的基于MOS器件的寬帶低功耗電流回收斬波穩(wěn)定放大器，其一種具體 實(shí)施方式采用CMOS工藝實(shí)現(xiàn)。在圖2中，所述寬帶低功耗電流回收斬波穩(wěn)定放大器包括升 頻和降頻兩個(gè)混頻器、分流輸入級、放大回收電流的中間級和軌到軌輸出級；所述升頻混頻器置于放大器輸入級之前，對輸入信號的起升頻作用，降頻混頻器 置于放大器輸出級之后，對輸入信號起降頻作用；所述分流輸入級由PMOS管Pla、Plb、P2a、 P2b組成，該四個(gè)PMOS管尺寸大小一致；所述放大回收電流的中間級包括由NMOS管N7、N5 和附組成的第一電流鏡，并與輸入級的P2b管連接，和由匪OS管N8、N2和N6組成的第二電流鏡，并與輸入級的PMOS管Plb管連接；所述軌到軌輸出級是由NMOS管N3和N4以及 PMOS管P5和P6組成。該寬帶低功耗電流回收斬波穩(wěn)定放大器的各MOS管具有如下連接結(jié) 構(gòu)正負(fù)輸入信號與第一個(gè)混頻器相連接，第一個(gè)混頻器的正向輸出與Pla和Plb的 柵極相連，第一個(gè)混頻器的負(fù)向輸出與Ph和P2b的柵極相連，Pla的漏極與m的漏極、N3 的源極相連，Plb的漏極與N6、N2的柵極相連，P2b的漏極與N2、N5的柵極相連，P2a的漏 極與N2的漏極、N4的源極相連，P5的漏極與N3的漏極相連，然后與第二個(gè)混頻的正向輸入 相連，P6的漏極與N4的漏極相連，然后與第二個(gè)混頻器的負(fù)向輸入相連。所述寬帶低功耗電流回收斬波穩(wěn)定放大器工作原理是所述正負(fù)輸入信號先通過 一個(gè)混頻器進(jìn)行混頻再送到放大器的輸入端，最后放大器的正負(fù)輸出信號再次經(jīng)過一個(gè)混 頻器進(jìn)行降頻再送到輸出端。具體過程是正負(fù)輸入信號先通過一個(gè)混頻器進(jìn)行混頻，把信 號調(diào)制到載波頻帶范圍內(nèi)，然后正向輸入信號通過輸入管Pla將電壓信號轉(zhuǎn)換成向下的電 流信號，同時(shí)負(fù)向輸入信號通過輸入管P2b將電壓信號轉(zhuǎn)換成向上的回收電流信號，該回 收電流通過交叉連接的由NMOS管N7、N5、Nl組成的第一電流鏡被放大K倍，與Pla管向下 的電流一起通過N3流向負(fù)向輸出端；同時(shí)，負(fù)向輸入信號通過輸入管Ph將電壓信號轉(zhuǎn)換 成向上的電流信號，同時(shí)正向輸入信號通過輸入管Plb將電壓信號轉(zhuǎn)換成向下的回收電流 信號，該回收電流通過交叉連接的由NMOS管N8、N2、N6組成的第二電流鏡被放大K倍，與 Ph管向下的電流一起通過N4流向正向輸出端；最后正負(fù)輸出信號再次經(jīng)過一個(gè)混頻器， 將信號調(diào)制到基帶附近。由此可得，輸入等效跨導(dǎo)被放大了 K+1倍。本發(fā)明中，K的值被取 為3，因此放大器的帶寬被放大到原來的兩倍。上述各個(gè)MOS器件采用常規(guī)MOS晶體管，或采用高遷移率的應(yīng)變硅MOS器件，以進(jìn) 一步提高該電路的性能。圖3為本發(fā)明的新型的寬帶低功耗電流回收斬波穩(wěn)定放大器與傳統(tǒng)折疊共源共 柵斬波穩(wěn)定放大器的頻響仿真結(jié)果對比圖。從圖中可以看出，本發(fā)明的寬帶低功耗電流回 收斬波穩(wěn)定放大器的帶寬相比于傳統(tǒng)折疊共源共柵斬波穩(wěn)定放大器提高了兩倍以上。同 時(shí)，低頻增益仍然略有提高。
權(quán)利要求
1.一種基于MOS器件的寬帶低功耗電流回收斬波穩(wěn)定放大器，其特征在于，所述寬帶 低功耗電流回收斬波穩(wěn)定放大器包括升頻和降頻兩個(gè)混頻器、分流輸入級、放大回收電流 的中間級和軌到軌輸出級；所述升頻混頻器置于放大器輸入級之前，對輸入信號的起升頻作用，降頻混頻器置于 放大器輸出級之后，對輸入信號起降頻作用；所述分流輸入級由PMOS管Pla、Plb、Ph、P2b 組成；所述放大回收電流的中間級包括由NMOS管N7、N5和m組成的第一電流鏡和由NMOS 管N8、N2和N6組成的第二電流鏡；所述軌到軌輸出級是由NMOS管N3、N4以及PMOS管P5、 P6組成。所述寬帶低功耗電流回收斬波穩(wěn)定放大器正負(fù)輸入信號先通過一個(gè)混頻器進(jìn)行混頻， 把信號調(diào)制到載波頻帶范圍內(nèi)，然后正向輸入信號通過輸入管Pla將電壓信號轉(zhuǎn)換成向下 的電流信號，同時(shí)負(fù)向輸入信號通過輸入管P2b將電壓信號轉(zhuǎn)換成向上的回收電流信號， 該回收電流通過交叉連接的由NMOS管N7、N5、m組成的第一電流鏡被放大K倍，與Pla管 向下的電流一起通過N3流向負(fù)向輸出端；同時(shí)，負(fù)向輸入信號通過輸入管Ph將電壓信號 轉(zhuǎn)換成向上的電流信號，同時(shí)正向輸入信號通過輸入管Plb將電壓信號轉(zhuǎn)換成向下的回收 電流信號，該回收電流通過交叉連接的由NMOS管N8、N2、N6組成的第二電流鏡被放大K倍， 與Ph管向下的電流一起通過N4流向正向輸出端；最后正負(fù)輸出信號再次經(jīng)過一個(gè)混頻 器，將信號調(diào)制到基帶附近。其中的各個(gè)MOS器件采用常規(guī)MOS晶體管，或采用高遷移率的 應(yīng)變硅MOS器件，以進(jìn)一步提高該電路的性能。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述基于MOS器件的寬帶低功耗電流回收斬波穩(wěn)定放大器，其特征 在于，所述輸入級的四個(gè)PMOS管尺寸大小一致。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述基于MOS器件的寬帶低功耗電流回收斬波穩(wěn)定放大器，其特征 在于，所述由NMOS管N7、N5、m組成的第一電流鏡與輸入級的P2b管連接，所述由NMOS管 N8、N2、N6組成的第二電流鏡與輸入級的Plb管連接。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述基于MOS器件的寬帶低功耗電流回收斬波穩(wěn)定放大器，其特征 在于，所述正負(fù)輸入信號先通過一個(gè)混頻器進(jìn)行混頻再送到放大器的輸入端，最后放大器 的正負(fù)輸出信號再次經(jīng)過一個(gè)混頻器進(jìn)行降頻再送到輸出端。
全文摘要
本發(fā)明公開了屬于模擬集成電路設(shè)計(jì)領(lǐng)域的一種基于MOS器件的寬帶低功耗電流回收斬波穩(wěn)定放大器。包括升頻混頻器置于放大器輸入級之前，降頻混頻器置于放大器輸出級之后，實(shí)現(xiàn)對輸入信號的和降頻功能；分流輸入級由四個(gè)PMOS管組成，將輸入電壓信號轉(zhuǎn)換成電流信號，并形成反向回收電流；放大回收電流的中間級是由兩個(gè)低壓電流鏡組成，實(shí)現(xiàn)對回收電流的放大作用以及軌到軌輸出級，則是實(shí)現(xiàn)信號的軌到軌輸出；本發(fā)明具有在不增加功耗的情況下提高兩倍以上帶寬的能力；降低低頻1/f噪聲；增加低頻增益；同時(shí)還可以在保持同樣的帶寬、噪聲等性能下降低一半功耗，進(jìn)一步提高該電路的性能。
文檔編號H03F1/26GK102142816SQ201110061079
公開日2011年8月3日 申請日期2011年3月15日 優(yōu)先權(quán)日2011年3月15日
發(fā)明者方華軍, 梁仁榮, 王敬, 許軍, 趙曉 申請人:清華大學(xué)