專利名稱：一種帶寬可調的運算放大器電路的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及集成電路技術領域，尤其涉及一種帶寬可調的運算放大器電路。
背景技術：
集成運算放大器自20世紀60年代問世以來，取得了飛速的發(fā)展。最初多用于各種模擬信號的運算，例如比例、求和、求差、積分、微分等，隨著技術的發(fā)展，集成運放已經(jīng)廣泛應用于模擬信號的處理和發(fā)生電路中，可用以構成有源濾波器，跨阻放大器等多種射頻和模擬集成電路中常用的單元模塊。全差分運算放大器與單端輸出的運算放大器相比，具有更大的輸出電壓擺幅，對共模噪聲不敏感，而且輸出不含偶次諧波分量，這使它廣泛應用于各種復雜環(huán)境下的集成電路中。由于差分輸出，運放需要兩個匹配的反饋網(wǎng)絡，并需要共模反饋電路來穩(wěn)定共模輸出電壓。以濾波器為例，現(xiàn)今的多種通信制式要求濾波器具有多種帶寬以滿足系統(tǒng)的性能指標要求。一種解決方法是，將不同帶寬的濾波器并聯(lián)放置，選擇不同濾波器的輸出就可以得到不同帶寬的濾波效果。然而這將帶來電路功耗和版圖面積的極大浪費。為了降低電路功耗和減小版圖面積，較好的方法是共用濾波器的核心單元，即運算放大器電路。將濾波器的反饋電容改為可調的電容陣列，由控制信號進行切換得到不同的電容值，從而得到不同的濾波器帶寬。然而，濾波器的不同帶寬，要求運放也具有不同的環(huán)路帶寬。而且，隨著濾波器反饋電容陣列的切換，運放的負載將經(jīng)歷很大的變化，典型地從幾PF變化到幾十pF，給運算放大器的穩(wěn)定性帶來很大的威脅。如果按照最大負載的情況，設計密勒補償電容以保證各種負載情況下運放的穩(wěn)定性，在輕負載的情況下，運放的帶寬就會顯著減小，不能滿足系統(tǒng)性能指標的要求。另一個主要的矛盾是，在一定功耗下，運放的帶寬有限。要提高運放的帶寬，并且保持運放的增益不變，需要提高運放的單位增益帶寬。這就需要加大運放的工作電流，功耗和帶寬的矛盾是運放設計時不可避免的矛盾。

發(fā)明內容
(一 )要解決的技術問題針對現(xiàn)有技術中存在的上述問題，本發(fā)明提供了一種帶寬可調的運算放大器電路。( 二 )技術方案為達到上述目的，本發(fā)明提供了一種帶寬可調的運算放大器電路，該運算放大器電路包括偏置電路、全差分運算放大器主電路和共模反饋電路，其中:偏置電路，用于為全差分運算放大器主電路和共模反饋電路提供與溫度和工藝無關的穩(wěn)定的偏置電流；全差分運算放大器主電路， 是兩級放大的滿擺幅輸出結構，用于在偏置電流的作用下提供增益和所需的帶寬，并向共模反饋電路輸出共模電平；
共模反饋電路，用于穩(wěn)定全差分運算放大器主電路輸出的共模電平至一個恒定的電壓。上述方案中，所述偏置電路包括基準電流I,ef以及第十NMOS管Mltl、第i^一 NMOS管M11組成的電流鏡結構；第九PMOS晶體管M9的柵極與漏極相接，為全差分運算放大器主電路和共模反饋電路提供偏置電流。上述方案中，所述全差分運算放大器主電路包括第一級及第二級放大電路，在該兩級放大電路之間加入有可切換的第三及第四密勒補償電容(c3、c4)和第三及第四密勒補償電阻(r3、R4)，用于實現(xiàn)不同帶寬下的穩(wěn)定工作，同時加入有可切換的第一及第二交叉反饋電容(C1、C2)和第一及第二交叉反饋電阻OV R2),用來進一步拓展帶寬；在該兩級放大電路之間還加入有第五及第六耦合電容(C5、C6)和第五及第六高阻值隔離電阻(R5、R6)，實現(xiàn)滿擺幅輸出。上述方案中，所述可切換的第三及第四密勒補償電容(C3、C4)及所述可切換的第一及第二交叉反饋電容(C1' C2)均由電容陣列(C/、C2，...Cn，)和MOS開關(S1、S2...Sn)構成，電容陣列(C/、C2’...Cn’)由η條支路并聯(lián)構成,第一條支路由第一撇電容C1’、第一開關S1串聯(lián)組成，第η條支路由第η撇電容Cn’、第η開關Sn串聯(lián)組成，η為彡I的整數(shù)；所述可切換的第三及第四密勒補償電阻(R3、R4)及所述可切換的第一及第二交叉反饋電阻(R^R2)均由電阻陣列(R/、R2’...Rn，)和MOS開關(S”S2...Sn)構成，電阻陣列(R/、R2’...Rn’)由η條支路并聯(lián)構成，第一條支路由第一撇電阻R/、第一開關S1串聯(lián)組成，第η條支路由第η撇電阻Rn’、第η開關Sn串聯(lián)組成，η為彡I的整數(shù)。上述方案中，所述MOS開關由CMOS傳輸門構成，包括第十八NMOS管M18、第十九PMOS管M19以及反相器INV。所述反相器INV由第二i^一 PMOS晶體管M21和第二十二 NMOS晶體管M22構成。上述方案中，所述第五及第六高阻值隔離電阻(R5、R6)由工作在截止區(qū)的二極管結構的PMOS管(MJ或者工作在截止區(qū)的二極管結構的NMOS管(MJ)構成，有效減小了版圖面積。上述方案中，所述共模反饋電路包括第十二 PMOS晶體管M12、第十三PMOS晶體管M13、第十四NMOS晶體管M14、第十五NMOS晶體管M15、第十六PMOS晶體管M16構成的差分放大器結構，第八及第九電阻(R8、R9)檢測輸出共模電平，通過負反饋穩(wěn)定輸出共模電平至穩(wěn)定的電壓V 。所述共模反饋環(huán)路中還添加有RC滯后補償電路，該RC滯后補償電路由第七電阻及第七電容(R7、C7)串聯(lián)而成，用于提高頻率響應的相位裕度。(三)有益效 果本發(fā)明提供的帶寬可調的運算放大器電路，工作穩(wěn)定可靠，能夠廣泛應用于各種復雜環(huán)境下的射頻和通信集成電路中，具有以下多種優(yōu)點:1、在本發(fā)明提供的帶寬可調的運算放大器電路中，偏置電路為運放主電路和共模反饋電路提供與工藝和溫度無關的基準電流，極大減小了運放在各種工藝角下的性能波動。2、在本發(fā)明提供的帶寬可調的運算放大器電路中，全差分運算放大器由兩級放大電路組成的滿擺幅輸出的放大器結構，采用二極管結構的MOS管實現(xiàn)了等效大電阻，有效減小了版圖面積；采用可切換的密勒補償結構，使運算放大器在不同的負載情況下，均能達到很好的穩(wěn)定性；同時，提出可切換的交叉反饋結構，在不增加電路功耗的情況下，有效地擴展了帶寬。共模反饋電路中加入RC滯后補償，穩(wěn)定運放輸出直流電平的同時，達到了很好的環(huán)路穩(wěn)定性。3、為了減小運放第一級輸出對偏置電壓的影響，需要電阻R5和R6的阻值高達IG歐姆。這樣高的阻值將會占用巨大的版圖面積。在本發(fā)明提供的帶寬可調的運算放大器電路中，采用工作在截止區(qū)的二極管結構的MOS管來實現(xiàn)高阻值的電阻，利用小尺寸的管子，即可取得高阻值的效果。在一個示例中，采用的二極管結構的PMOS管的大小為W/L =4 μ m/250nm，版圖面積大幅減小，而且易于通過調整MOS管的尺寸來調整電阻的大小。4、在本發(fā)明提供的帶寬可調的運算放大器電路中，通過同時應用可切換的密勒補償電容和交叉反饋電容，密勒補償和交叉反饋結構中的電阻和電容的大小均可由控制字進行切換，實現(xiàn)了運放在不同帶寬下的穩(wěn)定工作，使運放在各種負載情況下，均能穩(wěn)定工作，而且在不增加電流消耗的情況下，拓展了帶寬。5、本發(fā)明提供的帶寬可調的運算放大器電路，可以廣泛應用于需要工作在多種帶寬下的有源濾波器，跨阻放大器等射頻和模擬集成電路中，具有功耗低，集成度高，適應多種不同負載情況，配置簡單，工作穩(wěn)定的優(yōu)點。


圖1為依照本發(fā)明實施例的帶寬可調的運算放大器電路的結構示意圖；圖2a為依照本發(fā)明實施例的高阻值電阻的一種實現(xiàn)原理圖；圖2b為依照本發(fā)明實施例的高阻值電阻的另一種實現(xiàn)原理圖；圖3為依照本發(fā)明實施例的可切換電容陣列的電路原理圖；圖4為依照 本發(fā)明實施例的可切換電阻陣列的電路原理圖；圖5為依照本發(fā)明實施例的MOS開關的電路原理圖；圖6為依照本發(fā)明實施例的反相器的電路原理圖；圖7為依照本發(fā)明實施例的帶寬可調運算放大器電路在窄帶應用下的頻響特性；圖8為依照本發(fā)明實施例的帶寬可調運算放大器電路在寬帶應用下的頻響特性；圖9為依照本發(fā)明實施例的帶寬可調運算放大器電路的共模反饋環(huán)路的頻響特性。
具體實施例方式為使本發(fā)明的目的、技術方案和優(yōu)點更加清楚明白，以下結合具體實施例，并參照附圖，對本發(fā)明進一步詳細說明。如圖1所示，圖1為依照本發(fā)明實施例的帶寬可調的運算放大器電路的結構示意圖，該運算放大器電路包括偏置電路、全差分運算放大器主電路以及共模反饋電路。其中，偏置電路用于為全差分運算放大器主電路和共模反饋電路提供與溫度和工藝無關的穩(wěn)定的偏置電流；全差分運算放大器主電路是兩級放大的滿擺幅輸出結構，用于在偏置電流的作用下提供增益和所需的帶寬，并向共模反饋電路輸出共模電平，通過工作在截止區(qū)的二極管結構的MOS管構成高阻值的第五及第六電阻(R5、R6)，顯著減小了版圖面積；通過同時應用可切換的密勒補償電容和可切換的交叉反饋電容，實現(xiàn)了運放在不同負載情況下的穩(wěn)定工作，并且在不增加功耗的情況下，拓展了帶寬；共模反饋電路用于穩(wěn)定全差分運算放大器主電路輸出的共模電平至一個恒定的電壓，通過在環(huán)路中添加RC滯后補償電路(R7X7)，提高了共模響應的相位裕度；該％滯后補償電路由第七電阻及第七電容(R7X7)串聯(lián)而成。其中，所述共模反饋電路包括第十二 PMOS晶體管M12、第十三PMOS晶體管M13、第十四NMOS晶體管M14、第十五NMOS晶體管M15、第十六PMOS晶體管M16構成的差分放大器結構，第八及第九電阻(R8、R9)檢測輸出共模電平，通過負反饋穩(wěn)定輸出共模電平至穩(wěn)定的電壓V 。所述在該共模反饋環(huán)路中還添加有RC滯后補償電路，該RC滯后補償電路由第七電阻及第七電容(R7、C7)串聯(lián)而成，用于提高頻率響應的相位裕度。所述偏置電路包括基準電流IMf以及第十NMOS管Mltl、第i^一 NMOS管M11組成的電流鏡結構；第九PMOS晶體管M9的柵極與漏極相接，為全差分運算放大器主電路和共模反饋電路提供偏置電流。所述全差分運算放大器主電路包括第一級及第二級放大電路，在該兩級放大電路之間加入有可切換的第三及第四密勒補償電容(C3、C4)和第三及第四密勒補償電阻(R3、R4)，用于實現(xiàn)不同帶寬下的穩(wěn)定工作，同時加入有可切換的第一及第二交叉反饋電容(C；、C2)和第一及第二交叉反饋電阻OV R2),用來進一步拓展帶寬；在該兩級放大電路之間還加入有第五及第六耦合電容(C5、C6)和第五及第六高阻值隔離電阻(R5、R6)，實現(xiàn)滿擺幅輸出。圖2a為依照本發(fā)明實施例的高阻值電阻的一種實現(xiàn)原理圖。為了減小運放第一級輸出對偏置電壓的影響，需要第五及第六高阻值隔離電阻(R5、R6)的阻值高達IG歐姆。這樣高的阻值將會占用巨大的版圖面積。本發(fā)明提出一種采用工作在截止區(qū)的二極管結構的PMOS管Ml的實現(xiàn)方式，其可以等效為大電阻R5和R6，有效減小了版圖面積。本實施例中，PMOS管的大小為W/L = 4μ m/250nm，版圖面積大幅減小，從而提高了集成度，降低了成本，而且易于通過調整MOS管的尺寸來調整電阻的大小。圖2b為依照本發(fā)明實施例的高阻值電阻的另一種實現(xiàn)原理圖。大電阻&和1 6也可以由工作在截止區(qū)的二極管結構的NMOS管MJ來實現(xiàn)。同樣可以采用小尺寸的管子實現(xiàn)聞達IG歐姆的等效大 電阻。圖3為依照本發(fā)明實施例的可切換電容陣列的電路原理圖。為了使運放在不同負載情況下均能實現(xiàn)很好的穩(wěn)定性，需要運放的密勒補償電容可以由控制字進行切換。同時，為了解決運放功耗與帶寬之間的矛盾，引入交叉反饋的可切換電容，在不增加功耗的情況下，顯著拓展了帶寬，并保證了相位裕度。本實施例中可切換的第三及第四密勒補償電容(c3、C4)以及交可切換的第一及第二交叉反饋電容(Cp C2),均由圖3所示的可切換電容陣列構成。陣列由η條支路并聯(lián)構成，第一條支路由第一撇電容C/、第一開關S1串聯(lián)組成，第η條支路由第η撇電容Cn’、第η開關Sn串聯(lián)組成，η為彡I的整數(shù)，實際應用中視不同負載情況，可以確定η的大小。圖4為依照本發(fā)明實施例的可切換電阻陣列的電路原理圖。運放的密勒補償電容以及交叉反饋的電容均需要串聯(lián)一個電阻，實現(xiàn)更好的相位裕度。在不同的負載情況下，也需要第一至第四電阻(Ri R4)可以切換。這些可切換的第一及第二交叉反饋電阻(RpR2)及第三及第四密勒補償電阻(R3、R4)均由圖4所示的可切換電阻陣列組成。陣列由η條支路并聯(lián)構成，第一條支路由第一撇電阻R/、第一開關S1串聯(lián)組成，第η條支路由第η撇電阻Rn’、第η開關Sn串聯(lián)組成，η為彡I的整數(shù)，實際應用中視不同負載情況，可以確定η的大小。圖5為依照本發(fā)明實施例的MOS開關的電路原理圖。開關由CMOS傳輸門實現(xiàn)，從而在大的動態(tài)范圍下，仍能實現(xiàn)較好的開關特性。一個實施例中，開關由第十九PMOS管M19、第十八NMOS管M18以及反相器INV構成，當輸入控制信號V。為低電平時，第十八NMOS管M18關斷，第十九PMOS管M19也關斷，CMOS傳輸門關斷；當輸入控制信號V。為高電平時，第十八NMOS管M18導通，第十九PMOS管M19也導通，CMOS傳輸門開啟。圖6為依照本發(fā)明實施例的MOS開關中的反相器的電路原理圖。輸入信號T9接第二H^一 PMOS管M1和第二十二 NMOS管M2的柵極，第二H^一 PMOS管M1的源極接電源Vdd，第二十二 NMOS管M2的源極接地Vss，第二H^一 PMOS管M1和第二十二 NMOS管M2的漏極接輸出 TlO0圖7為依照本發(fā)明實施例的帶寬可調運算放大器在窄帶應用下的頻響特性。以運放在有源濾波器中的應用為例，通過切換控制字，使運放工作在窄帶的情況下，當濾波器的帶寬為700KHz時，運放的GB = 655MHz，相位裕度75.8。。圖8為依照本發(fā)明實施例的帶寬可調運算放大器在寬帶應用下的頻響特性。以運放在有源濾波器中的應用為例，通過切換控制字，使運放工作在寬帶的情況下，當濾波器的帶寬為IOMHz時，運放的GB = 501MHz，相位裕度55.5°?？梢姡ㄟ^切換控制字，即可實現(xiàn)運放的帶寬可調，并能保證運放在不同負載情況的穩(wěn)定性。圖9為依照本發(fā)明實施例的帶寬可調運算放大器的共模反饋環(huán)路的頻響特性。本實施例中，通過添加RC滯后補償(R7、C7)，使運放的共模環(huán)路的GB = 34MHz，相位裕度64.2°，實現(xiàn)了很好的共模穩(wěn)定性。以上所述的具體實施例，對本發(fā)明的目的、技術方案和有益效果進行了進一步詳細說明，所應理解的是， 以上所述僅為本發(fā)明的具體實施例而已，并不用于限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發(fā)明的保護范圍之內。
權利要求
1.一種帶寬可調的運算放大器電路，其特征在于，該運算放大器電路包括偏置電路、全差分運算放大器主電路和共模反饋電路，其中: 偏置電路，用于為全差分運算放大器主電路和共模反饋電路提供與溫度和工藝無關的穩(wěn)定的偏置電流； 全差分運算放大器主電路，是兩級放大的滿擺幅輸出結構，用于在偏置電流的作用下提供增益和所需的帶寬，并向共模反饋電路輸出共模電平； 共模反饋電路，用于穩(wěn)定全差分運算放大器主電路輸出的共模電平至一個恒定的電壓。
2.如權利要求1所述的運算放大器電路，其特征在于，所述偏置電路包括基準電流(Iref)以及第十NMOS管(Mltl)、第i^一 NMOS管(M11)組成的電流鏡結構；第九PMOS晶體管(M9)的柵極與漏極相接，為全差分運算放大器主電路和共模反饋電路提供偏置電流。
3.如權利要求1所述的運算放大器電路，其特征在于，所述全差分運算放大器主電路包括第一級及第二級放大電路，在該兩級放大電路之間加入有可切換的第三及第四密勒補償電容(c3、c4)和第三及第四密勒補償電阻(r3、r4)，用于實現(xiàn)不同帶寬下的穩(wěn)定工作，同時加入有可切換的第一及第二交叉反饋電容(CpC2)和第一及第二交叉反饋電阻(R1、R2)，用來進一步拓展帶寬；在該兩級放大電路之間還加入有第五及第六耦合電容(C5、C6)和第五及第六高阻值隔離電阻(R5、R6),實現(xiàn)滿擺幅輸出。
4.如權利要求3所述的運算放大器電路，其特征在于， 所述可切換的第三及第四密勒補償電容(C3、C4)及所述可切換的第一及第二交叉反饋電容(C1X2)均由電容陣列(C/、C2’...(；’)和MOS開關(S^SfSn)構成，電容陣列(C/、C2’...Cn’)由η條支路并聯(lián)構成，第一條支路由第一撇電容(C/)、第一開關(S1)串聯(lián)組成，第η條支路由第η撇電容(Cn’)、第η開關(Sn)串聯(lián)組成，η為彡I的整數(shù)； 所述可切換的第三及第四密勒補償電阻(R3、R4)及所述可切換的第一及第二交叉反饋電阻(R^R2)均由電阻陣列(m)和MOS開關(S1^S21--Sn)構成，電阻陣列(R1 \R2’...Rn’)由η條支路并聯(lián)構成，第一條支路由第一撇電阻(R/)、第一開關(S1)串聯(lián)組成，第η條支路由第η撇電阻(Rn’)、第η開關(Sn)串聯(lián)組成，η為彡I的整數(shù)。
5.如權利要求4所述的運算放大器電路，其特征在于，所述MOS開關由CMOS傳輸門構成，包括第十八NMOS管(M18)、第十九PMOS管(M19)以及反相器(INV)。
6.如權利要求5所述的運算放大器電路，其特征在于，所述反相器(INV)由第二十一PMOS晶體管(M21)和第二十二 NMOS晶體管(M22)構成。
7.如權利要求3所述的運算放大器電路，其特征在于，所述第五及第六高阻值隔離電阻(R5、R6)由工作在截止區(qū)的二極管結構的PMOS管(MJ或者工作在截止區(qū)的二極管結構的NMOS管(MJ )構成，有效減小了版圖面積。
8.如權利要求1所述的運算放大器電路，其特征在于，所述共模反饋電路包括第十二PMOS晶體管(M12)、第十三PMOS晶體管(M13)、第十四NMOS晶體管(M14)、第十五NMOS晶體管(M15)、第十六PMOS晶體管(M16)構成的差分放大器結構，第八及第九電阻(R8、R9)檢測輸出共模電平，通過負反饋穩(wěn)定輸出共模電平至穩(wěn)定的電壓V 。
9.如權利要求8所述的運算放大器電路，其特征在于，所述共模反饋環(huán)路中還添加有RC滯后補償電路，該RC滯后補償電路由第七電阻及第七電容(R7、C7)串聯(lián)而成，用于提高頻率響應的相位裕度 。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種帶寬可調的運算放大器電路，該運算放大器電路包括偏置電路、全差分運算放大器主電路和共模反饋電路，其中偏置電路，用于為全差分運算放大器主電路和共模反饋電路提供與溫度和工藝無關的穩(wěn)定的偏置電流；全差分運算放大器主電路，是兩級放大的滿擺幅輸出結構，用于在偏置電流的作用下提供增益和所需的帶寬，并向共模反饋電路輸出共模電平；共模反饋電路，用于穩(wěn)定全差分運算放大器主電路輸出的共模電平至一個恒定的電壓。本發(fā)明的帶寬可調的運算放大器電路可以廣泛應用于需要工作在多種帶寬下的有源濾波器，跨阻放大器等射頻和模擬集成電路中，具有功耗低，集成度高，適應多種不同負載情況，配置簡單，工作穩(wěn)定的優(yōu)點。
文檔編號H03F3/45GK103219961SQ20131012374
公開日2013年7月24日 申請日期2013年4月10日 優(yōu)先權日2013年4月10日
發(fā)明者武振宇, 劉欣, 黃水龍, 樊曉華, 張海英 申請人:中國科學院微電子研究所