一種三級跨導(dǎo)放大器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種三級跨導(dǎo)放大器設(shè)計(jì)，其中，由NMOS管M3/M4/M5/M6和PMOS管M1/M2/M7/M8以及尾電流源Iss構(gòu)成折疊式輸入結(jié)構(gòu)和第一級，由NMOS管M9/M10/M11/M12和PMOS管M13/M14構(gòu)成的第二級，由NMOS管M15和PMOS管M16構(gòu)成的第三級，由NMOS管M17/M18和PMOS管M19/M20以及電容Cc構(gòu)成的補(bǔ)償結(jié)構(gòu)，補(bǔ)償結(jié)構(gòu)的輸入端和跨導(dǎo)放大器的第二級輸出端相連，補(bǔ)償結(jié)構(gòu)的輸出端和跨導(dǎo)放大器的輸出端相連。跨導(dǎo)放大器的電源為vdd1，補(bǔ)償結(jié)構(gòu)的電源為vdd2，電容CL表示跨導(dǎo)放大器的負(fù)載電容。本發(fā)明增益級增益A和電容Cc的乘積，引入一個左半平面零點(diǎn)，不會降低三級跨導(dǎo)放大器傳輸函數(shù)的主極點(diǎn)，保證跨導(dǎo)放大器擁有較大的?3dB帶寬和單位增益帶寬。
【專利說明】
一種三級跨導(dǎo)放大器
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明屬于模擬或數(shù)?；旌霞呻娐芳夹g(shù)領(lǐng)域，涉及一種三級跨導(dǎo)放大器的設(shè)計(jì) 和頻率補(bǔ)償技術(shù)。
【背景技術(shù)】
[0002] 近年來，隨著集成電路設(shè)計(jì)技術(shù)的不斷發(fā)展，跨導(dǎo)放大器越來越多的應(yīng)用在模擬 集成電路設(shè)計(jì)領(lǐng)域，隨著集成電路制造工藝的不斷進(jìn)步，電源電壓不斷降低，傳統(tǒng)的多個 M0S管串聯(lián)而成的套筒式增益級結(jié)構(gòu)，會明顯壓縮跨導(dǎo)放大器的電壓擺幅，已經(jīng)不適宜地電 源電壓下的應(yīng)用，多個增益級的級聯(lián)結(jié)構(gòu)能夠有效的實(shí)現(xiàn)高增益目的，同時，在低電源電壓 下，能夠有效的保持較大的電壓擺幅。但是，多個增益級的級聯(lián)結(jié)構(gòu)在補(bǔ)償技術(shù)上存在較大 的難度，在大多數(shù)多級跨導(dǎo)放大器的應(yīng)用場合，為了使得跨導(dǎo)放大器獲得較大的相位裕度， 保證跨導(dǎo)放大器的穩(wěn)定性，都會對跨導(dǎo)放大器進(jìn)行頻率補(bǔ)償。但是，傳統(tǒng)的針對跨導(dǎo)放大器 的頻率補(bǔ)償技術(shù)，仍然是通過極點(diǎn)分裂，通過在頻率域內(nèi)減小主極點(diǎn)頻率來獲得理想的相 位裕度，但是減小的主極點(diǎn)會使得_3dB帶寬降低，從而大大降低跨導(dǎo)放大器的單位增益帶 寬。同時，傳統(tǒng)的補(bǔ)償技術(shù)無法改變跨導(dǎo)放大器電壓擺率較低的事實(shí)?；蛘?，通過引入一個 較高頻率的左半平面零點(diǎn)和第一個非主極點(diǎn)進(jìn)行抵消，來獲得較大的相位裕度，同時利用 三級夸大放大器結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)ClassAB輸出級，提高跨導(dǎo)放大器電壓擺率。但是，第一非主極點(diǎn) 通常頻率較低，傳統(tǒng)方法產(chǎn)生的左半平面零點(diǎn)的頻率相對較高，這就需要將補(bǔ)償電容的容 值設(shè)計(jì)得很大，這樣，一方面會導(dǎo)致版圖面積增加，另一方面，同樣會降低主極點(diǎn)頻率，從而 降低-3dB帶寬和單位增益帶寬，使得跨導(dǎo)放大器的電壓擺率仍然較低，無法改變跨導(dǎo)放大 器品質(zhì)因素仍然不高的現(xiàn)狀。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 鑒于此，本發(fā)明提供一種三級跨導(dǎo)放大器。
[0004] 為達(dá)到上述目的，本發(fā)明提供如下技術(shù)方案:一種三級跨導(dǎo)放大器，包括折疊式輸 入結(jié)構(gòu)、第一級輸入結(jié)構(gòu)、第二級輸入結(jié)構(gòu)和第三極輸入結(jié)構(gòu)，還包括連接于第二輸入結(jié)構(gòu) 輸出端與放大器輸出端的間的補(bǔ)償結(jié)構(gòu)，所述補(bǔ)償結(jié)構(gòu)包括NM0S管Ml 7、NM0S管Ml 8、PM0S管 M19、PM0S管M20和補(bǔ)償電容Cc，所述PM0S管M19的源極、PM0S管M20的源極分別與電源電壓 Vdd2連接，PM0S管M19的柵極與NM0S管M17的柵極分別與第二輸入結(jié)構(gòu)的輸出端連接，PM0S 管M19的漏極分別與匪0S管M17的漏極、匪0S管M18的柵極、PM0S管M20的柵極連接，PM0S管 M20的漏極分別與匪0S管M18的漏極、補(bǔ)償電容Cc的一端連接，匪0S管M17和源極與匪0S管 Ml 8的源極分別接地，所述補(bǔ)償電容Cc的另一端與第三極輸入結(jié)構(gòu)的輸出端連接。
[0005] 進(jìn)一步，所述NM0S管M17、NM0S管M18、PM0S管M19和PM0S管M20都工作在飽和區(qū)。 [0006] 進(jìn)一步，所述折疊式輸入結(jié)構(gòu)包括電流源ISS、PM0S管Ml和PM0S管M2,所述PM0S管 Ml和PM0S管M2的柵極分別作為輸入端，PM0S管Ml的源極與PM0S管M2的源極分別與電流源 ISS的輸出端連接，電流源ISS的輸入端與電源電壓Vdd 1連接，PM0S管Μ1的漏極作為折疊式 輸入結(jié)構(gòu)的第一輸出端與第一級輸入結(jié)構(gòu)的第一輸入端連接，PMOS管M2的漏極作為折疊式 輸入結(jié)構(gòu)的第二輸出端與第一極輸入結(jié)構(gòu)的第二輸入端連接。
[0007] 進(jìn)一步，所述第一級輸入結(jié)構(gòu)包括PM0S管M7、PM0S管M8和NM0S管M3~M6，PM0S管M7 的源極與PM0S管M8的源極分別與電源電壓Vddl連接，PM0S管M7的柵極與PM0S管M8的柵極連 接，PM0S管M7的柵極與PM0S管M7的漏極連接，PM0S管M7的漏極與NM0S管M5的漏極連接并作 為第一級輸入結(jié)構(gòu)的第一輸出端，NM0S管M5的柵極與NM0S管M6的柵極同時接偏置電壓VB2， NM0S管M5的源極與NM0S管M3的漏極連接并作為第一輸入級結(jié)構(gòu)的第一輸入端，NM0S管M3的 柵極與NM0S管M4的柵極同時接偏置電壓VB1，匪0S管M3的源極接地，PM0S管M8的漏極與NM0S 管M6的漏極連接并作為第一級輸入結(jié)構(gòu)的第二輸出端，NM0S管M6的源極與匪0S管M4的漏極 連接并作為第一級輸入結(jié)構(gòu)的第二輸入端，NM0S管M4的源極接地。
[0008] 進(jìn)一步，所述第二級輸入結(jié)構(gòu)包括PM0S管M13、PM0S管M14和匪0S管M9~M12,所述 PM0S管M13的源極與PM0S管M14的源極分別與電源電壓Vddl連接，PM0S管M13的柵極作為第 二級輸入結(jié)構(gòu)的第一輸入端與第一級輸出結(jié)構(gòu)的第二輸出端連接，P MO S管Μ13的漏極分別 與匪0S管Mil的漏極、匪0S管Μ9的柵極、NM0S管Μ10的柵極連接，匪0S管Mil的柵極與NM0S管 M12的柵極連接并接偏置電壓VB，匪0S管Mil的源極與NM0S管M9的漏極連接，匪0S管M9的源 極接地，PM0S管M14的柵極作為第二級輸入結(jié)構(gòu)的第二輸入端與第一級輸入結(jié)構(gòu)的第一輸 出端連接，PM0S管M14的漏極與匪0S管M12的漏極連接并作為第二級輸入結(jié)構(gòu)的輸出端， NM0S管Ml 2的源極與NM0S管Ml 0的漏極連接，NM0S管Ml 0的源極接地。
[0009] 進(jìn)一步，所述第三級輸入結(jié)構(gòu)包括PM0S管M16和匪0S管M15,所述PM0S管的源極接 電源電壓Vddl，所述PM0S管M16的柵極作為第三級輸入結(jié)構(gòu)的第一輸入端與第一級輸入結(jié) 構(gòu)的第二輸出端連接，PM0S管Ml 6的漏極與匪0S管Ml 5的漏極連接，NM0S管Ml 5的源極接地， NM0S管Ml 5的柵極作為第三級輸入結(jié)構(gòu)的第二輸入端與第二級輸入結(jié)構(gòu)的輸出端連接。
[0010] 由于采用了以上技術(shù)方案，本發(fā)明具有以下有益技術(shù)效果：
[0011] 1、該補(bǔ)償技術(shù)通過合理設(shè)計(jì)增益級增益A和電容Cc的乘積，引入一個左半平面零 點(diǎn)，不會降低三級跨導(dǎo)放大器傳輸函數(shù)的主極點(diǎn)，這可以保證跨導(dǎo)放大器擁有較大的_3dB 帶寬和單位增益帶寬。
[0012] 2、該補(bǔ)償技術(shù)通過合理設(shè)計(jì)增益級增益A和電容Cc的乘積，單獨(dú)調(diào)整跨導(dǎo)放大器 傳輸函數(shù)的左半平面零點(diǎn)，而跨導(dǎo)放大器傳輸函數(shù)的第一非主極點(diǎn)并不會發(fā)生變化，這更 有利于實(shí)現(xiàn)零極點(diǎn)的相互抵消。
[0013] 3、跨導(dǎo)放大器傳輸函數(shù)零極點(diǎn)的抵消會改善跨導(dǎo)放大器的幅頻特性曲線，使得其 在高頻處向上抬起，大大增加了該跨導(dǎo)放大器的單位增益帶寬，同時保持較好的相位裕度。
[0014] 4、跨導(dǎo)放大器第三級中M16/M15的柵極分別和第一 /第二級的輸出端相連，結(jié)合本 發(fā)明所提出的補(bǔ)償方式，能夠明顯提高跨導(dǎo)放大器的電壓擺率。
[0015] 5、本發(fā)明通過合理設(shè)計(jì)一個較低的電源電壓vdd2,在減小由M17/M18/M19/M20所 構(gòu)成的增益級功耗的同時，使得增益級保持一個較高的增益，實(shí)現(xiàn)增益級效率的最大化。
【附圖說明】
[0016] 為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚，下面將結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn) 一步的詳細(xì)描述，其中：
[0017] 圖1為傳統(tǒng)的三級跨導(dǎo)放大器RC補(bǔ)償技術(shù)原理圖；
[0018] 圖2為傳統(tǒng)的三級跨導(dǎo)放大器頻率特性隨補(bǔ)償電容變化情況；
[0019] 圖3為電流復(fù)用跨導(dǎo)放大器頻率補(bǔ)償原理圖；
[0020] 圖4為電流復(fù)用跨導(dǎo)放大器頻率特性隨補(bǔ)償電容變化情況；
[0021] 圖5為本發(fā)明所提出的三級跨導(dǎo)放大器及其頻率補(bǔ)償技術(shù)原理圖；
[0022 ]圖6為本發(fā)明所提出的跨導(dǎo)放大器頻率補(bǔ)償技術(shù)頻率特性隨電容Cc變化情況； [0023]圖7為三種結(jié)構(gòu)的頻率特性對比圖；
[0024]圖8為三種結(jié)構(gòu)的大信號響應(yīng)對比圖；
[0025]圖9為三種結(jié)構(gòu)主要參數(shù)對比圖。
【具體實(shí)施方式】
[0026]以下將結(jié)合附圖，對本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例進(jìn)行詳細(xì)的描述;應(yīng)當(dāng)理解，優(yōu)選實(shí)施例 僅為了說明本發(fā)明，而不是為了限制本發(fā)明的保護(hù)范圍。
[0027]為了更詳細(xì)的描述上述問題，先來分析兩種三級跨導(dǎo)放大器的工作原理和頻率補(bǔ) 償技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)。
[0028]如圖1給出了一種傳統(tǒng)的三級跨導(dǎo)放大器RC補(bǔ)償技術(shù)原理圖（簡稱結(jié)構(gòu)[1])，兩個 補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)分別由補(bǔ)償電阻Rcl/補(bǔ)償電容Cel以及補(bǔ)償電阻Rc2/補(bǔ)償電容Cc2分別串聯(lián)構(gòu)成， 補(bǔ)償電阻Rcl的一端和補(bǔ)償電容Cel相連，補(bǔ)償電阻Rcl的另一端和跨導(dǎo)放大器的第二級輸 出相連，補(bǔ)償電容Cel的另一端和跨導(dǎo)放大器的輸出相連;補(bǔ)償電阻Rc2的一端和補(bǔ)償電容 Cc2相連，補(bǔ)償電阻Rc2的另一端和跨導(dǎo)放大器的第一級輸出相連，補(bǔ)償電容Cc2的另一端和 跨導(dǎo)放大器的輸出相連。這種補(bǔ)償方式和傳統(tǒng)的密勒補(bǔ)償方式很類似，通過RC補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)，弓丨 入一個左半平面零點(diǎn)或者較高頻率的右半平面極點(diǎn)，這取決于補(bǔ)償電容Ccl/Cc2的大小。同 時在跨導(dǎo)放大器的第一級和第二級輸出端分別產(chǎn)生一個等效的大電容，通過這種效果，將 跨導(dǎo)放大器傳輸函數(shù)的主極點(diǎn)移動到低頻處。隨著補(bǔ)償電容Cel和Cc2的變化，跨導(dǎo)放大器 的頻率特性如圖2所示。從圖2可知，隨著補(bǔ)償電容Cel和Cc2的增加，跨導(dǎo)放大器的主極點(diǎn)逐 漸減小，這導(dǎo)致_3dB帶寬逐漸降低，另一方面，相頻特性在較高頻率處逐漸向上翹起，這說 明上述補(bǔ)償方式所產(chǎn)生的左半平面零點(diǎn)逐漸向低頻移動，說明這種補(bǔ)償方式能在一定程度 上提供較好的相位裕度。結(jié)構(gòu)[1]所示補(bǔ)償方法的優(yōu)點(diǎn)是，補(bǔ)償結(jié)構(gòu)簡單，只要合理設(shè)計(jì)補(bǔ) 償電阻Rcl/Rc2和補(bǔ)償電容Ccl/Cc2的值，就能夠使得跨導(dǎo)放大器獲得理想的相位裕度，從 而增強(qiáng)跨導(dǎo)放大器的穩(wěn)定性;但是，這種補(bǔ)償方法的缺點(diǎn)是，由于跨導(dǎo)放大器的主極點(diǎn)被移 動到較低的頻率，使得跨導(dǎo)放大器的_3dB帶寬降低，從而大大降低跨導(dǎo)放大器的單位增益 帶寬。這導(dǎo)致跨導(dǎo)放大器的交流小信號特性較差，由于單位增益帶寬較低，同樣影響跨導(dǎo)放 大器的大信號特性，電壓擺率也比較差。
[0029] 如圖2給出了一種電流復(fù)用頻率補(bǔ)償技術(shù)原理圖（簡稱結(jié)構(gòu)[2])，補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)由補(bǔ)償 電容Cc串聯(lián)構(gòu)成，補(bǔ)償電容Cc的一端和跨導(dǎo)放大器的第一級輸出相連，另一端和跨導(dǎo)放大 器的輸出端相連。通過小信號分析可知，結(jié)構(gòu)[2]所示跨導(dǎo)放大器的主極點(diǎn)可近似表示為：
[0030]
[0031 ] 兵甲，r〇8/r〇i5/r〇i6甘別衣不MUS管M8/M15/M16的小信號輸出阻抗，gmi6表不PM0S管 M16的跨導(dǎo)。
[0032] 結(jié)構(gòu)[2]所示跨導(dǎo)放大器的第一非主極點(diǎn)可近似表示為：
[0033]
[0034] 結(jié)構(gòu)[2]所示跨導(dǎo)放大器的左半平面零點(diǎn)可近似表示為：
[0035]
[0036] 其中，Gml和Gm2分別表示跨導(dǎo)放大器第一級和第二級的等效跨導(dǎo)，參數(shù)k表示跨導(dǎo) 放大器各級輸出阻抗的影響。
[0037] 結(jié)構(gòu)[2]所示跨導(dǎo)放大器的頻率特性隨補(bǔ)償電容Cc變化情況如圖4所示。從圖4可 以看出，隨著補(bǔ)償電容Cc的增加，跨導(dǎo)放大器的幅頻特性表現(xiàn)為:_3dB帶寬減小，這說明主 極點(diǎn)明顯減小;在較高頻率處，幅頻曲線逐漸翹起，這說明左半平面零點(diǎn)逐漸向低頻移動。 跨導(dǎo)放大器的相頻特性表現(xiàn)為:相頻曲線下降到-45度所對應(yīng)的頻率明顯降低，這同樣說明 主極點(diǎn)明顯減小;在較高頻率處，相頻曲線也逐漸翹起，這同樣說明左半平面零點(diǎn)逐漸向低 頻移動。這種補(bǔ)償方式和結(jié)構(gòu)[1]相比，其優(yōu)點(diǎn)在于補(bǔ)償結(jié)構(gòu)簡單，在保留結(jié)構(gòu)[1]所具有的 優(yōu)點(diǎn)的同時，電壓擺率有所提高。但這種結(jié)構(gòu)的缺點(diǎn)和結(jié)構(gòu)[1]相似，表現(xiàn)為_3dB帶寬較低， 單位增益帶寬較低，跨導(dǎo)放大器的品質(zhì)因素仍然比較低。
[0038]基于上述分析，本發(fā)明提出了一種三級跨導(dǎo)放大器及其補(bǔ)償技術(shù)，其原理圖如圖5 所示。
[0039] -種三級跨導(dǎo)放大器，包括折疊式輸入結(jié)構(gòu)、第一級輸入結(jié)構(gòu)、第二級輸入結(jié)構(gòu)和 第三極輸入結(jié)構(gòu)，還包括連接于第二輸入結(jié)構(gòu)輸出端與放大器輸出端的間的補(bǔ)償結(jié)構(gòu)，所 述補(bǔ)償結(jié)構(gòu)包括NM0S管M17、NM0S管M18、PM0S管M19、PM0S管M20和補(bǔ)償電容Cc，所述PM0S管 Ml 9的源極、PM0S管M20的源極分別與電源電壓Vdd2連接，PM0S管Ml 9的柵極與NM0S管Ml 7的 柵極分別與第二輸入結(jié)構(gòu)的輸出端連接，PM0S管Ml 9的漏極分別與NM0S管Ml 7的漏極、NM0S 管M18的柵極、PM0S管M20的柵極連接，PM0S管M20的漏極分別與NM0S管M18的漏極、補(bǔ)償電容 Cc的一端連接，NM0S管M17和源極與NM0S管M18的源極分別接地，所述補(bǔ)償電容Cc的另一端 與第三極輸入結(jié)構(gòu)的輸出端連接。
[0040] 所述NM0S管M17、NM0S管M18、PM0S管M19和PM0S管M20都工作在飽和區(qū)。
[0041 ] 所述折疊式輸入結(jié)構(gòu)包括電流源ISS、PM0S管Ml和PM0S管M2,所述PM0S管Ml和PM0S 管M2的柵極分別作為輸入端，PM0S管Ml的源極與PM0S管M2的源極分別與電流源ISS的輸出 端連接，電流源ISS的輸入端與電源電壓Vddl連接，PM0S管Ml的漏極作為折疊式輸入結(jié)構(gòu)的 第一輸出端與第一級輸入結(jié)構(gòu)的第一輸入端連接，PM0S管M2的漏極作為折疊式輸入結(jié)構(gòu)的 第二輸出端與第一極輸入結(jié)構(gòu)的第二輸入端連接。
[0042] 所述第一級輸入結(jié)構(gòu)包括PM0S管M7、PM0S管M8和NM0S管M3~M6，PM0S管M7的源極 與PM0S管M8的源極分別與電源電壓Vddl連接，PM0S管M7的柵極與PM0S管M8的柵極連接， PM0S管M7的柵極與PM0S管M7的漏極連接，PM0S管M7的漏極與NM0S管M5的漏極連接并作為第 一級輸入結(jié)構(gòu)的第一輸出端，NM0S管M5的柵極與NM0S管M6的柵極同時接偏置電壓VB2，NM0S 管M5的源極與NM0S管M3的漏極連接并作為第一輸入級結(jié)構(gòu)的第一輸入端，匪0S管M3的柵極 與NM0S管M4的柵極同時接偏置電壓VB1，NM0S管M3的源極接地，PM0S管M8的漏極與匪0S管M6 的漏極連接并作為第一級輸入結(jié)構(gòu)的第二輸出端，NMOS管M6的源極與NMOS管M4的漏極連接 并作為第一級輸入結(jié)構(gòu)的第二輸入端，NM0S管M4的源極接地。
[0043] 所述第二級輸入結(jié)構(gòu)包括PM0S管M13、PM0S管M14和匪0S管M9~M12,所述PM0S管 M13的源極與PM0S管M14的源極分別與電源電壓Vddl連接，PM0S管M13的柵極作為第二級輸 入結(jié)構(gòu)的第一輸入端與第一級輸出結(jié)構(gòu)的第二輸出端連接，PM0S管Ml 3的漏極分別與NM0S 管Mil的漏極、NMOS管M9的柵極、NMOS管M10的柵極連接，NMOS管Mil的柵極與NMOS管M12的柵 極連接并接偏置電壓VB，匪0S管Mil的源極與匪0S管M9的漏極連接，匪0S管M9的源極接地， PM0S管M14的柵極作為第二級輸入結(jié)構(gòu)的第二輸入端與第一級輸入結(jié)構(gòu)的第一輸出端連 接，PM0S管M14的漏極與NM0S管M12的漏極連接并作為第二級輸入結(jié)構(gòu)的輸出端，NM0S管M12 的源極與NM0S管Ml 0的漏極連接，NM0S管Ml 0的源極接地。
[0044] 所述第三級輸入結(jié)構(gòu)包括PM0S管M16和NM0S管M15,所述PM0S管的源極接電源電壓 Vddl，所述PM0S管M16的柵極作為第三級輸入結(jié)構(gòu)的第一輸入端與第一級輸入結(jié)構(gòu)的第二 輸出端連接，PM0S管Ml 6的漏極與NM0S管Ml 5的漏極連接，NM0S管Ml 5的源極接地，NM0S管Ml 5 的柵極作為第三級輸入結(jié)構(gòu)的第二輸入端與第二級輸入結(jié)構(gòu)的輸出端連接。
[0045]為了便于說明，以下對各個管子的描述均采用其標(biāo)號進(jìn)行說明，例如PM0S管M1、 PM0S管M2簡稱組、]?2，匪05管13、匪05管14簡稱13、]\14。
[0046] 本發(fā)明中，由PM0S管M1/M2和尾電流源Iss構(gòu)成的折疊式輸入結(jié)構(gòu)，可以有效的增加 輸入信號的幅度，由NM0S管M3/M4/M5/M6和PM0S管M7/M8構(gòu)成的第一級增益級，以及由NM0S 管M9/M10/M11/M12和PM0S管M13/M14構(gòu)成的第二級增益級，一方面為跨導(dǎo)放大器提供較高 的增益，另一方面實(shí)現(xiàn)跨導(dǎo)放大器雙端輸入轉(zhuǎn)單端輸出的目的?？鐚?dǎo)放大器第三級中，M15/ M16的柵極分別和第一/第二級的輸出相連，實(shí)現(xiàn)ClassAB輸出級的目的，達(dá)到較大的電壓擺 率。由NM0S管M17/M18和PM0S管M19/M20以及電容Cc構(gòu)成的補(bǔ)償結(jié)構(gòu)為跨導(dǎo)放大器提供一個 左半平面零點(diǎn)，其中M0S管M17/M18/M19/M20都工作在飽和區(qū)，從而提供較大的增益，通過調(diào) 整補(bǔ)償結(jié)構(gòu)增益A和電容Cc的大小可以有效控制這個左半平面零點(diǎn)的位置，使得這個左半 平面零點(diǎn)和跨導(dǎo)放大器的第一非主極點(diǎn)完全抵消，并且不會壓縮跨導(dǎo)放大器的主極點(diǎn)，從 而使得跨導(dǎo)放大器實(shí)現(xiàn)較高頻率的_3dB帶寬和單位增益帶寬，同時獲得較好的相位裕度， 保證跨導(dǎo)放大器的穩(wěn)定性。由于增益級的引入，跨導(dǎo)放大器的功耗會有所增加，相比于電源 電壓vddl而言，通過引入較低的電源vdd2對增益級單獨(dú)供電降低增益級的功耗，同時，由于 跨導(dǎo)放大器的單位增益帶寬和電壓擺率都明顯提高，跨導(dǎo)放大器的品質(zhì)因素明顯提高。本 發(fā)明所示跨導(dǎo)放大器及其補(bǔ)償方式所產(chǎn)生的左半平面零點(diǎn)可近似表示如下：
[0047]
[0048] 其中α表示各級阻抗的影響，A表示M17/M18/M19/M20所示結(jié)構(gòu)的增益，Gml和Gm2分 別表示跨導(dǎo)放大器第一級和第二級的等效跨導(dǎo)。
[0049]本發(fā)明所示跨導(dǎo)放大器的頻率特性隨補(bǔ)償電容Cc變化情況如圖6所示。從圖6可 知，隨著電容Cc的增加，幅頻特性曲線中_3dB帶寬幾乎沒有變化，這說明本發(fā)明所提出的補(bǔ) 償方式幾乎不會降低_3dB帶寬；相頻特性曲線在較高頻率下，逐漸由上翹變?yōu)槠教?，這說 明，隨著電容Cc的增加，左半平面零點(diǎn)逐漸向低頻移動，和跨導(dǎo)放大器的第一非主極點(diǎn)逐漸 完全抵消。
[0050] 為了進(jìn)一步驗(yàn)證本發(fā)明的上述優(yōu)點(diǎn)，在0.18ymCM0S工藝下，對上述各種結(jié)構(gòu)進(jìn)行 了仔細(xì)的設(shè)計(jì)，對于上述三種結(jié)構(gòu)采用相同的輸入/輸出管和負(fù)載管尺寸，補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)中的電 容都取lpF，電阻都取2ΚΩ，負(fù)載電容都取15pF，電源電壓vddl取1.8V，電源電壓vdd2取 1.3￥，輸入偏置電壓為0.利。
[0051]三種結(jié)構(gòu)的交流特性仿真結(jié)果對比圖如圖7所示，從圖7中可以看出，本發(fā)明所采 用的三級跨導(dǎo)放大器補(bǔ)償結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)[1]和[2]相比，幅頻特性表現(xiàn)為:_3dB帶寬明顯 提高，這使得本發(fā)明所示結(jié)構(gòu)的單位增益帶寬明顯提高。相頻特性表現(xiàn)為:本發(fā)明所示結(jié)構(gòu) 所產(chǎn)生的左半平面零點(diǎn)和第一非主極點(diǎn)發(fā)生抵消，保證了一個合適的相位裕度，從而保證 了跨導(dǎo)放大器的穩(wěn)定性。三種結(jié)構(gòu)的大信號響應(yīng)仿真結(jié)果對比圖如圖8所示，由圖8可知，本 發(fā)明所提出的跨導(dǎo)放大器第三級中M16/M15的柵極分別和第一 /第二級的輸出端相連，結(jié)合 本發(fā)明所提出的補(bǔ)償方式，能夠明顯提高跨導(dǎo)放大器的電壓擺率。
[0052]三種結(jié)構(gòu)的基本參數(shù)對比圖如圖9所示，從圖9所述仿真結(jié)果可以看出，本發(fā)明所 提出的三級跨導(dǎo)放大器結(jié)構(gòu)及其補(bǔ)償技術(shù)，和傳統(tǒng)的兩種結(jié)構(gòu)相比，在功耗相同的情況下， 單位增益帶寬（Unity-gain bandwidth)至少提高230%，電壓擺率(Slew-rate)至少提高 313%，品質(zhì)因數(shù)(Figure of Merit)至少提高153%。
[0053]以上所述僅為本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，并不用于限制本發(fā)明，顯然，本領(lǐng)域的技術(shù)人 員可以對本發(fā)明進(jìn)行各種改動和變型而不脫離本發(fā)明的精神和范圍。這樣，倘若本發(fā)明的 這些修改和變型屬于本發(fā)明權(quán)利要求及其等同技術(shù)的范圍之內(nèi)，則本發(fā)明也意圖包含這些 改動和變型在內(nèi)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種三級跨導(dǎo)放大器，包括折疊式輸入結(jié)構(gòu)、第一級輸入結(jié)構(gòu)、第二級輸入結(jié)構(gòu)和第 三極輸入結(jié)構(gòu)，其特征在于:還包括連接于第二輸入結(jié)構(gòu)輸出端與放大器輸出端的間的補(bǔ) 償結(jié)構(gòu)，所述補(bǔ)償結(jié)構(gòu)包括匪OS管M17、NM0S管M18、PM0S管M19、PM0S管M20和補(bǔ)償電容Cc，所 述PMOS管Ml 9的源極、PMOS管M20的源極分別與電源電壓Vdd2連接，PMOS管Ml 9的柵極與NMOS 管M17的柵極分別與第二輸入結(jié)構(gòu)的輸出端連接，PMOS管M19的漏極分別與NMOS管M17的漏 極、NMOS管M18的柵極、PMOS管M20的柵極連接，PMOS管M20的漏極分別與NMOS管M18的漏極、 補(bǔ)償電容Cc的一端連接，NMOS管M17和源極與匪OS管M18的源極分別接地，所述補(bǔ)償電容Cc 的另一端與第三極輸入結(jié)構(gòu)的輸出端連接。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的三級跨導(dǎo)放大器，其特征在于：所述匪OS管M17、匪OS管M18、 PMOS管M19和PMOS管M20都工作在飽和區(qū)。3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的三級跨導(dǎo)放大器，其特征在于:所述折疊式輸入結(jié)構(gòu)包括電流 源Iss、PM0S管Ml和PMOS管M2,所述PMOS管Ml和PMOS管M2的柵極分別作為輸入端，PMOS管Ml的 源極與PMOS管M2的源極分別與電流源Iss的輸出端連接，電流源Iss的輸入端與電源電壓 Vddl連接，PMOS管Ml的漏極作為折疊式輸入結(jié)構(gòu)的第一輸出端與第一級輸入結(jié)構(gòu)的第一輸 入端連接，PMOS管M2的漏極作為折疊式輸入結(jié)構(gòu)的第二輸出端與第一極輸入結(jié)構(gòu)的第二輸 入端連接。4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的三級跨導(dǎo)放大器，其特征在于:所述第一級輸入結(jié)構(gòu)包括PMOS 管M7、PM0S管M8和NMOS管M3~M6，PM0S管M7的源極與PMOS管M8的源極分別與電源電壓Vddl 連接，PMOS管M7的柵極與PMOS管M8的柵極連接，PMOS管M7的柵極與PMOS管M7的漏極連接， PMOS管M7的漏極與NMOS管M5的漏極連接并作為第一級輸入結(jié)構(gòu)的第一輸出端，NMOS管M5的 柵極與NMOS管M6的柵極同時接偏置電壓VB2,匪OS管M5的源極與匪OS管M3的漏極連接并作 為第一輸入級結(jié)構(gòu)的第一輸入端，NMOS管M3的柵極與NMOS管M4的柵極同時接偏置電壓VBl， NMOS管M3的源極接地，PMOS管M8的漏極與NMOS管M6的漏極連接并作為第一級輸入結(jié)構(gòu)的第 二輸出端，NMOS管M6的源極與匪OS管M4的漏極連接并作為第一級輸入結(jié)構(gòu)的第二輸入端， NMOS管M4的源極接地。5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的三級跨導(dǎo)放大器，其特征在于:所述第二級輸入結(jié)構(gòu)包括PMOS 管M13、PM0S管M14和NMOS管M9~M12,所述PMOS管M13的源極與PMOS管M14的源極分別與電源 電壓Vddl連接，PMOS管M13的柵極作為第二級輸入結(jié)構(gòu)的第一輸入端與第一級輸出結(jié)構(gòu)的 第二輸出端連接，PMOS管Ml 3的漏極分別與匪OS管Ml 1的漏極、匪OS管M9的柵極、匪OS管Ml 0 的柵極連接，NMOS管Ml 1的柵極與NMOS管M12的柵極連接并接偏置電壓VB，匪OS管Ml 1的源極 與NMOS管M9的漏極連接，NMOS管M9的源極接地，PMOS管M14的柵極作為第二級輸入結(jié)構(gòu)的第 二輸入端與第一級輸入結(jié)構(gòu)的第一輸出端連接，PMOS管M14的漏極與NMOS管M12的漏極連接 并作為第二級輸入結(jié)構(gòu)的輸出端，匪OS管M12的源極與匪OS管MlO的漏極連接，NMOS管MlO的 源極接地。6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的三級跨導(dǎo)放大器，其特征在于:所述第三級輸入結(jié)構(gòu)包括PMOS 管M16和NMOS管M15,所述PMOS管的源極接電源電壓Vddl，所述PMOS管M16的柵極作為第三級 輸入結(jié)構(gòu)的第一輸入端與第一級輸入結(jié)構(gòu)的第二輸出端連接，PMOS管M16的漏極與NMOS管 M15的漏極連接，NMOS管M15的源極接地，NMOS管M15的柵極作為第三級輸入結(jié)構(gòu)的第二輸入 端與第二級輸入結(jié)構(gòu)的輸出端連接。
【文檔編號】H03F3/45GK105897206SQ201610188060
【公開日】2016年8月24日
【申請日】2016年3月29日
【發(fā)明人】徐代果, 胡剛毅, 李儒章, 王健安, 劉濤, 劉璐, 鄧民明, 石寒夫, 王旭
【申請人】中國電子科技集團(tuán)公司第二十四研究所