CN103219961A - 一种带宽可调的运算放大器电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种带宽可调的运算放大器电路，该运算放大器电路包括偏置电路、全差分运算放大器主电路和共模反馈电路，其中：偏置电路，用于为全差分运算放大器主电路和共模反馈电路提供与温度和工艺无关的稳定的偏置电流；全差分运算放大器主电路，是两级放大的满摆幅输出结构，用于在偏置电流的作用下提供增益和所需的带宽，并向共模反馈电路输出共模电平；共模反馈电路，用于稳定全差分运算放大器主电路输出的共模电平至一个恒定的电压。本发明的带宽可调的运算放大器电路可以广泛应用于需要工作在多种带宽下的有源滤波器，跨阻放大器等射频和模拟集成电路中，具有功耗低，集成度高，适应多种不同负载情况，配置简单，工作稳定的优点。

Description

一种带宽可调的运算放大器电路

技术领域

本发明涉及集成电路技术领域，尤其涉及一种带宽可调的运算放大器电路。

背景技术

集成运算放大器自20世纪60年代问世以来，取得了飞速的发展。最初多用于各种模拟信号的运算，例如比例、求和、求差、积分、微分等，随着技术的发展，集成运放已经广泛应用于模拟信号的处理和发生电路中，可用以构成有源滤波器，跨阻放大器等多种射频和模拟集成电路中常用的单元模块。

全差分运算放大器与单端输出的运算放大器相比，具有更大的输出电压摆幅，对共模噪声不敏感，而且输出不含偶次谐波分量，这使它广泛应用于各种复杂环境下的集成电路中。由于差分输出，运放需要两个匹配的反馈网络，并需要共模反馈电路来稳定共模输出电压。

以滤波器为例，现今的多种通信制式要求滤波器具有多种带宽以满足系统的性能指标要求。一种解决方法是，将不同带宽的滤波器并联放置，选择不同滤波器的输出就可以得到不同带宽的滤波效果。然而这将带来电路功耗和版图面积的极大浪费。为了降低电路功耗和减小版图面积，较好的方法是共用滤波器的核心单元，即运算放大器电路。将滤波器的反馈电容改为可调的电容阵列，由控制信号进行切换得到不同的电容值，从而得到不同的滤波器带宽。然而，滤波器的不同带宽，要求运放也具有不同的环路带宽。而且，随着滤波器反馈电容阵列的切换，运放的负载将经历很大的变化，典型地从几pF变化到几十pF，给运算放大器的稳定性带来很大的威胁。如果按照最大负载的情况，设计密勒补偿电容以保证各种负载情况下运放的稳定性，在轻负载的情况下，运放的带宽就会显著减小，不能满足系统性能指标的要求。另一个主要的矛盾是，在一定功耗下，运放的带宽有限。要提高运放的带宽，并且保持运放的增益不变，需要提高运放的单位增益带宽。这就需要加大运放的工作电流，功耗和带宽的矛盾是运放设计时不可避免的矛盾。

发明内容

(一)要解决的技术问题

针对现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种带宽可调的运算放大器电路。

(二)技术方案

为达到上述目的，本发明提供了一种带宽可调的运算放大器电路，该运算放大器电路包括偏置电路、全差分运算放大器主电路和共模反馈电路，其中：

偏置电路，用于为全差分运算放大器主电路和共模反馈电路提供与温度和工艺无关的稳定的偏置电流；

全差分运算放大器主电路，是两级放大的满摆幅输出结构，用于在偏置电流的作用下提供增益和所需的带宽，并向共模反馈电路输出共模电平；

共模反馈电路，用于稳定全差分运算放大器主电路输出的共模电平至一个恒定的电压。

上述方案中，所述偏置电路包括基准电流I_ref以及第十NMOS管M₁₀、第十一NMOS管M₁₁组成的电流镜结构；第九PMOS晶体管M₉的栅极与漏极相接，为全差分运算放大器主电路和共模反馈电路提供偏置电流。

上述方案中，所述全差分运算放大器主电路包括第一级及第二级放大电路，在该两级放大电路之间加入有可切换的第三及第四密勒补偿电容(C₃、C₄)和第三及第四密勒补偿电阻(R₃、R₄)，用于实现不同带宽下的稳定工作，同时加入有可切换的第一及第二交叉反馈电容(C₁、C₂)和第一及第二交叉反馈电阻(R₁、R₂)，用来进一步拓展带宽；在该两级放大电路之间还加入有第五及第六耦合电容(C₅、C₆)和第五及第六高阻值隔离电阻(R₅、R₆)，实现满摆幅输出。

上述方案中，所述可切换的第三及第四密勒补偿电容(C₃、C₄)及所述可切换的第一及第二交叉反馈电容(C₁、C₂)均由电容阵列(C₁’、C₂’...C_n’)和MOS开关(S₁、S₂...S_n)构成，电容阵列(C₁’、C₂’...C_n’)由n条支路并联构成，第一条支路由第一撇电容C₁’、第一开关S₁串联组成，第n条支路由第n撇电容C_n’、第n开关S_n串联组成，n为≥1的整数；

所述可切换的第三及第四密勒补偿电阻(R₃、R₄)及所述可切换的第一及第二交叉反馈电阻(R₁、R₂)均由电阻阵列(R₁’、R₂’...R_n’)和MOS开关(S₁、S₂...S_n)构成，电阻阵列(R₁’、R₂’...R_n’)由n条支路并联构成，第一条支路由第一撇电阻R₁’、第一开关S₁串联组成，第n条支路由第n撇电阻R_n’、第n开关S_n串联组成，n为≥1的整数。

上述方案中，所述MOS开关由CMOS传输门构成，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由第二十一PMOS晶体管M₂₁和第二十二NMOS晶体管M₂₂构成。

上述方案中，所述第五及第六高阻值隔离电阻(R₅、R₆)由工作在截止区的二极管结构的PMOS管(M_L)或者工作在截止区的二极管结构的NMOS管(M_L’)构成，有效减小了版图面积。

上述方案中，所述共模反馈电路包括第十二PMOS晶体管M₁₂、第十三PMOS晶体管M₁₃、第十四NMOS晶体管M₁₄、第十五NMOS晶体管M₁₅、第十六PMOS晶体管M₁₆构成的差分放大器结构，第八及第九电阻(R₈、R₉)检测输出共模电平，通过负反馈稳定输出共模电平至稳定的电压V_cm。所述共模反馈环路中还添加有RC滞后补偿电路，该RC滞后补偿电路由第七电阻及第七电容(R₇、C₇)串联而成，用于提高频率响应的相位裕度。

(三)有益效果

本发明提供的带宽可调的运算放大器电路，工作稳定可靠，能够广泛应用于各种复杂环境下的射频和通信集成电路中，具有以下多种优点：

1、在本发明提供的带宽可调的运算放大器电路中，偏置电路为运放主电路和共模反馈电路提供与工艺和温度无关的基准电流，极大减小了运放在各种工艺角下的性能波动。

2、在本发明提供的带宽可调的运算放大器电路中，全差分运算放大器由两级放大电路组成的满摆幅输出的放大器结构，采用二极管结构的MOS管实现了等效大电阻，有效减小了版图面积；采用可切换的密勒补偿结构，使运算放大器在不同的负载情况下，均能达到很好的稳定性；同时，提出可切换的交叉反馈结构，在不增加电路功耗的情况下，有效地扩展了带宽。共模反馈电路中加入RC滞后补偿，稳定运放输出直流电平的同时，达到了很好的环路稳定性。

3、为了减小运放第一级输出对偏置电压的影响，需要电阻R₅和R₆的阻值高达1G欧姆。这样高的阻值将会占用巨大的版图面积。在本发明提供的带宽可调的运算放大器电路中，采用工作在截止区的二极管结构的MOS管来实现高阻值的电阻，利用小尺寸的管子，即可取得高阻值的效果。在一个示例中，采用的二极管结构的PMOS管的大小为W/L＝4μm/250nm，版图面积大幅减小，而且易于通过调整MOS管的尺寸来调整电阻的大小。

4、在本发明提供的带宽可调的运算放大器电路中，通过同时应用可切换的密勒补偿电容和交叉反馈电容，密勒补偿和交叉反馈结构中的电阻和电容的大小均可由控制字进行切换，实现了运放在不同带宽下的稳定工作，使运放在各种负载情况下，均能稳定工作，而且在不增加电流消耗的情况下，拓展了带宽。

5、本发明提供的带宽可调的运算放大器电路，可以广泛应用于需要工作在多种带宽下的有源滤波器，跨阻放大器等射频和模拟集成电路中，具有功耗低，集成度高，适应多种不同负载情况，配置简单，工作稳定的优点。

附图说明

图1为依照本发明实施例的带宽可调的运算放大器电路的结构示意图；

图2a为依照本发明实施例的高阻值电阻的一种实现原理图；

图2b为依照本发明实施例的高阻值电阻的另一种实现原理图；

图3为依照本发明实施例的可切换电容阵列的电路原理图；

图4为依照本发明实施例的可切换电阻阵列的电路原理图；

图5为依照本发明实施例的MOS开关的电路原理图；

图6为依照本发明实施例的反相器的电路原理图；

图7为依照本发明实施例的带宽可调运算放大器电路在窄带应用下的频响特性；

图8为依照本发明实施例的带宽可调运算放大器电路在宽带应用下的频响特性；

图9为依照本发明实施例的带宽可调运算放大器电路的共模反馈环路的频响特性。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

如图1所示，图1为依照本发明实施例的带宽可调的运算放大器电路的结构示意图，该运算放大器电路包括偏置电路、全差分运算放大器主电路以及共模反馈电路。其中，偏置电路用于为全差分运算放大器主电路和共模反馈电路提供与温度和工艺无关的稳定的偏置电流；全差分运算放大器主电路是两级放大的满摆幅输出结构，用于在偏置电流的作用下提供增益和所需的带宽，并向共模反馈电路输出共模电平，通过工作在截止区的二极管结构的MOS管构成高阻值的第五及第六电阻(R₅、R₆)，显著减小了版图面积；通过同时应用可切换的密勒补偿电容和可切换的交叉反馈电容，实现了运放在不同负载情况下的稳定工作，并且在不增加功耗的情况下，拓展了带宽；共模反馈电路用于稳定全差分运算放大器主电路输出的共模电平至一个恒定的电压，通过在环路中添加RC滞后补偿电路(R₇、C₇)，提高了共模响应的相位裕度；该RC滞后补偿电路由第七电阻及第七电容(R₇、C₇)串联而成。

其中，所述共模反馈电路包括第十二PMOS晶体管M₁₂、第十三PMOS晶体管M₁₃、第十四NMOS晶体管M₁₄、第十五NMOS晶体管M₁₅、第十六PMOS晶体管M₁₆构成的差分放大器结构，第八及第九电阻(R₈、R₉)检测输出共模电平，通过负反馈稳定输出共模电平至稳定的电压V_cm。所述在该共模反馈环路中还添加有RC滞后补偿电路，该RC滞后补偿电路由第七电阻及第七电容(R₇、C₇)串联而成，用于提高频率响应的相位裕度。

所述偏置电路包括基准电流I_ref以及第十NMOS管M₁₀、第十一NMOS管M₁₁组成的电流镜结构；第九PMOS晶体管M₉的栅极与漏极相接，为全差分运算放大器主电路和共模反馈电路提供偏置电流。所述全差分运算放大器主电路包括第一级及第二级放大电路，在该两级放大电路之间加入有可切换的第三及第四密勒补偿电容(C₃、C₄)和第三及第四密勒补偿电阻(R₃、R₄)，用于实现不同带宽下的稳定工作，同时加入有可切换的第一及第二交叉反馈电容(C₁、C₂)和第一及第二交叉反馈电阻(R₁、R₂)，用来进一步拓展带宽；在该两级放大电路之间还加入有第五及第六耦合电容(C₅、C₆)和第五及第六高阻值隔离电阻(R₅、R₆)，实现满摆幅输出。

图2a为依照本发明实施例的高阻值电阻的一种实现原理图。为了减小运放第一级输出对偏置电压的影响，需要第五及第六高阻值隔离电阻(R₅、R₆)的阻值高达1G欧姆。这样高的阻值将会占用巨大的版图面积。本发明提出一种采用工作在截止区的二极管结构的PMOS管M_L的实现方式，其可以等效为大电阻R₅和R₆，有效减小了版图面积。本实施例中，PMOS管的大小为W/L＝4μm/250nm，版图面积大幅减小，从而提高了集成度，降低了成本，而且易于通过调整MOS管的尺寸来调整电阻的大小。

图2b为依照本发明实施例的高阻值电阻的另一种实现原理图。大电阻R₅和R₆也可以由工作在截止区的二极管结构的NMOS管M_L’来实现。同样可以采用小尺寸的管子实现高达1G欧姆的等效大电阻。

图3为依照本发明实施例的可切换电容阵列的电路原理图。为了使运放在不同负载情况下均能实现很好的稳定性，需要运放的密勒补偿电容可以由控制字进行切换。同时，为了解决运放功耗与带宽之间的矛盾，引入交叉反馈的可切换电容，在不增加功耗的情况下，显著拓展了带宽，并保证了相位裕度。本实施例中可切换的第三及第四密勒补偿电容(C₃、C₄)以及交可切换的第一及第二交叉反馈电容(C₁、C₂)，均由图3所示的可切换电容阵列构成。阵列由n条支路并联构成，第一条支路由第一撇电容C₁’、第一开关S₁串联组成，第n条支路由第n撇电容C_n’、第n开关S_n串联组成，n为≥1的整数，实际应用中视不同负载情况，可以确定n的大小。

图4为依照本发明实施例的可切换电阻阵列的电路原理图。运放的密勒补偿电容以及交叉反馈的电容均需要串联一个电阻，实现更好的相位裕度。在不同的负载情况下，也需要第一至第四电阻(R₁～R₄)可以切换。这些可切换的第一及第二交叉反馈电阻(R₁、R₂)及第三及第四密勒补偿电阻(R₃、R₄)均由图4所示的可切换电阻阵列组成。阵列由n条支路并联构成，第一条支路由第一撇电阻R₁’、第一开关S₁串联组成，第n条支路由第n撇电阻R_n’、第n开关S_n串联组成，n为≥1的整数，实际应用中视不同负载情况，可以确定n的大小。

图5为依照本发明实施例的MOS开关的电路原理图。开关由CMOS传输门实现，从而在大的动态范围下，仍能实现较好的开关特性。一个实施例中，开关由第十九PMOS管M₁₉、第十八NMOS管M₁₈以及反相器INV构成，当输入控制信号V_c为低电平时，第十八NMOS管M₁₈关断，第十九PMOS管M₁₉也关断，CMOS传输门关断；当输入控制信号V_c为高电平时，第十八NMOS管M₁₈导通，第十九PMOS管M₁₉也导通，CMOS传输门开启。

图6为依照本发明实施例的MOS开关中的反相器的电路原理图。输入信号T9接第二十一PMOS管M₁和第二十二NMOS管M₂的栅极，第二十一PMOS管M₁的源极接电源V_dd，第二十二NMOS管M₂的源极接地V_ss，第二十一PMOS管M₁和第二十二NMOS管M₂的漏极接输出T10。

图7为依照本发明实施例的带宽可调运算放大器在窄带应用下的频响特性。以运放在有源滤波器中的应用为例，通过切换控制字，使运放工作在窄带的情况下，当滤波器的带宽为700KHz时，运放的GB＝655MHz，相位裕度75.8°。

图8为依照本发明实施例的带宽可调运算放大器在宽带应用下的频响特性。以运放在有源滤波器中的应用为例，通过切换控制字，使运放工作在宽带的情况下，当滤波器的带宽为10MHz时，运放的GB＝501MHz，相位裕度55.5°。可见，通过切换控制字，即可实现运放的带宽可调，并能保证运放在不同负载情况的稳定性。

图9为依照本发明实施例的带宽可调运算放大器的共模反馈环路的频响特性。本实施例中，通过添加RC滞后补偿(R₇、C₇)，使运放的共模环路的GB＝34MHz，相位裕度64.2°，实现了很好的共模稳定性。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种带宽可调的运算放大器电路，其特征在于，该运算放大器电路包括偏置电路、全差分运算放大器主电路和共模反馈电路，其中：

偏置电路，用于为全差分运算放大器主电路和共模反馈电路提供与温度和工艺无关的稳定的偏置电流；

全差分运算放大器主电路，是两级放大的满摆幅输出结构，用于在偏置电流的作用下提供增益和所需的带宽，并向共模反馈电路输出共模电平；

共模反馈电路，用于稳定全差分运算放大器主电路输出的共模电平至一个恒定的电压。

2.如权利要求1所述的运算放大器电路，其特征在于，所述偏置电路包括基准电流(I_ref)以及第十NMOS管(M₁₀)、第十一NMOS管(M₁₁)组成的电流镜结构；第九PMOS晶体管(M₉)的栅极与漏极相接，为全差分运算放大器主电路和共模反馈电路提供偏置电流。

3.如权利要求1所述的运算放大器电路，其特征在于，所述全差分运算放大器主电路包括第一级及第二级放大电路，在该两级放大电路之间加入有可切换的第三及第四密勒补偿电容(C₃、C₄)和第三及第四密勒补偿电阻(R₃、R₄)，用于实现不同带宽下的稳定工作，同时加入有可切换的第一及第二交叉反馈电容(C₁、C₂)和第一及第二交叉反馈电阻(R₁、R₂)，用来进一步拓展带宽；在该两级放大电路之间还加入有第五及第六耦合电容(C₅、C₆)和第五及第六高阻值隔离电阻(R₅、R₆)，实现满摆幅输出。

4.如权利要求3所述的运算放大器电路，其特征在于，

所述可切换的第三及第四密勒补偿电容(C₃、C₄)及所述可切换的第一及第二交叉反馈电容(C₁、C₂)均由电容阵列(C₁’、C₂’...C_n’)和MOS开关(S₁、S₂...S_n)构成，电容阵列(C₁’、C₂’...C_n’)由n条支路并联构成，第一条支路由第一撇电容(C₁’)、第一开关(S₁)串联组成，第n条支路由第n撇电容(C_n’)、第n开关(S_n)串联组成，n为≥1的整数；

所述可切换的第三及第四密勒补偿电阻(R₃、R₄)及所述可切换的第一及第二交叉反馈电阻(R₁、R₂)均由电阻阵列(R₁’、R₂’...R_n’)和MOS开关(S₁、S₂...S_n)构成，电阻阵列(R₁’、R₂’...R_n’)由n条支路并联构成，第一条支路由第一撇电阻(R₁’)、第一开关(S₁)串联组成，第n条支路由第n撇电阻(R_n’)、第n开关(S_n)串联组成，n为≥1的整数。

5.如权利要求4所述的运算放大器电路，其特征在于，所述MOS开关由CMOS传输门构成，包括第十八NMOS管(M₁₈)、第十九PMOS管(M₁₉)以及反相器(INV)。

6.如权利要求5所述的运算放大器电路，其特征在于，所述反相器(INV)由第二十一PMOS晶体管(M₂₁)和第二十二NMOS晶体管(M₂₂)构成。

7.如权利要求3所述的运算放大器电路，其特征在于，所述第五及第六高阻值隔离电阻(R₅、R₆)由工作在截止区的二极管结构的PMOS管(M_L)或者工作在截止区的二极管结构的NMOS管(M_L’)构成，有效减小了版图面积。

8.如权利要求1所述的运算放大器电路，其特征在于，所述共模反馈电路包括第十二PMOS晶体管(M₁₂)、第十三PMOS晶体管(M₁₃)、第十四NMOS晶体管(M₁₄)、第十五NMOS晶体管(M₁₅)、第十六PMOS晶体管(M₁₆)构成的差分放大器结构，第八及第九电阻(R₈、R₉)检测输出共模电平，通过负反馈稳定输出共模电平至稳定的电压V_cm。

9.如权利要求8所述的运算放大器电路，其特征在于，所述共模反馈环路中还添加有RC滞后补偿电路，该RC滞后补偿电路由第七电阻及第七电容(R₇、C₇)串联而成，用于提高频率响应的相位裕度。

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