低电源电压高共模抑制比运算放大器

摘要

本发明公开了一种低电源电压下高共模抑制比运算放大器，该运算放大器包含主跨导级电路、从跨导级电路、第一级负载电路和第二级放大电路；其中，主跨导级电路包括第五P型金属氧化物晶体管、第六P型金属氧化物晶体管、第七P型金属氧化物晶体管、第四N型金属氧化物晶体管和第五N型金属氧化物晶体管；从跨导级电路包括第二P型金属氧化物晶体管、第三P型金属氧化物晶体管、第四P型金属氧化物晶体管、第二N型金属氧化物晶体管和第三N型金属氧化物晶体管；第二级放大电路包括第一P型金属氧化物晶体管、第一N型金属氧化物晶体管、第一电容和第一电阻。该结构的运算放大器能够在低电源电压下保证高共模抑制比和高电源抑制比的特性。

说明书

技术领域

本发明涉及一种运算放大器，该运算放大器具有高共模抑制比和高电源抑制 比特性，可以在低电源电压下(如0.6V)可靠工作。

背景技术

运算放大器是许多模拟系统和混合信号系统的一个重要功能模块，大量的具 有不同复杂程度的运算放大器被用来实现各种功能：从直流偏置的产生到高速放 大或滤波。伴随着每一代CMOS工艺，由于电源电压的减小，为运算放大器的设 计不断提出复杂的课题。近年来，硅太阳能电池越来越多的应用到电路系统中， 而单块硅太阳能电池仅提供0.6伏电源电压，设计能在0.6V电源电压下工作的 模拟电路将拓展硅太阳能电池供电电路系统的应用。作为模拟电路的重要模块， 运算放大器的实现是一项关键技术。由于目前主流CMOS工艺下晶体管阈值电压 通常大于350mV，因此在该电源电压下很难层叠三个以上的晶体管。在传统的运 算放大器结构中，输入共模抑制是通过尾电流源的恒流特性实现的，而在0.6V 电源电压下的电压裕度不允许工作在饱和区的尾电流源的使用。如果将尾电流源 晶体管偏置在线性区，使得尾电流不恒定，输出阻抗大大降低，从而严重影响运 算放大器的共模抑制比和电源抑制比。所以在低电源电压下设计具有高共模抑制 比和高电源抑制比的运算放大器面临许多挑战。

发明内容

发明目的：针对上述现有技术存在的问题和不足，本发明的目的是提供一种 低电源电压高共模抑制比运算放大器，该放大器能够在低电源电压(0.6伏)环 境下工作，同时具有高共模抑制比和高电源抑制比的特点。

技术方案：为实现上述发明目的，本发明采用的技术方案为一种低电源电压 高共模抑制比运算放大器，该运算放大器包含主跨导级电路、从跨导级电路、第 一级负载和第二级放大电路；其中，主跨导级电路包括第五P型金属氧化物晶体 管、第六P型金属氧化物晶体管、第七P型金属氧化物晶体管、第四N型金属氧 化物晶体管和第五N型金属氧化物晶体管；从跨导级电路包括第二P型金属氧化 物晶体管、第三P型金属氧化物晶体管和第四P型金属氧化物晶体管；第一级负 载包括第二N型金属氧化物晶体管和第三N型金属氧化物晶体管；从跨导级电路 中的第二P型金属氧化物晶体管、第三P型金属氧化物晶体管和第四P型金属氧 化物晶体管的宽长比分别是主跨导级电路中第五P型金属氧化物晶体管、第六P 型金属氧化物晶体管和第七P型金属氧化物晶体管宽长比的2倍；第一级负载的 第二N型金属氧化物晶体管和第三N型金属氧化物晶体管与第四N型金属氧化物 晶体管的宽长比相同；第二级放大电路包括第一P型金属氧化物晶体管、第一N 型金属氧化物晶体管、第一电容和第一电阻；

第三P型金属氧化物晶体管的栅极与第七P型金属氧化物晶体管的栅极连接 作为差分输入的一端，第四P型金属氧化物晶体管的栅极和第六P型金属氧化物 晶体管的栅极连接作为差分输入的另一端，第三P型金属氧化物晶体管的源极、 第四P型金属氧化物晶体管的源极和第二P型金属氧化物晶体管的漏极连接，第 四P型金属氧化物晶体管的漏极和第三N型金属氧化物晶体管的漏极和栅极连 接，第二N型金属氧化物晶体管的栅极和第三N型金属氧化物晶体管的栅极和漏 极连接，第六P型金属氧化物晶体管的源极、第七P型金属氧化物晶体管的源极 和第五P型金属氧化物晶体管的漏极连接，第六P型金属氧化物晶体管的漏极、 第七P型金属氧化物晶体管的漏极和第四N型金属氧化物晶体管的漏极连接，第 二P型金属氧化物晶体管的栅极、第五P型金属氧化物晶体管的栅极、第六P 型金属氧化物晶体管的漏极、第七P型金属氧化物晶体管的漏极和第四N型金属 氧化物晶体管的漏极连接，第四N型金属氧化物晶体管的栅极和第五N型金属氧 化物晶体管的栅极和漏极连接，第五N型金属氧化物晶体管的漏极和基准电流连 接；第三P型金属氧化物晶体管的漏极、第二N型金属氧化物晶体管的漏极、第 一P型金属氧化物晶体管的栅极和第一电阻的一端连接，第一电阻的另一端和第 一电容的正端连接，第一电容的负端和第一P型金属氧化物晶体管的漏极、第一 N型金属氧化物晶体管的漏极和输出端连接，第一P型金属氧化物晶体管的源极、 第二P型金属氧化物晶体管的源极、第五P型金属氧化物晶体管的源极和电源线 连接，第一N型金属氧化物晶体管的源极、第二N型金属氧化物晶体管的源极、 第三N型金属氧化物晶体管的源极、第四N型金属氧化物晶体管的源极、第五N 型金属氧化物晶体管的源极和地线连接。

有益效果：与传统运算放大器相比，本发明具有以下有益效果：该运算放大 器以简单的结构实现了在低电源电压下正常工作，并且能够实现高共模抑制比和 高电源抑制比，各项性能良好。

附图说明

图1为本发明的运算放大器电路图；

图2为本发明的运算放大器共模抑制比仿真结果图；

图3为本发明的运算放大器电源抑制比仿真结果图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于 说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员 对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。

本发明提出了一种低电源电压高共模抑制比运算放大器，该运算放大器的尾 电流源偏置在线性区，使用了一个与运放中的跨导级成比例复制的跨导级与运放 跨导级构成主从结构，主跨导级尾电流源的栅极、差分输入管的栅极分别与运放 中的从跨导级对应端口相连。忽略跨导管的沟道调制效应，在输入电压或电源电 压的波动下，主跨导级尾电流源漏级电压与从跨导级的保持一致，因此从跨导级 电流源漏极电压被主跨导级复制跟踪。而主跨导级电路中的负反馈电路，通过动 态调整工作在线性区的尾电流源栅极电压，保证流过跨导管的电流总和等于主跨 导级的恒流源负载电流。进而可以保证从跨导级的电流和不变，达到对输入共模 电压和电源电压波动的抑制功能。而运放的第二级则采用普通的电流源负载共源 放大结构。

本发明基于主从结构，结构简单，标准CMOS工艺下即可实现；丰富了低电源 电压(0.6伏)环境下的电路结构形式，拓展了0.6伏电源电压电路的应用范围。

如图1所示，本发明提供了一种低电源电压下高共模抑制比运算放大器的实 现方法，使用标准CMOS工艺即可实现，使得这种运算放大器具有结构简洁、 共模抑制比高、电源抑制比高和适合低电源电压应用等优点。该运算放大器的尾 电流源偏置在线性区，使用了一个与运放中的跨导级成比例复制的跨导级与运放 跨导级构成主从结构，主跨导级尾电流源的栅极、差分输入管的栅极分别与运放 中的从跨导级对应端口相连。忽略跨导管的沟道调制效应，在输入电压或电源电 压的波动下，主跨导级尾电流源漏级电压与从跨导级的保持一致，因此从跨导级 电流源漏极电压被主跨导级复制跟踪。而主跨导级电路中的负反馈电路，通过动 态调整工作在线性区的尾电流源栅极电压，保证流过跨导管的电流总和等于主跨 导级的恒流源负载电流。进而可以保证从跨导级的电流和不变，达到对输入共模 电压和电源电压波动的抑制功能。而运放的第二级则采用普通的电流源负载共源 放大结构。

本发明包含主跨导级电路(简称“主级电路”)、从跨导级电路(简称“从级 电路”)、第一级负载和第二级放大电路；其中，主级电路包括第五P型金属氧化 物晶体管P₅、第六P型金属氧化物晶体管P₆、第七P型金属氧化物晶体管P₇、第 四N型金属氧化物晶体管N₄和第五N型金属氧化物晶体管N₅；从级电路包括第 二P型金属氧化物晶体管P₂、第三P型金属氧化物晶体管P₃和第四P型金属氧 化物晶体管P₄；第一级负载包括第二N型金属氧化物晶体管N₂和第三N型金属 氧化物晶体管N₃；从级电路中的第二P型金属氧化物晶体管P₂、第三P型金属氧 化物晶体管P₃和第四P型金属氧化物晶体管P₄的宽长比分别是主级电路中第五P 型金属氧化物晶体管P₅、第六P型金属氧化物晶体管P₆和第七P型金属氧化物 晶体管P₇宽长比的2倍。第二N型金属氧化物晶体管N₂、第三N型金属氧化物 晶体管N₃与第四N型金属氧化物晶体管N₄的宽长比相同；第二级放大电路包括 第一P型金属氧化物晶体管P₁、第一N型金属氧化物晶体管N₁、第一电容C1和 第一电阻R₁。

第三P型金属氧化物晶体管P₃的栅极与第七P型金属氧化物晶体管P₇的栅 极连接作为差分输入的一端INP，第四P型金属氧化物晶体管P₄的栅极和第六P 型金属氧化物晶体管P₆的栅极连接作为差分输入的另一端INN，第三P型金属氧 化物晶体管P₃的源极、第四P型金属氧化物晶体管P₄的源极和第二P型金属氧 化物晶体管P₂的漏极连接，第三P型金属氧化物晶体管P₃的漏极和第二N型金 属氧化物晶体管N₂的漏极连接，第四P型金属氧化物晶体管P₄的漏极和第三N 型金属氧化物晶体管N₃的漏极和栅极连接，第二N型金属氧化物晶体管N₂的栅 极和第三N型金属氧化物晶体管N₃的栅极和漏极连接，第六P型金属氧化物晶 体管P₆的源极、第七P型金属氧化物晶体管P₇的源极和第五P型金属氧化物晶 体管P₅的漏极连接，第六P型金属氧化物晶体管P₆的漏极、第七P型金属氧化 物晶体管P₇的漏极和第四N型金属氧化物晶体管N₄的漏极连接，第二P型金属 氧化物晶体管P₂的栅极、第五P型金属氧化物晶体管P₅的栅极、第六P型金属 氧化物晶体管P₆的漏极、第七P型金属氧化物晶体管P₇的漏极和第四N型金属 氧化物晶体管N₄的漏极连接，第四N型金属氧化物晶体管N₄的栅极和第五N型 金属氧化物晶体管N₅的栅极和漏极连接，第五N型金属氧化物晶体管N₅的漏极 和基准电流(IBIN)连接，第三P型金属氧化物晶体管P₃的漏极、第二N型金 属氧化物晶体管N₂的漏极、第一P型金属氧化物晶体管P₁的栅极和第一电阻R₁的一端连接，第一电阻R₁的另一端和第一电容C₁的正端连接，第一电容C₁的负 端和第一P型金属氧化物晶体管P₁的漏极、第一N型金属氧化物晶体管N₁的漏 极和输出端OUT连接，第一P型金属氧化物晶体管P₁的源极、第二P型金属氧 化物晶体管P₂的源极、第五P型金属氧化物晶体管P₅的源极和电源线连接，第 一N型金属氧化物晶体管N₁的源极、第二N型金属氧化物晶体管N₂的源极、第 三N型金属氧化物晶体管N₃的源极、第四N型金属氧化物晶体管N₄的源极、第 五N型金属氧化物晶体管N₅的源极和地线连接。

上述运算放大器，可以在低电源电压(0.6伏)下正常工作，并具有高共模 抑制比和高电源抑制比。而在传统的运算放大器中，为了提高运算放大器的线性 度、共模抑制比和电源抑制比，差分输入管、负载管和尾电流源晶体管均需工作 在饱和区，电源电压等于这三类金属氧化物晶体管的漏源压降之和，受现有CMOS 工艺限制，这种结构的运算放大器难以在低电源电压(0.6伏)下正常工作。

为了使运算放大器能够在低电源电压(0.6伏)下工作，本发明中让差分输 入管第三P型金属氧化物晶体管P₃和第四P型金属氧化物晶体管P₄工作在亚阈 值区，此时金属氧化物晶体管栅源电压小于金属氧化物晶体管的开启电压，工作 在亚阈值区的金属氧化物晶体管漏电流和栅源电压呈现指数关系，栅极电压的变 化可以控制漏极电流的变化。由于此时栅源电压很小，使得金属氧化物晶体管的 漏源饱和压降可以很低，这就降低了运算放大器所需要的电源电压。为了进一步 降低电源电压，本发明让尾电流源第二P型金属氧化物晶体管P₂工作在线性区， 但工作在线性区的第二P型金属氧化物晶体管P₂漏电流受漏极电压影响很大， 这将会严重影响运算放大器的共模抑制比和电源抑制比。为了改善低电源电压运 算放大器的共模抑制比和电源抑制比，本发明在传统运算放大器中添加由第五P 型金属氧化物晶体管P₅、第六P型金属氧化物晶体管P₆、第七P型金属氧化物晶 体管P₇、第四N型金属氧化物晶体管N₄和第五N型金属氧化物晶体管N₅组成的 主级电路。因为第二N型金属氧化物晶体管N₂、第三N型金属氧化物晶体管N₃、 第四N型金属氧化物晶体管N₄的宽长比相同，在相同CMOS工艺下，主级电路中 第五P型金属氧化物晶体管P₅、第六P型金属氧化物晶体管P₆、第七P型金属氧 化物晶体管P₇的漏电流分别是从级电路中第二P型金属氧化物晶体管P₂、第三P 型金属氧化物晶体管P₃、第四P型金属氧化物晶体管P₄漏电流的一半，又因为 主级电路中P型金属氧化物晶体管的宽长比是从级电路中P型金属氧化物晶体管 宽长比的一半，在第五P型金属氧化物晶体管P₅和第二P型金属氧化物晶体管 P₂栅源电压相同的情况下就使得第五P型金属氧化物晶体管P₅和第二P型金属氧 化物晶体管P₂的漏级电压相同，进而第六P型金属氧化物晶体管P₅、第七P型 金属氧化物晶体管P₇、第三P型金属氧化物晶体管P₃、第四P型金属氧化物晶体 管的P₄漏源电压和栅源电压相同。第五P型金属氧化物晶体管P₅漏电流和第四N 型金属氧化物晶体管N₄漏电流相等，而第二P型金属氧化物晶体管P₂漏电流追 踪第五P型金属氧化物晶体管P₅漏电流。这样就实现了第二P型金属氧化物晶 体管P₂漏电流不随其漏电压变化，进而克服传统运算放大器在低电源电压下共 模抑制比和电源抑制比低的缺点，实现了低电源电压运算放大器的高共模抑制比 和高电源抑制比。

图2所示为本发明的运算放大器共模抑制比的仿真结果，实线是工作在0.6V 下低电源电压运算放大器的共模抑制比仿真曲线，虚线是工作在1.2V电压下， 采用饱和区尾电流源的传统运算放大器的共模抑制比仿真曲线，从图中可以看 出，本发明中运算放大器的低频段共模抑制比可以达到-74dB，高于传统结构放 大器的-45dB。

图3所示为本发明的运算放大器电源抑制比的仿真结果，实线是工作在0.6V 下低电源电压运算放大器的电源抑制比仿真曲线，虚线是工作在1.2V电压下， 采用饱和区尾电流源的传统运算放大器的电源抑制比仿真曲线，从图中可以看 出，该运算放大器的低频段电源抑制比可以达到-47dB，高于传统结构放大器的 -45dB。

本发明的运算放大器，主跨导级的尺寸为从跨导级的一半，主从跨导级尾电 流源晶体管均工作在深线性区，以适应低电源电压的要求；主跨导级负责跟踪作 为从跨导级的尾电流变化，并通过负反馈环路自动调整尾电流晶体管的栅极电 压，从而实现主从跨导级尾电流恒定的目的，进而实现高共模抑制比和电源抑制 比。