适用于图像传感器的驱动容性大负载低噪声的运算放大器

摘要

本发明公开了一种适用于图像传感器的驱动容性大负载低噪声的运算放大器，所述运算放大器包括第一至第十四PMOS晶体管M00、M01、M1、M2、M7、M8、M9、M10、M11、M12、M13、M14、M21、M22以及第一至第十NMOS晶体管M3、M4、M5、M6、M15、M16、M17、M18、M19、M20共二十四个MOS晶体管，以及连接设置的第一电容Cm1、第二电容Cm2以及电阻Rm；所构成多级运算放大器包括三个增益放大级、两个有源反馈回路、一个前馈通路。本发明在低压低功耗条件下，该放大器可以在驱动大负载电容或者电阻的同时，具有较低的噪声。

说明书

技术领域

本发明涉及运算放大器技术领域，特别是涉及一种驱动容性大负载低噪声的运算放 大器。

背景技术

低压低功耗高增益多级运算放大器始终是低功耗模拟电路很活跃的研究领域。许多 高增益运算放大器在达到高增益、高稳定性、小芯片面积的时候，噪声性能可能会下降。 而大量便携式电子设备，例如：生物医学设备、助听器、电源管理、图像传感器等要求 在驱动负载时候具有较低的噪声。虽然以前的文献已有报道分别采用有源密勒反馈和宽 范围驱动负载技术来实现驱动大负载电容或者电阻的多级运算放大器，但是将两种技术 联合使用可以实现额外的参数-噪声的降低。

近些年关于多级运算放大器的研究大多有驱动大负载电容和低功耗低噪声等方向。

发明内容

为了克服上述现有技术存在的直流系统故障隔离难的问题，本发明提出了一种适用 于图像传感器的驱动大负载低噪声的多级运算放大器，采用有源密勒反馈和宽范围驱动 负载技术，所实现的多级运算放大器可以驱动大负载电容或者电阻，同时具有较低的噪 声。

1.本发明提出了一种适用于图像传感器的驱动容性大负载低噪声的运算放大器， 所述运算放大器包括第一至第十四PMOS晶体管M00、M01、M1、M2、M7、M8、M9、 M10、M11、M12、M13、M14、M21、M22以及第一至第十NMOS晶体管M3、M4、 M5、M6、M15、M16、M17、M18、M19、M20共二十四个MOS晶体管；其中：

第一、第七至第十、第十四PMOS晶体管M00、M9、M10、M11、M12、M22的 源极共同接供电电源VDD；第一至第十四PMOS晶体管M00、M01、M1、M2、M7、 M8、M9、M10、M11、M12、M13、M14、M21、M22的衬底接电源VDD；第一至第 十NMOS晶体管M3、M4、M5、M6、M15、M16、M17、M18、M19、M20衬底接地 GND；第一、第二、第七至第九NMOS晶体管M3、M4、M17、M18、M19的源极共 同接地GND；

第一、第八、第十PMOS晶体管M00、M10、M12的栅极接第一偏置电压Vb1； 第一PMOS晶体管M00的漏极接第二PMOS晶体管M01的源极；第二、第五、第六、 第十一至第十三PMOS晶体管M01、M7、M8、M13、M14、M21的栅极共同接第二偏 置电压Vb2；第二PMOS晶体管M01漏极接第三、第四PMOS晶体管M1、M2的源极； 第三PMOS晶体管M1的栅极接第一输入端Vn，漏极接第一NMOS晶体管M3的漏极 和第三NMOS晶体管M5的源极；第四PMOS晶体管M2的栅极接第二输入端Vp，漏 极接第二NMOS晶体管M4的漏极和第四NMOS晶体管M6的源极；

第一、第二NMOS晶体管M3、M4的栅极共同接第四偏置电压Vb4；

第三至第六、第十NMOS晶体管M5、M6、M15、M16、M20的栅极共同接第三 偏置电压Vb3；第三NMOS晶体管M5的漏极、第五PMOS晶体管M7的漏极共同接 电阻Rm的一端；电阻Rm的另一端接第七PMOS晶体管M9的栅极；第七PMOS晶 体管M9的漏极接第五PMOS晶体管M7的源极；第四NMOS晶体管M6的漏极、第 六PMOS晶体管M8的漏极共同接第九、第十四PMOS晶体管M11、M22的栅极；第 六PMOS晶体管M8的源极、第一电容Cm1的一端、第二电容Cm2的一端共同接第八 PMOS晶体管M10的漏极；

第九PMOS晶体管M11的漏极接第十一PMOS晶体管M13的源极；第十一PMOS 晶体管M13的漏极、第五NMOS晶体管M15的漏极共同接第七、第八NMOS晶体管 M17、M18的栅极；第五NMOS晶体管M15的源极接第七NMOS晶体管M17的漏极； 第六NMOS晶体管M16的源极接第八NMOS晶体管M18的漏极；第六NMOS晶体管 M16的漏极、第九NMOS晶体管M19的栅极、第十二PMOS晶体管M14的漏极共同 接第二电容Cm2的另一端和电阻Rm的另一端；第十二PMOS晶体管M14的源极接第 十PMOS晶体管M12的漏极；第一电容Cm1的另一端、第十NMOS晶体管M20的漏 极、第十三PMOS晶体管M21的漏极共同接输出端Vout；第十NMOS晶体管M20的 源极接第九NMOS晶体管M19的漏极；第十三PMOS晶体管M21的源极接第十四 PMOS晶体管M22的漏极。

所构成的放大器由三个增益级、两个有源密勒电容反馈回路和一个前馈通路组成。 第一增益级包括第一至第四PMOS晶体管M00、M01、M1、M2和第一至第四NMOS 晶体管M3、M4、M5、M6，其中跨导gm1由第三至第四PMOS晶体管M1、M2实现； 第二增益级包括第九至第十二PMOS晶体管M11、M12、M13、M14和第五至第八NMOS 晶体管M15、M16、M17、M18，其中跨导gm2由第九PMOS晶体管M11实现；第三 增益级包括第九至第十二PMOS晶体管M21和第九至第十NMOS晶体管M19、M20， 其中跨导gmL由第九NMOS晶体管M19实现。第一个有源反馈回路包括第一电容Cm1、 第二电容Cm2、电阻Rm和第七PMOS晶体管M9构成的第一跨导增益级gma1和等效 电阻1/gma2；而第二个有源反馈回路包括第一电容Cm1和由第六PMOS晶体管M8构 成的第二跨导增益级gma2和等效电阻1/gma2；一个前馈通路由第十四PMOS晶体管 M22实现。

与现有技术中相比，本发明在低压低功耗条件下，该放大器可以在驱动大负载电 容或者电阻的同时，具有较低的噪声。

附图说明

图1本发明的放大器的拓扑图；

图2放大器的实施方式原理图。

具体实施方式

以下结合附图及具体实施方式，进一步详述本发明的技术方案。

选取第三、第四PMOS晶体管M1、M2的栅极作为信号输入端，分别输入差模信 号Vin-和Vin+，经过第一差分输入级、第二增益级、第三推挽输出级输出到Vout。然 后信号经过两路有源反馈回路实现频率补偿，来调节共轭极点的位置，来降低放大器的 噪声。在放大器的输出端加载大负载电容可以测试放大器的小信号交流响应和大信号的 阶跃响应，可以得到放大器的小信号参数和瞬态参数；结果表明本款放大器能够驱动宽 范围大负载电容(数百pF)，具有较低的噪声性能。