一种应用于流水线模数转换器的运算放大电路

摘要

本发明公开了一种应用于流水线模数转换器中的运算放大电路，包括第一级运算放大电路，交叉耦合电路，第二级运算放大电路。第一级运算放大电路采用带有增益自举套筒式共源共栅放大电路，交叉耦合电路作为第一级运算放大电路的负载电路并联在第一级放大电路的输出端，提供负阻抗，进一步提高第一级运算放大器电路的输出阻抗和增益。第二级运算放大电路采用场效应管与电感串联为负载的共源放大电路，改善运算放大器的相位裕度，提高运放稳定性，同时为运算放大器的输出提供足够的输出摆幅和摆率，在两级运算放大器之间采用密勒电容作为频率补偿。通过上述设计，改善运算放大器的增益和带宽，从而提高整个MDAC和模数转换器的性能。

说明书

技术领域

本发明属于模数转换器技术领域，尤其涉及一种应用于流水线模数转换器的运算放大电路。

背景技术

在流水线模数转换器设计中，余量增益放大器完成放大输入信号减去已量化信号后余差信号的任务。运算放大器对转换器性能的影响主要来自放大器有限的开环增益和有限的单位增益带宽。随着CMOS工艺和无线通信技术的发展，对射频直采转换器的需求日益增加，这对应用于流水线模数转换器中的运算放大器的增益和带宽提出了更高的要求，同时为运算放大器的设计带来了严峻的挑战。

随着工艺尺寸的降低，晶体管的本征增益进一步减小，需要更复杂的电路设计提高运算放大器的增益。现有的提高运算放大器结构采用带有增益自举的共源共栅运放与共源放大器级联的两级密勒补偿放大器，但仍无法满足高精度转换器的性能要求。

发明内容

本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种应用于流水线模数转换器的运算放大电路，提高MDAC中运算放大器的增益和带宽，用于提高整个模数转换器的性能。

本发明目的通过以下技术方案予以实现：一种应用于流水线模数转换器的运算放大电路，包括：第一级运算放大电路(100)、交叉耦合负反馈电路(200)和第二级运算放大电路(300)；其中，第一级运算放大电路(100)、交叉耦合负反馈电路(200)和第二级运算放大电路(300)依次相连接；第一级运算放大电路(100)采用带有增益自举套筒式共源共栅放大电路，交叉耦合电路(200)作为第一级运算放大电路(100)的负载电路并联在第一级放大电路(100)的输出端，提供负阻抗，进一步提高第一级运算放大器电路的输出阻抗和增益；第二级运算放大电路(300)采用场效应管与电感串联为负载的共源放大电路。

上述应用于流水线模数转换器的运算放大电路中，所述第一级运算放大电路(100)第一场效应管M1、第二场效应管M2、第三场效应管M3、第四场效应管M4、第五场效应管M5、第六场效应管M6、第七场效应管M7、第八场效应管M8、第九场效应管M9、第一辅助运算放大器电路、第二辅助运算放大器电路、第三辅助运算放大器电路和第四辅助运算放大器电路；其中，第一场效应管M1源极接地，第一场效应管M1栅极接偏置电压V

上述应用于流水线模数转换器的运算放大电路中，所述交叉耦合负反馈电路(200)包括第十场效应管M10、第十一场效应管M11、第十二场效应管M12、第十三场效应管M13和第十四场效应管M14；其中，第十三场效应管M13的漏极接第二级运算放大器300的输入信号V

上述应用于流水线模数转换器的运算放大电路中，所述第二级运算放大电路(300)包括第十五场效应管M15、第十六场效应管M16、第十七场效应管M17、第十八场效应管M18、第十九场效应管M19、两个密勒电容Cc、两个负载电容C

上述应用于流水线模数转换器的运算放大电路中，该应用于流水线模数转换器的运算放大电路的增益A

A

其中，A

上述应用于流水线模数转换器的运算放大电路中，第十一场效应管M11的跨导g

其中，r

上述应用于流水线模数转换器的运算放大电路中，第一级运算放大器的输出极点ω

上述应用于流水线模数转换器的运算放大电路中，第一场效应管M1、第二场效应管M2、第三场效应管M3、第四场效应管M4和第五场效应管M5为N管；第六场效应管M6、第七场效应管M7、第八场效应管M8和第九场效应管M9为P管。

上述应用于流水线模数转换器的运算放大电路中，第十场效应管M10、第十一场效应管M11、第十二场效应管M12、第十三场效应管M13和第十四场效应管M14为N管。

上述应用于流水线模数转换器的运算放大电路中，第十五场效应管M15、第十六场效应管M16和第十七场效应管M17为N管；第十八场效应管M18和第十九场效应管M19为P管。

本发明与现有技术相比具有如下有益效果：

(1)本发明采用增益自举技术，在第一级放大器的共栅场效应管源极和漏极之间分别接入辅助放大器，进一步提高第一级放大器的输出阻抗，提高放大器的增益。

(2)本发明采用交叉耦合正反馈负载技术，在第一级放大器的电路输出端并联交叉耦合正反馈模块，为第一级运放并联负电阻，通过电路设计，提高运算放大器输出阻抗，提高增益。本技术的具有较高的可移植性。

(3)本发明在转换器的输出级使用晶体管与片上有源电感串联作为负载，引入零极点对，提高运放带宽和相位裕度。

附图说明

通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：

图1是本发明运算放大电路示意图；

图2为本发明第二级放大电路输出端阻抗示意图；

图3为本发明整体运算放大电路幅频特性示意图。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

本发明提供一种应用于高速高精度流水线模数转换器的运算放大器电路结构，提高MDAC中运算放大器的增益和带宽，进而提高整个流水线模数转换器的性能。

如图1所示为本发明运算放大器两级运放结构电路图，包括第一级运算放大电路100，交叉耦合电路模块200和第二级运算放大器电路300。所述第一级运算放大器电路100包括第一场效应管M1、第二场效应管M2、第三场效应管M3、第四场效应管M4、第五场效应管M5、第六场效应管M6、第七场效应管M7、第八场效应管M8、第九场效应管M9和第一辅助运算放大器电路即电路1、第二辅助运算放大器电路即电路2、第三辅助运算放大器电路即电路3、第四辅助运算放大器电路即电路4。所述交叉耦合电路模块200包括第十场效应管M10，第十一场效应管M11，第十二场效应管M12，第十三场效应管M13，第十四场效应管M14。所述第二级运算放大器电路300包括第十五场效应管M15，第十六场效应管M16，第十七场效应管M17，第十八场效应管M18，第十九场效应管M19，两个密勒电容Cc，负载电容C

1)该电路的具体连接关系如下：

第一级运算放大器电路100内部，第一场效应管M1源极接地，栅极接偏置电压V

交叉耦合电路模块200内部，第十三场效应管M13的漏极接第二级运算放大器300的输入信号V

第二级运算放大器300内部，第十五场效应晶体管M15的栅极接固定偏置电平V

2)该电路中的场效应管的类型如图中所示：第一场效应管M1、第二场效应管M2、第三场效应管M3、第四场效应管M4、第五场效应管M5、第十场效应管M10，第十一场效应管M11，第十二场效应管M12，第十三场效应管M13，第十四场效应管M14、第十五场效应管M15、第十六场效应管M16、第十七场效应管M17为N管，第六场效应管M6、第七场效应管M7、第八场效应管M8、第九场效应管M9、第十八场效应管M18、第十九场效应管M19为P管。

3)本发明中的运算放大器的增益A

A

其中A

A

A

其中g

R

其中A

其中g

R

其中r

运放采用密勒电容Cc跨接在第二级运算放大器300输入场效应管M16的栅极与漏极，因此运放的主极点为第一级运算放大器的输出极点，即

运算放大器的增益带宽积为

运算放大器的次极点为运放的输出极点，对于第二级运算放大器300从输出端看进去的阻抗如图2所示：

第二级运算放大器300的第一极点为ω

由式(12)得到

通过电路设计，使得第二级运算放大器300的零点ω

本发明中第二级运算放大电路300第十八场效应管M18的衬底通过一个大电阻Rbg接到电源电压VDD上，可以减少场效应管漏极与衬底之间的寄生电容，隔离衬底噪声。

4)本运算放大器的配置需满足如下条件：

第八场效应管M8和第九场效应管M9的偏置电压均为V

由于电路为差分电路，因此电路1和电路2的偏置和直流工作点应保持一致，电路3和电路4的偏置和直流工作点也应保持一致。

本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。