运算放大器的制作方法

1.本申请涉及集成电路技术领域，尤其涉及一种运算放大器。


背景技术：

2.运算放大器是一种常见的集成电路，其输入级的主要任务是放大差分信号，同时有效的抑制输入共模信号。运算放大器的输入级的一个重要指标是输入共模信号范围。当输入信号的共模电压在规定的范围内时，运算放大器的输入级才能够有效的响应差分小信号。
3.传统的轨到轨运算放大器采用彼此互补的p沟道差分对和n沟道差分对作为输入级。具体地，在较低的输入电压范围内，p沟道差分对工作，n沟道差分对关断；在较高的输入电压范围内，n沟道差分对工作，p沟道差分对关断；在位于中间的输入电压范围时，n沟道和p沟道差分对同时工作。通过这种方法，能够得到总的共模输入范围为全摆幅v
ss
＜v
cm
＜v
dd
。
4.然而，由于这种结构的轨到轨运算放大器的输入级存在三种工作状态：仅p沟道差分对工作、仅n沟道差分对工作、以及二者同时工作，因此存在跨导不恒定的问题，从而对共模抑制比和稳定性的带来不利影响。
5.因此，需要一种能够实现恒定跨导的运算放大器。


技术实现要素：

6.鉴于以上所述现有技术的缺点，本申请的目的在于提供一种能够实现恒定跨导的运算放大器。
7.本申请的一个方面提供了一种运算放大器，其包括输入级和输出级，所述输入级包括彼此互补的第一差分对和第二差分对、第一电流源以及第二电流源，所述第一差分对和所述第二差分对被配置为接收同相输入信号和反向输入信号，所述第一电流源连接至所述第一差分对并被配置为向所述第一差分对提供第一电流，所述第二电流源连接至所述第二差分对并被配置为向所述第二差分对提供第二电流，所述输出级连接至所述输入级并被配置为输出放大信号，所述输入级还包括跨导控制电路，所述跨导控制电路连接至所述第一电流源和所述第二电流源并被配置为控制所述第一电流和所述第二电流，使得所述第一差分对的尾电流与所述第二差分对的尾电流之和保持不变。
8.可选地，所述第一差分对包括第一开关管和第二开关管，所述第一开关管的源极与所述第二开关管的源极相连；所述第二差分对包括第三开关管和第四开关管，所述第三开关管的源极与所述第四开关管的源极相连；所述第一开关管的源极与所述第三开关管的源极相连以充当所述运算放大器的反向输入端，所述反向输入端用于接收所述反向输入信号；所述第二开关管的源极与所述第四开关管的源极相连以充当所述运算放大器的同向输入端，所述同向输入端用于接收所述同向输入信号。
9.可选地，所述第一电流源的电流流入端连接至第一电位，所述第一电流源的电流流出端连接至所述第一开关管的源极；所述第二电流源包括第五开关管和第六开关管，所
述第五开关管的栅极与所述第六开关管的栅极相连，所述第五开关管的源极与所述第六开关管的源极均连接至第二电位，所述第五开关管的栅极和漏级相连，所述第六开关管的漏级连接至所述第三开关管的源极。
10.可选地，所述跨导控制电路包括第一电压源和第七开关管；所述第一电压源的第一端连接至所述第一电位，所述第一电压源的第二端连接至所述第七开关管的栅极；所述第七开关管的源极连接至所述第一电流源的电流流出端，所述第七开关管的漏级连接至所述第五开关管的漏级。
11.可选地，所述输出级包括：第八开关管、第九开关管、第十开关管、第十一开关管、第十二开关管、第十三开关管、第二电压源、第三电压源、第二电流源以及第三电流源；所述第八开关管的源极和所述第九开关管的源极连接至所述第一电位，所述第八开关管的栅极连接至所述第九开关管的栅极相连并连接至所述第十开关管的漏极，所述第十开关管的源极连接至所述第八开关管的漏级，所述第十一开关管的源极连接至所述第九开关管的漏级，所述第十开关管的栅极连接至所述第十一开关管的栅极并连接至所述第二电压源的第一端，所述第二电压源的第二端连接至所述第一电位，所述第三开关管的漏级连接至所述第十一开关管的源级，所述第四开关管的漏级连接至所述第十开关管的源极；所述第十一开关管的漏级充当所述运算放大器的输出端，所述输出端用于输出所述放大信号。
12.可选地，所述第十二开关管的漏级连接至所述第十开关管的漏极，所述第十三开关管的漏级连接至所述第十一开关管的漏极，所述第十二开关管的栅级连接至所述第十三开关管的栅极相连并连接至所述第三电压源的第一端，所述第三电压源的第二端连接至所述第二电位，所述第十二开关管的源极连接至所述第二电流源的电流输入端，所述第二电流源的电流输出端连接至所述第二电位，所述第十三开关管的源极连接至所述第三电流源的电流输入端，所述第三电流源的电流输出端连接至所述第二电位，所述第一开关管的漏级连接至所述第十三开关管的源级，所述第二开关管的漏级连接至所述第十二开关管的源极。
13.可选地，所述第一开关管、所述第二开关管、所述第七开关管、所述第八开关管、所述第九开关管、所述第十开关管、所述第十一开关管均为pmos场效应管。
14.可选地，所述第三开关管、所述第四开关管、所述第五开关管、所述第六开关管、所述第十二开关管、所述第十三开关管均为nmos场效应管。
15.可选地，所述跨导控制电路被配置为使得所述第一差分对的尾电流与所述第二差分对的尾电流之和等于所述第一电流源的输出电流。
16.可选地，所述第一电位为v
dd
，所述第二电位为v
ss
。
17.相对于现有技术，本申请所提出的运算放大器的电路结构由轨到轨输入级、共源共栅的输出级组成。在轨到轨输入级中，依靠互补的p沟道和n沟道差分对来实现共模输入范围的全摆幅，在输出级中，采用自偏置共源共栅电流镜作为负载。另外，在本运算放大器的轨到轨输入级还包括跨导控制电路，在当共模输入电平增长到一定程度时，所述跨导控制电路从原本用于向p沟道差分对提供电流的基准电流源处抽取电流并将所抽取的电流复制到n沟道差分对，使得p沟道差分对和n沟道差分对无论是单独工作还是同时工作，两者的尾电流之和保持恒定，从而使得输入级的等效跨导恒定，有效提高了运算放大器的共模抑制比。
附图说明
18.以下附图详细描述了本申请中披露的示例性实施例。其中相同的附图标记在附图的若干视图中表示类似的结构。本领域的一般技术人员将理解这些实施例是非限制性的、示例性的实施例，附图仅用于说明和描述的目的，并不旨在限制本公开的范围，其他方式的实施例也可能同样的完成本申请中的发明意图。应当理解，附图未按比例绘制。其中：
19.图1a和图1b分别为p沟道差分对和n沟道差分对的电路结构图；
20.图2为全摆幅运算放大器的电路结构图；
21.图3为根据本申请实施例的运算放大器的电路结构图；
22.图4a和图4b分别为根据本申请实施例的运算放大器在弱反型和强反型工作状态下的跨导随共模输入电压变化的曲线图。
具体实施方式
23.以下描述提供了本申请的特定应用场景和要求，目的是使本领域技术人员能够制造和使用本申请中的内容。对于本领域技术人员来说，对所公开的实施例的各种局部修改是显而易见的，并且在不脱离本公开的精神和范围的情况下，可以将这里定义的一般原理应用于其他实施例和应用。因此，本公开不限于所示的实施例，而是与权利要求一致的最宽范围。
24.图1a和图1b分别为p沟道差分对和n沟道差分对的电路结构图，示出了p沟道差分对和n沟道差分对的电路结构图的共模电压输入范围。
25.如图1a可知，对于p沟道差分对n1和n2，其共模电压输入范围是：
26.v
ss
＜v
common
＜v
dd-v
dsat-v
sgp
ꢀꢀ
(1)
27.其中，v
common
是输入共模信号，v
sgp
是pmos管的源栅电压，v
dsat
是流经电流源实际所需的漏源饱和压降，v
dd
为正电源电压，v
ss
为负电源电压。
28.如图1b可知，对于n沟道差分对n3和n4，其共模电压输入范围是：
29.v
ss
v
gsn
v
dsat
＜v
common
＜v
dd
ꢀꢀ
(2)
30.其中，v
common
是输入共模信号，v
gsn
是nmos管的栅源电压，v
dsat
是流经电流源实际所需的漏源饱和压降，v
dd
为正电源电压，v
ss
为负电源电压。
31.由公式(1)和(2)可以看出，p沟道差分对和n沟道差分对在单独工作时都无法实现轨到轨(rail-to-rail)的共模电压输入范围。
32.为了解决这一问题，可以采用如图2所示的p沟道差分对和n沟道差分对互补并接(n1和n3的栅极互连，n2和n4的栅极互连)的方式。在这种方式中，p沟道差分对可使得共模输入达到负电源v
ss
，而n沟道差分对可使得共模输入达到正电源v
dd
。从图中可以看到，为了确保共模输入覆盖整个电源范围，电路的最小工作电压为：
33.v
sup，min
＝v
sgp
v
gsn
2v
dsat
ꢀꢀ
(3)
34.当电源电压在所述最小工作电压之上时，电路的共模信号输入则可分为三个部分：在输入共模电压低时，只有p沟道差分对n1和n2工作；在输入共模电压位于中间区，p沟道差分对n1、n2和n沟道差分对n3、n4同时工作；在输入共模电压高时，只有n沟道差分对n3、n4工作。
35.当电源电压低于所述最小工作电压时，在共模电压输入的中间区域会产生死区。
36.为了实现恒定跨导，本申请基于上述互补差分对输入级提供了一种恒跨导运算放大器，如图3所述，所述运算放大器包括输入级110和输出级111。
37.输入级110包括彼此互补的第一差分对和第二差分对、第一电流源、第二电流源、以及跨导控制电路，所述第一差分对和所述第二差分对被配置为接收同相输入信号和反向输入信号，所述第一电流源连接至所述第一差分对并被配置为向所述第一差分对提供第一电流，所述第二电流源连接至所述第二差分对并被配置为向所述第二差分对提供第二电流，所述跨导控制电路连接至所述第一电流源和所述第二电流源并被配置为控制所述第一电流和所述第二电流，使得所述第一差分对的尾电流与所述第二差分对的尾电流之和保持不变，例如，等于所述第一电流源的输出电流。
38.输出级120连接至输入级110并被配置为输出放大信号。
39.所述第一差分对包括第一开关管m1和第二开关管m2，第一开关管m1的源极与第二开关管m2的源极相连；所述第二差分对包括第三开关管m3和第四开关管m4，第三开关管m3的源极与第四开关管m4的源极相连；第一开关管m1的源极与第三开关管m3的源极相连以充当所述运算放大器的反向输入端v-，反向输入端v-用于接收反向输入信号；第二开关管m2的源极与第四开关管m4的源极相连以充当所述运算放大器的同向输入端v ，同向输入端v 用于接收同向输入信号。
40.在本实施例中，第一电流源ib1为基准恒流源。第一电流源ib1的电流流入端连接至第一电位v
dd
，第一电流源ib1的电流流出端连接至第一开关管m1的源极。
41.在本实施例中，所述第二电流源为电流镜，其包括第五开关管m5和第六开关管m6，第五开关管m5的栅极与第六开关管m6的栅极相连，第五开关管m5的源极与第六开关管m6的源极均连接至第二电位v
ss
，第五开关管m5的栅极和漏级相连，第六开关管m6的漏级连接至第三开关管m3的源极。
42.所述跨导控制电路包括第一电压源vb1和第七开关管m7；第一电压源vb1的第一端连接至第一电位v
dd
，第一电压源vb1的第二端连接至第七开关管m7的栅极；第七开关管m7的源极连接至第一电流源ib1的电流流出端，第七开关管m7的漏级连接至第五开关管m5的漏级。
43.输出级120包括：第八开关管m8、第九开关管m9、第十开关管m10、第十一开关管m11、第十二开关管m12、第十三开关管m13、第二电压源vb2、第三电压源vb3、第二电流源ib2以及第三电流源ib3。
44.第八开关管m8的源极和第九开关管m9的源极连接至第一电位v
dd
，第八开关管m8的栅极连接至第九开关管m9的栅极相连并连接至第十开关管m10的漏极，第十开关管m10的源极连接至第八开关管m8的漏级，第十一开关管m11的源极连接至第九开关管m9的漏级，第十开关管m10的栅极连接至第十一开关管m11的栅极并连接至第二电压源vb2的第一端，第二电压源vb2的第二端连接至第一电位v
dd
，第十一开关管m11的漏级充当所述运算放大器的输出端vo，输出端vo用于输出放大信号。
45.第十二开关管m12的漏级连接至第十开关管m10的漏极，第十三开关管m13的漏级连接至第十一开关管m11的漏极，第十二开关管m12的栅级连接至第十三开关管m13的栅极相连并连接至第三电压源vb3的第一端，第三电压源vb3的第二端连接至第二电位v
ss
，第十二开关管m12的源极连接至第二电流源ib2的电流输入端，第二电流源ib2的电流输出端连
接至第二电位v
ss
，第十三开关管m13的源极连接至第三电流源ib3的电流输入端，第三电流源ib3的电流输出端连接至第二电位v
ss
。
46.在本实施例中，第一开关管m1、第二开关管m2、第七开关管m7、第八开关管m8、第九开关管m9、第十开关管m10、第十一开关管m11均为p沟道开关管，例如，pmos场效应管。
47.在本实施例中，第三开关管m3、第四开关管m4、第五开关管m5、第六开关管m6、第十二开关管m12、第十三开关管m13均为n沟道开关管，例如，nmos场效应管。
48.为了达到轨到轨的共模输入范围，互补差分输入级需要以折叠共源共栅管为负载。为此，第一开关管m1的漏级连接至第十三开关管m13的源级，第二开关管m2的漏级连接至第十二开关管m12的源极，由此形成共源共栅结构。第三开关管m3的漏级连接至第十一开关管m11的源级，第四开关管m4的漏级连接至第十开关管m10的源极，由此形成共源共栅结构。
49.共源共栅结构可以被偏置在弱反型或强反型。
50.一方面，若共源共栅结构工作在弱反型下，则整个输入级的跨导由如下公式表示：
[0051][0052]
其中，i
p
为p沟道差分对的尾电流，i
n
为n沟道输入差分对的尾电流，n
p
是p沟道开关管的斜率因子，n
n
是n沟道开关管的斜率因子，v
th
为相应开关管的阈值电压。
[0053]
由此可见，在弱反型工作状态下，输入级的跨导与开关管的漏极电流成正比。这表明在弱反型工作状态下，输入级的总跨导可以通过保持互补差分输入对的尾电流和不变来维持恒定。
[0054]
因此，假设p沟道和n沟道开关管在弱反型下的斜率因子n
p
和n
n
相等，为达到输入级跨导的恒定，p沟道和n沟道差分输入对的尾电流应满足如下公式：
[0055]
i
p
i
n
＝i
ref
ꢀꢀ
(5)
[0056]
其中，i
ref
为基准恒流源(在本申请中为第一电流源)的电流。
[0057]
在输入共模电压低的情况下，第一电流源ib1偏置所述第一差分对(例如，p沟道差分对)，此时所述第一差分对充当所述运算放大器的输入级。
[0058]
当输入共模电压逐渐升高到v
dd-vb1时，充当电流开关的第七开关管m7将打开，将一部分电流从第一电流源ib1取出，通过充当电流镜的第五开关管m5和第六开关管m6反馈供应至所述第二差分对(例如，n沟道差分对)。根据基尔霍夫电流定律，所述第一差分对和所述第二差分对的尾电流之和将维持在恒定值，满足公式(5)。此时，整个输入级的跨导也保持恒定。
[0059]
当输入共模电压进一步上升时，第七开关管m7会逐渐将第一电流源ib1的电流更多地分配到所述第二差分对。其结果是，在全共模电压输入范围内，输入级的跨导g
m
大体上保持不变。
[0060]
图4a为根据本申请实施例的运算放大器在弱反型工作状态下的跨导随共模输入电压变化的曲线图，其中，虚线部分为未提供跨导控制电路时的跨导，实线部分为提供了跨导控制电路时的跨导。由图4a清楚地可见，未经控制的跨导在整个范围内最大变化了2倍，这对共模抑制比和稳定性的影响是相当大的。本申请的包含跨导控制电路的运算放大器能够消除这种跨导波动，从而在弱反型工作状态下获得恒定的跨导。
[0061]
另一方面，若共源共栅结构工作在强反型下，则整个输入级的跨导由如下公式表示：
[0062][0063]
其中，为输入管的有效栅源电压。参数定义，μ
p
为p沟道差分对的电子迁移率，μ
n
为n沟道差分对的电子迁移率，c
ox
为氧化膜电容，w为沟道宽度，l为沟道长度，i
p
为p沟道差分对的尾电流，i
n
为n沟道输入差分对的尾电流。
[0064]
由此可见，在强反型工作状态下，输入级的跨导与开关管的漏极电流的平方根成正比。这表明在强反型工作状态下，输入级的总跨导也可以通过保持互补差分输入对的尾电流和不变来减小波动幅度。
[0065]
图4b为根据本申请实施例的运算放大器在强反型工作状态下的跨导随共模输入电压变化的曲线图，其中，虚线部分为未提供跨导控制电路时的跨导，实线部分为提供了跨导控制电路时的跨导。由图4b清楚地可见，跨导波动幅度从2倍降低至1.5倍之下，本申请的包含跨导控制电路的运算放大器在强反型下也能够取得不错的跨导波动抑制效果。
[0066]
综上所述，在阅读本详细公开内容之后，本领域技术人员可以明白，前述详细公开内容可以仅以示例的方式呈现，并且可以不是限制性的。尽管这里没有明确说明，本领域技术人员可以理解本申请意图囊括对实施例的各种合理改变，改进和修改。这些改变，改进和修改旨在由本公开提出，并且在本公开的示例性实施例的精神和范围内。

技术特征：
1.一种运算放大器，其特征在于，包括：输入级，包括：彼此互补的第一差分对和第二差分对，被配置为接收同相输入信号和反向输入信号；第一电流源，连接至所述第一差分对并被配置为向所述第一差分对提供第一电流；以及第二电流源，连接至所述第二差分对并被配置为向所述第二差分对提供第二电流，以及输出级，连接至所述输入级并被配置为输出放大信号，其中，所述输入级还包括跨导控制电路，所述跨导控制电路连接至所述第一电流源和所述第二电流源并被配置为控制所述第一电流和所述第二电流，使得所述第一差分对的尾电流与所述第二差分对的尾电流之和保持不变。2.如权利要求1所述的运算放大器，其特征在于，所述第一差分对包括第一开关管和第二开关管，所述第一开关管的源极与所述第二开关管的源极相连；所述第二差分对包括第三开关管和第四开关管，所述第三开关管的源极与所述第四开关管的源极相连；所述第一开关管的源极与所述第三开关管的源极相连以充当所述运算放大器的反向输入端，所述反向输入端用于接收所述反向输入信号；所述第二开关管的源极与所述第四开关管的源极相连以充当所述运算放大器的同向输入端，所述同向输入端用于接收所述同向输入信号。3.如权利要求2所述的运算放大器，其特征在于，所述第一电流源的电流流入端连接至第一电位，所述第一电流源的电流流出端连接至所述第一开关管的源极；所述第二电流源包括第五开关管和第六开关管，所述第五开关管的栅极与所述第六开关管的栅极相连，所述第五开关管的源极与所述第六开关管的源极均连接至第二电位，所述第五开关管的栅极和漏级相连，所述第六开关管的漏级连接至所述第三开关管的源极。4.如权利要求3所述的运算放大器，其特征在于，所述跨导控制电路包括第一电压源和第七开关管；所述第一电压源的第一端连接至所述第一电位，所述第一电压源的第二端连接至所述第七开关管的栅极；所述第七开关管的源极连接至所述第一电流源的电流流出端，所述第七开关管的漏级连接至所述第五开关管的漏级。5.如权利要求4所述的运算放大器，其特征在于，所述输出级包括：第八开关管、第九开关管、第十开关管、第十一开关管、第十二开关管、第十三开关管、第二电压源、第三电压源、第二电流源以及第三电流源；所述第八开关管的源极和所述第九开关管的源极连接至所述第一电位，所述第八开关管的栅极连接至所述第九开关管的栅极相连并连接至所述第十开关管的漏极，所述第十开关管的源极连接至所述第八开关管的漏级，所述第十一开关管的源极连接至所述第九开关管的漏级，所述第十开关管的栅极连接至所述第十一开关管的栅极并连接至所述第二电压
源的第一端，所述第二电压源的第二端连接至所述第一电位，所述第三开关管的漏级连接至所述第十一开关管的源级，所述第四开关管的漏级连接至所述第十开关管的源极；所述第十一开关管的漏级充当所述运算放大器的输出端，所述输出端用于输出所述放大信号。6.如权利要求5所述的运算放大器，其特征在于，所述第十二开关管的漏级连接至所述第十开关管的漏极，所述第十三开关管的漏级连接至所述第十一开关管的漏极，所述第十二开关管的栅级连接至所述第十三开关管的栅极相连并连接至所述第三电压源的第一端，所述第三电压源的第二端连接至所述第二电位，所述第十二开关管的源极连接至所述第二电流源的电流输入端，所述第二电流源的电流输出端连接至所述第二电位，所述第十三开关管的源极连接至所述第三电流源的电流输入端，所述第三电流源的电流输出端连接至所述第二电位，所述第一开关管的漏级连接至所述第十三开关管的源级，所述第二开关管的漏级连接至所述第十二开关管的源极。7.如权利要求6所述的运算放大器，其特征在于，所述第一开关管、所述第二开关管、所述第七开关管、所述第八开关管、所述第九开关管、所述第十开关管、所述第十一开关管均为pmos场效应管。8.如权利要求7所述的运算放大器，其特征在于，所述第三开关管、所述第四开关管、所述第五开关管、所述第六开关管、所述第十二开关管、所述第十三开关管均为nmos场效应管。9.如权利要求1所述的运算放大器，其特征在于，所述跨导控制电路被配置为使得所述第一差分对的尾电流与所述第二差分对的尾电流之和等于所述第一电流源的输出电流。10.如权利要求3所述的运算放大器，其特征在于，所述第一电位为v
dd
，所述第二电位为v
ss
。
技术总结
本申请公开了一种运算放大器，其包括输入级和输出级。所述输入级包括彼此互补的第一差分对和第二差分对、第一电流源以及第二电流源，第一差分对和第二差分对被配置为接收同相输入信号和反向输入信号，第一电流源连接至第一差分对并被配置为向第一差分对提供第一电流，第二电流源连接至第二差分对并被配置为向第二差分对提供第二电流。所述输出级连接至输入级并被配置为输出放大信号。所述输入级还包括跨导控制电路，跨导控制电路连接至第一电流源和第二电流源并被配置为控制第一电流和第二电流，使得第一差分对的尾电流与第二差分对的尾电流之和保持不变。本申请所公开的运算放大器能够实现全摆幅和恒定跨导。大器能够实现全摆幅和恒定跨导。大器能够实现全摆幅和恒定跨导。


技术研发人员：刘凯
受保护的技术使用者：中芯国际集成电路制造（上海）有限公司
技术研发日：2019.12.27
技术公布日：2021/6/29