[发明专利]一种电流复用低功耗前馈运算放大器电路

说明书

技术领域

本发明涉及射频、模拟集成电路领域，更具体的说，它涉及一种电流复用低功耗前馈运算放大器电路。

背景技术

随着集成电路技术的不断发展，高性能运算放大器广泛应用于高速模/数转换器(ADC)、数/模转换器(DAC)、开关电容滤波器、带隙电压基准源和精密比较器等各种电路系统中，成为模拟集成电路和混合信号集成电路设计的核心单元电路，其性能直接影响电路及系统的整体性能。所以，高性能运算放大器的设计一直是模拟集成电路设计的热点之一，以求折中地满足各应用领域的需要。

随着电路设计频率的不断升高，对运算放大器有限的增益带宽积提出了挑战。采用前馈运算放大器结构可以在一定程度上扩展增益带宽积，改善运算放大器的频率特性。前馈放大器是将一个高增益低频通路和一个低增益高频通路组合在一起以获得大的带宽的方法。该方法的主要原理是通过两路相加产生的左零点来抵消第一个非主极点，扩展运放带宽性能。传统的前馈运算放大器两级往往都需要两级共模反馈电路，专门的共模反馈电路会额外消耗功耗。

现有技术中的一种第一级也不需要加共模反馈电路的前馈运算放大器实现方式为最接近方案，如图1所示，该电路明显的缺陷在于解决了第二级共模不稳定问题之后第二级电流不能完全复用，不能很好地实现低功耗。

如图1所示，其中M0、M1、M2、M3构成前馈运算放大器的第一级，M4、M5、M6、M7构成前馈运算放大器的第二级。输入信号vinp、vinn经过第一级N管(M0/M1)放大后在输出端产生输出信号voutn1和voutp1，同时输入信号前馈至第二级的输入N管(M6/M7)。第一级的输出共模由一个大电阻R跨接在P管的漏端和栅端确定，不需要引入额外的功耗。第一级产生的输出信号voutn1和vonp1接入到第二级的P管输入，实现部分电流复用。第二级的输出共模由共模反馈环路确定，通过检测出输出端的共模与Vref(基准电压)的误差量，然后通过调整第二级尾电流实现。该电路虽然也可节省一级的共模反馈电路电流，但是为了不会引起第二级共模不稳定的问题，增加了恒定电流源I03，会使得第二级电流不能完全复用。分别通过两条支路计算前馈运算放大器的共模增益：两级支路共模增益A_CM1＝G₀R₀g_m4r_out，其中G₀为带尾电流源IO1的第一级差分电路的等效跨导；R_ss1表示为电流源I01有限的输出阻抗，g_m0表示为M0管的跨导；(低频)，R₀为第一级电路的输出阻抗，g_m2表示为M2管的跨导；如果直流上有高频成分的抖动，g_m4表示为M4管的跨导；第二级电路输出阻抗r_out＝r₀₄//r₀₆，r₀₄和r₀₆分别表示为M4管和M6管的输出阻抗，//为并联符；前馈支路共模增益A_CM2＝G₆r_out，其中G₆为带尾电流源IO2的第二级差分电路的等效跨导，R_ss2表示为电流源IO2有限的输出阻抗，g_m6表示为M6管的跨导；所以，A_CM1大于A_CM2，两条支路产生的共模增益方向相反，极易造成共模不稳定。当然，为了降低A_CM1，可以选择减小g_m4，这就使得第二级的电流不能完全复用，只能部分复用，降低了电流的使用效率。

该电路的差模增益A_DM＝g_m0(R//r₀₁//r₀₃)·g_m4r_out+g_m6r_out，其中r₀₁和r₀₃分别表示为M1管和M3管的输出阻抗；为了提高运放的增益，往往需要增大第一级的电阻R以确保有足够大的增益。然而过大的电阻更容易造成共模增益不稳定。

发明内容

本发明克服了现有技术的不足，提出一种实现低功耗，高增益的电流复用低功耗前馈放大器电路。

本发明的技术方案如下：