一种高带宽轨对轨运算放大器的制作方法

本发明属于集成电路，特别涉及一种高带宽轨对轨运算放大器。

背景技术：

1、轨到轨运算放大器是低电压发展趋势下衍生出的一种特殊类型的运算放大器，其输入和输出的高电平可达电源电压，低电平可低至地电位；若是双电源应用，低轨可达到甚至低于负电源。高性能轨对轨运算放大器是高级信号处理系统中的关键构建模块，支持开发用于医学成像和通信应用的高精密信息采集、传感器接收端口、模拟滤波器和低噪声放大器。通过改进轨对轨运算放大器的性能指标，可以提高电子系统的整体性能和效率，包括改进信噪比、动态范围、线性度和电源效率，从而获得更好的性能和降低功耗。因此，研究高性能的轨对轨运算放大器成为目前运放领域研究的热点。

2、传统轨对轨放大器电路中，由于输入电压范围大，在较大摆幅输入时，运放输出摆率的较小，不能满足高带宽应用。为了提升带宽，如作者为张晏榕公开的一篇期刊文献：高带宽、低噪声和低功耗的轨至轨运算放大器设计；通过采用恒流控制和四倍尾电流控制等输入级恒跨导方案，可以在充分利用输入级电流的条件下，获得尽可能平缓的跨导曲线，但该结构需要消耗很多的功率，这在一定程度上限制了其在低功耗应用场合的使用。另外，带宽与稳定性之间的权衡也是高带宽轨道轨放大器的一个技术难题，传统结构通过增加放大级数来提高增益和带宽，但是多级结构导致更多极点引入，从而引发电路稳定性问题。

技术实现思路

1、本发明的目的在于克服现有技术的上述不足，本发明提供一种高带宽轨对轨运算放大器，为了提升有效应用带宽，设计了结构简单的摆率增强电路，提升运放输出摆率，满足高带宽低功耗应用需求。

2、为解决上述技术问题，本发明提供了一种高带宽轨对轨运算放大器，包括：

3、三级主运放电路，由依次接入的输入级模块、中间级模块和输出级模块构成；轨对轨输入差分信号vin+、vin-输入至所述输入级模块和所述中间级模块，所述输入级模块输出差分信号vamp+、vamp-给所述中间级模块，所述中间级模块输出差分信号out+、out-给所述输出级模块，所述输出级模块输出轨对轨输出信号out；

4、摆率增强电路，一端接入所述轨对轨输入差分信号vin+、vin-，另一端接入所述差分信号vamp+和电容cc，所述电容cc的另一端接入轨对轨输出信号out；

5、其中，所述摆率增强电路包括：mos管m1~m16；所述mos管m1和mos管m2的源端接入接地的电流源i2；所述mos管m2和mos管m1的栅端分别接入轨对轨输入差分信号vin+、vin-，所述mos管m1的漏端接入mos管m3的漏端、栅端和mos管m4的栅端，所述mos管m2和mos管m4的漏端接入mos管m5的漏端、栅端和mos管m6的栅端，所述mos管m6的漏端接入接地的电流源i3、mos管m7的漏端、栅端和mos管m8的栅端，所述mos管m7的源端接地，所述mos管m8的源端接地，所述mos管m8和mos管m16的漏端接入差分信号vamp+，所述mos管m16的栅端接入mos管m15的栅端和漏端、以及接地的电流源i4和mos管m14的漏端，所述mos管m14的源端接地，所述mos管m14的栅端接入mos管m13的栅端、漏端和mos管m12的漏端、以及mos管m10的漏端，所述mos管m13的源端接地，所述mos管m12的源端接地，所述mos管m12的栅端接入mos管m11的栅端、漏端和mos管m9的漏端，所述mos管m11的源端接地，所述mos管m9的栅端接入轨对轨输入差分信号vin-，所述mos管m9的源端接入电流源i1和mos管m10的源端，所述mos管m10的栅端接入轨对轨输入差分信号vin+；所述电流源i1和电流源i4的另一端、mos管m3~m6以及mos管m15~m16的源端均接入电源端。

6、优选的，所述mos管m1~m2、mos管m7~m8以及mos管m11~m14为nmos管，所述mos管m5~m6、mos管m9~m10以及mos管m15~m16构成pmos管。

7、优选的，所述输入级模块包括：mos管mc1~mc12和电阻rc1~rc4；所述mos管mc2和mos管mc1的栅端分别接入轨对轨输入差分信号vin+、vin-，所述mos管mc1和mos管mc2的源端接入64倍电流源i2，所述mos管mc1的漏端接入mos管mc11的源端和接地的电阻rc1；所述mos管mc2的漏端接入mos管mc12的源端和接地的电阻rc2；所述mos管mc11的栅端接入mos管mc12的栅端、漏端、以及mos管mc10的漏端和差分信号vamp-，所述mos管mc11的漏端接入mos管mc9的漏端和差分信号vamp+，所述mos管mc9和mos管mc10的栅端相连于偏置电压vc3；所述mos管mc9的源端接入mos管mc7和mos管mc3的漏端，所述mos管mc3的栅端接入轨对轨输入差分信号vin-，所述mos管mc3和mos管mc4的源端接入接地的50倍电流源i1，所述mos管mc4的栅端接入轨对轨输入差分信号vin+，所述mos管mc4的漏端接入mos管mc10的源端和mos管mc8的漏端，所述mos管mc7和mos管mc8的栅端相连于偏置电压vc2；所述mos管mc7的源端接入mos管mc5的漏端和电阻rc3，所述mos管mc5和mos管mc6的栅端相连于偏置电压vc1；所述mos管mc8的源端接入mos管mc6的漏端和电阻rc4，所述电阻rc3~rc4的另一端、mos管mc5~mc6的源端以及64倍电流源i2的另一端均接入电源端。

8、优选的，所述mos管mc1~mc2构成pmos互补差分输入对管，所述mos管mc3~mc4构成nmos互补差分输入对管。

9、优选的，所述mos管mc5~mc10构成两组pmos共源共栅电流镜，所述mos管mc11~mc12构成两组nmos共源共栅电流镜。

10、优选的，所述中间级模块包括：mos管q13~q28；所述mos管q13和mos管q14的栅端分别接入差分信号vamp+、vamp-，所述mos管q13和mos管q14的源端接入电流源i3，所述mos管q13的漏端接入mos管q15和mos管q27的漏端以及mos管q25的源端并与节点p1相连，所述mos管q14的漏端接入mos管q16和mos管q28的漏端以及mos管q26的源端并与节点p2相连；所述mos管q16和mos管q15的栅端分别接入轨对轨输入差分信号vin+、vin-，所述mos管q16和mos管q15的源端接入电流源i4；所述mos管q27和mos管q28的源端接地，所述mos管q27和mos管q28的栅端接入mos管q25和mos管q23的漏端；所述mos管q25和mos管q26的栅端相连偏置电压vb7，所述mos管q23和mos管q24的栅端相连于偏置电压vb6，所述mos管q24和mos管q26的源端分别接入差分信号out+、out-；所述mos管q23的源端接入mos管q21、mos管q17和mos管q19的漏端并与节点n1相连，所述mos管q21和mos管q22的栅端相连于偏置电压vb5；所述mos管q24的源端接入mos管q22、mos管q20和mos管q18的漏端并与节点n2相连，所述mos管q19和mos管q20的栅端相连偏置电压vb4，所述mos管q18和mos管q17的栅端分别接入轨对轨输入差分信号vin+、vin-，所述mos管q17和mos管q18的源端接入接地的电流源i5；所述电流源i3和电流源i4的另一端、以及所述mos管q19~q22的源端均接入电源端。

11、优选的，所述mos管q13~q14以及mos管q15~q16构成两组pmos差分输入对管，所述mos管q17~q18构成一组nmos差分输入对管。

12、优选的，所述mos管q21~q24构成两组pmos共源共栅电流镜，所述mos管q25~q28构成两组nmos共源共栅电流镜。

13、优选的，所述输出级模块包括：所述输出级模块包括：mos管t1~t18；所述mos管t1~t2、mos管t13~t14的源端以及电流源i9的一端均接入电源端；所述mos管t1和mos管t2的栅端相连于偏置电压vb3，所述mos管t1的漏端接入mos管t3的源端和节点n1，所述mos管t2的漏端接入mos管t4的源端、节点n2以及补偿电容cc2的一端，所述补偿电容cc2的另一端接入轨对轨输出信号out；所述mos管t3和mos管t4的栅端相连于偏置电压vbn，所述mos管t4的漏端接入mos管t6的源端、mos管t8的漏端和mos管t17的栅端并与差分信号out+相连；所述mos管t6的漏端接入mos管t8的源端、mos管t10的漏端和mos管t18的栅端并与差分信号out-相连；所述mos管t3的漏端接入mos管t9的漏端、mos管t11和mos管t12的栅端，所述mos管t9和mos管t10的栅端相连于偏置电压vbp；所述mos管t9的源端接入节点p1和mos管t11的漏端，所述mos管t11、mos管t12、mos管t16和mos管t18的源端以及电流源i8的一端均接地，所述mos管t12的漏端接入节点p2、mos管t10的源端和补偿电容cc1的一端，所述补偿电容cc1的另一端接入轨对轨输出信号out；所述电流源i8的另一端接入mos管t6的栅端、mos管t14的漏端和栅端，所述mos管t14的源端接入mos管t13的漏端和栅端；所述电流源i9的另一端接入mos管t8的栅端、mos管t15的漏端和栅端，所述mos管t15的源端接入mos管t16的漏端和栅端；所述mos管t17和mos管t18的漏端相连并接入轨对轨输出信号out。

14、本发明与现有技术相比，具有如下有益效果：

15、本发明为满足在较大摆幅输入时电路工作速度慢，通过引入摆率增强，提升运放的输出摆率，实现满足高带宽应用需求；采用多级结构满足高增益性能等性能在一定合理范围内的基础上，通过提高运算放大器输入对管的面积来降低噪声。相比高带宽传统结构，本发明结构简单，提升带宽效果明显，且满足低功耗的应用需求。