基于斩波稳定技术的亚阈值衬底驱动运算跨导放大器转让专利
申请号 : CN201610552654.4
文献号 : CN106208978B
文献日 : 2019-03-01
发明人 : 方华军 , 向志鹏 , 凌童 , 赵晓 , 许军
申请人 : 清华大学
摘要 :
权利要求 :
1.一种基于斩波稳定技术的亚阈值衬底驱动运算跨导放大器,其特征在于,包括:衬底驱动运算跨导放大器、第一斩波开关和第二斩波开关,其中,所述衬底驱动运算跨导放大器包括输入差分对、折叠共源共栅构成的输出阻抗级及电流源,所述输入差分对由PMOS管M1和PMOS管M2组成,所述输入差分对的衬底端接到输入信号,而栅端被固定偏置到地,所述M1和M2的漏端分别与电流源管M10和电流源管M9的漏端连接,所述M1和M2的源端与电流源管M11的漏端连接,所述折叠共源共栅构成的输出阻抗级由NMOS管M3、NMOS管M4以及PMOS管M5、PMOS管M6构成,其中NMOS管M3、NMOS管M4的源端分别与电流源管M9、电流源管M10的漏端连接,PMOS管M5、PMOS管M6的源端与电流源管M7、电流源管M8的漏端连接;所述M7、M8的栅端与所述M5和M3的漏端连接,所述电流源用于为基于斩波稳定技术的亚阈值衬底驱动运算跨导放大器提供恒定偏置电流,所述电流源由所述电流源管M7、所述电流源管M8、所述电流源管M9、所述电流源管M10及所述电流源管M11构成;
所述第一斩波开关位于所述输入差分对的衬底端,所述第二斩波开关位于所述M3和M4的源端;
其中,输入信号经过所述第一斩波开关被斩波调制进入所述衬底驱动运算跨导放大器进行放大,放大后的信号经过所述第二斩波开关时被所述第二斩波开关进行斩波解调后回到原始频率,经过放大进入输出端,所述衬底驱动运算跨导放大器本身所产生的失调电压和1/f噪声被所述第二斩波开关进行斩波调制,以进行输入信号、失调及噪声的分离。
2.根据权利要求1所述的基于斩波稳定技术的亚阈值衬底驱动运算跨导放大器,其特征在于,所述第一斩波开关和第二斩波开关均由低压开关组成。
3.根据权利要求1所述的基于斩波稳定技术的亚阈值衬底驱动运算跨导放大器,其特征在于,所述第一斩波开关和第二斩波开关的尺寸一致。
4.根据权利要求1所述的基于斩波稳定技术的亚阈值衬底驱动运算跨导放大器,其特征在于,衬底驱动运算跨导放大器中所有的MOS管均工作在亚阈值区。
5.根据权利要求4所述的基于斩波稳定技术的亚阈值衬底驱动运算跨导放大器,其特征在于,所述衬底驱动运算跨导放大器中所有的MOS管的功耗为纳瓦量级。
6.根据权利要求1所述的基于斩波稳定技术的亚阈值衬底驱动运算跨导放大器,其特征在于,所述PMOS管M1和PMOS管M2均为标准的CMOS工艺的PMOS管。
说明书 :
基于斩波稳定技术的亚阈值衬底驱动运算跨导放大器
技术领域
背景技术
几十年,因此芯片传感器接口电路功耗问题是设计的关键所在。这要求传感器接口电路能
在极低电压环境下正常工作并且消耗极低功耗。然而随着深亚微米半导体工艺的快速发
展,使得低压模拟电路设计遇到了困难,比如更低的供电电压,本征增益降低,失调增大,噪
声以及动态范围变小等问题。
管很难开启并提供一定电压动态范围;另一方面,饱和区的设计电流一般在μA级别,这不符
合可植入式生物芯片极低功耗的要求。
放大器通过衬底驱动技术保证MOS管在低压下恒定开启,通过使其工作在亚阈值区以保证
放大器功耗在纳瓦量级。但是这种放大器存在严重的低频噪声和失调问题。亚阈值衬底驱
动运算跨导放大器一般处理的信号带宽为几十至上百Hz,在这样的低频下,基于CMOS工艺
的放大器有很大的1/f噪声。一般1/f噪声的拐点在1kHz左右,在几十Hz处的噪底可以达到
几μV/sqrt(Hz),而失调电压可以达到10mV量级。过大的1/f噪声会导致电路的信噪比下降,
考虑到噪声优化时,为了达到一定的信噪比,放大器的功耗会大大增加。所以无论从电路精
度还是功耗来说,亚阈值衬底驱动运算跨导放大器的1/f噪声是设计者不得不面对的一个
重点和难点问题。
发明内容
f噪声和失调,从而获得更好噪声性能,具有广阔的应用前景。
中,所述衬底驱动运算跨导放大器包括输入差分对、折叠共源共栅构成的输出阻抗级及电
流源,所述输入差分对由PMOS管M1和PMOS管M2组成,所述输入差分对的衬底端接到输入信
号,而栅端被固定偏置到地,所述M1和M2的漏端分别与电流源管M10和电流源管M9的漏端连
接,所述M1和M2的源端与电流源管M11的漏端连接,所述折叠共源共栅构成的输出阻抗级由
NMOS管M3、NMOS管M4以及PMOS管M5、PMOS管M6构成,其中NMOS管M3、NMOS管M4的源端分别与
电流源管M9、电流源管M10的漏端连接,PMOS管M5、PMOS管M6的源端与电流源管M7、电流源管
M8的漏端连接;所述M7、M8的栅端与所述M5和M3的漏端连接,所述电流源用于为放大器提供
恒定偏置电流。所述第一斩波开关位于所述输入差分对的衬底端,所述第二斩波开关位于
所述M3和M4的源端;其中,输入信号经过所述第一斩波开关被斩波调制进入放大器进行放
大,放大后的信号经过所述第二斩波开关时被所述第二斩波开关进行斩波解调后回到原始
频率,经过放大进入输出端,所述放大器本身所产生的失调电压和1/f噪声被所述第二斩波
开关进行斩波调制,以进行输入信号、失调及噪声的分离。
附图说明
具体实施方式
图描述的实施例是示例性的,仅用于解释本发明,而不能理解为对本发明的限制。
本发明的限制。此外,术语“第一”、“第二”仅用于描述目的,而不能理解为指示或暗示相对重要性。
发明中的具体含义。
算跨导放大器的电路图。如图2所示,并结合图3,该基于斩波稳定技术的亚阈值衬底驱动运
算跨导放大器100,包括:衬底驱动运算跨导放大器110、第一斩波开关120和第二斩波开关
130。
分对111的衬底端接到输入信号,而栅端被固定偏置到地,M1和M2的漏端分别与电流源管
M10和电流源管M9的漏端连接,M1和M2的源端与电流源管M11的漏端连接。折叠共源共栅构
成的输出阻抗级112由NMOS管M3、NMOS管M4以及PMOS管M5、PMOS管M6构成,其中NMOS管M3、
NMOS管M4的源端分别与电流源管M9、电流源管M10的漏端连接,PMOS管M5、PMOS管M6的源端
与电流源管M7、电流源管M8的漏端连接;M7、M8的栅端与M5和M3的漏端连接。电流源113用于
为放大器100提供恒定偏置电流。
如,第一斩波开关120和第二斩波开关130均由低压开关组成,以适应低电压工作环境。更为
具体地,第一斩波开关120和第二斩波开关130的尺寸一致。
后信号经过放大进入输出端,放大器110本身所产生的失调电压和1/f噪声被第二斩波开关
130进行斩波调制,从而实现输入信号、失调及噪声的分离,降低噪底。
号带宽的2倍以上,同时,为了减少直流增益的降低,斩波时钟频率应小于放大器带宽的1/
2,优选地,斩波时钟频率为3.2kHz。基于此,该基于斩波稳定技术的亚阈值衬底驱动运算跨
导放大器的消耗功耗为353.6nA。
为传统亚阈值衬底驱动运算跨导放大器的仿真结果,线条2为本发明实施例的基于斩波稳
定技术的亚阈值衬底驱动运算跨导放大器的仿真结果。根据图4的仿真结果可知,本发明实
施例的放大器可以显著消除低频1/f噪声,噪底低至380nV/sqrt(Hz)。图5是传统亚阈值衬
底驱动运算跨导放大器与本发明实施例的基于斩波稳定技术的亚阈值衬底驱动运算跨导
放大器的失调电压对比图。据图5可知,原始放大器的失调标准偏差为2.7mV,失调为8.1mV,
而本发明实施例的放大器的失调标准偏差为362.5μV,失调为1mV,失调电压被压制了7.45
倍。
大部分:衬底驱动运算跨导放大器和斩波开关。衬底驱动运算跨导放大器包括PMOS衬底驱
动输入差分对、折叠共源共栅构成的输出阻抗级、以及由MOS管构成的电流源,其中所有的
MOS管都工作在亚阈值区,实现极低供电电压下消耗纳瓦功耗。PMOS衬底驱动输入差分对具
有低电压条件下轨到轨的输入能力,实现输入电压信号转换成电流信号的功能。折叠共源
共栅构成的输出阻抗级为放大器提供高输出阻抗,同时让电流信号转换为电压信号。由MOS
管构成的电流源为放大器提供恒定偏置电流。斩波开关由低压开关组成,通过斩波开关来
减少亚阈值衬底驱动运算跨导放大器中的1/f噪声和失调,以获得更好噪声性能。也即,本
发明实施例的基于斩波稳定技术的亚阈值衬底驱动运算跨导放大器解决了亚阈值衬底驱
动运算跨导放大器失调和1/f噪声的问题,其工作电压可以低至0.5V,功耗可以低至360nA
以下。因此,本发明实施例的基于斩波稳定技术的亚阈值衬底驱动运算跨导放大器在医疗
电子生物芯片和物联网等领域具有广阔的应用前景。
一定指的是相同的实施例或示例。而且,描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何
的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
发明的范围由权利要求及其等同限定。