技术领域
[0001] 本实用新型涉及
电路放大器技术领域，尤其涉及一种低功耗宽带跨导误差放大器。
背景技术
[0002] 运算
跨导放大器常简称为(OTA),是一种输入
电压控制输出
电流的
运算放大器，是模拟集成电路中的基本单元，也是构成很多模拟集成电路系统的基本模
块。比如运算放大器(OPA)是由运算跨导放大器加上缓冲输出级组成,而运算放大器是线性电路中使用最为普遍的单元电路，约占总的模拟集成电路的20％。运算放大器在模拟运算、
信号处理、
模数转换和有源
滤波器中有广泛的应用。与运算放大器相比,OTA具有更为简单的电路结构，使电路功耗大大降低，因此成为微
电子领域的研究热点。
[0003] 目前为了获得较高的增益一般采用两级的OTA，因为一级的结果低频环路增益不够，这样容易造成静态增益误差、输出值
精度不够导致性能难以满足系统的需求。而且一般都是采用全差分运放的机构，因为全差分运放相比较于单端运放具有一定的优势。首先其输出采用全差分形式，结构上具有对称性，能抵御共模噪声，有更好的共模信号抑制特性；其次全差分运放可抵消
偶次谐波，能够提供较好的输出线性度特性；最后，在结构上，单端输出比全差分多一个镜像极点，从而限制反馈系统的速度。所以第一级的结构一般采取的
差分放大器结构，比如比较常见的折叠式共源共栅差分放大器作为第一级放大器，如图1所示，采用这种结构作为第一级的误差放大器具有较大的增益，但同时有较高的噪声、较小的次级点，而较小的次级点是由于其第一级较大负载电容导致的，所以导致其带宽较小，速度也受到限制。虽然这种折叠式共源共栅差分放大器相较于套筒式的结构增加了摆幅，但摆幅的提升仍然受到限制，同时增加了功耗。另外一种全差分放大器的结构如图2所示，采用这种两级结构的全差分跨导放大器，可以满足增益和摆幅的要求，但是带宽仍然较小，输出级的驱
动能力不足。针对图1、图2所示的两种结构，考虑到工艺偏差，由于
电流镜的不匹配，差分放大器输出端的共模电平不稳定，同时还需要共模反馈电路稳定输出。然而，传统的共模反馈电路设计较为复杂，为了满足带宽的要求，一定程度上增加了放大器的功耗。
实用新型内容
[0004] 本实用新型提供了一种低功耗宽带跨导误差放大器，用于解决传统的共模反馈电路设计较为复杂，一定程度上增加了放大器的功耗的技术问题。
[0005] 有鉴于此，本
申请提供了一种低功耗宽带跨导误差放大器，包括：偏置电压模块、具有共模反馈环路的差分放大器、共源级和class AB输出级放大器；
[0006] 所述偏置电压模块连接所述差分放大器，用于提供偏置电压；
[0007] 所述具有共模反馈环路的差分放大器的输出端连接所述共源级和classAB输出级放大器的输入端，用于放大第一输入电压与第二输入电压之间的误差并输出至所述共源级和class AB输出级放大器进一步放大；
[0008] 所述共源级和class AB输出级放大器的输出端输出电流IEA。
[0009] 优选地，所述具有共模反馈环路的差分放大器具体包括：晶体管Mbp1、晶体管Mbp2、晶体管Mbp3、晶体管M1、晶体管M2、晶体管M3、晶体管M4、晶体管M5、晶体管M6、晶体管Mf1和晶体管Mf2；
[0010] 晶体管Mbp1、晶体管Mbp2和晶体管Mbp3各自的第一端连接电源Vdd；
[0011] 晶体管M1和晶体管M2各自的第一端连接晶体管Mbp3的第二端；
[0012] 晶体管M3和晶体管M5各自的第二端连接晶体管M1的第二端；
[0013] 晶体管M4和晶体管M6各自的第二端连接晶体管M2的第二端；
[0014] 晶体管M3、晶体管M4、晶体管M5和晶体管M6各自的第一端互相连接并接地；
[0015] 晶体管Mf1的第一端连接晶体管M1的第二端，晶体管Mf1的第二端连接晶体管Mbp1的第二端；
[0016] 晶体管Mf2的第一端连接晶体管M2的第二端，晶体管Mf2的第二端连接晶体管Mbp2的第二端；
[0017] 晶体管M1和晶体管M2各自的第三端为所述具有共模反馈环路的差分放大器的输入端，用于接收第一输入电压与第二输入电压；
[0018] 晶体管M3和晶体管M4的第三端连接晶体管Mf2的第二端作为所述具有共模反馈环路的差分放大器的第一输出端；
[0019] 晶体管M5和晶体管M6的第三端连接晶体管Mf1的第二端作为所述具有共模反馈环路的差分放大器的第二输出端。
[0020] 优选地，所述共源级和class AB输出级放大器由晶体管M7、晶体管M8、晶体管M9、晶体管M10、晶体管M11和晶体管M12组成共源极放大器，由晶体管M13和晶体管M14组成classAB输出级放大器。
[0021] 优选地，晶体管M7的第一端接地，晶体管M7的第二端连接晶体管M8的第二端，晶体管M8的第一端连接电源Vdd；
[0022] 晶体管M10的第一端接地，晶体管M10的第二端连接晶体管M9的第二端，晶体管M9的第一端连接电源Vdd；
[0023] 晶体管M12的第一端接地，晶体管M12的第二端连接晶体管M11的第二端，晶体管M11的第一端连接电源Vdd；
[0024] 晶体管M8的第二端、晶体管M8的第三端和晶体管M9的第三端连接；
[0025] 晶体管M10的第二端、晶体管M10的第三端和晶体管M14的第三端连接；
[0026] 晶体管M11的第二端、晶体管M11的第三端和晶体管M13的第三端连接；
[0027] 晶体管M12的第三端连接所述具有共模反馈环路的差分放大器的第一输出端；
[0028] 晶体管M7的第三端连接所述具有共模反馈环路的差分放大器的第二输出端；
[0029] 晶体管M13的第一端连接电源Vdd，晶体管M14的第一端接地，晶体管M13的第二端和晶体管M14的第二端连接并作为所述共源级和class AB输出级放大器的输出端输出电流IEA。
[0030] 优选地，所述偏置电压模块具体为电流镜。
[0031] 优选地，所述电流镜由电流源、第一晶体管、第二晶体管和第三晶体管组成；
[0032] 所述电流源的第一端连接电源Vdd，所述电流源的第二端连接所述第一晶体管的第二端和第三端并作为所述电流镜的第一输出端连接晶体管Mf1的第三端和晶体管Mf2的第三端；
[0033] 所述第一晶体管的第一端接地，所述第一晶体管的第三端还连接所述第二晶体管的第三端，所述第二晶体管的第一端接地，所述第二晶体管的第二端连接所述第三晶体管的第二端，所述第三晶体管的第一端连接电源Vdd，所述第三晶体管的第三端作为所述电流镜的第二输出端分别连接晶体管Mbp1、晶体管Mbp2和晶体管Mbp3各自的第三端。
[0034] 优选地，所述晶体管M3、晶体管M4、晶体管M5和晶体管M6之间的跨导关系为：
[0035] gm(M4)＝gm(M5)＝2gm(M3)＝2gm(M6)。
[0036] 优选地，所述电源Vdd为稳压电源。
[0037] 优选地，所述晶体管为场效应管，所述晶体管的第一端为所述场效应管的源极，所述晶体管的第二端为所述场效应管的漏极，所述晶体管的第三端为所述场效应管的基极。
[0038] 优选地，所述晶体管为
三极管，所述晶体管的第一端为所述三极管的发射极，所述晶体管的第二端为所述三极管的集
电极，所述晶体管的第三端为所述三极管的基极。
[0039] 从以上技术方案可以看出，本实用新型具有以下优点：
[0040] 本申请提供了一种低功耗宽带跨导误差放大器，包括：偏置电压模块、具有共模反馈环路的差分放大器、共源级和class AB输出级放大器；所述偏置电压模块连接所述差分放大器，用于提供偏置电压；所述具有共模反馈环路的差分放大器的输出端连接所述共源级和class AB输出级放大器的输入端，用于放大第一输入电压与第二输入电压之间的误差并输出至所述共源级和class AB输出级放大器进一步放大；所述共源级和class AB输出级放大器的输出端输出电流IEA。本申请通过第一级设计具有共模反馈环路的差分放大器，提高电路的共模抑制比，稳定了输出的共模电平，同时这种设计可以使第一级的增益和摆幅进一步提高，同时第二级采用共源级和class AB输出级放大器提高了该跨导误差放大器的跨导和电路驱动能力，进而提高了电路的单位增益带宽，因此简化了共模
负反馈电路的设计同时降低了功耗提高了电路的
稳定性，解决了传统的共模反馈电路设计较为复杂，一定程度上增加了放大器的功耗的技术问题。
附图说明
[0041] 为了更清楚地说明本实用新型
实施例，下面将对实施例或
现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
[0042] 图1为现有技术中的折叠共源共栅结构的电路图；
[0043] 图2为现有技术中的两级全差分跨导误差放大器的电路图；
[0044] 图3为本申请提供的一种低功耗宽带跨导误差放大器的示意图。
具体实施方式
[0045] 本实用新型提供了一种低功耗宽带跨导误差放大器，用于解决传统的共模反馈电路设计较为复杂，一定程度上增加了放大器的功耗的技术问题。
[0046] 为使得本实用新型的实用新型目的、特征、优点能够更加的明显和易懂，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，下面所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而非全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本实用新型保护的范围。
[0047] 为了便于理解，请参阅图3，图3为本申请实施例中一种低功耗宽带跨导误差放大器的电路图，如图3所示，该低功耗宽带跨导误差放大器包括：偏置电压模块、具有共模反馈环路的差分放大器、共源级和class AB输出级放大器；
[0048] 偏置电压模块连接差分放大器，用于提供偏置电压；
[0049] 具有共模反馈环路的差分放大器的输出端连接共源级和class AB输出级放大器的输入端，用于放大第一输入电压与第二输入电压之间的误差并输出至共源级和class AB输出级放大器进一步放大；
[0050] 共源级和class AB输出级放大器的输出端输出电流IEA。
[0051] 本申请通过第一级设计具有共模反馈环路的差分放大器，提高电路的共模抑制比，稳定了输出的共模电平，同时这种设计可以使第一级的增益和摆幅进一步提高，同时第二级采用共源级和class AB输出级放大器提高了该跨导误差放大器的跨导和电路驱动能力，进而提高了电路的单位增益带宽，因此简化了共模负反馈电路的设计同时降低了功耗提高了电路的稳定性，解决了传统的共模反馈电路设计较为复杂，一定程度上增加了放大器的功耗的技术问题。
[0052] 本申请所设计的两级低功耗宽带跨导误差放大器，第一级是差分放大器和共模反馈环路组成，共模反馈环路可以提高电路的共模抑制比，提高输出共模电平的稳定性；第二级采用的共源级和class AB输出级组合的放大器，它提高了电路的跨导，从而提高了整个电路的单位增益带宽，整个电路的设计具有低功耗、宽带宽、较为合理的输入/输出摆幅范围和高增益等性能。
[0053] 进一步地，具有共模反馈环路的差分放大器具体包括：晶体管Mbp1、晶体管Mbp2、晶体管Mbp3、晶体管M1、晶体管M2、晶体管M3、晶体管M4、晶体管M5、晶体管M6、晶体管Mf1和晶体管Mf2；
[0054] 晶体管Mbp1、晶体管Mbp2和晶体管Mbp3各自的第一端连接电源Vdd；
[0055] 晶体管M1和晶体管M2各自的第一端连接晶体管Mbp3的第二端；
[0056] 晶体管M3和晶体管M5各自的第二端连接晶体管M1的第二端；
[0057] 晶体管M4和晶体管M6各自的第二端连接晶体管M2的第二端；
[0058] 晶体管M3、晶体管M4、晶体管M5和晶体管M6各自的第一端互相连接并接地；
[0059] 晶体管Mf1的第一端连接晶体管M1的第二端，晶体管Mf1的第二端连接晶体管Mbp1的第二端；
[0060] 晶体管Mf2的第一端连接晶体管M2的第二端，晶体管Mf2的第二端连接晶体管Mbp2的第二端；
[0061] 晶体管M1和晶体管M2各自的第三端为具有共模反馈环路的差分放大器的输入端，用于接收第一输入电压与第二输入电压；
[0062] 晶体管M3和晶体管M4的第三端连接晶体管Mf2的第二端作为具有共模反馈环路的差分放大器的第一输出端；
[0063] 晶体管M5和晶体管M6的第三端连接晶体管Mf1的第二端作为具有共模反馈环路的差分放大器的第二输出端。
[0064] 需要说明的是，晶体管Mbp1、晶体管Mbp2、晶体管Mbp3、晶体管Mf1和晶体管Mf2各自的基极都是在该具有共模反馈环路的差分放大器中接收偏置电压的端口，因此其都连接偏置电压模块。并且，晶体管Mf1和晶体管Mf2各自的基极的偏置电压为图3中的Vbn，而晶体管Mf2的基极连线为简洁未画出，其连接偏置电压模块中提供偏置电压Vbn的
导线。
[0065] 进一步地，共源级和class AB输出级放大器由晶体管M7、晶体管M8、晶体管M9、晶体管M10、晶体管M11和晶体管M12组成共源极放大器，由晶体管M13和晶体管M14组成classAB输出级放大器。
[0066] 进一步地，晶体管M7的第一端接地，晶体管M7的第二端连接晶体管M8的第二端，晶体管M8的第一端连接电源Vdd；
[0067] 晶体管M10的第一端接地，晶体管M10的第二端连接晶体管M9的第二端，晶体管M9的第一端连接电源Vdd；
[0068] 晶体管M12的第一端接地，晶体管M12的第二端连接晶体管M11的第二端，晶体管M11的第一端连接电源Vdd；
[0069] 晶体管M8的第二端、晶体管M8的第三端和晶体管M9的第三端连接；
[0070] 晶体管M10的第二端、晶体管M10的第三端和晶体管M14的第三端连接；
[0071] 晶体管M11的第二端、晶体管M11的第三端和晶体管M13的第三端连接；
[0072] 晶体管M12的第三端连接具有共模反馈环路的差分放大器的第一输出端；
[0073] 晶体管M7的第三端连接具有共模反馈环路的差分放大器的第二输出端；
[0074] 晶体管M13的第一端连接电源Vdd，晶体管M14的第一端接地，晶体管M13的第二端和晶体管M14的第二端连接并作为共源级和class AB输出级放大器的输出端输出电流IEA。
[0075] 进一步地，偏置电压模块具体为电流镜。
[0076] 进一步地，电流镜由电流源、第一晶体管、第二晶体管和第三晶体管组成；
[0077] 电流源的第一端连接电源Vdd，电流源的第二端连接第一晶体管的第二端和第三端并作为电流镜的第一输出端连接晶体管Mf1的第三端和晶体管Mf2的第三端；
[0078] 第一晶体管的第一端接地，第一晶体管的第三端还连接第二晶体管的第三端，第二晶体管的第一端接地，第二晶体管的第二端连接第三晶体管的第二端，第三晶体管的第一端连接电源Vdd，第三晶体管的第三端作为电流镜的第二输出端分别连接晶体管Mbp1、晶体管Mbp2和晶体管Mbp3各自的第三端。
[0079] 进一步地，晶体管M3、晶体管M4、晶体管M5和晶体管M6之间的跨导关系为：
[0080] gm(M4)＝gm(M5)＝2gm(M3)＝2gm(M6)。
[0081] 进一步地，电源Vdd为稳压电源。
[0082] 进一步地，作为本申请的一个实施方式，如图3所示，晶体管为场效应管，晶体管的第一端为场效应管的源极，晶体管的第二端为场效应管的漏极，晶体管的第三端为场效应管的基极。本实施例中，第一输入电压为反馈电压VFB，第二输入电压为补偿电压VCOM，如图3所示。
[0083] 以下就采用场效应管的实施例进行原理解释：
[0084] 如图3显示了误差放大器的原理图。反馈电压VFB与补偿电压VCOM之间的误差被放大并转换为输出电流IEA。在直流电平下，输出电流IEA理想情况下为零。误差放大器包括两个阶段。一个阶段是具有共模反馈环路(CMFB)的差分放大器。假设Mbp3的电流为IB，且Mbp1(Mbp2)的电流为K*IB，K为预设的定值。基于晶体管M3，M4，M5和M6的大小，其可表示为：
[0085]
[0086]
[0087] 因此，晶体管M3，M4，M5和M6的跨导之间的关系可写为：
[0088] gm(M4)＝gm(M5)＝2gm(M3)＝2gm(M6)。
[0089] 小信号电压增益给出为：
[0090]
[0091] 与
二极管连接负载相比，由于M3(M6)的漏极电压与过驱动电压无关，Vo+和Vo-的摆幅可以增加。而且，I(M1)与I(M3)的比值由下式给出：
[0092]
[0093] 当K<1时，增益和输出摆幅之间的限制会进一步放宽。在本实施例中，K设置为1/4。
[0094] 后面的共源级和clas AB级输出级用于增加跨导并提高驱动能力。误差放大器的跨导给定为:
[0095]
[0096] 所以本申请的低功耗宽带跨到误差放大器的单位增益带宽为：
[0097]
[0098] 其中，C(L)为负载电容。
[0099] 如图3所示，M3-M6既是负载管也在共模反馈电路的环路中，它们与Mf1、Mf2构成了共模反馈回路(CMFB)，提高电路的共模抑制比，稳定了输出的共模电平，同时这种设计可以使第一级的增益和摆幅进一步提高；而M7-M12和M13-M14构成了共源级和class AB输出级放大器，提高了该跨导误差放大器的跨导和电路驱动能力，进而提高了电路的单位增益带宽。
[0100] 本申请的低功耗宽带跨到误差放大器采用二级跨导放大器的结构。第一级采用宽带、低功耗的全差分放大器，第二级通过共源级和CLASS AB输出级提高增益和输出驱动能力。
[0101] 并且，通过增加第一级的共模反馈环路模块，可以提高整个电路的共模抑制比的同时可以使第一级的增益和摆幅得到有效的提高。M3-M6既是负载管也在共模反馈电路的环路中，简化了共模负反馈电路的设计同时降低了功耗提高了电路的稳定性。
[0102] 一些全差分的OTA的第一级采用折叠式共源共栅差分放大器，采用这种结构作为第一级的误差放大器具有较大的增益，但同时有较高的噪声、较小的次级点，而较小的次级点是由于其第一级较大负载电容导致的，所以导致其带宽较小，速度也受到限制。虽然这种折叠式共源共栅差分放大器相较于套筒式的结构增加了摆幅，但摆幅的提升仍然受到限制，同时增加了功耗。而本申请所设计的第一级是改进的全差分放大器和共模反馈环路，该全差分放大器具有宽带、低功耗的特性，同时具有稳定的输出共模电平和较大的摆幅；
[0103] 并且，图2中采用的结构，采用这种两级结构的全差分跨导放大器，可以满足增益和摆幅的要求，但是带宽仍然较小，输出级的驱动能力不足。而本申请第二级采用共源级和class AB输出级组合的放大器，提高误差放大器的跨导和输出电流能力，增加放大器的单位增益带宽。
[0104] 本申请所设计的两级低功耗宽带跨导误差放大器，第一级是差分放大器和共模反馈环路组成，共模反馈环路可以提高电路的共模抑制比，提高输出共模电平的稳定性；第二级采用的共源级和class AB输出级组合的放大器，它提高了电路的跨导，从而提高了整个电路的单位增益带宽，整个电路的设计具有低功耗、宽带宽、较为合理的输入/输出摆幅范围和高增益等性能。
[0105] 进一步地，作为本申请的一个实施方式，晶体管为三极管，晶体管的第一端为三极管的发射极，晶体管的第二端为三极管的集电极，晶体管的第三端为三极管的基极。晶体管为三极管的实施方式原理与场效应管相同，故不做赘述。
[0106] 以上所述，以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行
修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的精神和范围。
