本技术属于集成电路领域,提供一种低功耗大压摆率的折叠共源共栅结构运算放大电路,用以解决现有技术存在的压摆率低、功耗高等问题;本发明包括:电流源I0~I4、晶体管M1~M14、电阻R1、负载电容CL,在传统折叠共源共栅结构的基础上,引入晶体管M4、M7、M8构成的翻转电压跟随器差分结构(DFVF),晶体管M3、M4、M8构成的翻转电压跟随器电流传感器(FVFCS),以及晶体管M14、电流源I4构成的源极跟随器;利用DFVF提升负转换阶段负载电容放电电流,同时,利用FVFCS提升正转换阶段负载电容充电电流,从而大幅提升运算放大电路的压摆率,在此情况下,差分输入的尾电流大小最大能够达到中间级电流大小的一百倍以上,从而显著降低运算放大电路的功耗。
背景技术
在信号处理过程中,通常由运算放大器采集信号,随后交由ADC(Analog-to-Digital Converter)电路将模拟信号转化数字信号进行处理;压摆率是指运算放大器对于阶跃大信号的响应速度,即向运放输入一个阶跃大信号,运放从初态到最终稳态的转换速率。
目前,常用的折叠共源共栅结构运算放大电路如图1所示,对于此类运算放大器,其压摆率的计算公式为SR=I0/CL,其中,I0为输入级尾电流源的电流,CL为负载电容;然而,压摆率受到中间级静态电流大小的限制,当中间级静态电流远小于输入级尾电流源I0的电流,则压摆率不再满足SR=I0/CL;具体而言:
在正转换阶段,即VIN+远大于VIN-时;假设金属氧化物半导体场效应晶体管M17的静态电流等于金属氧化物半导体场效应晶体管M18的静态电流为Im,金属氧化物半导体场效应晶体管M21的静态电流为Im21,金属氧化物半导体场效应晶体管M6支路流经的静态电流为Im22,Im21等于Im22;在正转换开始的一瞬间,此时输入尾电流源中的电流I0几乎全部流经金属氧化物半导体场效应晶体管M16进入金属氧化物半导体场效应晶体管M18,此时金属氧化物半导体场效应晶体管M18的漏极电压急剧升高,导致金属氧化物半导体场效应晶体管M20截止,同时过高的金属氧化物半导体场效应晶体管M18的漏极电压会导致金属氧化物半导体场效应晶体管M16进入线性区,从而使输入差分对管失去对电流的控制能力;从而导致流经金属氧化物半导体场效应晶体管M16的电流实际是由金属氧化物半导体场效应晶体管M18产生的,而此时由于有效沟道长度调整效应,金属氧化物半导体场效应晶体管M18产生的电流大于其静态电流Im,为了便于分析,近似认为此时流经金属氧化物半导体场效应晶体管M18的电流仍是Im;虽然在正转换开始的一瞬间,输入尾电流源中的电流几乎没有流经金属氧化物半导体场效应晶体管M15进入金属氧化物半导体场效应晶体管M17,金属氧化物半导体场效应晶体管M17在开始的一瞬间进入线性区,但是之后金属氧化物半导体场效应晶体管M16上仅仅分走Im大小的电流,导致I0-Im大小的电流流经金属氧化物半导体场效应晶体管M15进入金属氧化物半导体场效应晶体管M17,此时金属氧化物半导体场效应晶体管M17进入饱和区;在此情况下,流经金属氧化物半导体场效应晶体管M19的电流大小为Im-(I0-Im),即为Im21+Im22;此电流通过金属氧化物半导体场效应晶体管M21和金属氧化物半导体场效应晶体管M22构成的电流镜进入金属氧化物半导体场效应晶体管M22和金属氧化物半导体场效应晶体管M24这一支路,从而为负载电容CL的充电提供电流;
在负转换阶段,即VIN+远小于VIN-时;假设金属氧化物半导体场效应晶体管M17的静态电流等于金属氧化物半导体场效应晶体管M18的静态电流为Im,金属氧化物半导体场效应晶体管M21的静态电流为Im21,金属氧化物半导体场效应晶体管M6支路流经的静态电流为Im22,Im21等于Im22;在负转换开始的一瞬间,此时输入尾电流源中的电流几乎全部流经金属氧化物半导体场效应晶体管M15进入金属氧化物半导体场效应晶体管M17,此时金属氧化物半导体场效应晶体管M17的漏极电压急剧升高,导致金属氧化物半导体场效应晶体管M19截止,从而没有电流流经金属氧化物半导体场效应晶体管M21,金属氧化物半导体场效应晶体管M21、金属氧化物半导体场效应晶体管M22构成电流镜,流经金属氧化物半导体场效应晶体管M22、金属氧化物半导体场效应晶体管M24的电流大小也为0;同时,过高的金属氧化物半导体场效应晶体管M17的漏极电压会导致金属氧化物半导体场效应晶体管M15进入线性区,从而使输入差分对管失去对电流的控制能力;进而导致流经金属氧化物半导体场效应晶体管M1的电流实际是由金属氧化物半导体场效应晶体管M17产生的,而此时由于有效沟道长度调整效应,金属氧化物半导体场效应晶体管M17产生的电流大于其静态电流Im,为了便于分析,近似认为此时流经金属氧化物半导体场效应晶体管M17的电流仍是Im;虽然在负转换开始的一瞬间,输入尾电流源中的电流几乎没有流经金属氧化物半导体场效应晶体管M16进入金属氧化物半导体场效应晶体管M18,金属氧化物半导体场效应晶体管M18在开始的一瞬间进入线性区,但是之后金属氧化物半导体场效应晶体管M15上仅仅分走Im大小的电流,导致I0-Im大小的电流流经金属氧化物半导体场效应晶体管M16进入金属氧化物半导体场效应晶体管M18,此时金属氧化物半导体场效应晶体管M18进入饱和区;在此情况下,流经金属氧化物半导体场效应晶体管M20的电流大小为Im-(I0-Im),即为Im21+Im22,此电流为负载电容CL的放电提供电流。
由此可知,当中间级电流远小于输入级尾电流源时,其压摆率的大小受到中间级电流大小的限制,从而大幅减小;因此,在通常的电路设计中,为了保证压摆率能够满足要求,一般将中间级电流大小与差分输入的尾电流大小设置在相同量级,从而摆脱中间级电流的限制,使得压摆率满足计算公式SR=I0/CL;然而,常规情况下运算放大器的输入级尾电流通常很大,如果将中间级电流与输入级尾电流设置在同样的量级,则会造成大量静态电流消耗。
实现思路