一种高增益运算放大器及流水线模数转换器

本发明涉及模拟集成电路，尤其涉及到一种高增益运算放大器及流水线模数转换器。

背景技术：

1、随着集成电路工艺近几十年的飞速发展，作为连接模拟信号和数字信号的关键模块，模数转换器的应用场景不断拓展，需求不断提高。流水线模数转换器在精度、速度及功耗之间的折中，使其成为当前系统级应用中高速、高精度模数转换器的主流架构。

2、当前，流水线模数转换器中运算放大器的增益和带宽是制约流水线模数转换器性能提高的关键因素。运算放大器的有限增益会带来增益误差，有限带宽会带来建立误差，使当前流水级输出产生严重误差，并将误差传递到后级流水级，进而影响整体输出结果的精度，降低整个流水线模数转换器的性能。现有的运算放大器通常采用带增益自举的折叠共源共栅结构，但仍存在以下不足，无法满足高速高精度模数转换器的性能要求：

3、(1)在功耗和芯片面积的要求下，达到高带宽的性能较为困难；

4、(2)与其他结构的运算放大器相比，静态功耗较大；

5、(3)无法满足较大的输入电压范围，限制了模数转换器的量化范围。

技术实现思路

1、因此，为了解决现有技术中出现的上述问题，本申请提供了一种包括两个差分输入级的，能够在在不消耗更多静态功耗的前提下，提高增益和带宽，扩大输入电压范围的高增益运算放大器，并提供了对应的流水线模数转换器。

2、为此，根据第一方面，本发明提供了一种高增益运算放大器，包括：

3、主运算放大模块，包括第一差分输入级、第二差分输入级、第一尾电流源、第二尾电流源、第一开关管、第二开关管、第一电流镜和第二电流镜，第一尾电流源和第二尾电流源的输出端分别与第一差分输入级和第二差分输入级相连接，且第一尾电流源的输出端依次经过第一开关管和第一电流镜后与第二尾电流源的输出端相连接，第二尾电流源的输出端依次经过第二开关管和第二电流镜后与第一尾电流源的输出端相连接；主运算放大模块具有仅第一差分输入级工作时，第二开关管导通，第二尾电流源经由第二电流镜对第一差分输入级的输出进行增益的第一状态，以及仅第二差分输入级工作，第一开关管导通，第一尾电流源经由第一电流镜对第二差分输入级的输出进行增益的第二状态，以及第一差分输入级和第二差分输入级均工作，第一开关管和第二开关管均截止时的第三状态；

4、第一辅助运算放大模块，与第一差分输入级的输出端相连接；

5、第二辅助运算放大模块，与第二差分输入级的输出端相连接。

6、在可选的实施方式中，主运算放大模块还包括：

7、第一输出管对，二者的源极分别与第一差分输入级的两个输出端相连接，二者的漏极为主运算放大模块的差分输出端；

8、第二输出管对，二者的源极分别与第二差分输入级的两个输出端相连接，二者的漏极为主运算放大模块的差分输出端；

9、第一辅助运算放大模块的两个输入端分别与第一输出管对的两个源极相连接，两个输出端分别与第一输出管对的两个栅极相连接；

10、第二辅助运算放大模块的两个输入端分别与第二输出管对的两个源极相连接，两个输出端分别与第二输出管对的两个栅极相连接。

11、在可选的实施方式中，第一辅助运算放大模块包括p型辅助运算放大电路以及与p型辅助运算放大电路相连接的第一连续时间共模反馈电路；第二辅助运算放大模块包括n型辅助运算放大电路以及与n型辅助运算放大电路相连接的第二连续时间共模反馈电路。

12、在可选的实施方式中，高增益运算放大器还包括：

13、开关电容共模反馈模块，设置于主运算放大模块的两个输出端之间。

14、在可选的实施方式中，高增益运算放大器还包括：

15、偏置模块，用于根据外部输入偏置电流产生偏置电压，以给主运算放大模块、第一辅助运算放大模块和第二辅助运算放大模块供电。

16、根据第二方面，本发明还提供了一种流水线模数转换器，其中的运算放大器为上述第一方面任意一种实施方式中的高增益运算放大器。

17、本发明提供的技术方案，具有如下优点：

18、1、本发明提供的高增益运算放大器，通过设置第一差分输入级和第二差分输入级，在不消耗更多静态功耗的前提下提高了运算放大器的输入级的总跨导，同时，通过设置第一开关管、第二开关管、第一电流镜和第二电流镜，构成了成比例电流镜结构，使输入级的总跨导在较宽的输入电压范围内保持恒定，增加了运算放大器所在的流水线模数转换器的量化范围，同时还提高了运算放大电路的增益和带宽。

19、2、本发明提供的高增益运算放大器，通过设置第一辅助运算放大模块的两个输入端分别与第一输出管对的两个源极相连接，两个输出端分别与第一输出管对的两个栅极相连接，以此形成负反馈，能够使第一输出管对的等效跨导提高avp(第一辅助运算放大模块的放大倍数)倍；通过设置第二辅助运算放大模块的两个输入端分别与第二输出管对的两个源极相连接，两个输出端分别与第二输出管对的两个栅极相连接，以此形成负反馈，能够使第二输出管对的等效跨导提高avn(第二辅助运算放大模块的放大倍数)倍，进而能够进一步提高运算放大器的输入级的总跨导，提高其增益和带宽。

20、3、本发明提供的高增益运算放大器，通过设置在第一反馈晶体管对的栅极之间设置第一开关电容共模反馈电路，在第二反馈晶体管对的栅极之间设置第二开关电容共模反馈电路，能够在提高运算放大器的稳定性的同时，摆脱对运算放大电路输出电压范围的限制，且不会引入新的寄生零极点，进而提高该运算放大器的实用性。

技术特征：

1.一种高增益运算放大器，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的高增益运算放大器，其特征在于，所述主运算放大模块还包括：

3.根据权利要求2所述的高增益运算放大器，其特征在于，所述第一辅助运算放大模块包括p型辅助运算放大电路以及与所述p型辅助运算放大电路相连接的第一连续时间共模反馈电路；所述第二辅助运算放大模块包括n型辅助运算放大电路以及与所述n型辅助运算放大电路相连接的第二连续时间共模反馈电路。

4.根据权利要求1-3任一项所述的高增益运算放大器，其特征在于，还包括：

5.根据权利要求4所述的高增益运算放大器，其特征在于，还包括：

6.一种流水线模数转换器，其特征在于，其中的运算放大器为权利要求1-5任一项所述的高增益运算放大器。

技术总结
本发明公开了一种高增益运算放大器及流水线模数转换器，其中高增益运算放大器包括：主运算放大模块，包括第一差分输入级、第二差分输入级、第一尾电流源、第二尾电流源、第一开关管、第二开关管、第一电流镜和第二电流镜，第一尾电流源和第二尾电流源的输出端分别与第一差分输入级和第二差分输入级相连接，第一尾电流源的输出端依次经第一开关管和第一电流镜后与第二尾电流源的输出端相连接，第二尾电流源的输出端依次经第二开关管和第二电流镜后与第一尾电流源的输出端相连接；第一辅助运算放大模块，与第一差分输入级的输出端相连接；第二辅助运算放大模块，与第二差分输入级的输出端相连接。本发明中的放大器，具有加高的增益和带宽。

技术研发人员：李超凡,宋子奇,王文强,吴勇,王东,何滇,张野,李晴,翟世奇,查梦凡
受保护的技术使用者：西安电子科技大学芜湖研究院
技术研发日：
技术公布日：2024/1/16