适用于lcd驱动电路的低功耗四级运算放大器的制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及大规模集成电路，低压低功耗电路，低压差线性稳压器（LDO)，多级运 算放大器。具体讲，涉及适用于LCD驱动电路的低功耗四级运算放大器。
【背景技术】
[0002] 低压低功耗多级运算放大器的技术研宄始终是低功耗模拟电路很活跃的研宄领 域。许多的多级运算放大器的补偿技术可以广泛应用于便携式电子设备，例如：手机电池和 笔记本电池、LDO、IXD等设备中。由于著名的三级运算放大器的多级补偿方法一嵌套式密 勒补偿技术（NMC)的固有限制，即：该补偿技术存在右半平面零点和两个大补偿电容；近些 年来由于市场的急剧扩大的需求量导致低压低功耗的产品走向小尺寸化、高度集成化，这 就彰显NMC的不足之处需要改进。因为它极大地限制了其在低压低功耗多级运算放大器电 路的应用。最近十几年涌现出了许多关于多级运算放大器的补偿方法来改进NMC技术。在 低功耗大负载电容的条件下，它们可以极大地提高运放的稳定性，同时也拓展了放大器的 增益带宽积和摆率。然而以上补偿技术也存在一些不足，例如：在驱动大负载电容时候有些 补偿电容由于正比例于负载电容，而导致芯片面积增加，最终电路的制造成本也提高了；所 以后来的补偿技术开始将补偿电容的面积正比例于负载电容的几何平均数，这样就大大节 约了芯片的面积。
【发明内容】
[0003] 为克服现有技术的不足，提供一种应用于低压低功耗的四级运算放大器。该四级 运算放大器电路可以在低的功耗（μ W)条件下实现驱动大负载电容（数百pF)，并具有更低 的功耗和更好的压摆率。为此，本发明采取的技术方案是，适用于LCD驱动电路的低功耗四 级运算放大器，由四个增益放大级、两路前馈回路级和一个有源反馈回路级组成；四个增益 放大级分别是：跨导增益输入级、第二至第三高增益级、第四推挽输出级；两个前馈回路级 分别是：正向跨导增益级和负向跨导增益级；一个有源反馈回路级由电容和正向跨导增益 级组成；输入的信号经过跨导增益输入级gml、第二至第三增益级、最后经过第四推挽输出 级输出到V0UT，同时输入的信号经过正向跨导增益级到达第三增益级的输出端；在第二增 益级输出端信号分为两路：一路经过负向跨导增益级到达第四推挽输出级的输出端，另一 路直接进入第三增益级；在放大器输出端的信号经过有源反馈回路级由电容Ca和正向跨 导增益级到达输入端。
[0004] 由两个镜像晶体管Mil、M12组成第一跨导增益输入级gml，由M16晶体管组成正 向跨导增益级gma ;晶体管M20、M30分别是第二至第三增益级gm2、gm3 ;晶体管M40、M41组 成第四推挽输出级gm4 ;M41是负向跨导增益级gmf2 ;三个晶体管M411-M413组成SR增强 级；两个镜像晶体管M51-M52组成正向跨导增益级gmfl。
[0005] 放大器具体结构为：由第一至第十五PMOS晶体管M10、Mil、M12、M17、M18、M20、 M23、M30、M33、M41、M411、M412、M50、M51、M52 以及第一至第十二 NMOS 晶体管 M13、M14、M15、 M16、M21、M22、M31、M32、M40、M413、M53、M54 共 27 个 MOS 晶体管、一个电容即补偿电容 Ca 构成；其中：
[0006] 第一、第四至第十五 PMOS 晶体管 M10、M17、M18、M20、M23、M30、M33、M41、M411、 M412、M50的源极共同接供电电源VDD ;除了第二、第三、第十四至第十五PMOS晶体管Ml 1、 M12、M51、M52的衬底端接源极以外，第一、第四至第十三PMOS晶体管M10、M17、M18、M20、 M23、M30、M33、M41、M411、M412、M50的衬底端接供电电源VDD ;第一、第二、第五至第十二 NMOS 晶体管 M13、M14、M21、M22、M31、M32、M40、M413、M53、M54 的源极共同接地 GND ;第一至 第十二 M13、M14、M15、M16、M21、M22、M31、M32、M40、M413、M53、M54 的衬底端接地 GND ;
[0007] 第一 PMOS晶体管MlO的栅极接第一偏置电压VbU漏极接第二至第三PMOS晶体 管Mil、M12的源极；第一至第二PMOS晶体管Mil、M12的栅极分别接输入电压Vin-和Vin+ 端；第一 PMOS晶体管M11、第一 NMOS晶体管M13的漏极共同接第三NMOS晶体管M15的源 极，第三PMOS晶体管M12、第二NMOS晶体管M14的漏极共同接M16的源极；第一至第二NMOS 晶体管M13、M14的栅极共同接第二偏置电压Vb2,第三至第四NMOS晶体管M15、M16的栅极 共同接第三偏置电压Vb3 ;第六PMOS晶体管M20的栅极接第四NMOS晶体管M16、第五PMOS 晶体管M18的漏极；第四至第五PMOS晶体管M17、M18的栅极共同接第四PMOS晶体管M17、 第三NMOS晶体管M15的漏极；第四NMOS晶体管M16的源极接补偿电容Ca的左端，补偿电 容Ca的右端接输出端VOUT ;
[0008] 第五NMOS晶体管M21、第六NMOS晶体管M22的栅极共同接第六PMOS晶体管M20、 第五NMOS晶体管M21的漏极；第七PMOS晶体管M23、第六NMOS晶体管M22的漏极共同接第 八PMOS晶体管M30的栅极；第七PMOS晶体管M23的栅极接第四偏置电压Vb4 ;第七NMOS晶 体管M31、第八NMOS晶体管M32的栅极共同接第八PMOS晶体管M30、第七NMOS晶体管M31 的漏极；第九PMOS晶体管M33、第八NMOS晶体管M32的漏极共同接第九PMOS晶体管M40的 栅极；第九PMOS晶体管M33的栅极接第五偏置电压Vb5 ;
[0009] 第九NMOS晶体管M40、第十PMOS晶体管M41的漏极、第^^一 PMOS晶体管M411的 源极共同接输出端VOUT ;第十NMOS晶体管M413、第十二PMOS晶体管M412的漏极共同接第 十一 PMOS晶体管M411的栅极；第十NMOS晶体管M413的栅极接第三偏置电压Vb3 ;第十二 PMOS晶体管M412的栅极接第六偏置电压Vb6 ;
[0010] 第十三PMOS晶体管M50的栅极接第六偏置电压Vb6、漏极接第十四至第十五PMOS 晶体管M51、M52的源极；第十四至第十五PMOS晶体管M51、M52的栅极分别接输入电压 Vin-和Vin+端；第^^一至第十二NMOS晶体管M53、M54的栅极共同接第^^一 NMOS晶体管 M53、第十四PMOS晶体管M51的漏极；第十二NMOS晶体管M54、第十五PMOS晶体管M52的 漏极共同接第七NMOS晶体管M31的栅极；外接的负载电容CL接V0UT。
[0011] 与已有技术相比，本发明的技术特点与效果：
[0012] 由于采用四个增益放大级、两路前馈回路级和一个有源反馈回路级结构，因而，在 低压低功耗（y W)条件下，本发明提供的运算放大器能够驱动大负载电容（数百pF)，同时 具有低的功耗和更好的摆率。
【附图说明】
[0013] 图1四级运算放大器的拓扑图。
[0014] 图2四级运算放大器的实施方式原理图。图中，Istage为差分输入级，2stage、 3stage为增益级，4stage为推挽输出级，SREstage为压摆率增强级，feedback stage为前 馈级。
【具体实施方式】
[0015] 为了克服现有技术的不足之处，本发明提出了一种用于驱动大负载电容的低压低 功耗四级运算放大器，提出双路有源前馈和Cascode Miller频率补偿技术。该技术通过双 路有源前馈连接到第二级和第四级的输出端引入零点而形成Pole-Zero Doublets，以此改 善运算放大器的大信号和小信号性能一一增益带宽积和瞬态响应，同时还引入压摆率增强 级来提高低功耗下的压摆率SR，争取在低功耗条件下，获得更好的增益带宽积和更理想的 瞬态响应。
[0016] 本发明提出了一种用于驱动大负载电容的低压低功耗四级运算放大器，所述的放 大器由四个增益放大级、两路前馈回路级和一个有源反馈回路级组成。四个增益放大级分 别是：跨导增益输入级gml、第二至第三高增益级gm2、gm3、第四推挽输出级gm4。两个前馈 回路级分别是：正向跨导增益级gmfl和负向跨导增益级gmf2。一个有源反馈回路级由电 容Ca和正向跨导增益级gma组成。
[0017] 具体的实施电路原理图如下：所述的放大器由第一至第十五PMOS晶体管M10、 Mil、M12、M17、M18、M20、M23、M30、M33、M41、M411、M412、M50、M51、M52 以及第一至第十二 NMOS 晶体管 M13、M14、M15、M16、M21、M22、M31、M32、M40、M413、M53、M54 共 27 个 MOS 晶体 管、一个电容即补偿电容Ca构成；其中：
[0018] 第一、第四至第十五 PMOS 晶体管 M10、M17、M18、M20、M23、M30、M33、M41、M411、 M412、M50的源极共同接供电电源VDD ;除了第二、第三、第十四至第十五PMOS晶体管Ml 1、 M12、M51、M52的衬底端接源极以外，第一、第四至第十三PMOS晶体管M10、M17、M18、M20、 M23、M30、M33、M41、M411、M412、M50的衬底端接供电电源VDD ;第一、第二、第五至第十二 NMOS 晶体管 M13、M14、M21、M22、M31、M32、M40、M413、M53、M54 的源极共同接地 GND ;第一至 第十二 M13、M14、M15、M16、M21、M22、M31、M32、M40、M413、M53、M54 的衬底端接地 GND。
[0019] 第一 PMOS晶体管MlO的栅极接第一偏置电压VbU漏极接第二至第三PMOS晶体管 Ml 1、M12的源极；第一至第二PMOS晶体管Mil