一种高电源电压抑制比运算放大器的制作方法

一种高电源电压抑制比运算放大器
1.技术领域：本发明属于集成电路技术领域，涉及一种高电源电压抑制比运算放大器,该运算放大器在中、低频段具有高的抗电源干扰能力。


背景技术：

2.运算放大器是一种常见的集成电路，其主要任务是放大差模信号，同时有效的抑制共模信号和电源扰动。运放的电源电压抑制比是一个重要的指标，它表示该运放在特定频率下抗电源干扰的能力，psrr越高，表示抗干扰能力越强。在实际电路应用中，都希望得到高的信噪比，因此需要滤除电源噪声。
3.大多数运算放大器电源电压抑制比在低频时较高，随着频率的升高会剧烈下降，往往呈现-20db/十倍频。对于中高频的应用场景，较低的psrr会导致信号受到扰动很强，许多运放此时已经不能满足应用要求了。
4.因此需要针对特定的频率段进行特殊处理。


技术实现要素：

5.鉴于以上所述的现有技术的缺点，本技术的目的在于提出一种在中，低频段具有高电源电压抑制比的运算放大器。
6.为了解决上述问题，本发明采用的技术方案为一种高电源电压抑制比的运算放大器。其特征在于，第一级输入级；第二级带有psrr enhance模块的前馈级，psrr enhance模块的结构由电阻r1、电容c1、运算放大器a1、pmos管pmff、pmos管pm19组成，该结构应用为在中、低频段时降低电源到输出端的增益来提高中、低频段的psrr；第三级带前馈偏置的推挽输出级。放大器的主要补偿方式由电容c2构成。
7.所述一种高电源电压抑制比运算放大器，其特征在于第一级即输入级包括偏置电流源和全差分折叠式共源共栅结构。
8.所述的一种高电源电压抑制比运算放大器，其特征在于第一级即输入级其中偏置电流源由pmos管pm1、pmos管pm2组成，其中全差分折叠式共源共栅结构由pmos管pm3、pmos管pm4、pmos管pm5、pmos管pm6、pmos管pm7、pmos管pm8、nmos管nm1、nmos管nm2、nmos管nm3、nmos管nm4组成，pmos管pm1的源端和电源vdd连接，pmos管pm1的栅端和偏置电压vb1连接，pmos管pm1的漏端和pmos管pm2的源端连接，pmos管pm2的栅端和偏置电压vb2连接，pmos管pm2的漏端和pmos管pm3、pmos管pm4的源端连接，pmos管pm3的栅端接输入信号vin-，pmos管pm4的栅端接输入信号vin+，pmos管pm3的漏端和nmos管nm1的漏端、nmos管nm3的源端连接，pmos管pm4的漏端和nmos管nm2的漏端、nmos管nm4的源端连接，nmos管nm1、nmos管nm2的源端和地vss连接，nmos管nm1、nmos管nm2的栅端和偏置电压vb4连接，nmos管nm3、nmos管nm4的栅端和偏置电压vb3连接，nmos管nm3的漏端和pmos管pm7的漏端、pmos管pm5的栅端、pmos管pm6的栅端、pmos管pm10的栅端连接，nmos管nm4的漏端和pmos管pm8的漏端、pmos管pm9的栅端、电容c2连接，pmos管pm7、pmos管pm8的栅端和偏置电压vb2连接，pmos管pm7的源端和pmos管pm5的漏端连接，pmos管pm8的源端和pmos管pm6的漏端连接，pmos管pm5、pmos管pm6
的源端和电源vdd连接。
9.所述一种高电源电压抑制比运算放大器，其特征在于所述第二级即带有psrr enhance模块的前馈级由电流镜结构，前馈部分和psrr enhance模块组成。
10.所述的一种高电源电压抑制比运算放大器，其特征在于第二级即带有psrr enhance模块的前馈级其中第一级即输入级和第二级即带有psrr enhance模块的前馈级的连接由pmos管pm9实现，其中电流镜结构由nmos管nm5、nmos管nm6组成，其中前馈部分由pmos管pm10实现，其中psrr enhance模块由电阻r1、电容c1、运算放大器a1、pmos管pmff、pmos管pm19组成，pmos管pm9的源端和电源vdd连接，pmos管pm9的漏端和nmos管nm5的漏端、nmos管nm5的栅端、nmos管nm6的栅端连接，nmos管nm5、nmos管nm6的源端和地vss连接，nmos管nm6的漏端和pmos管pm10的漏端、pmos管pm16的漏端、nmos管nm9的源端、nmos管nm12的栅端连接，pmos管pm10的源端和电源vdd连接，电阻r1一端和偏置电压vbias连接，电阻r1的另一端和电容c1的一端、运算放大器a1的同向端连接，电容c1的另一端和地vss连接，运算放大器a1的反向端和pmos管pmff的栅端、pmos管pmff的漏端、pmos管pm19的源端连接，运算放大器a1的输出端和pmos管pm19的栅端连接，pmos管pmff的源端和电源vdd连接。
11.所述一种高电源电压抑制比运算放大器，其特征在于，所述第三级即前带前馈偏置的class-ab推挽输出级由偏置电流源和输出管的前馈偏置、输出管组成。
12.所述一种高电源电压抑制比运算放大器，其特征在于，所述第三级即前带前馈偏置的class-ab推挽输出级其中偏置电流源由pmos管pm11、pmos管pm12、pmos管pm13、pmos管pm14、nmos管nm10、nmos管nm11组成，其中输出管的前馈偏置由pmos管pm15、pmos管pm16、pmos管pm17、nmos管nm7、nmos管nm8、nmos管nm9组成，其中输出管由pmos管pm18、nmos管nm12组成，pmos管pm11的源端和电源vdd连接，pmos管pm12的源端和电源vdd连接，pmos管pm11的栅端和偏置电压vb1连接，pmos管pm12的栅端和偏置电压vb1连接，pmos管pm11的漏端和pmos管pm13的源端连接，pmos管pm12的漏端和pmos管pm14的源端连接，pmos管pm13的栅端和偏置电压vb2连接，pmos管pm14的栅端和偏置电压vb2连接，pmos管pm13的漏端和nmos管nm8的漏端、nmos管nm8的栅端、nmos管nm9的栅端连接，pmos管pm14的漏端和pmos管pm16的源端、pmos管pm18的栅端、pmos管pm19的漏端、nmos管nm9的漏端连接，nmos管nm8的源端和nmos管nm7的漏端、nmos管nm7的栅端连接，nmos管nm7的源端和地vss连接，pmos管pm15的源端和电源vdd连接，pmos管pm15的栅端和pmos管pm15的漏端、pmos管pm17的源端连接，pmos管pm17的栅端和pmos管pm17的漏端、nmos管nm10的漏端连接，nmos管nm10的栅端和偏置电压vb3连接，nmos管nm10的源端和nmos管nm11的漏端连接，nmos管nm11的栅端和偏置电压vb4连接，nmos管nm11的源端和地vss连接，pmos管pm18的源端和电源vdd连接，pmos管pm18的漏端和电容c2、nmos管nm12的漏端、vout输出端连接，nmos管nm12的源端和地vss连接。
具体实施方式：
13.下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明。
14.psrr定义为信号输入端到输出端的增益除以电源到输出端的增益。在许多电路中，电源到输出端的增益一般为1，psrr约等于运放的增益。提高psrr的手段主要有提高运放增益，然而运放增益在经过主极点后呈-20db/十倍频下降，为了保证运放的稳定性，增益
的这一特性无法改变。本发明提出了一种新的思路来改变中频的psrr，在中频时降低电源到输出端的增益。
15.工作原理：该运算放大器使用三级级联结构来获得较高的低频增益，运算放大器采用米勒补偿的方式和快慢通路产生额外零点的方式来保证运算放大器具有良好的稳定性。传统两级放大器低频增益为a＝gm1*r1*gm2*r2。和传统放大器一样的分析方法，该运算放大器的低频增益为：a＝gm1*r1*gm2*r2*gm3*r3。更多的乘积项保证了更高的增益。
16.在psrr enhance部分中，电阻r1和电容c1构成了低通滤波器，其中间电压记为vlfp，第二十mos管pmff的栅源电压可以表示为vgs＝vdd-vlfp。
17.因此流过pmff的电流表达式为iff＝gmff*(vdd-vlfp)，呈现高通状态。
18.在pm19的漏端处阻抗可以等效为z，故pm18的栅端电压可以表示为v＝iff*z＝gmff*(vdd-vlfp)*z。若调整gmff和z的乘积为1，则v＝vdd-vlfp
19.在频率提高到所设定的频率处后，pm18表现为栅极和源极同时受电源电压处控制，这样随着电源电压的变化，耦合到漏端的变化将会大大减小，该设计实现了提升运放中高频处的psrr。
20.本发明为一种高电源电压抑制比的运算放大器。其特征在于，第一级输入级；第二级带有psrr enhance模块的前馈级，psrr enhance模块的结构由电阻r1、电容c1、运算放大器a1、pmos管pmff、pmos管pm19组成，该结构应用为在中、低频段时降低电源到输出端的增益来提高中、低频段的psrr；第三级带前馈偏置的推挽输出级。放大器的主要补偿方式由电容c2构成。
21.所述一种高电源电压抑制比运算放大器，其特征在于第一级即输入级包括偏置电流源和全差分折叠式共源共栅结构。
22.所述的一种高电源电压抑制比运算放大器，其特征在于第一级即输入级其中偏置电流源由pmos管pm1、pmos管pm2组成，其中全差分折叠式共源共栅结构由pmos管pm3、pmos管pm4、pmos管pm5、pmos管pm6、pmos管pm7、pmos管pm8、nmos管nm1、nmos管nm2、nmos管nm3、nmos管nm4组成，pmos管pm1的源端和电源vdd连接，pmos管pm1的栅端和偏置电压vb1连接，pmos管pm1的漏端和pmos管pm2的源端连接，pmos管pm2的栅端和偏置电压vb2连接，pmos管pm2的漏端和pmos管pm3、pmos管pm4的源端连接，pmos管pm3的栅端接输入信号vin-，pmos管pm4的栅端接输入信号vin+，pmos管pm3的漏端和nmos管nm1的漏端、nmos管nm3的源端连接，pmos管pm4的漏端和nmos管nm2的漏端、nmos管nm4的源端连接，nmos管nm1、nmos管nm2的源端和地vss连接，nmos管nm1、nmos管nm2的栅端和偏置电压vb4连接，nmos管nm3、nmos管nm4的栅端和偏置电压vb3连接，nmos管nm3的漏端和pmos管pm7的漏端、pmos管pm5的栅端、pmos管pm6的栅端、pmos管pm10的栅端连接，nmos管nm4的漏端和pmos管pm8的漏端、pmos管pm9的栅端、电容c2连接，pmos管pm7、pmos管pm8的栅端和偏置电压vb2连接，pmos管pm7的源端和pmos管pm5的漏端连接，pmos管pm8的源端和pmos管pm6的漏端连接，pmos管pm5、pmos管pm6的源端和电源vdd连接。
23.所述一种高电源电压抑制比运算放大器，其特征在于所述第二级即带有psrr enhance模块的前馈级由电流镜结构，前馈部分和psrr enhance模块组成。
24.所述的一种高电源电压抑制比运算放大器，其特征在于第二级即带有psrr enhance模块的前馈级其中第一级即输入级和第二级即带有psrr enhance模块的前馈级的
连接由pmos管pm9实现，其中电流镜结构由nmos管nm5、nmos管nm6组成，其中前馈部分由pmos管pm10实现，其中psrr enhance模块由电阻r1、电容c1、运算放大器a1、pmos管pmff、pmos管pm19组成，pmos管pm9的源端和电源vdd连接，pmos管pm9的漏端和nmos管nm5的漏端、nmos管nm5的栅端、nmos管nm6的栅端连接，nmos管nm5、nmos管nm6的源端和地vss连接，nmos管nm6的漏端和pmos管pm10的漏端、pmos管pm16的漏端、nmos管nm9的源端、nmos管nm12的栅端连接，pmos管pm10的源端和电源vdd连接，电阻r1一端和偏置电压vbias连接，电阻r1的另一端和电容c1的一端、运算放大器a1的同向端连接，电容c1的另一端和地vss连接，运算放大器a1的反向端和pmos管pmff的栅端、pmos管pmff的漏端、pmos管pm19的源端连接，运算放大器a1的输出端和pmos管pm19的栅端连接，pmos管pmff的源端和电源vdd连接。
25.所述一种高电源电压抑制比运算放大器，其特征在于，所述第三级即前带前馈偏置的class-ab推挽输出级由偏置电流源和输出管的前馈偏置、输出管组成。
26.所述一种高电源电压抑制比运算放大器，其特征在于，所述第三级即前带前馈偏置的class-ab推挽输出级其中偏置电流源由pmos管pm11、pmos管pm12、pmos管pm13、pmos管pm14、nmos管nm10、nmos管nm11组成，其中输出管的前馈偏置由pmos管pm15、pmos管pm16、pmos管pm17、nmos管nm7、nmos管nm8、nmos管nm9组成，其中输出管由pmos管pm18、nmos管nm12组成，pmos管pm11的源端和电源vdd连接，pmos管pm12的源端和电源vdd连接，pmos管pm11的栅端和偏置电压vb1连接，pmos管pm12的栅端和偏置电压vb1连接，pmos管pm11的漏端和pmos管pm13的源端连接，pmos管pm12的漏端和pmos管pm14的源端连接，pmos管pm13的栅端和偏置电压vb2连接，pmos管pm14的栅端和偏置电压vb2连接，pmos管pm13的漏端和nmos管nm8的漏端、nmos管nm8的栅端、nmos管nm9的栅端连接，pmos管pm14的漏端和pmos管pm16的源端、pmos管pm18的栅端、pmos管pm19的漏端、nmos管nm9的漏端连接，nmos管nm8的源端和nmos管nm7的漏端、nmos管nm7的栅端连接，nmos管nm7的源端和地vss连接，pmos管pm15的源端和电源vdd连接，pmos管pm15的栅端和pmos管pm15的漏端、pmos管pm17的源端连接，pmos管pm17的栅端和pmos管pm17的漏端、nmos管nm10的漏端连接，nmos管nm10的栅端和偏置电压vb3连接，nmos管nm10的源端和nmos管nm11的漏端连接，nmos管nm11的栅端和偏置电压vb4连接，nmos管nm11的源端和地vss连接，pmos管pm18的源端和电源vdd连接，pmos管pm18的漏端和电容c2、nmos管nm12的漏端、vout输出端连接，nmos管nm12的源端和地vss连接。
27.为了保证运放正常工作，该电路所有mos管处于饱和区。
28.图2显示了本发明的运算放大器的电源电压抑制比的仿真结果以及未添加psrr enchance模块的的电源电压抑制比的仿真结果。从图中可以看出，该运算放大器的低频电源电压抑制比达到了150db，在未添加psrr enchance模块时，psrr呈-20db/十倍频下降。在添加该模块后，显然，在频率为1m
‑‑
10m时，电源电压抑制比并未呈-20db/十倍频下降，1m时为48db，10m时为28.9db。实现了在低频和中频段有较高的psrr。
29.上述实例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。本领域技术人员可以明白，前述详细公开内容可以仅以实例的方式呈现，并且可以不是限制性的。尽管这里没有详细说明，本领域技术人员可以理解本技术意图囊括对实施例的各种合理改变，改进和修改。这些改变，改进和修改旨在由本公开提出，并且在本公开的示例性实施例的精神和范围内。
附图说明：
30.图1为本发明的运算放大器电路图。
31.图2为本发明的运算放大器的电源电压抑制比的仿真结果以及未添加psrr enchance模块的电源电压抑制比的仿真结果。

技术特征：
1.一种高电源电压抑制比运算放大器，其特征在于，第一级为输入级；第二级为带有psrr enhance模块的前馈级，psrr enhance模块的结构由电阻r1、电容c1、运算放大器a1、pmos管pmff、pmos管pm19组成，该结构应用为在中、低频段时降低电源到输出端的增益来提高中、低频段的psrr；第三级为带前馈偏置的推挽输出级；放大器的主要补偿方式由电容c2构成。2.如权利要求1所述一种高电源电压抑制比运算放大器，其特征在于第一级输入级包括偏置电流源和全差分折叠式共源共栅结构。3.根据权利要求2所述的一种高电源电压抑制比运算放大器，其特征在于第一级输入级其中偏置电流源由pmos管pm1、pmos管pm2组成，其中全差分折叠式共源共栅结构由pmos管pm3、pmos管pm4、pmos管pm5、pmos管pm6、pmos管pm7、pmos管pm8、nmos管nm1、nmos管nm2、nmos管nm3、nmos管nm4组成，pmos管pm1的源端和电源vdd连接，pmos管pm1的栅端和偏置电压vb1连接，pmos管pm1的漏端和pmos管pm2的源端连接，pmos管pm2的栅端和偏置电压vb2连接，pmos管pm2的漏端和pmos管pm3、pmos管pm4的源端连接，pmos管pm3的栅端接输入信号vin-，pmos管pm4的栅端接输入信号vin+，pmos管pm3的漏端和nmos管nm1的漏端、nmos管nm3的源端连接，pmos管pm4的漏端和nmos管nm2的漏端、nmos管nm4的源端连接，nmos管nm1、nmos管nm2的源端和地vss连接，nmos管nm1、nmos管nm2的栅端和偏置电压vb4连接，nmos管nm3、nmos管nm4的栅端和偏置电压vb3连接，nmos管nm3的漏端和pmos管pm7的漏端、pmos管pm5的栅端、pmos管pm6的栅端、pmos管pm10的栅端连接，nmos管nm4的漏端和pmos管pm8的漏端、pmos管pm9的栅端、电容c2连接，pmos管pm7、pmos管pm8的栅端和偏置电压vb2连接，pmos管pm7的源端和pmos管pm5的漏端连接，pmos管pm8的源端和pmos管pm6的漏端连接，pmos管pm5、pmos管pm6的源端和电源vdd连接。4.如权利要求1所述一种高电源电压抑制比运算放大器，其特征在于所述第二级带有psrr enhance模块的前馈级由电流镜结构，前馈部分和psrr enhance模块组成。5.根据权利要求4所述的一种高电源电压抑制比运算放大器，其特征在于第二级带有psrr enhance模块的前馈级其中第一级即输入级和第二级即带有psrr enhance模块的前馈级的连接由pmos管pm9实现，其中电流镜结构由nmos管nm5、nmos管nm6组成，其中前馈部分由pmos管pm10实现，其中psrr enhance模块由电阻r1、电容c1、运算放大器a1、pmos管pmff、pmos管pm19组成，pmos管pm9的源端和电源vdd连接，pmos管pm9的漏端和nmos管nm5的漏端、nmos管nm5的栅端、nmos管nm6的栅端连接，nmos管nm5、nmos管nm6的源端和地vss连接，nmos管nm6的漏端和pmos管pm10的漏端、pmos管pm16的漏端、nmos管nm9的源端、nmos管nm12的栅端连接，pmos管pm10的源端和电源vdd连接，电阻r1一端和偏置电压vbias连接，电阻r1的另一端和电容c1的一端、运算放大器a1的同向端连接，电容c1的另一端和地vss连接，运算放大器a1的反向端和pmos管pmff的栅端、pmos管pmff的漏端、pmos管pm19的源端连接，运算放大器a1的输出端和pmos管pm19的栅端连接，pmos管pmff的源端和电源vdd连接。6.如权利要求1所述一种高电源电压抑制比运算放大器，其特征在于，所述第三级即前带前馈偏置的class-ab推挽输出级由偏置电流源和输出管的前馈偏置、输出管组成。7.如权利要求6所述一种高电源电压抑制比运算放大器，其特征在于，所述第三级即前带前馈偏置的class-ab推挽输出级其中偏置电流源由pmos管pm11、pmos管pm12、pmos管pm13、pmos管pm14、nmos管nm10、nmos管nm11组成，其中输出管的前馈偏置由pmos管pm15、
pmos管pm16、pmos管pm17、nmos管nm7、nmos管nm8、nmos管nm9组成，其中输出管由pmos管pm18、nmos管nm12组成，pmos管pm11的源端和电源vdd连接，pmos管pm12的源端和电源vdd连接，pmos管pm11的栅端和偏置电压vb1连接，pmos管pm12的栅端和偏置电压vb1连接，pmos管pm11的漏端和pmos管pm13的源端连接，pmos管pm12的漏端和pmos管pm14的源端连接，pmos管pm13的栅端和偏置电压vb2连接，pmos管pm14的栅端和偏置电压vb2连接，pmos管pm13的漏端和nmos管nm8的漏端、nmos管nm8的栅端、nmos管nm9的栅端连接，pmos管pm14的漏端和pmos管pm16的源端、pmos管pm18的栅端、pmos管pm19的漏端、nmos管nm9的漏端连接，nmos管nm8的源端和nmos管nm7的漏端、nmos管nm7的栅端连接，nmos管nm7的源端和地vss连接，pmos管pm15的源端和电源vdd连接，pmos管pm15的栅端和pmos管pm15的漏端、pmos管pm17的源端连接，pmos管pm17的栅端和pmos管pm17的漏端、nmos管nm10的漏端连接，nmos管nm10的栅端和偏置电压vb3连接，nmos管nm10的源端和nmos管nm11的漏端连接，nmos管nm11的栅端和偏置电压vb4连接，nmos管nm11的源端和地vss连接，pmos管pm18的源端和电源vdd连接，pmos管pm18的漏端和电容c2、nmos管nm12的漏端、vout输出端连接，nmos管nm12的源端和地vss连接。

技术总结
本发明属于集成电路技术领域，涉及一种高电源电压抑制比运算放大器。本发明提供了一种高电源电压抑制比运算放大器，包括：第一级输入级，第二级带有PSRR enhance模块的前馈级，第三级带前馈偏置的推挽输出级。本发明提出了一种新的思路来改善中、低频段的电源电压抑制比。相对于传统的运算放大器，第一点是，在低频时，运放通过自身三级级联结构有较高的增益来获得较高的PSRR；第二点是，在中频时，运放增益下降，此时靠额外的电源电压抑制比增强模块来降低电源到输出端的增益。本发明的有益效果为，提高了中、低频段的PSRR，保证了运算放大器在中、低频段具有较强的抗电源干扰能力。低频段具有较强的抗电源干扰能力。低频段具有较强的抗电源干扰能力。


技术研发人员：郑耿煌 王宇飞
受保护的技术使用者：上海先积集成电路有限公司
技术研发日：2023.04.19
技术公布日：2023/10/20