1.本发明涉及集成电路技术领域，具体为一种基于低纹波电荷泵的轨到轨输入运算跨导放大器。
背景技术：2.运算跨导放大器是模拟cmos集成电路设计中的常用单元，用以将输入的差分电压信号转换为输出电流，结合其负反馈网络能够实现各种模拟信号运算，也常简称“运放”。在信号摆幅受限的低工作电压模拟电路应用场合中，常要求运算跨导放大器的输入和输出能够实现轨到轨，以获得最大的电压信号摆幅，即：(1)所设计的运算跨导放大器的共模输入电平近似能够跨越从负电源电压到正电源电压之间的整个范围，即输入轨到轨；(2)所设计的运算跨导放大器的输出电压摆幅近似达到从负电源电压到正电源电压之间的整个范围，即输出轨到轨。
3.在实现上述两个目标时，须维持运算跨导放大器的等效输入跨导等小信号参数的基本恒定，以保证运放在各种工作状态下的稳定，另外，运放小信号参数对输入电压的依赖是非线性的主要来源。在目前常用轨到轨输入输出的运算跨导放大器的电路结构中，轨到轨输出都是通过推挽输出(即ab类放大器)实现的，现有运算跨导放大器的主要区别在于：轨到轨输入和基本恒定的等效输入跨导的实现方式不同。但是，大多数已有的轨到轨输入和基本恒定的等效输入跨导的电路结构复杂，并且仅能将等效输入跨导的变化控制在较小的范围内。
4.目前，解决上述共模输入范围小的方式是同时设置pmos差分对管、nmos差分对管，通过两对差分对管的相互配合来扩大允许的共模输入电压范围，但在实际工作过程中，需保证两对差分对管的开启与关闭能够完美衔接，这大大增加了工艺难度。因此，实际上的传统轨到轨输入级通常需要配合三倍电流镜：在pmos差分对关闭时，把pmos差分对的尾电流放大三倍之后送给nmos差分对；在nmos差分对关闭时，把nmos差分对的尾电流放大三倍之后送给pmos差分对。这样能够实现等效输入跨导在整个输入电压范围内的近似平坦，但三倍电流镜技术存在以下缺点：(1)等效输入跨导随输入电压变化而变化，在引入三倍电流镜的情况下一般也只能把等效输入跨导的波动控制在15％以内，等效输入跨导的波动平坦效果较差；(2)三倍电流镜技术使得输入跨导级的偏置电流随输入电压变化而变化，使后级电路的设计变得更加复杂。在宽温度范围的应用中，这个问题更加严重。
技术实现要素：5.针对现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种基于低纹波电荷泵的轨到轨输入输出运算跨导放大器，其电路结构设计简单合理，可提高等效输入跨导的电压波动平坦效果，同时可满足宽温度范围的应用要求。
6.为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
7.一种基于低纹波电荷泵的轨到轨输入输出运算跨导放大器，其包括依次连接的偏
置电路、差分跨导输入级、差分转单端的跨阻级、推挽输出级，
8.所述偏置电路用于提供偏置电压和偏置电流；
9.所述差分跨导输入级用于将差分输入电压转换为差分电流；
10.所述差分转单端的跨阻级用于将差分电流转换为单端电流；
11.所述推挽输出级采用推挽的方式把单端电流转换为电流输出；
12.其特征在于，所述差分跨导输入级包括电荷泵、第一电流镜、差分对，所述电荷泵为低纹波电荷泵，所述电荷泵用于对电压源vdd进行抬升，并给所述第一电流镜供电，所述第一电流镜用于镜像所述偏置电路产生的偏置电流，所述电荷泵的两个输入端分别连接外部输入时钟信号、所述电压源vdd，所述电荷泵的输出端连接第一电流镜的电源端，所述第一电流镜的输出分别连接所述差分对的源极，所述差分对的漏极连接所述差分转单端的跨阻级，所述差分转单端的跨阻级的输出连接所述推挽输出级的输入，所述第一电流镜包括pmos管p9～pmos管p12，所述差分对包括pmos管p13、pmos管p14，所述电荷泵的电压输出端通过所述第一电流镜分别连接所述差分对、所述偏置电路。
13.其进一步特征在于，
14.所述低纹波电荷泵包括pmos管n17、电容c3、c4、c5、单级电荷泵cp1、cp2，所述单级电荷泵cp1的1管脚分别连接所述电压源vdd、单级电荷泵cp2，所述单级电荷泵cp2的2管脚分别连接电容c3一端、pmos管n17的源极，所述单级电荷泵cp2的2管脚分别连接电容c4一端，所述pmos管n17的漏极连接电容c5一端，所述电容c3、c4、c5另一端接地，所述单级电荷泵cp1、cp2的3管脚连接外部输入时钟信号；
15.所述单级电荷泵cp1包括pmos管p20、p21、p22、p23、nmos管n18、n19、n20、n21、电容c6、c7，所述pmos管p20与所述nmos管n18的栅极、pmos管p21的漏极相连，所述pmos管p21与所述nmos管n19的栅极、pmos管p20的漏极相连，所述nmos管n18、n19的源极连接电压源vdd，所述pmos管p20、p21的源极为电压输出端，所述nmos管n18、n19的源极与所述电容c6、c7的一端一一对应连接，所述电容c6另一端分别连接pmos管p22、p23、nmos管n20、n21的栅极，所述电容c7另一端分别连接所述pmos管p23的漏极、nmos管n21的漏极，所述pmos管p22的栅极、nmos管n21的栅极连接外部输入时钟信号，所述pmos管p23、p22的源极分别连接电压源vdd，所述nmos管n20、n23的源极分别接地；所述单级电荷泵cp2的结构与所述单级电荷泵cp1的结构一致；
16.所述偏置电路包括第一偏置电压产生单元、第一开关单元，所述第一偏置电压产生单元用于产生偏置电压vb2，所述第一开关单元用于对偏置电压、偏置电流进行导通控制，所述第一偏置电压产生单元包括pmos管p1、p5，所述第一开关单元包括nmos管n1～n4、n7～n10、电阻r1、r2，所述第一偏置电压产生单元的输入端连接电压源vdd，输出端连接所述第一开关单元，同时，所述电压源vdd串联电阻r1后与所述第一开关单元连接；
17.所述差分转单端的跨阻级包括第二偏置电压产生单元、第二电流镜、第二开关单元、电流缓冲单元以及第三开关单元，所述第二偏置电压产生单元用于产生第一偏置电压vb，所述第二电流镜用于镜像第二偏置电压产生单元的偏置电流，所述第二开关单元、第三开关单元用于导通控制，所述电流缓冲单元用于提供推挽电压，所述第二偏置电压产生单元包括pmos管p16、p17，所述第二电流镜包括pmos管p2、p3、p6、p7，所述第二开关单元包括pmos管p18、p19、n16、n15、n14，所述第三开关单元包括pmos管p4、p8，所述电流缓冲单元包
括nmos管n5、n6、n11、n12，所述第二偏置电压产生单元、第二电流镜、第三开关单元的输入端均连接电压源vdd、所述电荷泵的输入端，所述第二偏置电压产生单元、第二电流镜、第三开关单元的输出连接所述第二开关单元，所述第二开关单元的输出连接所述电流缓冲单元的输入，并且所述电流缓冲单元的输出连接所述推挽输出级的控制端；
18.所述推挽输出级包括所述pmos管p15、nmos管n13、电容c1、c2、电阻r4、r5，所述pmos管p15的漏极、nmos管n13的漏极相连且为运算跨导放大器的输出端out，所述nmos管n13的源极接地，所述电阻r4另一端串联所述电容c1后连接所述输出端out，所述电阻r5另一端串联所述电容c2后连接所述输出端out。
19.采用本发明上述结构及方法可以达到如下有益效果：本技术在运算跨导放大器的差分跨导输入级中设置了低纹波电荷泵，低纹波电荷泵具有设计简单、受温度变化影响小的特点，因此，通过低纹波电荷泵为差分跨导输入级的第一电流镜提供更高电压的电源，解决了差分跨导输入级允许的共模输入电压范围不能达到轨到轨的问题。
20.另外，电荷泵的输出端设置有第一电流镜，第一电流镜能够抑制电荷泵输出电压的波动，从而使输入级的偏置电流几乎不受电荷泵输入时钟信号的影响，因此，其无需设置三倍电流镜即满足了差分跨导输入级的等效输入跨导恒定的要求，即无需设计复杂的额外辅助电路结构来抑制电压波动，即可获得恒定跨导，简化了电路结构。并且，低纹波电荷泵及第一电流镜的设置，使差分跨导输入级的偏置电流不随共模输入电压变化而变化，有利于简化后级电路设计以适应宽工作温度范围，从而满足了宽温度范围的应用要求。
附图说明
21.图1为传统运算跨导放大器中两组差分对的电路原理图；
22.图2为等效的输入跨导随输入电压源vdd变化的曲线图；
23.图3为传统运算跨导放大器中轨到轨输入级的电路原理图；
24.图4为本发明运算跨导放大器的电路原理图；
25.图5为本发明低纹波电荷泵的电路原理图；
26.图6为本发明低纹波电荷泵中单级电荷泵cp1/电极电荷泵cp2的电路原理图。
具体实施方式
27.为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、装置、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
28.运算跨导放大器结合负反馈网络可以实现各种模拟信号运算，运算跨导放大器(运放)的某些应用场合要求运算跨导放大器的输入和输出能够实现轨到轨，传统的轨到轨输入主要通过一对pmos管差分对和一对nmos管差分对相互配合实现，如图1所示，当输入电压源vdd(即电压源vdd)电压值比较低时，由mp10和mp20组成的pmos管差分对实现差分跨导转换的功能；当输入电压源vdd电压值比较高时，由mn10和mn20组成的nmos管差分对实现差
分跨导转换的功能；如果输入电压源vdd处于中间值，两对差分对会同时输入跨导，如图2所示，图2中纵轴gm表示等效输入跨导、横轴表示电压源vdd的电压。从图2可以看出，等效的输入跨导随输入电压源vdd变化有较大的变化幅度，除非电源电压的值刚好使nmos管差分对的关闭和pmos管差分对的开启完美衔接，但现有工艺无法达到这种完美衔接。
29.运放小信号参数对输入电压源vdd的依赖性是非线性的主要来源，因此传统的轨到轨输入级通常需要配合三倍电流镜，以实现等效输入跨导在整个输入电压范围内的近似平坦。传统的轨到轨输入级的实现电路如图3所示，三倍电流镜包括pmos管mp3与mp5、mp1与mp2、nmos管mn4与mn5，电流镜的复制倍数选为三是因为mos管mp4的跨导与其偏置电流的关系是二次开根号的关系。
30.综上，传统的轨到轨输入级存在以下缺陷：(1)等效输入跨导随输入电压源vdd变化而变化，在引入三倍电流镜的情况下一般也只能将等效输入跨导的波动控制在15％以内，这是非线性的重要来源。
31.(2)三倍电流镜技术使得输入跨导级的偏置电流随输入电压变化而变化，使后级电路的设计变得更加复杂。在宽温度范围的应用中，这个问题更加严重，原因在于：pmos管、nmos管的阈值电压具有较大的负温度系数，125℃下的pmos管、nmos管阈值电压与-50℃下相比会低200～300mv，但是pmos管、nmos管的漏源饱和电压随温度变化而变化的幅度却非常小；同时，pmos管、nmos管的载流子迁移率也具有负温度系数，即温度越高，载流子迁移率越低。因此，上述传统的三倍电流镜技术在宽温度范围的应用里受到很大的挑战。
32.由于载流子迁移率随温度升高而降低，宽温度范围的集成电路设计一般采用恒定跨导的偏置技术，即偏置电流具有正的温度系数以补偿载流子迁移率的负温度系数。pmos管、nmos管的小信号跨导是设计电路时关注的核心参数，因此尾电流源的正温度系数叠加三倍电流镜的放大效应，导致传统轨到轨运算放大器中把第一级输出的差分电流转化成单端电流的电流缓冲级的设计面临极大的挑战：共栅级mos管的栅极偏置电压既要在偏置电流最小(即差分转单端电流镜的vgs最小)时保证共栅管工作在饱和区，又要保证差分转单端电流镜充分工作在饱和区以确保运算放大器的增益。上述两个要求对共栅级mos管栅极偏置电压的要求是相反的，导致设计的空间很小，在考虑复杂工艺角的情况下甚至可能无解。
33.为解决上述问题，实现宽温度范围下轨到轨输入输出运算跨导放大器的良好工作，本发明提供如下技术方案：见图4，一种基于低纹波电荷泵的轨到轨输入输出运算跨导放大器，其包括依次连接的偏置电路、差分跨导输入级、差分转单端的跨阻级、推挽输出级。其中，偏置电路用于提供偏置电压和偏置电流，差分跨导输入级用于将共模输入电压轨到轨的输入电压的差分量转换为差分电流，差分转单端的跨阻级用于将差分电流转换为单端电压，推挽输出级采用推挽的方式把电压信号转换为电流输出。
34.其中，差分跨导输入级包括低纹波电荷泵、第一电流镜、差分对，低纹波电荷泵将电压源vdd提升后给第一电流镜供电，第一电流镜用于镜像偏置电路中的偏置电流，以提供差分对所需的尾电流。低纹波电荷泵的输入端分别连接差分转单端的跨阻级、电压源vdd，低纹波电荷泵的输出端连接第一电流镜，用于给第一电流镜供电，第一电流镜连接差分对的源极，差分对的漏极连接差分转单端的跨阻级。其中，第一电流镜包括pmos管p9～pmos管p12，差分对包括pmos管p13、pmos管p14。
35.见图5，低纹波电荷泵的具体电路结构为：包括nmos管n17、电容c3、c4、c5、单级电荷泵cp1、cp2，单级电荷泵cp1的1管脚分别连接电压源vdd、单级电荷泵cp2，单级电荷泵cp2的2管脚分别连接电容c3一端、nmos管n17的源极，单级电荷泵cp2的2管脚分别连接电容c4一端，nmos管n17的漏极连接电容c5一端，电容c3、c4、c5另一端接地，单级电荷泵cp1、cp2的3管脚连接外部输入时钟信号。
36.见图6，单级电荷泵cp1包括pmos管p20、p21、p22、p23、nmos管n18、n19、n20、n21、电容c6、c7，pmos管p20与nmos管n18的栅极、pmos管p21的漏极相连，pmos管p21与nmos管n19的栅极、pmos管p20的漏极相连，nmos管n18、n19的源极连接电压源vdd，pmos管p20、p21的源极为电压输出端，nmos管n18、n19的源极与电容c6、c7的一端一一对应连接，nmos管n18、n19为带深n阱的独立衬底nmos管，电容c6另一端分别连接pmos管p22、p23、nmos管n20、n21的栅极，电容c7另一端分别连接pmos管p23的漏极、nmos管n21的漏极，pmos管p22的栅极、nmos管n21的栅极连接外部输入时钟信号，pmos管p23、p22的源极分别连接电压源vdd，nmos管n20、n23的源极分别接地；单级电荷泵cp2的结构与单级电荷泵cp1的结构一致。
37.该低纹波电荷泵电路为低纹波升压电路，在该电路中，电容c3～c5(电容值为pf量级)的电容值很小即可保证电荷泵电路输出电压的低纹波，并且小电容占用的芯片面积较小，从而有利于节约电荷泵在整个运放中的占用空间。在输入时钟频率(即外部输入时钟信号的频率)固定的情况下，电荷泵的输出电压纹波与输出电容和负载电流有关，输出电容越大，负载电流越小，输出电压纹波越小。单级电荷泵cp1需要通过nmos管n17给电压输出端提供输出电流，因此，输出电压纹波较大；单级电荷泵cp2无需提供输出电流，因此输出电压纹波非常小。由于nmos管n17工作在饱和区，只要单级电荷泵cp1的输出电压纹波没有大到会迫使nmos管n17进入线性区，nmos管n17源端(亦即低纹波电荷泵的输出端)的电压纹波就会保持非常小，从而确保了该低纹波电荷泵的电压输出保持在较平稳的低纹波状态(即电压波动较小的状态)，从而把引入电荷泵带来的负面影响(需要较大面积实现电容，以及输出电压纹波通过馈通影响运放主体电路的工作)降低到非常低的水平。
38.差分跨导输入级的具体结构为：pmos管p9、p10的源极连接电荷泵的输出端，pmos管p9的栅极分别连接pmos管p10的栅极、电阻r3一端、pmos管p11的漏极，pmos管p11的栅极分别连接pmos管p12的栅极、电阻r3另一端、偏置电路中的nmos管n3的漏极，pmos管p12的漏极分别连接pmos管p13、p14的源极，pmos管p13的漏极分别连接差分跨导输入级中的nmos管n5、n11，pmos管p14的漏极分别连接差分跨导输入级中的nmos管n6、n12，pmos管p13的栅极为反相输入端，pmos管p14的栅极为同相输入端。
39.在该差分跨导输入级中，低纹波电荷泵在输入时钟信号的作用下将电压源v
dd
的电压提升到大约2*v
dd-v
gs
以后提供给第一电流镜，第一电流镜的输入连接偏置电路，第一电流镜的输出连接差分对的源极，差分对的漏极连接差分转单端的跨阻级。采用一对输入差分对(本实施案例中为pmos管差分对：pmos管p13、pmos管p14)作为输入级，其尾电流源(pmos管p10)抽取的电流来自一个低纹波电荷泵。由于第一电流镜的本地特性，本地特性指第一电流镜的输入输出特性与电压源的纹波几乎没有关系，因为pmos管p9的源极和pmos管p10的源极是连接在一起的。即便有纹波等外部干扰，也是第一电流镜中的各个器件共同被干扰，保证了pmos管p9和pmos管p10的栅源电压相同，因此电荷泵的输出电压纹波(即电压波动)对包含pmos管p9和p10第一电流镜几乎没有影响。尾电流源(pmos管p10)提供的电流
是恒定的，尾电流源的电流由参考电流iref和相互匹配的pmos管、nmos管的尺寸比例决定，因此，采用电荷泵即可满足等效输入跨导波动平坦性的要求，而且输入级的偏置电流几乎不随共模输入电压变化而变化。此外，由于采用了一种低纹波电荷泵，本发明额外引入电荷泵带来的负面影响(需要较大面积实现电容，以及输出电压纹波通过馈通影响运放主体电路的工作)也非常低。
40.低纹波电荷泵、以及第一电流镜(包括pmos管p9～p12和电阻r3)提供了输入差分对(包括pmos管p13、p14)的尾电流源。这里提供尾电流源的第一电流镜采用共源共栅结构，一是有利于保证在整个输入电压范围内输入偏置电流的恒定；二是防止pmos管p10在极端情况下承载过大的漏源电压，以防损坏器件或者减少器件的寿命。
41.偏置电路包括第一偏置电压产生单元、第一开关单元，第一偏置电压产生单元用于产生偏置电压vb2，第一开关单元用于对偏置电压、偏置电流进行导通控制，第一偏置电压产生单元包括pmos管p1、p5，第一开关单元包括nmos管n1～n4、n7～n10、电阻r1，第一偏置电压产生单元的输入端连接电压源vdd，输出端连接第一开关单元，同时，电压源vdd串联电阻r1后与第一开关单元连接。偏置电路的具体结构为：pmos管p1的源极分别连接电压源vdd、电阻r1一端、nmos管n1、n2栅极，pmos管p1的漏极分别连接pmos管p1的栅极、pmos管p5的源极，pmos管p5的栅极分别连接pmos管p5的栅极、nmos管n2的源极，电阻r1的另一端分别连接nmos管n1的源极、nmos管n7的栅极，nmos管n1～n4的栅极相连，nmos管n7～n10的栅极相连，nmos管n1、n2、n3、n4的源极与nmos管n7、n8、n9、n10的漏极一一对应连接，nmos管n7、n8、n9、n10的源极接地。
42.偏置电路中，电压源vdd经pmos管p1、p5产生偏置电压vb2、vb3，并同参考电流i
ref
共同作用于第一开关单元中的nmos管n1～n4、n7～n10的控制端，同时经pmos管p16、p17的电流也输送至nmos管n1～n4、n7～n10，使nmos管n1～n4、n7～n10导通工作，从而为差分转单端跨阻级中的pmos管p18、p19提供驱动电压。
43.差分转单端的跨阻级包括第二偏置电压产生单元、第二电流镜、第二开关单元、电流缓冲单元以及第三开关单元，第二偏置电压产生单元用于产生第一偏置电压vb，第二电流镜用于镜像第二偏置电压产生单元的偏置电流，第二开关单元、第三开关单元用于导通控制，电流缓冲单元用于提供推挽电压，第二偏置电压产生单元包括pmos管p16、p17，第二电流镜包括pmos管p2、p3、p6、p7，第二开关单元包括pmos管p18、p19、n16、n15、n14，第三开关单元包括pmos管p4、p8，电流缓冲单元包括nmos管n5、n6、n11、n12，第二偏置电压产生单元、第二电流镜、第三开关单元的输入端均连接电压源vdd、电荷泵的输入端，第二偏置电压产生单元、第二电流镜、第三开关单元的输出连接第二开关单元，第二开关单元的输出连接电流缓冲单元的输入，并且电流缓冲单元的输出连接推挽输出级的控制端。
44.差分转单端的跨阻级的具体电路结构为：pmos管p2、p3、p4的源极分别连接电压源vdd、电荷泵的输入端、电容c1另一端、pmos管p16的源极、推挽输出级中的pmos管p15的源极，pmos管p2、p3、p4的栅极相连，pmos管p2、p3的漏极与pmos管p6、p7的源极一一对应连接，pmos管p6、p7、p8的栅极连接，pmos管p6的漏极连接pmos管p18的源极，pmos管p17、p18、p19的栅极相连，pmos管p17的源极分别连接pmos管p16的漏极、栅极，pmos管p18的漏极分别连接nmos管n5的源极、nmos管n11、n12的栅极，nmos管n5、n6的栅极相连，nmos管n6的源极分别连接pmos管p19的漏极、nmos管n16的源极、推挽输出级中的nmos管n13，nmos管n16的栅极分
别连接nmos管n15的栅极、pmos管p8的漏极，pmos管p8的源极连接pmos管p4的漏极，nmos管n11、n12、n14接地。
45.该差分转单端的跨阻级中，nmos管n5、n6、n11、n12构成差分转单端的跨阻级(即差分电流转单端电流的跨阻级)的电流缓冲级，本发明只需要这1个，而传统的轨到轨运放在使用三倍电流镜时需要2个，上下各1个，因此，相比于传统轨到轨运放，本技术的电路结构简化。nmos管n6管输出的电流信号在nmos管n6的漏极和pmos管p7漏极转化成近似同相位同幅度的电压信号，以推挽的方式驱动后续的推挽输出级中的nmos管n13和pmos管p15导通输出。
46.推挽输出级包括pmos管p15、nmos管n13、电容c1、c2、电阻r4、r5，pmos管p15的漏极、nmos管n13的漏极相连且为运算跨导放大器的输出端out，nmos管n13的源极接地，电阻r4另一端串联电容c1后连接输出端out，电阻r5另一端串联电容c2后连接输出端out。
47.本技术的轨到轨输入的实现条件是：整个电路的电压源vdd满足vdd》vgs+vgs
p13-14
+2vdsat，其中vgs
n17
指nmos管n17的栅源电压，vgs
p13-14
指pmos管p13和p14的栅源电压，vdsat指pmos管p10和p12的漏源饱和压降(假设它们相等)，如果电压源vdd较小，使pmos管p11、p12的栅极偏置电压与nmos管n1～n4的偏置电压相同，即可实现运算跨导放大器可靠的轨到轨输入。电压源vdd的电流经电荷泵进行电压转换，转换后的电压(或电流)在第一电流镜(包括pmos管p9～p12)的作用下镜像至pmos管p1、p5，以便于为后级电路提供偏置电流，同理，低纹波电荷泵输入端的电流经第二电流镜(包括pmos管p2、p3、p6、p7)镜像至pmos管p4、p8，以便于为nmos管n15、n16、pmos管p18、p19提供电流，使nmos管n5、n6、n11、n12产生电压推挽，并以电压推挽的方式驱动推挽输出级输出电流，从而实现了模拟信号运算。
48.该运算跨导放大器中，差分输入对pmos管p13、p14(跨导级)的偏置电流和差分电流转单端电流的电流缓冲级的偏置电流来自同一参考电流i
ref
，且差分输入对始终能够正常工作。偏置电流不随共模输入电压的变化而变化，仅随温度增大而增大以补偿载流子迁移率的负温度系数；从电压的角度看，温度增加时，pmos管、nmos管的阈值电压变小，但是过驱动电压增大，降低了vgs的温度系数，因而偏置电压vb3有充足的设计空间。
49.本发明的特点是电路简单，低纹波电荷泵的设置，从根本上解决了传统运算跨导放大器的差分输入级允许的共模输入电压范围小的问题。因此，无需引入三倍电流镜等大量辅助的电路；而且，电荷泵的输出电压虽有较小纹波(电压波动)，但该电压波动的影响很大程度上被第一电流镜屏蔽，在低纹波电荷泵与第一电流镜的作用下，差分跨导输入级的共模输入电压范围增大，同时确保了等效输入跨导的基本恒定和输入级偏置电流的基本恒定，从而提高了整个轨到轨输入输出运算跨导放大器能够适应的工作温度范围。
50.总结来说，本发明的轨到轨输入运算跨导放大器具有如下优点：
51.(1)其放大信号的主体电路部分沿用成熟的传统结构，额外引入的低纹波电荷泵仅为一组电流镜提供电源以产生轨到轨输入级所需的尾电流源，因而在整个共模输入电压范围内的等效输入跨导几乎是恒定的，不像传统的轨到轨输入输出的运算跨导放大器那样需要跨导补偿电路。在电荷泵作用下，差分跨导输入级的偏置电流几乎不随共模输入电压变化而变化，因此具有恒定跨导的特点，无需设计复杂的额外辅助性电路；
52.(2)差分跨导输入级的偏置电流几乎不随共模输入电压变化而变化，有利于简化后级电路的设计以适应宽工作温度范围的要求；
53.(3)电荷泵以开关的形式工作，受温度变化的影响较小，进一步有利于满足宽温度范围的应用要求；
54.(4)低纹波电荷泵利用偏置在饱和区的nmos管的特点，以3个pf级电容就能将电荷泵带来的电压波动影响降低到非常低的水平，既降低了额外引入电荷泵而付出的成本。
55.以上的仅是本技术的优选实施方式，本发明不限于以上实施例。可以理解，本领域技术人员在不脱离本发明的精神和构思的前提下直接导出或联想到的其他改进和变化，均应认为包含在本发明的保护范围之内。
技术特征：1.一种基于低纹波电荷泵的输入输出运算跨导放大器，其包括依次连接的偏置电路、差分跨导输入级、差分转单端的跨阻级、推挽输出级；所述偏置电路用于提供偏置电压和偏置电流；所述差分跨导输入级用于将差分输入电压转换为差分电流；所述差分转单端的跨阻级用于将差分电流转换为单端电流；所述推挽输出级采用推挽的方式把单端电流转换为电流并输出；其特征在于，所述差分跨导输入级包括低纹波电荷泵、第一电流镜、差分对，所述低纹波电荷泵用于产生高于电压源vdd的电压源，并给所述第一电流镜供电，所述第一电流镜用于镜像所述偏置电路产生的偏置电流，所述低纹波电荷泵的两个输入端分别连接外部输入时钟信号、电压源vdd，所述低纹波电荷泵的输出端连接第一电流镜的电源端，所述第一电流镜的输出连接所述差分对的源极，所述差分对的漏极连接所述差分转单端的跨阻级，所述差分转单端的跨阻级的输出连接所述推挽输出级的输入，所述第一电流镜包括pmos管p9～pmos管p12和电阻r3，所述差分对包括pmos管p13、pmos管p14，所述低纹波电荷泵的输出端通过所述第一电流镜分别连接所述差分对、所述偏置电路。2.根据权利要求1所述的基于低纹波电荷泵的输入输出运算跨导放大器，其特征在于，所述低纹波电荷泵包括pmos管n17、电容c3、c4、c5、单级电荷泵cp1、cp2，所述单级电荷泵cp1的1管脚分别连接所述电压源vdd、单级电荷泵cp2，所述单级电荷泵cp2的2管脚分别连接电容c3一端、pmos管n17的源极，所述单级电荷泵cp2的2管脚分别连接电容c4一端，所述pmos管n17的漏极连接电容c5一端，所述电容c3、c4、c5另一端接地，所述单级电荷泵cp1、cp2的3管脚连接外部输入时钟信号。3.根据权利要求2所述的基于低纹波电荷泵的输入输出运算跨导放大器，其特征在于，所述单级电荷泵cp1包括pmos管p20、p21、p22、p23、nmos管n18、n19、n20、n21、电容c6、c7，所述pmos管p20与所述nmos管n18的栅极、pmos管p21的漏极相连，所述pmos管p21与所述nmos管n19的栅极、pmos管p20的漏极相连，所述nmos管n18、n19的源极连接电压源vdd，所述pmos管p20、p21的源极为电压输出端，所述nmos管n18、n19的源极与所述电容c6、c7的一端一一对应连接，所述电容c6另一端分别连接pmos管p22、p23、nmos管n20、n21的栅极，所述电容c7另一端分别连接所述pmos管p23的漏极、nmos管n21的漏极，所述pmos管p22的栅极、nmos管n21的栅极连接外部输入时钟信号，所述pmos管p23、p22的源极分别连接电压源vdd，所述nmos管n20、n23的源极分别接地；所述单级电荷泵cp2的结构与所述单级电荷泵cp1的结构一致。4.根据权利要求3所述的基于低纹波电荷泵的输入输出运算跨导放大器，其特征在于，所述第一电流镜的pmos管p9、p10的源极连接所述电荷泵的输出端，所述pmos管p9的栅极分别连接所述pmos管p10的栅极、电阻r3一端、pmos管p11的漏极，所述pmos管p11的栅极分别连接所述pmos管p12的栅极、电阻r3另一端、所述偏置电路中的nmos管n3的漏极，所述pmos管p12的漏极分别连接所述pmos管p13、p14的源极，所述pmos管p13的漏极分别连接所述差分跨导输入级中的nmos管n5、n11，所述pmos管p14的漏极分别连接所述差分跨导输入级中的nmos管n6、n12，所述pmos管p13的栅极为反相输入端，所述pmos管p14的栅极为同相输入端。5.根据权利要求4所述的基于低纹波电荷泵的输入输出运算跨导放大器，其特征在于，
所述偏置电路包括第一偏置电压产生单元、第一开关单元，所述第一偏置电压产生单元用于产生偏置电压vb2，所述第一开关单元用于对偏置电压、偏置电流进行导通控制，所述第一偏置电压产生单元包括pmos管p1、p5，所述第一开关单元包括nmos管n1～n4、n7～n10、电阻r1、r2，所述第一偏置电压产生单元的输入端连接电压源vdd，输出端连接所述第一开关单元，同时，所述电压源vdd串联电阻r1后与所述第一开关单元连接。6.根据权利要求5所述的基于低纹波电荷泵的输入输出运算跨导放大器，其特征在于，所述pmos管p1的源极分别连接电压源vdd、电阻r1一端、nmos管n1、n2栅极，所述pmos管p1的漏极连接所述pmos管p5的源极，所述pmos管p5的栅极分别连接所述nmos管n2的源极、电阻r2一端，所述电阻r2另一端分别连接所述pmos管p5的漏极、pmos管p1的栅极，所述电阻r1的另一端分别连接所述nmos管n1的源极、nmos管n7的栅极，所述nmos管n1～n4的栅极相连，所述nmos管n7～n10的栅极相连，所述nmos管n1、n2、n3、n4的源极与所述nmos管n7、n8、n9、n10的漏极一一对应连接，所述nmos管n7、n8、n9、n10的源极接地。7.根据权利要求6所述的基于低纹波电荷泵的输入输出运算跨导放大器，其特征在于，所述差分转单端的跨阻级包括第二偏置电压产生单元、第二电流镜、第二开关单元、电流缓冲单元、第三开关单元以及电阻r4、r5，所述第二偏置电压产生单元用于产生第一偏置电压vb，所述第二电流镜用于镜像第二偏置电压产生单元的偏置电流，所述第二开关单元、第三开关单元用于导通控制，所述电流缓冲单元用于提供推挽电压，所述第二偏置电压产生单元包括pmos管p16、p17，所述第二电流镜包括pmos管p2、p3、p6、p7，所述第二开关单元包括pmos管p18、p19、n16、n15、n14，所述第三开关单元包括pmos管p4、p8，所述电流缓冲单元包括nmos管n5、n6、n11、n12，所述第二偏置电压产生单元、第二电流镜、第三开关单元的输入端均连接电压源vdd、所述电荷泵的输入端，所述第二偏置电压产生单元、第二电流镜、第三开关单元的输出连接所述第二开关单元，所述第二开关单元的输出连接所述电流缓冲单元的输入，并且所述电流缓冲单元的输出连接所述推挽输出级的控制端。8.根据权利要求7所述的基于低纹波电荷泵的输入输出运算跨导放大器，其特征在于，所述pmos管p2、p3、p4的源极分别连接电压源vdd、所述电荷泵的输入端、pmos管p16的源极、所述推挽输出级中的pmos管p15的源极，所述pmos管p2、p3、p4的栅极相连，所述pmos管p2、p3的漏极与所述pmos管p6、p7、p8的源极一一对应连接，所述pmos管p6、p7、p8的栅极连接，所述pmos管p6的漏极连接所述pmos管p18的源极，所述pmos管p17、p18、p19的栅极相连，所述pmos管p17的源极分别连接所述pmos管p16的漏极、栅极，所述pmos管p18的漏极分别连接所述nmos管n5的源极、nmos管n11、n12的栅极，所述nmos管n5、n6的栅极相连，所述nmos管n6的源极分别连接所述pmos管p19的漏极、nmos管n16的源极、所述推挽输出级中的nmos管n13栅极、电阻r5一端，所述nmos管n16的栅极分别连接所述nmos管n15的栅极、pmos管p8的漏极，所述pmos管p8的源极连接所述pmos管p4的漏极，所述pmos管p7的漏极分别连接电阻r4一端、pmos管p19的源极、nmos管n6的漏极，所述nmos管n11、n12、n14接地。9.根据权利要求8所述的基于低纹波电荷泵的输入输出运算跨导放大器，其特征在于，所述推挽输出级包括所述pmos管p15、nmos管n13、电容c1、c2、电阻r4、r5，所述pmos管p15的漏极、nmos管n13的漏极相连且为运算跨导放大器的输出端out，所述nmos管n13的源极接地，所述电阻r4另一端串联所述电容c1后连接所述输出端out，所述电阻r5另一端串联所述电容c2后连接所述输出端out。
技术总结本发明公开了一种基于低纹波电荷泵的运算跨导放大器，其电路结构设计简单合理，可提高等效输入跨导的电压波动平坦效果，可满足宽温度范围应用要求，其包括依次连接的偏置电路、差分跨导输入级、差分转单端的跨阻级、推挽输出级，差分跨导输入级包括低纹波电荷泵、第一电流镜、差分对，低纹波电荷泵两个输入端分别连接外部输入时钟信号、电压源VDD，低纹波电荷泵输出端连接第一电流镜电源端，第一电流镜输出连接差分对源极，差分对漏极连接差分转单端的跨阻级，第一电流镜包括PMOS管P9～P12和电阻R3，差分对包括PMOS管P13、P14，推挽输出级输出即为运算跨导放大器电流输出端。输出即为运算跨导放大器电流输出端。输出即为运算跨导放大器电流输出端。
技术研发人员：白春风 齐敏 张骥 孙树全 乔东海
受保护的技术使用者：永年半导体（无锡）有限公司
技术研发日：2022.03.29
技术公布日：2022/7/5
