本发明属于放大器，具体涉及一种基于自适应偏置和共源共栅补偿的两级级联高增益放大器。
背景技术：
1、自然界中产生和人类可以识别的信号属于模拟信号，而当今高性能信号处理大多在数字域中由计算机完成，因此将幅值和时间均连续的模拟信号转化为幅值和时间均离散的数字信号的模数转换器(analog-to-digital converter，adc)得到了广泛的应用。作为信号链中的重要部分，模数转换器的精度、速度与功耗成为了信号处理精度、速度与功耗的决定因素；随着移动通信、传感器、生物医疗和物联网等领域的快速发展，对精确和高质量数据信息的要求也越来越高，因此对高精度adc的需求也大幅增长。
2、常见的高精度adc包括delta-sigma adc和pipeline adc，delta-sigma adc通过过采样和噪声整形技术实现对信号带宽内的量化噪声的抑制，达到很高的信噪比；pipeline adc则通过级联多个精度较低的子adc在实现较高精度的同时也实现了高速工作。然而，delta-sigma adc对其中的第一级积分器中的放大器的增益、带宽、摆率和线性度均有很高的要求，而pipeline adc对其中的残差放大器性能也有相似的要求，这两种adc中放大器的性能均决定了整个adc的性能和能效。
3、随着集成电路的特征尺寸不断缩小，实现高增益高性能的放大器正成为集成电路设计的热点和难点，传统的共源共栅结构放大器可以实现很高的增益，然而其摆幅却受到很大的限制；使用米勒补偿的两级放大器可以在达到高增益的同时得到较好的稳定性，但其通常需要调零电阻并且消耗较大的功耗。近年来提出的浮动反相放大器实现了动态的工作，并且不需要额外的共模反馈电路，然而其增益通常很低，难以满足高增益高性能的需求。
4、例如文献[r.s.ashwin kumar,n.krishnapura,and p.banerjee,“analysis anddesign of a discrete-time delta-sigma modulator using a cascoded floating-inverter-based dynamic amplifier,”ieee j.solid-state circuits,vol.57,no.11,pp.3384-3395,nov.2022]提出了一种基于vcm偏置的共源共栅浮动反相放大器，其通过使用vcm偏置技术消除了额外的偏置电路，通过使用共源共栅技术提高了增益；但该放大器作为单级放大器，增益仍然有限，并且共源共栅结构限制了该放大器所能提供的输出摆幅。文献[y.choi,w.lee,s.park,c.kim,h.jung and c.kim,"a 101.6-db-sndr fully dynamiczoom adc using miller-compensated floating inverter amplifiers,"in ieeetransactions on circuits and systems ii:express briefs,doi:10.1109/tcsii.2024.3392909]提出了一种基于米勒补偿的两级级联浮动反相放大器，其通过使用两级级联技术提高了增益，通过使用米勒补偿技术提高了两级级联放大器的稳定性，并具有高于单级共源共栅结构的输出摆幅；但该放大器的两级均使用了普通无共源共栅的浮动反相放大器结构，因而仅比vcm偏置的放大器所能提供的增益略高，增益也有限，并且米勒补偿技术需要较大的米勒电容和额外的调零电阻。因此，现阶段我们需要具有更高增益、较高的输出摆幅、简单的偏置技术和补偿技术的高增益放大器。
技术实现思路
1、鉴于上述，本发明提供了一种基于自适应偏置和共源共栅补偿的两级级联高增益放大器，利用自适应偏置的浮动反相放大器与电流源偏置的反相放大器级联，在实现高增益的同时避免共源共栅结构对摆幅的影响。
2、一种基于自适应偏置和共源共栅补偿的两级级联高增益放大器，由两级放大器级联构成，其中第一级放大器通过交叉耦合的形式构成自适应偏置以提高系统增益，第二级放大器通过电流复用以实现较高的电流效率，进一步提升系统增益和输出摆幅。
3、进一步地，所述第一级放大器采用自适应偏置的共源共栅浮动反相放大器电路，第二级放大器采用电流源偏置的反相放大器电路。自适应偏置的共源共栅浮动反相放大器在传统用vcm偏置的共源共栅浮动反相放大器的基础上，将偏置改为交叉耦合的自适应偏置来提高增益和速度，省去外部偏置电路和额外共模反馈电路，保持了低噪声和低功耗的优点，同时获得较大的电流以提高带宽和摆率。
4、进一步地，所述自适应偏置的共源共栅浮动反相放大器电路包括四个pmos管m1、m2、m5、m6、四个nmos管m3、m4、m7、m8、电容cres以及六个开关s1～s6，其中s1的一端接电源电压vdd，s1的另一端与s3的一端以及cres的一端相连，s3的另一端与m1的源极以及m2的源极相连，m1的栅极与m3的栅极相连并作为第一级放大器的反相电压输入端，m2的栅极与m4的栅极相连并作为第一级放大器的正相电压输入端，m1的漏极与m5的源极以及m8的栅极相连，m2的漏极与m6的源极以及m7的栅极相连，m5的栅极与m8的源极以及m4的漏极相连，m6的栅极与m7的源极以及m3的漏极相连，m5的漏极与m7的漏极以及s5的一端相连并作为第一级放大器的正相电压输出端，m6的漏极与m8的漏极以及s6的一端相连并作为第一级放大器的反相电压输出端，s5的另一端与s6的另一端相连并外接共模电压vcm，m3的源极与m4的源极以及s4的一端相连，s4的另一端与cres的另一端以及s2的一端相连，s2的另一端接地；开关s1、s2、s5、s6的控制极接时钟信号开关s3、s4的控制极接时钟信号
5、进一步地，所述电流源偏置的反相放大器电路包括三个pmos管m9、m10、m13、三个nmos管m11、m12、m14以及两个开关s7～s8，其中m13的源极接电源电压vdd，m13的栅极外接偏置电压vbp，m13的漏极与m9的源极以及m10的源极相连，m9的栅极与m11的栅极相连并作为第二级放大器的正相电压输入端，m10的栅极与m12的栅极相连并作为第二级放大器的反相电压输入端，m9的漏极与m11的漏极以及s8的一端相连并作为第二级放大器的反相电压输出端，m10的漏极与m12的漏极以及s7的一端相连并作为第二级放大器的正相电压输出端，s7的另一端与s8的另一端相连并外接共模电压vcm，m11的源极与m12的源极以及m14的漏极相连，m14的栅极接共模反馈电压vcmfb，m14的源极接地；开关s7、s8的控制极接时钟信号
6、进一步地，所述时钟信号用于使开关在系统复位阶段闭合，时钟信号用于使开关在系统放大阶段闭合，与相位互补且存有一定的死区时间。
7、进一步地，所述共模反馈电压vcmfb由共模反馈电路生成提供，所述共模反馈电路包括两个电阻r1～r2以及一个放大器amp1，其中r1的一端接第二级放大器的正相电压输出端，r2的一端接第二级放大器的反相电压输出端，r1的另一端与r2的另一端以及amp1的正相输入端相连，amp1的反相输入端接共模电压vcm，amp1的输出端生成共模反馈电压vcmfb。
8、进一步地，两级放大器之间设有共源共栅补偿电路，用于为两级放大器提供频率补偿，其包括四个电容c1～c4，其中c1的一端接m3的漏极，c2的一端接m1的漏极，c1的另一端与c2的另一端相连并接第二级放大器的反相电压输出端，c3的一端接m4的漏极，c4的一端接m2的漏极，c3的另一端与c4的另一端相连并接第二级放大器的正相电压输出端。该补偿电路为两级放大器提供频率补偿，使放大器稳定，在分离主极点和次极点的同时能够消除米勒补偿所需的调零电阻并确保系统稳定性。
9、与现有技术相比，本发明采用了两级级联放大器的基本结构，第一级采用自适应偏置的共源共栅浮动反相放大器结构，通过交叉耦合偏置显著提升了增益，同时获得较大的电流以提高带宽和摆率，并且省掉了外部偏置电路和额外的共模反馈电路；第二级采用电流源偏置的反相放大器结构，通过电流复用实现了较高的电流效率，并获得较大的输出摆幅。此外，本发明利用共源共栅补偿电路省掉了米勒补偿需要的调零电阻，整体具有高增益、高速度的优点。
1.一种基于自适应偏置和共源共栅补偿的两级级联高增益放大器，其特征在于：由两级放大器级联构成，其中第一级放大器通过交叉耦合的形式构成自适应偏置以提高系统增益，第二级放大器通过电流复用以实现较高的电流效率，进一步提升系统增益和输出摆幅。
2.根据权利要求1所述的两级级联高增益放大器，其特征在于：所述第一级放大器采用自适应偏置的共源共栅浮动反相放大器电路，第二级放大器采用电流源偏置的反相放大器电路。
3.根据权利要求2所述的两级级联高增益放大器，其特征在于：所述自适应偏置的共源共栅浮动反相放大器电路包括四个pmos管m1、m2、m5、m6、四个nmos管m3、m4、m7、m8、电容cres以及六个开关s1～s6，其中s1的一端接电源电压vdd，s1的另一端与s3的一端以及cres的一端相连，s3的另一端与m1的源极以及m2的源极相连，m1的栅极与m3的栅极相连并作为第一级放大器的反相电压输入端，m2的栅极与m4的栅极相连并作为第一级放大器的正相电压输入端，m1的漏极与m5的源极以及m8的栅极相连，m2的漏极与m6的源极以及m7的栅极相连，m5的栅极与m8的源极以及m4的漏极相连，m6的栅极与m7的源极以及m3的漏极相连，m5的漏极与m7的漏极以及s5的一端相连并作为第一级放大器的正相电压输出端，m6的漏极与m8的漏极以及s6的一端相连并作为第一级放大器的反相电压输出端，s5的另一端与s6的另一端相连并外接共模电压vcm，m3的源极与m4的源极以及s4的一端相连，s4的另一端与cres的另一端以及s2的一端相连，s2的另一端接地；开关s1、s2、s5、s6的控制极接时钟信号φ1，开关s3、s4的控制极接时钟信号φ2。
4.根据权利要求2所述的两级级联高增益放大器，其特征在于：所述电流源偏置的反相放大器电路包括三个pmos管m9、m10、m13、三个nmos管m11、m12、m14以及两个开关s7～s8，其中m13的源极接电源电压vdd，m13的栅极外接偏置电压vbp，m13的漏极与m9的源极以及m10的源极相连，m9的栅极与m11的栅极相连并作为第二级放大器的正相电压输入端，m10的栅极与m12的栅极相连并作为第二级放大器的反相电压输入端，m9的漏极与m11的漏极以及s8的一端相连并作为第二级放大器的反相电压输出端，m10的漏极与m12的漏极以及s7的一端相连并作为第二级放大器的正相电压输出端，s7的另一端与s8的另一端相连并外接共模电压vcm，m11的源极与m12的源极以及m14的漏极相连，m14的栅极接共模反馈电压vcmfb，m14的源极接地；开关s7、s8的控制极接时钟信号φ1。
5.根据权利要求3或4所述的两级级联高增益放大器，其特征在于：所述时钟信号φ1用于使开关在系统复位阶段闭合，时钟信号φ2用于使开关在系统放大阶段闭合，φ1与φ2相位互补且存有一定的死区时间。
6.根据权利要求4所述的两级级联高增益放大器，其特征在于：所述共模反馈电压vcmfb由共模反馈电路生成提供，所述共模反馈电路包括两个电阻r1～r2以及一个放大器amp1，其中r1的一端接第二级放大器的正相电压输出端，r2的一端接第二级放大器的反相电压输出端，r1的另一端与r2的另一端以及amp1的正相输入端相连，amp1的反相输入端接共模电压vcm，amp1的输出端生成共模反馈电压vcmfb。
7.根据权利要求3所述的两级级联高增益放大器，其特征在于：两级放大器之间设有共源共栅补偿电路，用于为两级放大器提供频率补偿，其包括四个电容c1～c4，其中c1的一端接m3的漏极，c2的一端接m1的漏极，c1的另一端与c2的另一端相连并接第二级放大器的反相电压输出端，c3的一端接m4的漏极，c4的一端接m2的漏极，c3的另一端与c4的另一端相连并接第二级放大器的正相电压输出端。
8.根据权利要求1所述的两级级联高增益放大器，其特征在于：采用了两级级联放大器的基本结构，第一级采用自适应偏置的共源共栅浮动反相放大器结构，通过交叉耦合偏置显著提升了增益，同时获得较大的电流以提高带宽和摆率，并且省掉了外部偏置电路和额外的共模反馈电路；第二级采用电流源偏置的反相放大器结构，通过电流复用实现了较高的电流效率，并获得较大的输出摆幅。
