專利名稱：：相反電流差分放大器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明大體來(lái)說(shuō)涉及電子電路。
背景技術(shù)：
：差分放大器是一種用以使兩個(gè)輸入電壓之間的差倍增一常數(shù)因子(例如差分增益)的電子電路。差分放大器可用于(例如)運(yùn)算放大器(op-amp)及比較器的構(gòu)造中。差分放大級(jí)的輸入級(jí)通常由被稱為一差分對(duì)的兩個(gè)晶體管組成。所述差分對(duì)架構(gòu)具有已知的限制及設(shè)計(jì)危害。例如，所述差分對(duì)的電流源偏置可限制差分放大器的功能。如果將大信號(hào)偏置電流設(shè)置得過(guò)高，則所述差分對(duì)表現(xiàn)為共用節(jié)點(diǎn)處的虛擬接地。所述共用節(jié)點(diǎn)處的虛擬接地取消了差分對(duì)的電流導(dǎo)引能力。如果將大信號(hào)偏置電流設(shè)置得過(guò)低，則最大可實(shí)現(xiàn)差分增益會(huì)受到限制。
發(fā)明內(nèi)容揭示一種相反電流(OC)差分放大器，其消除了凈空約束及與具有電流源偏置的常規(guī)的差分對(duì)放大器相關(guān)聯(lián)的其它問(wèn)題。所述oc差分放大器具有比常規(guī)的差分對(duì)放大器高的差分增益及差分增益帶寬。圖1A-1B圖解說(shuō)明常規(guī)差分對(duì)電路的實(shí)例及大信號(hào)電流對(duì)電路的潛在增益產(chǎn)生的效應(yīng)的圖表。圖2A-2B圖解說(shuō)明常規(guī)差分對(duì)電路的實(shí)例及共用模式電壓對(duì)電路的潛在增益產(chǎn)生的效應(yīng)的圖表。圖3圖解說(shuō)明相反電路對(duì)的實(shí)例，其中僅共用模式電壓設(shè)置大信號(hào)電流，其不受可減小輸入晶體管的可用凈空的電流源抑制。圖4圖解說(shuō)明相反電流差分放大器的實(shí)例小信號(hào)模型。圖5圖解說(shuō)明相反電流差分放大器的實(shí)例電路圖。圖6圖解說(shuō)明由差分對(duì)電路對(duì)相反電流電路實(shí)現(xiàn)的差分增益及增益帶寬的圖形比較。具體實(shí)施方式與教膽雌圖1A-1B圖解說(shuō)明常規(guī)差分對(duì)(DP)電路100的實(shí)例及大信號(hào)電流對(duì)DP電路100的潛在增益產(chǎn)生的效應(yīng)的圖表150。例如，DP電路100可用來(lái)使用共用操作模式放大差分輸入。在某些實(shí)例中，可將DP電路100構(gòu)建到差分放大器、運(yùn)算放大器(叩-amp)、比較器電路或任何其它處理差分信號(hào)的電路中。DP電路100包含由第一晶體管102a及第二晶體管102b組成的差分組102。差分組102的輸出節(jié)點(diǎn)連接在共用節(jié)點(diǎn)104處。電流源晶體管106耦合在共用節(jié)點(diǎn)104與源108之間。使用電流源晶體管106來(lái)偏置流經(jīng)差分組102的電流。施加到電流源晶體管106的輸入節(jié)點(diǎn)114的電壓協(xié)助確定偏置電流，且被設(shè)置到剛好在閾值電壓以上的值，以確保電流源晶體管106保持在飽和區(qū)域中。當(dāng)大信號(hào)電流經(jīng)過(guò)差分組102時(shí)，通過(guò)用跨越112a、112b的電壓除以跨越110a、110b的電壓而可見的差分增益取決于電流源晶體管106的選擇。為進(jìn)行圖解說(shuō)明，如圖1B中所示，圖表150包含以微安繪制的基于x軸154大信號(hào)偏置電流值的DP差分增益曲線152對(duì)以分貝繪制的y軸156差分增益。為改變偏置電流，將電流源晶體管106的長(zhǎng)度保持在恒定高值處且同時(shí)掃過(guò)寬度。圖表152通過(guò)將共用模式固定于恰好在電源軌中間的IIO處并添加低微伏的小信號(hào)正弦波而產(chǎn)生。DP差分增益曲線152的彎曲類似于從其它運(yùn)算共用模式產(chǎn)生的圖表。如DP差分增益曲線152的最左邊區(qū)段158所圖解說(shuō)明，如果將差分組102中的大信號(hào)偏置電流設(shè)置得過(guò)高，則共用節(jié)點(diǎn)104表現(xiàn)為虛擬接地。在此情形下，存在極少或不存在差分放大。另外，當(dāng)將大信號(hào)偏置電流設(shè)置為高時(shí)，存在有限的可用電流導(dǎo)引。另一方面，隨著差分組102中的大信號(hào)偏置電流縮小得更低，可實(shí)現(xiàn)較大電流導(dǎo)引。遺憾的是，存在差分組102凈空與差分增益的同時(shí)減小，如曲線152的右邊區(qū)段160中可見。，貧4概膽郝備艦圖2A-2B圖解說(shuō)明DP電路100的實(shí)例(如圖1A中所描述)及共用節(jié)點(diǎn)電壓對(duì)電路100的潛在增益產(chǎn)生的效應(yīng)的圖表200。如圖2A中所示，DP電路100輔助圖解說(shuō)明描繪DP差分增益曲線202的圖表200(圖2B)。DP差分增益曲線202映射到以毫伏繪制的x軸204共用節(jié)點(diǎn)電壓對(duì)以分貝繪制的y軸206差分增益。x軸204電壓描繪如共用節(jié)點(diǎn)104處可見的電壓。與圖1B—樣，為改變共用節(jié)點(diǎn)電壓，將電流源晶體管106的長(zhǎng)度保持在恒定高值處且同時(shí)掃過(guò)寬度。圖表152通過(guò)將共用模式固定于恰好在電源軌中間的110處并添加低微伏的小信號(hào)正弦波而產(chǎn)生。DP差分增益曲線202的彎曲類似于從其它運(yùn)算共用模式產(chǎn)生的圖表。如DP差分增益曲線202的最左邊區(qū)段208所圖解說(shuō)明，低共用節(jié)點(diǎn)電壓可致使共用節(jié)點(diǎn)104表現(xiàn)為虛擬接地。在此情形下，存在極少或不存在差分放大。另外，當(dāng)共用節(jié)點(diǎn)電壓過(guò)低時(shí)，存在有限的可用電流導(dǎo)引。另一方面，隨著共用節(jié)點(diǎn)電壓增大，可實(shí)現(xiàn)最優(yōu)電流導(dǎo)引。遺憾的是，存在110凈空與差分增益的同時(shí)減小，如曲線200的右邊區(qū)段210中可見?；仡檲D表152(圖IB)及圖表200兩者，圖中顯示，在最大化DP電路100的共用節(jié)點(diǎn)104所經(jīng)歷的差分增益的凈空時(shí)，犧牲了電流導(dǎo)引，且反之亦然。在設(shè)計(jì)DP電路時(shí)，高頻率與低功率是相互排他的。在最優(yōu)差分增益下，偏置電流可不如所期望一樣高。對(duì)于固定的共用模式，且隨著電流源減小到最優(yōu)高差分增益，大信號(hào)電流受到差分組102的輸入晶體管102a、102b的凈空限制。此限制了潛在增益帶寬，同時(shí)晶體管102a、102b的電容保持恒定。隨著電源電壓減小，差分增益及增益帶寬類似地減小。電源電壓可僅在仍維持足夠的增益帶寬(例如通常大于IV)的情況下才減少。即使是在較高的電源電壓值下，基于DP電路100的限制，與其說(shuō)可實(shí)現(xiàn)較大的增益帶寬，不如說(shuō)可能更需要較大的增益帶寬。微潛雄膽微圖3圖解說(shuō)明相反電流對(duì)的實(shí)例，其中僅共用模式電壓設(shè)置大信號(hào)電流，此不受減少輸入晶體管102a、102b的可用凈空的電流源106抑制。通過(guò)移除電流源晶體管106，OC差分組300可在不受到差分對(duì)配置中的電流源所強(qiáng)加的限制(如圖1B、2B的圖表150、200中所圖解說(shuō)明)的情況下執(zhí)行。OC差分組300的大信號(hào)偏置電流僅由共用模式設(shè)置，且與差分對(duì)配置不同，其并不是不必要地受來(lái)自電流源的減小的凈空所抑制。，V、信號(hào)微圖4圖解說(shuō)明圖5中顯示的OC差分放大器電路的實(shí)例小信號(hào)模型400。小信號(hào)模型400考慮了OC差分放大器電路的功能且同時(shí)在飽和模式中運(yùn)行。小信號(hào)模型400包含兩個(gè)鏡像半部，非反相半部402及反相半部402'，其定位在小信號(hào)電壓輸出v。d404的任一側(cè)。與OC差分放大器電路的輸入?yún)^(qū)段相關(guān)聯(lián)的輸入電流源406可由以下方程式來(lái)描述一V〖rfgmf，其中Vui是小信號(hào)差分輸入電壓，且gm,是小信號(hào)輸入跨導(dǎo)。所述輸入?yún)^(qū)段包含兩個(gè)并聯(lián)的晶體管，且每一晶體管貢獻(xiàn)所述跨導(dǎo)的一半。參考電阻器408表示OC差分放大器電路的參考區(qū)段對(duì)小信號(hào)模型400產(chǎn)生的二極管效應(yīng)。所述參考區(qū)段的效應(yīng)可由以下方程式來(lái)描述2g附"參考電阻器408描述了OC差分放大器電路內(nèi)的電流鏡效應(yīng)，其中g(shù)皿是與參考區(qū)段相關(guān)聯(lián)的小信號(hào)跨導(dǎo)。兩個(gè)并聯(lián)的晶體管促成了所述電流鏡像，從而致使逆跨導(dǎo)加倍。與OC差分放大器電路的輸出區(qū)段相關(guān)聯(lián)的輸出電流源410的貢獻(xiàn)由以下方程式來(lái)描述其中g(shù)m。是與OC差分放大器電路的輸出區(qū)段相關(guān)聯(lián)的小信號(hào)跨導(dǎo)，且V。d,/.是小信號(hào)差分輸出電壓。注意，輸出電流源可看作包含兩個(gè)并聯(lián)的晶體管的OC差分放大器電路的輸出區(qū)段。為求解出差分增益，小信號(hào)增益計(jì)算簡(jiǎn)化為<formula>formulaseeoriginaldocumentpage7</formula>通過(guò)向OC差分放大器電路施加相反振幅的輸入信號(hào)，經(jīng)放大的輸出具有相同定向?？捎蒾c差分放大器電路實(shí)現(xiàn)的最大增益及增益帶寬大于目前使用差分對(duì)放大所實(shí)現(xiàn)的最大增益及增益帶寬。^f淑及敏魔差分龍丈器游,辨冶蘑圖5圖解說(shuō)明OC差分放大器電路500的實(shí)例電路圖。例如，OC差分放大器電路500可使用金屬氧化物場(chǎng)效應(yīng)晶體管(MOSFET)來(lái)構(gòu)造。OC差分放大器電路500可使用標(biāo)準(zhǔn)制造工藝來(lái)形成。OC差分放大器電路的布局與形成差分對(duì)放大器所需的占用面積大體相當(dāng)。出于說(shuō)明的目的，OC差分放大器電路500可分為非反相及反相電路布置501及503。電路布置501、503中的每一者可具有三個(gè)區(qū)段輸入?yún)^(qū)段502、參考區(qū)段504及輸出區(qū)段506。非反相電路布置503是反相電路布置501的鏡像圖像。因此，將針對(duì)非反相電路布置501來(lái)描述電路500，且應(yīng)了解，可類似地描述反相電路布置503?，F(xiàn)在參照電路圖的非反相電路布置501(例如電路500的左側(cè))，施加到非反相差分輸入節(jié)點(diǎn)508的第一電壓可由以下方程式來(lái)描述<formula>formulaseeoriginaldocumentpage7</formula>在此方程式中，將小信號(hào)輸入差分電壓vld的一半與共用模式輸入電壓V^相加。類似地，施加到反相差分輸入節(jié)點(diǎn)508'(電路500的右側(cè))的第二電壓可由以下方程式來(lái)描述<formula>formulaseeoriginaldocumentpage7</formula>在此方程式中，從共用模式輸入電壓Vie中減去小信號(hào)輸入差分電壓vld的一半。第一電壓V+與第二電壓V.具有相反的振幅。歸因于OC差分放大器電路500的相反電流，經(jīng)放大的輸出電壓V。d+,.具有相同定向。輸入?yún)^(qū)段502可包含p溝道MOSFET(p-MOSFET)非反相輸入晶體管512、p-MOSFET反相輸入晶體管512'、n溝道MOSFET(n-MOSFET)非反相輸入晶體管514及n-MOSFET反相輸入晶體管514'。這些MOSFET晶體管布置以利用來(lái)自差分輸入節(jié)點(diǎn)508、508'的全輸入電壓以用于輸入?yún)^(qū)段502處的完整偏置。因此，不向與常規(guī)差分對(duì)放大器相關(guān)聯(lián)的輸入晶體管512、512'、514、514'施加任何人為的凈空限制。電路500中每晶體管電容更多的電流允許更高的頻率響應(yīng)且因此允許更高的增益帶寬?？墒筽-MOSFET輸入晶體管512、512'參考第一電源軌VDD510?？墒筺-MOSFET輸入晶體管514、514參考第二電源軌Vss511。p-MOSFET輸入晶體管512、512'與n-MOSFET輸入晶體管514、514'可各自具有增益值ap，其中a代表應(yīng)用于MOSFET晶體管的比例工的定標(biāo)因數(shù)，其中W是晶體管柵極寬度，且L是晶體管柵極長(zhǎng)度。參照非反相電路布置510的參考區(qū)段504，p-MOSFET非反相輸入晶體管512的漏極耦合到n-MOSFET非反相參考晶體管516的漏極。沿此連接流動(dòng)的輸入電流I,可由以下方程式來(lái)描述n-MOSFET非反相輸入晶體管514的漏極耦合到p-MOSFET非反相參考晶體管518的漏極。非反相參考晶體管516、518可各自具有增益值crp，其中cj是應(yīng)用于晶體管的比例;的定標(biāo)因數(shù)。這些標(biāo)量的某些實(shí)例值可以是a-3及a二l。還可能是其它值。指派給a及cr的值可影響共用模式輸入范圍。共用模式輸入范圍的選擇可確定相反電流電路的最大增益。在某些實(shí)施方案中，參考區(qū)段504應(yīng)用電平移位且穩(wěn)定放大。參考區(qū)段504還可將電壓電平維持在中心點(diǎn)附近。p-MOSFET非反相參考晶體管518的柵極與漏極可耦合在一起，且p-MOSFET非反相參考晶體管518的柵極還可耦合到p-MOSFET非反相輸出晶體管520的柵極。非反相p-MOSFET電流鏡像節(jié)點(diǎn)522耦合到反相電路布置503中的n-MOSFET反相輸出晶體管528'。參考電流[沿此路徑流動(dòng)。所述參考電流Ir可由以下方程式來(lái)描述其中V。d+,.是指正增益輸出節(jié)點(diǎn)526'處可見的電壓減去負(fù)增益輸出節(jié)點(diǎn)526處的電壓。n-MOSFET非反相參考晶體管516的柵極與漏極類似地耦合在一起，且n-MOSFET非反相參考晶體管516的柵極耦合到n-MOSFET非反相輸出晶體管528的柵極。非反相n-MOSFET電流鏡像節(jié)點(diǎn)530耦合到p-MOSFET反相輸出晶體管520'的漏極。輸出電流I。沿此路徑流動(dòng)。所述輸出電流I?？捎梢韵路匠淌絹?lái)描述將n-MOSFET電流鏡像節(jié)點(diǎn)530到p-MOSFET反相輸出晶體管520'的耦接頭與p-MOSFET電流鏡像節(jié)點(diǎn)522到n-MOSFET反相輸出晶體管(528')的耦接頭接合在反相輸出節(jié)點(diǎn)526處。反相輸出晶體管520、528以及反相輸出晶體管520'、528'各自具有增益P。針對(duì)在輸出節(jié)點(diǎn)526中的一者處參考的電壓的方程式如下其中VT是晶體管I閨值電壓，Vic是共用模式輸入電壓。在輸出區(qū)段506內(nèi)，由電流鏡像節(jié)點(diǎn)522、530提供的電流鏡像使相反電流反相，以使得兩個(gè)電流放大為負(fù)載。電路的反相(例如右)半部以類似方式設(shè)計(jì)。教潛益及譜益微雌圖6圖解說(shuō)明由常規(guī)的DP放大器電路對(duì)OC差分放大器電路實(shí)現(xiàn)的對(duì)差分增益及增益帶寬的比較的圖表600。依據(jù)表示頻率(以對(duì)數(shù)單位測(cè)量)的x軸602及表示增益(以分貝測(cè)量)的y軸604而繪制的DP跡線606圖解說(shuō)明由針對(duì)最優(yōu)增益而設(shè)定大小的典型DP放大器電路實(shí)現(xiàn)的增益。圖表600基于約1.3伏的輸入電壓。OC跡線608在DP跡線606上方且超過(guò)DP跡線606而延伸，此圖解說(shuō)明OC差分放大器電路的較高截止頻率(較高增益帶寬)及較高增益。表I提供圖表600的離散點(diǎn)處的一些比較值-表I:實(shí)例增益及增益帶寬數(shù)據(jù)<table>tableseeoriginaldocumentpage9</column></row><table>如表I中由兩個(gè)曲線606、608之間的間隙610所示，不但OC差分放大器電路比相當(dāng)?shù)腄P放大器電路提供更多的增益，而且使用OC差分放大器電路可獲得更多的增益帶寬。隨著電源電壓減小，間隙610變寬。無(wú)論速度對(duì)增益的折衷如何，OC差分放大器電路表現(xiàn)出較高的差分增益及較高的增益帶寬。共模抑制比(CMRR)同樣地反映差分增益的差。其它OC差分放大器電路性能測(cè)量(例如電源抑制比(PSRR)及輸入共模范圍(ICMR))與使用大小相等的晶體管的DP放大器電路的性能相當(dāng)或超過(guò)所述DP放大器電路的性能。由于OC差分放大器電路缺少超過(guò)輸入晶體管的閾值電壓的凈空限度，因此共用模式可擺到比常規(guī)DP放大器電路更寬的電壓范圍。這意味著OC差分放大器電路的ICMR應(yīng)超過(guò)DP放大器電路的性能。C差分放大器電路的對(duì)稱設(shè)計(jì)所提供的其它優(yōu)點(diǎn)包含減小的總諧波失真、更居中的電平移位(例如歸因于圖5中所描述的參考區(qū)段504)及跨越頻率的較寬信號(hào)擺幅。本文已描述若干實(shí)施方案。然而，應(yīng)了解，可做出各種修改。例如，可對(duì)所描述的電路內(nèi)的個(gè)別元件加以組合、刪減、修改或補(bǔ)充以提供進(jìn)一步功能。另外，所描述的電路可由其它材料或類型的電子元件構(gòu)造而成且仍可實(shí)現(xiàn)所期望的結(jié)果。因此，其它實(shí)施方案也在以上權(quán)利要求書的范圍內(nèi)。權(quán)利要求1、一種相反電流(OC)差分放大器電路，其包括非反相電路布置，其包含第一輸入?yún)^(qū)段，其包含可操作以利用全輸入電壓的非反相輸入節(jié)點(diǎn)；第一參考區(qū)段，其耦合到所述第一輸入?yún)^(qū)段且可操作以應(yīng)用電平移位及穩(wěn)定放大；第一輸出區(qū)段，其耦合到所述第一參考區(qū)段且可操作以將第一電流放大為負(fù)載；反相電路布置，其耦合到所述非反相電路布置且包含第二輸入?yún)^(qū)段，其包含可操作以利用全輸入電壓的非反相輸入節(jié)點(diǎn)；第二參考區(qū)段，其耦合到所述第二輸入?yún)^(qū)段且可操作以應(yīng)用電平移位及穩(wěn)定放大；及第二輸出區(qū)段，其耦合到所述第二參考區(qū)段且可操作以將第二電流放大為負(fù)載，其中所述非反相及反相電路布置可操作以提供所述OC差分放大器電路的小信號(hào)差分增益，所述小信號(hào)差分增益隨所述輸入、參考及輸出區(qū)段的跨導(dǎo)而變。2、如權(quán)利要求1所述的電路，其中所述輸入?yún)^(qū)段包含輸入晶體管，且所述OC差分放大器電路的凈空被限定到所述輸入晶體管的閾值電壓。3、如權(quán)利要求2所述的電路，其中所述輸入晶體管是金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管(MOSFET)。4、如權(quán)利要求3所述的電路，其中所述輸出區(qū)段包含電平移位器及p-MOSFET晶體管的電流鏡。5、如權(quán)利要求3所述的電路，其中所述OC差分放大器電路的輸入偏移電壓與所述輸入?yún)^(qū)段的增益成正比且與晶體管大小成反比。6、如權(quán)利要求l所述的電路，其中所述小信號(hào)差分增益由^=g—mg給出，其中g(shù)^是與所述輸入?yún)^(qū)段相關(guān)聯(lián)的小信號(hào)跨導(dǎo)，g皿是與所述參考區(qū)段;目關(guān)i的小信號(hào)跨導(dǎo)，且g^是與所述輸出區(qū)段相關(guān)聯(lián)的小信號(hào)跨導(dǎo)。7、如權(quán)利要求6所述的電路，其中所述輸入?yún)^(qū)段的小信號(hào)效應(yīng)由土^乙,給出，其中^是小信號(hào)差分輸入電壓。8、如權(quán)利要求6所述的電路，其中所述參考區(qū)段的所述小信號(hào)效應(yīng)由1給出。2g靴9、如權(quán)利要求6所述的電路，其中所述輸出區(qū)段的所述小信號(hào)效應(yīng)由2(;^+_)^給出，其中V。d是小信號(hào)差分輸出電壓。10、如權(quán)利要求1所述的電路，其中所述輸出區(qū)段的差分輸出節(jié)點(diǎn)以由r。d+/《^+f!丫l-W給出的電壓為參考，其中a及。是定標(biāo)因數(shù)，Vt是晶體管閾值電壓，V"是共用模式輸入電壓，且V。d+,.是如在所述差分輸出節(jié)點(diǎn)處看到的差分輸出電壓。11、如權(quán)利要求l所述的電路，其中所述第一或第二電路布置進(jìn)一步包括第一晶體管及第二晶體管，所述第一及第二晶體管參考第一電源軌；及第三晶體管及第四晶體管，所述第三及第四晶體管參考第二電源軌，所述第三晶體管的漏極耦合到所述第二晶體管的漏極，且所述第四晶體管的漏極耦合到所述第一晶體管的漏極。12、如權(quán)利要求ll所述的電路，其進(jìn)一步包括第一參考晶體管，其參考所述第一電源軌且具有耦合到所述第二及第三晶體管的相應(yīng)漏極且耦合到所述第二晶體管的柵極的柵極；及第二參考晶體管，其參考所述第二電源軌且具有耦合到所述第一及第四晶體管的相應(yīng)漏極且耦合到所述第四晶體管的柵極的柵極。13、如權(quán)利要求11所述的電路，其中所述第一及第三晶體管具有由ct(3的乘積給出的增益值，其中(3是所述晶體管的增益且a代表應(yīng)用于晶體管的比例^的定標(biāo)因丄數(shù)，其中W是柵極寬度且L是所述晶體管的柵極長(zhǎng)度。14、如權(quán)利要求ll所述的電路，其中所述第二及第四晶體管具有由oP的乘積給出的增益值，其中(3是所述晶體管的增益且(J代表應(yīng)用于晶體管的比例！的定標(biāo)丄因數(shù)，其中W是柵極寬度且L是所述晶體管的柵極長(zhǎng)度。全文摘要本發(fā)明揭示一種相反電流(OC)差分放大器，其消除了凈空約束及與具有電流源偏置的常規(guī)差分對(duì)放大器相關(guān)聯(lián)的其它問(wèn)題。所述OC差分放大器具有比常規(guī)差分對(duì)放大器高的差分增益及差分增益帶寬。文檔編號(hào)H03F3/45GK101546987SQ200910129390公開日2009年9月30日申請(qǐng)日期2009年3月24日優(yōu)先權(quán)日2008年3月24日發(fā)明者杰德·格里芬申請(qǐng)人:愛(ài)特梅爾公司