專利名稱：低壓差分放大器的制作方法
技術領域：
本發(fā)明主要涉及到差分放大器，尤其是低壓差分放大器。


圖1、給出了一種常規(guī)完全差分放大器級。它包括一差分增益對M1和M2，負載對M3和M4，以及一電流源M5。共模輸入電壓的下界由下式給出Vlow＝Vdsatm5+Vdsatm2+Vtm2其中，Vdsatmx代表晶體管mx的飽和電壓，Vtmx代表晶體管mx的門限電壓。
共模輸入電壓的上界由下式給出Vhigh＝Vdd-Vdsatm4-Vtm4+Vtm2通常，Vt＝0.75v、Vdsat＝0.1v。按照這些值，當Vlow＝Vhigh時，差分放大器停止工作。
Vdsatm5+Vdsatm2+Vtm2＝Vdd-Vdsatm4-Vtm4+Vtm23Vdsat+Vtm4＝Vdd＝1.05在此電壓下(Vdd＝1.05)，放大器沒有可用輸入范圍。當放大器工作于2.75v＝Vdd時，可用輸入范圍為0.95v到2.6v或1.65v。在許多應用中，這樣的輸入范圍是不夠的(見圖5，102項)。通過在M1和M2處使用零門限裝置(即Vtm2＝0.0v)，可以將輸入范圍移動(變換)，但是這樣并不能獲得額外的可用輸入范圍。注意不能使用零門限裝置替換M3和M4。
如果制造出具有寬可操作電壓范圍的低壓差分放大器，對現(xiàn)有技術可謂一個改進。
圖1為簡化了的現(xiàn)有技術的完全差分放大器的電路簡圖。
圖2為簡化了的根據本發(fā)明的低壓差分放大器的電路簡圖。
圖3為根據本發(fā)明，連接于圖2所示低壓差分放大器的嵌入差分放大器的電路簡圖。
圖4為根據本發(fā)明，連接于圖2所示低壓差分放大器的嵌入差分放大器的另一種實施方式的電路簡圖。
圖5為一簡圖，其縱軸單位為伏特，它給出了圖1所示現(xiàn)有技術差分放大器與圖2、3所示根據本發(fā)明的低壓差分放大器及其部件之間不同電壓范圍的比較。
參考圖2，它給出了低壓差分放大器10。低壓差分放大器10包括一差分放大器電路12，電路12包含一具有反相輸入16和同相輸入18的差分對14，電路12還包括一與差分對14相連的偏置電流源20，低壓差分放大器10還包括第一和第二負載22和24，以及反相和同相輸出26和28。第一負載包括第一嵌入差分放大器30，第一輸出晶體管32和第一電流源34。與其相似，第二負載24包括第二嵌入差分放大器36，第二輸出晶體管38和第二電流源40。
第一和第二負載22和24提供了實質上獨立于反相和同相輸入16和18處的輸入電壓的，維持輸出晶體管32和38工作于其飽和區(qū)的手段。嵌入差分放大器30和36以及第一和第二基準電壓將輸出晶體管32和38的源極-漏極電壓固定于一個標稱值Vdat32。在這種配置下，共模輸入電壓的上界由下式給出Vhigh＝Vdd-Vdsat32+Vt68，共模輸入電壓的下界由下式給出Vlow＝Vdsat20+Vdsat68+Vt68。根據典型值Vt＝0.75v，Vdsat＝0.1v以及Vdd＝2.7v，差分放大器的共模輸入范圍為Vhigh＝2.7v-0.1v+0.75v＝3.35v，Vlow＝0.1v+0.1v+0.75v＝0.95v。這就顯著改善了低壓差分放大器10的工作范圍(具體示于圖4，104項)。通過在差分對14中使用零門限裝置，可以將共模輸入電壓的上界降到低于Vdd，這樣差分放大器的共模輸入范圍為Vhigh＝2.7v-0.1v+0.0v＝2.6v以及Vlow＝0.1v+0.1v+0.0v＝0.2v(具體示于圖4，范圍106)。
參考圖2，第一負載22包括一第一嵌入差分放大器(Diff.Amp)30，差分放大器30具有第一反相輸入46和第一同相輸入48。第一輸出晶體管32包括柵極、源極、漏極，分別為52、54、56。第一電流源34連接到第一同相輸入48和第一輸出晶體管32的漏極56。60所示為第一共用結點連接。電流源34能夠吸收來自第一輸出晶體管32的電流。第一嵌入差分放大器輸出50連接到p通道晶體管32的柵極52。
這種配置使用了由第一輸出晶體管32的漏極56到第一嵌入差分放大器30的同相輸入48的負反饋通道。這種負反饋為第一輸出晶體管32建立了源極54到漏極56電壓的固定標稱值。第一電流源34通過保證下述情況來為電路提供頻率穩(wěn)定性——當差分對14從輸出晶體管32吸收極小電流時，輸出晶體管32的漏極電流值大于或等于電流源34的值，因而晶體管32實際總是被偏置的。嵌入差分放大器50的輸出在同相輸出28處提供一輸出電壓，此輸出是第一輸出晶體管32的漏極56的電流的函數。當漏極56的電流增加時，同相輸出28的電壓下降。
差分對14包括反相和同相輸入晶體管68和70。反相輸入晶體管68的漏極72連接到共用連接結點60。第一輸出晶體管32的柵極52連接到嵌入差分放大器輸出50。漏極56連接到第一共用連接結點60，第一源極54連接到一DC電源，例如Vdd，從而足以允許電流通過差分對14的至少一部分。
在一實施方式中，第一嵌入差分放大器輸出50決定反相和同相輸出26和28中的至少一個。在圖2所示的一種推薦實施方式中，第一負載22是差分對14的反相輸入晶體管68的負載。反相輸入46包括與第一電壓基準(例如Vdd-Vdsat)的連接，基準電壓范圍通常為Vdd以下約50mv到Vdd以下約200mv。因為其對Vdd的偏離會減少電路的共模輸入范圍，所以推薦第一電壓基準十分接近于Vdd。
第二負載24的操作實際與上述第一負載22的操作相似。
詳細而言，第二負載24包括第二嵌入差分放大器36，它具有第二反相輸入46′和第二同相輸入48′，第二輸出晶體管38包括柵極、源極、漏極，分別為52′、54′、56′。
第二電流源40連接到第二同相輸入48′和第二輸出晶體管38的漏極56′。62所示為第二共用結點連接。電流源40能夠吸收來自第二輸出晶體管38的電流。
嵌入差分放大器輸出50′連接到輸出晶體管38的柵極52′。在一實施方式中，第二嵌入差分放大器輸出50′決定反相輸出26。
第二反相輸入46′包括與第二電壓基準(例如Vdd-Vdsat)的連接，基準電壓范圍通常為Vdd以下約50mv到Vdd以下約200mv。因為其偏離Vdd會減少電路的共模輸入范圍，所以推薦第二電壓基準十分接近于Vdd。
晶體管38的柵極52′連接到第二嵌入差分放大器輸出50′。漏極56′連接到第二共用連接結點62，源極54′連接到一DC電源，例如Vdd，從而足以允許電流通過差分對14的至少一部分，例如同相三極管70。
圖2中，第一輸入電壓64被施加于反相輸入16，另一輸入電壓74被施加于同相輸入18。通過差分對14的反相晶體管68和同相晶體管70的電流之和等于通過偏置電流源20的電流。如果施于反相輸入16的第一輸入電壓64小于施于同相輸入18的第二輸入電壓74，則來自輸出晶體管32的漏極56的電流就小于來自輸出晶體管38的漏極56′的電流。同相輸出28處的電壓為漏極56電流的函數，反相輸出26處的電壓為漏極56′電流的函數。從而，當同相輸入18和反相輸入16之間的電壓差為正值時，同相輸出28和反相輸出26之間的電壓差為輸入電壓差的正函數。下式定義了電路的傳遞函數H(s)＝(Vout28-Vout26)/(Vin18-Vin16)。
電路的最小共模輸入電壓Vlow是這樣一個工作位置當Vlow被同時施于反相輸入16和同相輸入18時，其值低到足以使偏置電流源20停止工作于飽和區(qū)，轉而開始工作于線性區(qū)。當這種情況發(fā)生時，通過差分對14的反相晶體管68和同相晶體管70的電流之和顯著小于偏置電流源20所提供的電流值，并且電路的傳遞函數不再適用。電路的最大共模輸入電壓Vhigh是這樣一個工作位置當Vhigh被同時施于反相輸入16和同相輸入18時，其值高到足以使差分對14的反相晶體管68和同相晶體管70停止工作于飽和區(qū)，轉而開始工作于線性(或三極管)區(qū)。當這種情況發(fā)生時，差分對14的反相晶體管68和同相晶體管70不再以壓控電流源的方式工作，而是以壓控電阻方式工作。當其共模輸入電壓達到這么高時，差分對14的電壓增益明顯減少并且電路的傳遞函數不再適用。
圖3為一單級、單端輸出差分放大器的電路簡圖，用作第一或第二嵌入差分放大器30或36。圖3所示嵌入差分放大器30包括第一到第四晶體管80、82、84、86，并且一容性耦合88將晶體管80的柵極與晶體管86、82的漏極相連。
在一推薦實施方式中，如圖2所示，差分放大器30連接到輸出晶體管32和電流源34。相似地，差分放大器36連接到輸出晶體管38和電流源40。反相晶體管68的漏極72連接到輸出晶體管32的漏極56。相似地，同相晶體管70的漏極71連接到輸出晶體管38的漏極56′。以上描述了差分對14和負載22、24之間的連接。
圖4為另一種單端輸出差分放大器的電路簡圖，用作第一或第二嵌入差分放大器30或36。圖4所示嵌入差分放大器30包括第一到第三晶體管92、94、96，以及一電流源98。當與負載22和24的輸出晶體管32和38相連時，存在的負反饋可將結點60和62的電壓固定在施于結點46和46′的基準電壓。在實施方式中，當圖4所示配置被用于代替圖2中嵌入差分放大器30和36時，就不必再為穩(wěn)定工作而需要電流源34和40。
在圖5中，第一、二、三、四電壓范圍被示為100、102、104和106項第一和第二范圍100和102對應于圖1所示現(xiàn)有技術設備的電壓范圍。
第一范圍顯示一現(xiàn)有技術可用電壓范圍為從大約0.2v到大約1.65v，此處圖1中M1和M2處使用了0.0伏特門限裝置。第二范圍102顯示一現(xiàn)有技術可用電壓范圍為從大約0.95v到大約2.6v，從而提供了大約1.65v的可用范圍，此處圖1中M1和M2處使用了0.75伏特門限裝置。選擇0.0伏或0.75伏門限裝置并不能增加電路的可用共模輸入范圍，而僅僅是根據所選擇的裝置將共模輸入范圍向上或向下變換了0.75伏。
第三和第四范圍104和106對應于圖2所示的根據本發(fā)明的電路的電壓范圍。其優(yōu)點在于，范圍104和106比圖1所示現(xiàn)有技術設備的電壓范圍要寬。
更精確地說，第三范圍104提供了從大約.95伏特到大約3.35伏特的電壓范圍，從而提供了大約2.40伏特的可用范圍(見圖2)，此時反相晶體管68和同相晶體管70處使用的是0.75v門限裝置。如果輸入大壓被限制在Vdd和Vss之間，高于2.7v的電壓范圍是不可用的，但是共模輸入范圍已經被增加了0.75v。
第四范圍106提供了從大約.2伏特到大約2.60伏特的電壓范圍，從而提供了大約2.40伏特的可用范圍，此時反相晶體管68和同相晶體管70處使用的是0.0v門限裝置。在此例中，整個共模輸入范圍位于Vdd和Vss的供電限制之內，所以整個范圍在共用電源限制下對電路都是可用的。
本發(fā)明對于為低壓溫度補償晶振實現(xiàn)溫度補償電路尤其有用，此處需要一具有寬共模輸入電壓的低壓完全差分放大器以產生一個分段線性函數。有利的是，本發(fā)明的寬共模輸入范圍允許寬的溫度工作范圍，并且噪聲性能優(yōu)于現(xiàn)有技術。更精確地說，范圍104和106表明可以接收較強的輸入信號，而這種信號則導致改善了的信噪比。
盡管已經顯示并描述了本發(fā)明的幾種實施方式，但應了解，在不偏離本發(fā)明新穎的主旨和范圍的情況下，熟練技術人員能夠對上述實施方式進行各種修改和替換，以及重排和結合。
權利要求
1.一種低壓差分放大器，包括一差分放大電路，它包括(i)一差分對，包括一個反相輸入和一個同相輸入以及與差分對相連的一個偏置電流源；以及(ii)第一和第二負載以及反相和同相輸出。第一負載包括第一嵌入差分放大器和第一輸出晶體管。第一嵌入差分放大器包括第一反相輸入和第一同相輸入，以及第一嵌入差分放大器輸出，第一輸出晶體管包括第一柵極、漏極和源極。第一同相輸入、差分對和第一輸出晶體管的漏極連接在一起并定義為第一共用連接結點；并且第二負載包括第二嵌入差分放大器和第二輸出晶體管。
2.權利要求1的低壓差分放大器，其中共用連接結點與差分對的一個漏極、第一輸出晶體管以及第一同相輸入相連。
3.權利要求1的低壓差分放大器，其中第一嵌入差分放大器輸出與第一柵極相連。
4.權利要求1的低壓差分放大器，其中第一嵌入差分放大器輸出決定反相和同相輸出中的至少一個。
5.權利要求1的低壓差分放大器，其中第一反相輸入包括一個與第一DC電壓基準的連接。
6.權利要求1的低壓差分放大器，其中差分對包括同相和反相晶體管，并且反相晶體管的漏極與第一共用連接結點相連。
7.權利要求1的低壓差分放大器，其中第一柵極與第一嵌入差分放大器輸出相連，第一漏極和第一電流源與第一共用結點相連，第一源極與一DC電源相連，從而足以允許電流通過差分對的至少一部分。
8.權利要求5的低壓差分放大器，其中第一DC電壓基準足以將第一輸出晶體管偏置于飽和區(qū)。
9.權利要求1的低壓差分放大器，其中第二嵌入差分放大器包括第二反相輸入和第二同相輸入，以及第二嵌入差分放大器輸出，第二輸出晶體管包括第二柵極、漏極和源極。
10.權利要求9的低壓差分放大器，進一步包含了與第二同相輸入和第二輸出晶體管的第二漏極相連的第二電流源，此連接確定了第二共用連接結點，通過它第二電流源能夠吸收或提供電流第二輸出晶體管的電流。
全文摘要
一個低差分放大器(10)包括一個具有一個差分對(14)和負載(22與24)的電路(12)。第一負載(22)可包括一個第一嵌入差分放大器(30)和一個輸出晶體管(32),第二負載(24)可包括一個第二嵌入差分放大器(36)和一個輸出晶體管(38)。差分放大器(10)可提供一個寬范圍的工作范圍。差分放大器(10)在與低電壓溫度補償晶體振蕩器的一起使用中很有用。
文檔編號H03F3/45GK1183180SQ96193686
公開日1998年5月27日 申請日期1996年3月21日 優(yōu)先權日1995年5月3日
發(fā)明者邁克爾·L·布什曼, 勞倫斯·E·康奈爾 申請人:摩托羅拉公司