紅外焦平面高速率恒跨導(dǎo)軌到軌輸出級電路的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及集成電路技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種紅外焦平面高速率恒跨導(dǎo)軌到軌 輸出級電路。
【背景技術(shù)】
[0002] 近年來，隨著集成電路制作工藝特征尺寸的減小，其使用的電源電壓逐步下降，但 是器件閾值電壓并沒有相應(yīng)減小，輸出級的共模輸入/輸出范圍越來越窄，難以滿足現(xiàn)階 段對輸出級的需求。同時(shí)，在便攜式電子設(shè)備、紅外焦平面讀出電路、LED驅(qū)動電路、平板顯 示器控制電路等領(lǐng)域?qū)呻娐份敵黾壍牡凸?、高效率、高速率等特性要求越來越迫切?成為眾多設(shè)計(jì)者研宄的目標(biāo)。
[0003] 軌到軌運(yùn)算放大器（rail-t〇-rail operational amplifier)可以實(shí)現(xiàn)從電源高 電位到低電位的共模輸入、輸出范圍，一般采用互補(bǔ)差動輸入對管來實(shí)現(xiàn)輸出級的軌到軌 輸入，采用共源單級放大器實(shí)現(xiàn)輸出級的軌到軌輸出。但是，互補(bǔ)差動輸入管跨導(dǎo)的變化對 頻率的補(bǔ)償帶來很大困難，并會導(dǎo)致系統(tǒng)工作不穩(wěn)定；另外，增益隨跨導(dǎo)變化而變化，還會 引入額外的諧波失真。共源單級放大器輸入共模電平范圍較小，且難以調(diào)節(jié)，其靜態(tài)功耗較 高，工作效率較低。
[0004] 為了解決上述問題，軌到軌輸入電路須保持輸入跨導(dǎo)的恒定，常用的解決方案主 要包括1:3電流鏡電路、襯底驅(qū)動電路、浮柵電路等，這些方案均會增大電路的功耗，降低 了工作速率。軌到軌輸出電路可以通過采用甲乙類（Class AB)輸出級有效提高工作效率， 降低靜態(tài)功耗，但是同時(shí)其輸出信號線性度較低，工作速率難以提高。
[0005] 如圖1所示，是現(xiàn)有技術(shù)中一種工作在亞閾值狀態(tài)下的恒跨導(dǎo)軌到軌輸入級電路 結(jié)構(gòu)。亞閾值狀態(tài)下MOS管的跨導(dǎo)和其電流成正比，當(dāng)輸入共模電壓上行到PMOS差動對 停止工作時(shí)，M9、M8和M7組成的電流補(bǔ)償電路開始工作，將M5中的電流鏡像到NMOS差動 對中，保持輸入電路總工作電流不變，從而保持輸入級的跨導(dǎo)恒定。當(dāng)輸入共模電壓下行到 NMOS差動對停止工作時(shí)，其工作原理與共模電壓上行相似。
[0006] 上述電路鏡像電路對電流的復(fù)制精度較低，特別是對窄溝道的MOS管，由于溝道 長度調(diào)制效應(yīng)影響比較大，鏡像電路的復(fù)制電流受到MOS管漏極電壓的影響特別明顯，嚴(yán) 重降低了電流鏡的復(fù)制精度。同時(shí)，互補(bǔ)差動對的工作電流由M5和M6通過鏡像電路獲得， 其對電流的控制較低，跨導(dǎo)變化非常大。
[0007] 如圖2所示，是現(xiàn)有技術(shù)中一種增加了電流比較電路的甲乙類輸出級電路。該電 路通過將輸出output和in-聯(lián)接構(gòu)成單位增益放大器作為電路的緩沖級或是輸出級電路。 當(dāng)in+的輸入電壓上行時(shí)，M7電流減小，通過監(jiān)視M7的電流變化控制M13導(dǎo)通，增大對負(fù) 載的注入電路，當(dāng)output接近in+，即in-接近in+時(shí)，M7電流逐漸恢復(fù)到M4的一半，M13 閉合，由M9和MlO組成的共源單級放大器精確確定最終的輸出電路。該甲乙類輸出級有效 提升了輸出效率，增大了輸出速率，降低了功耗，并且實(shí)現(xiàn)了軌到軌輸出。
[0008] 上述電路的缺點(diǎn)主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：一、輸入級電路無法實(shí)現(xiàn)共模電平軌 到軌輸入；二、隨著溝道長度的減小，電流無法精確復(fù)制，電流比較電路控制精度較低；三、 共源單級放大器輸入共模電平較難控制，其上述共源單級放大器上拉能力較強(qiáng)，下拉能力 較弱。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009] 基于此，本發(fā)明提供一種紅外焦平面高速率恒跨導(dǎo)軌到軌輸出級電路，具有軌到 軌輸入及軌到軌輸出的優(yōu)點(diǎn)，且其工作效率和輸出速率較高，功耗較低，滿足現(xiàn)階段低電源 電壓對較大共模電平范圍的要求，及高性能電路中單位增益緩沖器對輸出級低功耗、高速 率的要求。
[0010] 一種紅外焦平面高速率恒跨導(dǎo)軌到軌輸出級電路，包括軌到軌輸入級電路、甲乙 類輸出級電路、電流鏡鏡像電路、上行電流補(bǔ)償電路、下行電流補(bǔ)償電路、上行電流比較電 路和下行電流比較電路；
[0011] 所述電流鏡鏡像電路分別與所述軌到軌輸入級電路、甲乙類輸出級電路、上行電 流比較電路、下行電流比較電路連接；
[0012] 所述軌到軌輸入級電路還與所述上行電流補(bǔ)償電路、下行電流補(bǔ)償電路、上行電 流比較電路、下行電流比較電路連接；
[0013] 所述上行電流補(bǔ)償電路和下行電流補(bǔ)償電路分別與所述甲乙類輸出級電路連 接；
[0014] 所述電流鏡鏡像電路用于為所述軌到軌輸入級電路、甲乙類輸出級電路、上行電 流比較電路和下行電流比較電路提供偏置電流；
[0015] 所述軌到軌輸入級電路用于為所述甲乙類輸出級電路提供輸出信號電流；
[0016] 所述上行電流補(bǔ)償電路和下行電流補(bǔ)償電路用于補(bǔ)償輸入共模電平上行或是下 行時(shí)輸入互補(bǔ)差動對管工作電流的減少；
[0017] 所述上行電流補(bǔ)償電路和下行電流補(bǔ)償電路用于補(bǔ)償所述甲乙類輸出級的工作 電流；
[0018] 所述上行電流比較電路和下行電流比較電路用于分別比較所述軌到軌輸入級電 路中鏡像管的電流與共源共柵電流鏡的電流的大小，根據(jù)比較結(jié)果控制所述上行電流比較 電路和下行電流比較電路輸出管的通斷。
[0019] 上述紅外焦平面高速率恒跨導(dǎo)軌到軌輸出級電路，包括軌到軌輸入級電路、甲乙 類輸出級電路、電流鏡鏡像電路、上行電流補(bǔ)償電路、下行電流補(bǔ)償電路、上行電流比較電 路和下行電流比較電路，該電路由電流鏡鏡像電路提供偏置電流，軌到軌輸入級電路為甲 乙類輸出級電路提供輸出信號電流，通過上行電流補(bǔ)償電路和下行電流補(bǔ)償電路補(bǔ)償輸入 共模電平上行或是下行時(shí)輸入互補(bǔ)差動對管工作電流的減少，從而保持工作電流的不變， 維持輸入總跨導(dǎo)的恒定；并通過上行電流補(bǔ)償電路和下行電流補(bǔ)償電路補(bǔ)償甲乙類輸出級 的工作電流，提高甲乙類輸出級電路輸出信號的線性度，降低諧波失真。通過上行電流比較 電路和下行電流比較電路比較所述軌到軌輸入級鏡像管中的電流與共源共柵電流鏡中的 電流的大小，從而控制上行電流比較電路和下行電流比較電路中輸出管的通斷，增大本發(fā) 明的上拉能力和下拉能力，并有效提高其工作效率和輸出速率，還降低了其靜態(tài)功耗。
【附圖說明】
[0020] 圖1為現(xiàn)有技術(shù)中一種工作在亞閾值狀態(tài)下的恒跨導(dǎo)軌到軌輸入級電路的示意 圖。
[0021] 圖2為現(xiàn)有技術(shù)中一種增加了電流比較電路的甲乙類輸出級電路的示意圖。
[0022] 圖3為本發(fā)明紅外焦平面高速率恒跨導(dǎo)軌到軌輸出級電路在第一實(shí)施方式中的 結(jié)構(gòu)示意圖。
[0023] 圖4為本發(fā)明紅外焦平面高速率恒跨導(dǎo)軌到軌輸出級電路在第二實(shí)施方式中的 結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0024] 下面結(jié)合實(shí)施例及附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說明，但本發(fā)明的實(shí)施方式不限于 此。
[0025] 如圖3所示，是本發(fā)明紅外焦平面高速率恒跨導(dǎo)軌到軌輸出級電路在第一實(shí)施方 式中的結(jié)構(gòu)示意圖，圖中細(xì)箭頭為控制信號，粗箭頭為傳輸信號；該電路可包括軌到軌輸入 級電路11、甲乙類輸出級電路12、電流鏡鏡像電路13、上行電流補(bǔ)償電路14、下行電流補(bǔ)償 電路15、上行電流比較電路16和下行電流比較電路17 ;
[0026] 所述電流鏡鏡像電路13分別與所述軌到軌輸入級電路11、甲乙類輸出級電路12、 上行電流比較電路16、下行電流比較電路連接17 ;
[0027] 所述軌到軌輸入級電路11還與所述上行電流補(bǔ)償電路14、下行電流補(bǔ)償電路15、 上行電流比較電路16、下行電流比較電路連接17 ;
[0028] 所述上行電流補(bǔ)償電路14和下行電流補(bǔ)償電路15分別與所述甲乙類輸出級電路 12連接；
[0029] 所述電流鏡鏡像電路13用于為所述軌到軌輸入級電路11、甲乙類輸出級電路12、 上行電流比較電路16和下行電流比較電路17提供偏置電流；
[0030] 所述軌到軌輸入級電路11用于為所述甲乙類輸出級電路12提供輸出信號電流；
[0031] 所述上行電流補(bǔ)償電路14和下行電流補(bǔ)償電路15用于補(bǔ)償輸入共模電平上行或 是下行時(shí)輸入互補(bǔ)差動對管工作電流的減少；
[0032] 所述上行電流補(bǔ)償電路14和下行電流補(bǔ)償電路15用于補(bǔ)償所述甲乙類輸出級12 的工作電流；
[0033] 所述上行電流比較電路16和下行電流比較電路17用于分別比較所述軌到軌輸入 級電路中鏡像管的電流與共源共柵電流鏡的電流的大小，根據(jù)比較結(jié)果控制所述上行電流 比較電路16和下行電流比較電路17中輸出管的通斷。
[0034] 如圖4所示，是本發(fā)明紅外焦平面高速率恒跨導(dǎo)軌到軌輸出級電路在第二實(shí)施方 式中的結(jié)構(gòu)示意圖，在本實(shí)施方式中，所述軌到軌輸入級電路中意義實(shí)現(xiàn)輸入信號共模電 平的軌到軌輸入，其設(shè)置兩個(gè)輸入信號端Vin+和Vin-，所述軌到軌輸入級電路包括PMOS互 補(bǔ)差動對PMOS管Ml和M2、NMOS互補(bǔ)差動對M3和M4、NMOS有源電流鏡M5和M6、PMOS有 源電流鏡M7和M8 ;所述PMOS差動對與NMOS互補(bǔ)差動對都工作在亞閾值區(qū)；
[0035] 其中，所述PMOS差動對中的PMOS管Ml和PMOS管M2的源極相連后，分別并與所 述電流鏡鏡像電路和下行電流補(bǔ)償電路相連；
[0036] 所述NMOS互補(bǔ)差動對中的NMOS管M3和NMOS管M4的源極相連后與所述電流鏡 鏡像電路和上行電流補(bǔ)償電路相連；
[0037] PMOS管Ml的柵極與NMOS管M3的柵極相連構(gòu)成所述軌到軌輸入級電路的反向輸 入端，PMOS管M2的柵極與NMOS管M4的柵極相連構(gòu)成所述軌到軌輸入級電路的同向輸入 端；
[0038]