專利名稱：差分放大器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種差分放大器，具體地，涉及一種在輸入部件中包 括差分對(duì)的差分放大器。
背景技術(shù)：
在電子電路中廣泛使用了差分放大器以便于執(zhí)行信號(hào)放大和信號(hào)
處理操作。在Behzad Razavi, "Design of Analog CMOS Integrated Circuit" ， McGraw-Hill Higher Education, 2002， pp325(Behzad)中公開(kāi)了
差分放大器的示例。圖5示出在Behzad中公開(kāi)的差分放大器100的電 路圖。
參考圖5，差分放大器100包括晶體管M101至M109、 M10A和 MIOB、電壓源V101至V104、輸入端IP和IM、輸出端OUT、電源 端VDD以及接地端GND。晶體管M101至M107是NMOS晶體管， 并且晶體管M108、 M109、 M10A和M10B是PMOS晶體管。
在差分放大器100中，基于電壓源V101的電壓由晶體管M101生 成的操作電流被供給由晶體管M102和M103形成的差分對(duì)。基于該操 作電流，差分對(duì)根據(jù)通過(guò)輸入端IP和IM輸入的輸入信號(hào)生成差模電 流。差模電流包括電流1102和電流1103。此外，在差分放大器100中， 生成基準(zhǔn)電流IIOA和I10B。基于電壓源V102的電壓由晶體管M10A 生成基準(zhǔn)電流I10A，并且基于電壓源V102的電壓由晶體管M10B生 成基準(zhǔn)電流I10B?；鶞?zhǔn)電流I10A和I10B具有相同的電流值。
從基準(zhǔn)電流I10A中減去電流1102的結(jié)果是電流1108。在流過(guò)由 晶體管M104和M105形成的電流鏡電路之后電流1108變?yōu)殡娏?105。電流1105用作到輸出端OUT的輸出灌電流。另一方面，從基準(zhǔn)電流 I10B中減去電流1103的結(jié)果是電流1109。電流1109用作到輸出端OUT 的輸出拉電流。以該方式，在差分放大器100中，基于輸入信號(hào)生成 到輸出端OUT的輸出拉電流和輸出灌電流。
晶體管M108和M109控制晶體管M10A和M10B的漏極以便于 基于電壓源V103的電壓保持恒壓。晶體管M106和M107控制晶體管 M104和M105的漏極以便于基于電壓源V104的電壓保持恒壓。
在下文中描述了電流1102、 1103、 1105、 1109以及電壓增益av。 當(dāng)晶體管M102的互導(dǎo)是gml02并且通過(guò)輸入端IP的輸入信號(hào)是VIP 時(shí)，能夠通過(guò)下面的表達(dá)式(1)表示電流I102。當(dāng)晶體管M103的互 導(dǎo)是gml03并且通過(guò)輸入端IM的輸入信號(hào)是VIM時(shí)，能夠通過(guò)下面 的表達(dá)式(2)表示電流I103?；?dǎo)gml02和gml03是相同的值。
n03agml03*WAf+，-gwl02*WM+^^…(2)
能夠分別通過(guò)下面的表達(dá)式(3)和(4)表示基準(zhǔn)電流I10A和IIOB。
/10A = /102 + n08:=/102 + /105…(3) 難=1103 +歸…(4)
基于表達(dá)式(1)和(3)，能夠通過(guò)下面的表達(dá)式(5)表示輸出 灌電流I105?；诒磉_(dá)式(2)和(4)，能夠通過(guò)下面的表達(dá)式(6) 表示輸出拉電流1109。/105 = JIOA—/02 = n(U - gwi102 * WP +
歷、
(5)
/109 = /10S —/03 = /10S - gffi102 *
/101、
(6)
當(dāng)連接至輸出端OUT的晶體管M109的漏電阻是Rdsl09并且連 接至輸出端OUT的晶體管M107的漏電阻是Rdsl07時(shí)，能夠通過(guò)下 面的表達(dá)式(7)表示差分放大器100的輸出電壓的差模分量vo。在表 達(dá)式(7)中，vip指示輸入信號(hào)VIP的差模分量的信號(hào)電平，并且vim 指示輸入信號(hào)VIM的差模分量的信號(hào)電平。
vo = (Rdsl09〃 Rdsl07)* (1109—1105)
- (Rdsl09 〃 Rdsl07) * (I10B - (gml02 * VIM+翌〗-II。 A + f g邁102 * VBP+更 =(Rdsl09〃Rdsl07)*gml02*(-vim+vip) ... (7)
從通過(guò)表達(dá)式(7)表示的輸出電壓通過(guò)下面的表示式(8)表示 差分放大器100的電壓增益av。
av = 7~~^——^gml02承(Rdsl09〃Rds107)…(8) (-vim + vip)

發(fā)明內(nèi)容
但是，本發(fā)明已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了以下問(wèn)題?；诒磉_(dá)式(5)和(6)， 為了穩(wěn)定確定差分放大器100中的輸出電壓和輸出電流的電流1105和 電流1109，互導(dǎo)gml02必須保持恒值。此外，為了穩(wěn)定電壓增益av， 互導(dǎo)gml02和漏電阻Rdsl07以及Rdsl09必須保持恒值。
—般來(lái)說(shuō)，然而，組成差分放大器100的晶體管(例如，MOSFET) 的互導(dǎo)gm和漏電阻Rds的值依賴于漏電流ID中的變化而變化。當(dāng)溝 道的載流子遷移率是p，每單位面積的柵電容是Cox，柵極尺寸是W/L， 以及歐拉電壓是VA時(shí)，在MOS晶體管的飽和區(qū)域操作中通過(guò)下面的表達(dá)式(9)表示MOS晶體管的漏電流ID。
ID = i^*，*(VGS —Vth)'小，)s生J(VGS—V也)2…(9)
能夠使用表達(dá)式(9)計(jì)算互導(dǎo)gm和漏電阻Rds。通過(guò)下面的表 達(dá)式(10)表示互導(dǎo)gm，并且通過(guò)下面的表達(dá)式(11)表示漏電阻Rds。
gw = -^~ = //Cox* —V^) = 、/2*/D*//Cac*— ... (10) 3咖W 2 i \ z
表達(dá)式(10)和(11)示出互導(dǎo)gm和漏電阻Rds依賴于漏電流 ID的值而變化。此外，如果輸入信號(hào)VIP和VIM的信號(hào)電平發(fā)生變化， 則即使電流1101保持穩(wěn)定的電流值，電流1102和1103也會(huì)發(fā)生變化， 并且從而，晶體管M102的互導(dǎo)gml02發(fā)生變化。此外，表達(dá)式(5) 和(6)示出，如果輸入信號(hào)VIP和VIM的信號(hào)電平發(fā)生變化，則電 流1105和電流1109發(fā)生變化，并且從而，電流1105流過(guò)的晶體管M107 的漏電阻Rdsl07和電流1109流過(guò)的晶體管M109的漏電阻Rdsl09發(fā) 生變化。
如上所述，在差分放大器100中，由于輸入信號(hào)VIP和VIM的信 號(hào)電平中的變化導(dǎo)致電壓增益av不穩(wěn)定。在運(yùn)算放大器中，不管諸如
運(yùn)算放大器的輸入電壓的運(yùn)行狀態(tài)如何，要求保持電壓增益的頻率特 性和相位的恒值。特別地，在使用差分放大器形成負(fù)反饋電路的情況 下，在包括差分放大器的系統(tǒng)中電壓增益的頻率特性和相位的關(guān)系穩(wěn) 定是非常重要的。但是，如果差分放大器不穩(wěn)定則很難在某些應(yīng)用中 保持穩(wěn)定性。本發(fā)明的實(shí)施例的示例性方面是下述差分放大器，該差分放大器 包括差分放大器部件，該差分放大器部件根據(jù)輸入信號(hào)的差模分量 和共模分量生成由差模電流和第一共模電流組成的電流；共模電流發(fā)
生器部件，該共模電流發(fā)生器部件根據(jù)輸入信號(hào)的共模分量生成第二
共模電流；以及電流放大器部件，該電流放大器部件接收所述電流和 第二共模電流，放大所述電流和第二共模電流之間的差并且輸出結(jié)果。
在根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的示例性方面的差分放大器中，生成輸入 信號(hào)的差模電流和共模電流，并且由電流放大器部件放大和輸出差模 電流和共模電流之間的差。因此，流過(guò)組成電流放大器部件的晶體管 的電流不受到與輸入信號(hào)的共模電流有關(guān)的輸出電流中的變化的影 響。因此，根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的示例性方面的差分放大器能夠如表 達(dá)式(8)表示地減少漏電阻中的變化，從而減少由于輸入信號(hào)的信號(hào) 電平導(dǎo)致的差分放大器的特性中的變化。
在根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的示例性方面的差分放大器中，不管輸入 信號(hào)的信號(hào)電平如何，都能夠使特性穩(wěn)定。


從與附圖結(jié)合使用的某些實(shí)施例的以下描述中，上述和其它示例 性方面、優(yōu)點(diǎn)和特征將會(huì)是顯而易見(jiàn)的，其中-
圖1是根據(jù)第一示例性實(shí)施例的差分放大器的電路圖； 圖2是根據(jù)第二示例性實(shí)施例的差分放大器的電路圖； 圖3是根據(jù)第三示例性實(shí)施例的差分放大器的電路圖； 圖4是根據(jù)第四示例性實(shí)施例的差分放大器的電路圖； 圖5是根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的差分放大器的電路圖。
具體實(shí)施例方式
「第一示例性實(shí)施例l
在下文中參考附圖描述本發(fā)明的示例性實(shí)施例。圖1是根據(jù)第一示例性實(shí)施例的差分放大器的電路圖。參考圖1，差分放大器1包括差
分放大器部件ll、電流放大器部件12、共模電流發(fā)生器部件13、以及 第一基準(zhǔn)電流源14。差分放大器1進(jìn)一步包括電壓源Vll至V13。電 壓源VI1至V13將根據(jù)電路操作的電壓供給組成差分放大器1的晶體 管。
差分放大器部件11根據(jù)輸入信號(hào)的差模分量生成差模電流。通過(guò) 輸入端IP和IM輸入輸入信號(hào)。通過(guò)輸入端IP輸入的信號(hào)在下文中被 稱為輸入信號(hào)VIP，并且輸入信號(hào)VIP的差模分量被稱為vip。另一方 面，通過(guò)輸入端IM輸入的信號(hào)在下文中被稱為輸入信號(hào)VIM，并且輸 入信號(hào)VIM的差模分量被稱為vim。本示例性實(shí)施例中的差模電流包 括電流112和電流113，并且電流112是一個(gè)差模電流，并且電流I13 是另一個(gè)差模電流。
電流放大器部件12接收差模電流和在共模電流發(fā)生器部件13中 生成的共模電流，放大差模電流和共模電流之間的差并且輸出結(jié)果。 共模電流發(fā)生器部件13就像差分放大器部件11 一樣通過(guò)輸入端IP和 IM接收輸入信號(hào)。共模電流發(fā)生器部件13根據(jù)輸入信號(hào)的共模分量 生成共模電流。本示例性實(shí)施例中的共模電流被相等地包括在電流I1A 和電流I1B中。第一基準(zhǔn)電流源14生成第一基準(zhǔn)電流118和119。第一 基準(zhǔn)電流118和119被供給電流放大器部件12并且用于電流放大器部 件12中的電流放大操作。
在下文中詳細(xì)地描述差分放大器1的各個(gè)塊的電路構(gòu)造。差分放 大器部件11包括形成第一差分對(duì)的晶體管M12和M13。差分放大器 部件11接收來(lái)自于晶體管Mll的操作電流的供給。在本示例性實(shí)施例 中，NMOS晶體管用作晶體管Mll至M13。晶體管M12和M13的源 極被共同地連接在公共結(jié)點(diǎn)。晶體管M12通過(guò)柵極被連接至輸入端IP， 并且通過(guò)漏極輸出一個(gè)差模電流112。晶體管M13通過(guò)柵極被連接至 輸入端IM，并且通過(guò)漏極輸出另一個(gè)差模電流I13。晶體管MH通過(guò)源極被連接至接地端GND，通過(guò)柵極被連接至電壓源Vll，并且通過(guò) 漏極被連接至差分對(duì)的公共結(jié)點(diǎn)。當(dāng)晶體管M12的互導(dǎo)是gml2時(shí)， 通過(guò)下面的表達(dá)式(12)表示差模電流112。當(dāng)晶體管M13的互導(dǎo)是 gml3并且它具有g(shù)ml2的相同值時(shí)，通過(guò)下面的表達(dá)式(13)表示差 模電流I13。
<formula>formula see original document page 10</formula>
第一基準(zhǔn)電流源14包括晶體管M18和M19。在本示例性實(shí)施例 中，PMOS晶體管被用作晶體管M18和M19，并且這些晶體管被設(shè)計(jì) 為基本上具有相同的尺寸。晶體管M18通過(guò)源極被連接至電源端VDD， 并且通過(guò)漏極輸出第一基準(zhǔn)電流118。根據(jù)被連接至晶體管M18的柵 極的電壓源V12的電壓值由晶體管M18生成第一基準(zhǔn)電流118。晶體 管M19通過(guò)源極被連接至電源端VDD，并且通過(guò)漏極輸出第一基準(zhǔn)電 流119。根據(jù)被連接至晶體管M19的柵極的電壓源V12的電壓值由晶 體管M19生成第一基準(zhǔn)電流119。
電流放大器部件12包括晶體管M14至M17。在本示例性實(shí)施例 中，晶體管M14和M15是NMOS晶體管，并且晶體管M16和M17 是PMOS晶體管。晶體管M14和M15被設(shè)計(jì)為具有相同的尺寸，并且 晶體管M16和M17被設(shè)計(jì)為具有相同的尺寸。
晶體管M14和M15形成電流鏡電路。具體地，晶體管M14和M15 的柵極被共同地連接，并且晶體管M14和M15的源極被共同地連接至 接地端GND。晶體管M14的柵極和漏極相互連接。此外，晶體管M14 的漏極被連接至晶體管M16的漏極。連接晶體管M14的漏極和晶體管 M16的漏極的結(jié)點(diǎn)被連接至用于從共模電流發(fā)生器部件13輸出一個(gè)共模電流I1A的結(jié)點(diǎn)。晶體管M15的漏極被連接至輸出端OUT。此外，
晶體管M15的漏極被連接至用于從共模電流發(fā)生器部件13輸出另一共
模電流I1B的結(jié)點(diǎn)。
晶體管M16和M17的柵極被共同地連接并且接收來(lái)自于電壓源 V13的電壓的供給。晶體管M16的源極被連接至晶體管M12的漏極。 此外，晶體管M16接收來(lái)自于第一基準(zhǔn)電流源14的第一基準(zhǔn)電流I18 的供給。晶體管M16控制生成第一基準(zhǔn)電流118的晶體管M18的漏極 以便于根據(jù)電壓源V13的電壓保持恒壓，從而穩(wěn)定晶體管M18的源極 和漏極之間的電壓。此外，晶體管M16通過(guò)漏極輸出電流116，該電 流116是從第一基準(zhǔn)電流118減去一個(gè)差模電流112的結(jié)果。
晶體管M17的源極被連接至晶體管M13的漏極。此外，晶體管 M17接收來(lái)自于第一基準(zhǔn)電流源14的第一基準(zhǔn)電流I19的供給。晶體 智M17控制生成第一基準(zhǔn)電流119的晶體管M19的漏極以便于根據(jù)電 壓源V13的電壓保持恒壓，從而穩(wěn)定晶體管M19的源極和漏極之間的 電壓。此外，晶體管M17通過(guò)漏極輸出電流I17,該電流I17是從第一 基準(zhǔn)電流119減去另一個(gè)差模電流113的結(jié)果。晶體管M17的漏極被 連接至輸出端OUT。
通過(guò)下面的表達(dá)式(14)表示電流放大器部件12中的各個(gè)電流的 關(guān)系。
118-112+116 = 119 = 113 + 117…(14)
共模電流放大器部件13包括晶體管M1A至M1H。在本示例性實(shí) 施例中，NMOS晶體管被用作晶體管M1A至M1F，并且PMOS晶體 管被用作晶體管M1G至M1H。晶體管M1A和M1B被設(shè)計(jì)為具有是 晶體管M1C的晶體管尺寸的m倍的晶體管尺寸。晶體管M1E至M1F 形成第二差分對(duì)并且被設(shè)計(jì)為具有相同的晶體管尺寸。晶體管MID通過(guò)源極被連接至接地端GND，通過(guò)漏極被連接至 第二差分對(duì)的公共結(jié)點(diǎn)，并且通過(guò)柵極被連接至電壓源Vll。晶體管 MlD根據(jù)電壓源Vll的電壓生成第一操作電流I1D并且將第一操作電 流I1D供給形成第二差分對(duì)的晶體管M1E和M1F的源極側(cè)公共結(jié)點(diǎn)。
晶體管M1E和M1F的源極被共同地連接，并且晶體管M1E和 M1F的漏極也被共同地連接。晶體管M1E的柵極被連接至輸入端IP。 晶體管M1E根據(jù)通過(guò)輸入端IP輸入的輸入信號(hào)VIP生成電流IIE。晶 體管M1F的柵極被連接至輸入端IM。晶體管M1F根據(jù)通過(guò)輸入端IM 輸入的輸入信號(hào)VIM生成電流IIF。
晶體管M1H通過(guò)源極被連接至電源端VDD，并且通過(guò)漏極被連 接至晶體管M1E和M1F的漏極側(cè)公共結(jié)點(diǎn)。此外，晶體管M1H通過(guò) 柵極被連接至電壓源V12。晶體管M1H根據(jù)電壓源V12的電壓值生成 第二操作電流I1H并且將第二操作電流I1H供給第二差分對(duì)的漏極側(cè) 公共結(jié)點(diǎn)。
晶體管M1G通過(guò)源極被連接至第二差分對(duì)的漏極側(cè)公共結(jié)點(diǎn)，并 且通過(guò)漏極被連接至晶體管M1C的漏極。此外，晶體管M1G通過(guò)柵 極被連接至電壓源V13。晶體管M1G控制晶體管M1H的漏極以便于 根據(jù)電壓源V13的電壓值保持電壓。從而使晶體管M1H的源極和漏極 之間的電壓穩(wěn)定。此外，晶體管M1G通過(guò)漏極輸出電流I1G，該電流 IIG是第二操作電流IIH和第一操作電流IID之間的差(即，電流I1E 和電流I1F的總和)。
在下文中描述電流IIE、 I1F以及IIG。當(dāng)晶體管M1E的互導(dǎo)是 gmlE時(shí)，通過(guò)下面的表達(dá)式(15)表示電流I1E。當(dāng)晶體管M1F的互 導(dǎo)是gmlF時(shí)，通過(guò)下面的表達(dá)式(16)表示電流IIF，這里gmlF-gmlE。 從電流的關(guān)系通過(guò)下面的表達(dá)式(17)表示電流IIG。<formula>formula see original document page 13</formula>
晶體管M1C和晶體管M1A和M1B —起形成電流鏡電路。晶體管 MIC的柵極被共同地連接至晶體管MIA和M1B的柵極。晶體管MIA 至MIC的源極被共同地連接至接地端GND。晶體管MIC的柵極和漏 極被相互連接。晶體管MIC的漏極被連接至晶體管M1G的漏極并且 接收從晶體管M1G的漏極輸出的電流IIG。
晶體管MIA的漏極被連接至連接晶體管M14的漏極和晶體管 M16的漏極的結(jié)點(diǎn)。晶體管MIA輸出基于電流IIG的并乘以晶體管 MIC與晶體管MIA的晶體管尺寸比率的一個(gè)共模電流IIA。
晶體管M1B的漏極被連接至連接晶體管M15的漏極和晶體管 M17的漏極的結(jié)點(diǎn)。晶體管M1B輸出基于電流IIG的并乘以晶體管 M1C與晶體管M1B的晶體管尺寸比率的另一個(gè)共模電流IIB。
在下文中描述考慮共模電流的電流115和117。當(dāng)晶體管MIC與 晶體管MIA的晶體管尺寸比率是m時(shí)通過(guò)下面的表達(dá)式(18)表示電 流116。當(dāng)晶體管MIC與晶體管M1B的晶體管尺寸比率是m時(shí)通過(guò)下 面的表達(dá)式(19)表示電流I17。<formula>formula see original document page 13</formula>基于表達(dá)式(18)和(19)，分別通過(guò)表達(dá)式(20)和(21)表示到輸出端OUT的輸出灌電流(例如，電流115)和輸出拉電流(例 如，電流I17-電流I1B)。
I15-I14 = I16 — m*IlG =I18_I12 — in*IlG
=I18_gml2*VIP-g — m*(im-gmlE*(VIP + VIM)-nD) …(20)
H7-I1B:I18-I13-m*I!G
=I18-gml2*VM-5I-m*(IlH-gmlE*(VIP+VIM)-IlD) ... (21) 2
在上述差分放大器1中，當(dāng)晶體管M17的漏電阻是Rdsl7并且晶 體管M15的漏電阻是Rds15時(shí)，通過(guò)下面的表達(dá)式(22)表示輸出電 壓vo。
vo = (Rdsl7〃Rdsl5)* (117 -I1B -115)
-(Rdsl7〃Rdsl5)*gml2*(VIP-VIM) …(22)
表達(dá)式(22)示出在根據(jù)示例性實(shí)施例的差分放大器1中基于是 差模分量的輸入信號(hào)VIP和輸入信號(hào)VIM之間的電壓差生成輸出電 壓。因此，通過(guò)設(shè)置VIP二VIM，能夠分析由于輸入信號(hào)的共模分量導(dǎo) 致的輸出灌電流(例如，電流115)和輸出拉電流(例如，電流I17-電 流I1B)的變化。分別通過(guò)下面的表達(dá)式(23)和(24)表示由于共模 分量導(dǎo)致的輸出灌電流和輸出拉電流。
I15 = (2m*gmlE-gml2)*VIP + I18---m*(IlH-IlD) …(23)
117—IlB = (2m*gmlE-gm!2)*VIM + n8-^i-m*(I!H-I1D) ... (24)在本示例性實(shí)施例中，形成第一差分對(duì)的晶體管M12和晶體管 M13具有相同的特性，并且形成第二差分對(duì)的晶體管M1E和晶體管 M1F具有相同的特性。這意味著形成第一差分對(duì)的晶體管的互導(dǎo)和形 成第二差分對(duì)的晶體管的互導(dǎo)具有通過(guò)下面的表達(dá)式(25)表示的關(guān) 系。
gml2 = 2m*gmlE ... (25)
通過(guò)基于由表達(dá)式(25)表示的關(guān)系形成第一差分對(duì)和第二差分 對(duì)，能夠通過(guò)下面的表達(dá)式(26)表示表達(dá)式(23)和(24)。
I15-I17_IlB-I18-51-ni*(IlH-IlD) …(26)
2
表達(dá)式(26)示出在根據(jù)示例性實(shí)施例的差分放大器1中不管共 模分量的電壓電平如何，輸出拉電流和輸出灌電流相對(duì)于輸入信號(hào)的 共模分量保持恒值。
如上所述，在根據(jù)示例性實(shí)施例的差分放大器1中，不管輸入信 號(hào)的差模分量如何，由第二差分對(duì)生成的電流I1E和電流I1F的總和保 持恒值。此外，電流I1E和電流I1F的總和具有與輸入信號(hào)的共模分量 成比例的值。然后，通過(guò)從是恒流的第二操作電流中減去電流I1E和電 流I1F，生成基于輸入信號(hào)的共模分量的共模電流。另一方面，在差分 放大器部件11中生成的差模電流除了受到由于輸入信號(hào)的差模分量導(dǎo) 致的變化影響以外，還受到由于輸入信號(hào)的共模分量導(dǎo)致的變化的影 響。因此，在差分放大器l中，從差分放大器部件11中生成的差模電 流中減去在共模電流發(fā)生器部件13中生成的共模電流，從而僅由輸入 信號(hào)的差模分量引起輸出電流中的變化。
因此，在根據(jù)示例性實(shí)施例的差分放大器1中，到輸出端OUT的輸出灌電流和輸出拉電流僅具有根據(jù)輸入信號(hào)的差模分量的變化，并 且它們具有相對(duì)于共模分量的恒值。因此輸出灌電流和輸出拉電流的 共模分量變得恒定，因此，不管輸入信號(hào)的共模分量如何，影響電壓
增益av的穩(wěn)定性的晶體管M15和晶體管M17的漏電阻Rds變得恒定。 因此，差分放大器1使得電壓增益av以及它的特性能夠穩(wěn)定。
在差分放大器1中，在每個(gè)差分對(duì)中形成第一差分對(duì)和第二差分 對(duì)(例如，晶體管M12和M13以及晶體管M1E和MIF)的晶體管的 互導(dǎo)的特性必須是相同的。通過(guò)在半導(dǎo)體設(shè)計(jì)中將形成差分對(duì)的晶體 管放置為彼此相鄰或者靠近，能夠提高多個(gè)晶體管的互導(dǎo)的相對(duì)精度。 此外，通過(guò)將多個(gè)差分對(duì)放置為彼此相鄰或者靠近，能夠提高差分對(duì) 的互導(dǎo)的相對(duì)精度。以該方式，相對(duì)容易地匹配差分放大器1中的互 導(dǎo)，并且通過(guò)使用共模電流發(fā)生器部件13能夠?qū)崿F(xiàn)相對(duì)于輸入信號(hào)的 共模分量中的變化的穩(wěn)定的特性。
圖2示出根據(jù)第二示例性實(shí)施例的差分放大器2的電路圖。參考 圖2，通過(guò)額外地將輸出緩沖器15連接至根據(jù)第一示例性實(shí)施例的差 分放大器1的電流放大器部件12的輸出來(lái)構(gòu)造差分放大器2。在差分 放大器2中，通過(guò)輸出緩沖器15連接輸出端OUT。通過(guò)附加輸出緩沖 器15，差分放大器2中的輸入端IP和IM以與差分放大器1中相反的 方式連接。
輸出緩沖器15包括晶體管M20和輸出電流源16。例如，晶體管 M20是NMOS晶體管。晶體管M20通過(guò)源極被連接至接地端GND并 且通過(guò)漏極被連接至輸出電流源16。輸出端OUT被連接至晶體管M20 和輸出電流源16之間的結(jié)點(diǎn)。晶體管M20的柵極被連接至電流放大器 部件12的輸出。輸出電流源16被連接在電源端VDD和輸出端OUT 之間。此外，在差分放大器2中，電流I20和從輸出電流源16輸出的電 流Is被設(shè)計(jì)為相同，以便于最小化輸出端OUT中的偏移電壓。此外， 晶體管M20使電流120根據(jù)電流放大器部件12的輸出流動(dòng)。在本示例 性實(shí)施例中，當(dāng)n是晶體管M15 (或者晶體管M14)與晶體管M20的 晶體管尺寸比率時(shí)通過(guò)下面的表達(dá)式(27)表示電流I20和電流I15之 間的關(guān)系。
120= n*n5…(27)
到輸出緩沖器15的晶體管M20的輸入電壓優(yōu)選地是晶體管M20 的閾值附近的電壓。如果到晶體管M20的輸入電壓顯著地高于閾值電 壓，則因?yàn)樵跊](méi)有信號(hào)輸入期間從輸出電流源16流到接地端GND的 電流變得更大，因此功率消耗的浪費(fèi)增加。在本示例性實(shí)施例中，在 沒(méi)有信號(hào)輸入期間晶體管M14和M15的漏電流114和115基本上相等。 因此，在沒(méi)有信號(hào)輸入期間輸入至晶體管M20的柵極的電壓基本上等 于晶體管M14的閾值電壓。因此，通過(guò)將晶體管M20的閾值電壓設(shè)置 為稍微高于晶體管M14的閾值電壓，能夠減少功率消耗的上述浪費(fèi)。
圖3示出根據(jù)第三示例性實(shí)施例的差分放大器3的電路圖。參考 圖3，除了在差分放大器1和2中使用的由NMOS晶體管組成的差分 放大器11 (在下文中為了方便起見(jiàn)稱其為第一差分放大器部件)之外， 差分放大器3還包括由PMOS晶體管組成的第二差分放大器部件21。 從而差分放大器3與差分放大器1和2相比，可兼容更寬范圍的輸入 電壓。
除了在差分放大器1中使用的第一差分放大器部件11、電流放大 器部件(在下文中為了方便起見(jiàn)稱其為第一電流放大器部件)12、共 模電流發(fā)生器部件(在下文中為了方便起見(jiàn)稱其為第一共模電流發(fā)生 器部件)13以及第一基準(zhǔn)電流源14之外，差分放大器3還包括第二差分放大器部件21、第二電流放大器部件22、第二共模電流發(fā)生器部件 23以及第二基準(zhǔn)電流源24。
第二差分放大器部件21、第二電流放大器部件22、第二共模電流 發(fā)生器部件23以及第二基準(zhǔn)電流源24包括分別與組成第一差分放大 器部件11、第一電流放大器部件12、第一共模電流發(fā)生器部件13以 及第一基準(zhǔn)電流源14的晶體管相對(duì)應(yīng)但是具有相反極性的晶體管。差 分放大器3進(jìn)一步包括與電壓源V13相對(duì)應(yīng)的電壓源V14。
例如，與晶體管Mll至M15以及晶體管M1A至M1F相對(duì)應(yīng)的晶 體管M21至M25以及晶體管M2A至M2F是PMOS晶體管。與晶體管 M16至M19以及晶體管M1G至M1H相對(duì)應(yīng)的晶體管M26至M29以 及晶體管M2G至M2H是NMOS晶體管。
除了其中處理的電流的極性不同之外，第二差分放大器部件21、 第二電流放大器部件22、第二共模電流發(fā)生器部件23以及第二基準(zhǔn)電 流源24的操作分別對(duì)應(yīng)于第一差分放大器部件11、第一電流放大器部 件12、第一共模電流發(fā)生器部件13以及第一基準(zhǔn)電流源14的操作。 在差分放大器3中，第一電流放大器部件12的輸出和第二電流放大器 部件22的輸出被共同地連接至輸出的端OUT。因此，在輸出端OUT 中，組合了第一電流放大器部件12的輸出和第二電流放大器部件22 的輸出。
在根據(jù)第三示例性實(shí)施例的差分放大器3中，使用第一差分放大 器部件11、第一電流放大器部件12、第一共模電流發(fā)生器部件13以 及第一基準(zhǔn)電流源14放大高電勢(shì)側(cè)上的輸入信號(hào)，并且使用第二差分 放大器部件21、第二電流放大器部件22、第二共模電流發(fā)生器部件23 以及第二基準(zhǔn)電流源24放大低電勢(shì)側(cè)上的輸入信號(hào)。這使得能夠兼容 很寬范圍的輸入電壓。此外，使用差分放大器3能夠與軌對(duì)軌的操作 相兼容，其中，輸入電壓范圍和輸出電壓范圍是從接地電壓至電源電壓。
同樣在差分放大器3中，因?yàn)榱鬟^(guò)被連接至輸出端OUT的晶體管 的電流不受到由于輸入信號(hào)的共模分量導(dǎo)致的變化的影響，因此能夠 提高差分放大器的特性的穩(wěn)定性。
圖4示出根據(jù)第四示例性實(shí)施例的差分放大器4的電路圖。差分 放大器4是根據(jù)第三示例性實(shí)施例的差分放大器3的替代示例。差分 放大器4包括是第二電流放大器部件22的替代示例的第二電流放大器 部件22a。
在第二電流放大器部件22a中，去除了被包括在第二電流放大器 部件22中的晶體管M24和M25。晶體管M26的漏極被連接至晶體管 M12的漏極，而不是晶體管M24的漏極。晶體管M27的漏極被連接至 晶體管M13的漏極，而不是晶體管M25的漏極。此外，晶體管M26 的源極被連接至晶體管M2A的漏極。晶體管M27的源極被連接至晶 體管M2B的漏極。通過(guò)去除晶體管M24和M25，減少了差分放大器4 中的電路面積。
NMOS晶體管和PMOS晶體管基本上具有不同的特性。因此，在 用于輸入信號(hào)VIP和VIM的輸出的漏電流112和113與漏電流122和 123之間的特性是不同的。因?yàn)榧词乖谠O(shè)計(jì)階段PMOS晶體管和NMOS 晶體管的特性被設(shè)計(jì)為是相同的，也由于制造階段中的波動(dòng)導(dǎo)致不能 保持PMOS晶體管和NMOS晶體管的相同特性，因此很難消除漏電流 中的不同。因此，當(dāng)?shù)谝徊罘址糯笃鞑考?1和第二差分放大器部件21 的構(gòu)造不完全對(duì)稱時(shí)，沒(méi)有很大地影響差分放大器的特性。因此，差 分放大器4能夠?qū)崿F(xiàn)與根據(jù)第三示例性實(shí)施例的差分放大器3基本上 相同的性能。本領(lǐng)域的技術(shù)人員能夠根據(jù)需要組合第一至第四示例性實(shí)施例。
此外，第二示例性實(shí)施例中描述的輸出緩沖器15可以被添加至第三和 第四示例性實(shí)施例中描述的差分放大器。在這樣的情況下，必須反轉(zhuǎn) 輸入端的極性。此外，可以使用雙極性晶體管構(gòu)造根據(jù)本發(fā)明的示例 性實(shí)施例的差分放大器。在這樣的情況下，用NPN晶體管代替N溝道 晶體管，并且用PNP晶體管代替P溝道晶體管。雙極性晶體管的發(fā)射 極對(duì)應(yīng)于MOSFET的源極，雙極性晶體管的集電極對(duì)應(yīng)于MOSFET的 漏極，并且雙極性晶體管的基極對(duì)應(yīng)于MOSFET的柵極。
雖然己經(jīng)根據(jù)若干示例性實(shí)施例描述了本發(fā)明，但是本領(lǐng)域的那 些技術(shù)人員將會(huì)理解本發(fā)明可以在權(quán)利要求的精神和范圍內(nèi)在各種修 改的情況下實(shí)踐并且本發(fā)明并不限于上述的示例。
此外，權(quán)利要求的范圍不限于上述的示例性實(shí)施例。
此外，應(yīng)當(dāng)注意的是，申請(qǐng)人意在涵蓋權(quán)利要求中所有要素的等 同形式，即使在后期的審査過(guò)程中對(duì)權(quán)利要求進(jìn)行過(guò)修改。
權(quán)利要求
1. 一種差分放大器，包括差分放大器部件，所述差分放大器部件根據(jù)輸入信號(hào)的差模分量和共模分量生成由差模電流和第一共模電流組成的電流；共模電流發(fā)生器部件，所述共模電流發(fā)生器部件根據(jù)所述輸入信號(hào)的所述共模分量生成第二共模電流；以及電流放大器部件，所述電流放大器部件接收所述電流和所述第二共模電流，放大所述電流和所述第二共模電流之間的差并且輸出結(jié)果。
2. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的差分放大器，其中，所述第二共模電流 等于所述第一共模電流。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的差分放大器，其中，所述共模電流發(fā)生 器部件包括第二差分對(duì)，所述第二差分對(duì)由與所述差分放大器中的第一差分 對(duì)相同的導(dǎo)電類型的晶體管形成，所述晶體管具有分別共同地連接的 源極和漏極或者分別共同地連接的發(fā)射極和集電極；第一電流源，所述第一電流源被連接至所述第二差分對(duì)的源極或 者發(fā)射極側(cè)上的公共結(jié)點(diǎn)，以將第一操作電流供給到所述第二差分對(duì)；第二電流源，所述第二電流源被連接至所述第二差分對(duì)的漏極或 者集電極側(cè)上的公共結(jié)點(diǎn)，以將第二操作電流供給到所述第二差分對(duì)； 以及電流鏡電流，所述電流鏡電路被連接至漏極或者集電極側(cè)上的所 述公共結(jié)點(diǎn)，以接收是所述第一操作電流和所述第二操作電流之間的 差的共模電流并且輸出所述共模電流作為所述第二共模電流。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的差分放大器，其中，所述第一差分對(duì)的 一個(gè)輸入端和所述第二差分對(duì)的一個(gè)輸入端被共同地連接，并且所述 第一差分對(duì)的另一個(gè)輸入端和所述第二差分對(duì)的另一個(gè)輸入端被共同地連接。
5. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的差分放大器，其中所述差分放大器部件包括第一差分放大器部件和第二差分放大器 部件，所述共模電流發(fā)生器部件包括第一共模電流發(fā)生器部件和第二共 模電流發(fā)生器部件，所述電流放大器部件包括對(duì)應(yīng)于所述第一差分放大器部件和所述 第一共模電流發(fā)生器部件放置的第一電流放大器部件，和對(duì)應(yīng)于所述 第二差分放大器部件和所述第二共模電流發(fā)生器部件放置的第二電流 放大器部件，所述第一差分放大器部件和所述第一共模電流發(fā)生器部件分別包 括由第一導(dǎo)電類型的晶體管形成的第一差分對(duì)，所述第二差分放大器部件和所述第二共模電流發(fā)生器部件分別包 括由第二導(dǎo)電類型的晶體管形成的第二差分對(duì)，以及所述第一電流放大器部件的輸出端和所述第二電流放大器部件的 輸出端被共同地連接。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的差分放大器，其中，所述第二電流放大 器部件通過(guò)接收在所述第一差分放大器部件中生成的差模電流和在所 述第二差分放大器部件中生成的差模電流進(jìn)行操作。
7. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的差分放大器，進(jìn)一步包括 輸出緩沖器，所述輸出緩沖器從所述電流放大器部件接收輸出電流，放大所述輸出電流并且輸出結(jié)果。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種差分放大器，該差分放大器包括差分放大器部件，該差分放大器部件根據(jù)輸入信號(hào)的差模分量和共模分量生成由差模電流和第一共模電流組成的電流；共模電流發(fā)生器部件，該共模電流發(fā)生器部件根據(jù)輸入信號(hào)的共模分量生成共模電流；以及電流放大器部件，該電流放大器部件接收電流和共模電流，放大電流和共模電流之間的差并且輸出結(jié)果。
文檔編號(hào)H03F3/45GK101534101SQ20091012860
公開(kāi)日2009年9月16日 申請(qǐng)日期2009年3月12日 優(yōu)先權(quán)日2008年3月13日
發(fā)明者湯淺太刀男 申請(qǐng)人:恩益禧電子股份有限公司