專利名稱：一種帶電流補(bǔ)償?shù)能壍杰壿斎爰壍闹谱鞣椒?br> 技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于模擬電路設(shè)計技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種模擬電路中的放大器的輸入級。
背景技術(shù)：
在模擬電路中，信號的共模電平往往是不定的，因此可能的信號共模電平范圍可大至由負(fù)電源電壓至正電源電壓。為了處理共模電平不同的信號，軌到軌輸入級是放大器的重要組成部分。在實(shí)際應(yīng)用中，為了實(shí)現(xiàn)在不同輸入共模電平時總體輸入級的跨導(dǎo)不變，通常需要在不同的輸入共模電平時，給輸入晶體管不同的直流電流。由于該電流由輸入級直接從后級輸出級抽取，因此就使得輸出級的直流電流在不同輸入共模電平時發(fā)生改變。這種直流電流的改變的直接結(jié)果就是輸出級存在輸出失調(diào)，即在輸出直流電平會隨輸入共模電平而改變，從而影響放大器的性能。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提出一種新的軌到軌輸入級，通過使用電流補(bǔ)償，使輸入級從后級抽取的直流電流不隨共模電平改變，從而減小輸出漂移。本發(fā)明提出的軌到軌輸入級，其電路結(jié)構(gòu)如圖1所示。由輸入差分對管M1、M2、 M3、M4，三倍電流鏡MB1、MB2、MB3、MB4、MB5、MB6、M5、M6，以及補(bǔ)償可變電流源11、12、 13、14、15、16、17、18，經(jīng)電路連接組成，通過可變電流源的補(bǔ)償作用，實(shí)現(xiàn)在輸入電平由負(fù)電源電壓至正電源電壓時，該輸入級從后級抽取的直流電流不變。其中，輸入管Ml和M2是NM0S，輸入管M3和M4是PM0S。差分輸入inl接輸入管 Ml和M3的柵極，差分輸入in2接輸入管M2和M4的柵極。輸入管Ml和M2的源端連接到三倍電流鏡管MB2、MB3的漏端和三倍電流鏡管M6的源端。輸入管M3和M4的源端連接到三倍電流鏡管MB5、MB6的漏端和三倍電流鏡管M5的源端。輸入管Ml的漏端al點(diǎn)接可變電流源13和15，并與后級相連，從后級抽取電流。輸入管M2的漏端a2點(diǎn)接可變電流源14 和16，并與后級相連，從后級抽取電流。輸入管M3的漏端a3點(diǎn)接可變電流源Il和18，并與后級相連，從后級抽取電流。輸入管M4的漏端a4點(diǎn)接可變電流源12和17，并與后級相連，從后級抽取電流。三倍電流鏡管MB6的柵極接外部偏置電壓Vbl，三倍電流鏡管MB3的柵極接外部偏置電壓Vb2。三倍電流鏡管MB2的柵級與三倍電流鏡管MBl的柵極和漏極相連， 且三倍電流鏡管MBl的寬長比是三倍電流鏡管MB2的三倍，形成三倍電流鏡。三倍電流鏡管MBl的漏極同時與三倍電流鏡管M5的漏極相連，而三倍電流鏡管M5的柵極接外部參考電壓Vm。三倍電流鏡管MB5的柵級與三倍電流鏡管MB4的柵極和漏極相連，且三倍電流鏡管MB5的寬長比是三倍電流鏡管MB4的三倍，形成三倍電流鏡。三倍電流鏡管MB4的漏極同時與三倍電流鏡管M6的漏極相連，而三倍電流鏡管M5的柵極接外部參考電壓Vm。當(dāng)輸入共模電平為中間電平時，輸入管Ml，M2, M3, M4同時導(dǎo)通。外部參考電壓Vrn和V,p選取合適的值使得M5和M6此時全部關(guān)斷，于是三倍電流鏡管中僅MB3和MB6導(dǎo)通，且電流大小都為210?？勺冸娏髟慈筷P(guān)閉。此時Ml，M2, M3, M4的電流相等，大小都為10。輸入管Ml，M2, M3, M4的尺寸選擇使得Ml，M2, M3, M4的跨導(dǎo)相等為gmO，則此時輸入級的跨導(dǎo)為Ml和M3管(相當(dāng)于M2和M4管)的跨導(dǎo)相加為2gm0，而輸入級從后級抽取的電流為10。當(dāng)輸入共模電平為高電平(接近正電源電壓)時，輸入管Ml和M2管關(guān)斷，跨導(dǎo)為 0，三倍電流鏡管M6的源極電壓升高使其導(dǎo)通。此時三倍電流鏡管MB3的電流210全部通過M6流入三倍電流鏡管MB4。由于三倍電流鏡管MB5和三倍電流鏡管MB4是電流鏡且三倍電流鏡管MB5的尺寸是三倍電流鏡管MB4的三倍，因此，三倍電流鏡管MB5此時的電流為 610。三倍電流鏡管中MB1，MB2和M5關(guān)斷。于是，此時輸入管M3和M4的電流為410。由于MOSFET的平方律特性，即在尺寸固定不變的情況下其跨導(dǎo)與電流成平方關(guān)系，此時M3和 M4的跨導(dǎo)都為2gm0。因此，輸入級的跨導(dǎo)為Ml和M3管(相當(dāng)于M2和M4管)的跨導(dǎo)相加仍為2gm0。此時，可變電流源II，12，13，14導(dǎo)通。可變電流源II，12的電流為310，而可變電流源13，14的流為10。這樣，輸入級從后級抽取的電流仍為10，相比輸入電平為中間電平時未發(fā)生改變。當(dāng)輸入共模電平為低電平(接近負(fù)電源電壓)時，輸入管M3和M4管關(guān)斷，跨導(dǎo)為0， 三倍電流鏡管M5的源極電壓降低使其導(dǎo)通。此時三倍電流鏡管MB6的電流210全部通過三倍電流鏡管M5流入三倍電流鏡管MB1。由于三倍電流鏡管MB1和三倍電流鏡管MB2是電流鏡，且三倍電流鏡管MB2的尺寸是三倍電流鏡管MBl的三倍，因此三倍電流鏡管MB2此時的電流為610。三倍電流鏡管中MB4，MB5和M6關(guān)斷。于是，此時輸入管Ml和M2的電流為 410。由于MOSFET的平方律特性，即在尺寸固定不變的情況下其跨導(dǎo)與電流成平方關(guān)系，因此此時Ml和M2的跨導(dǎo)都為2gm0，因此輸入級的跨導(dǎo)為Ml和M3管(相當(dāng)于M2和M4管)的跨導(dǎo)相加仍為2gm0。此時，可變電流源15，16，17，18導(dǎo)通。可變電流源15，16的電流為310，而可變電流源17，18的流為10。這樣，輸入級從后級抽取的電流仍為10，相比輸入電平為中間電平時未發(fā)生改變。綜上，本發(fā)明提出的帶電流補(bǔ)償?shù)能壍杰壿斎爰壴诓煌斎牍材ｋ娖綍r能滿足跨導(dǎo)不變且從后級抽取的電流不變。


圖1是本發(fā)明帶電流補(bǔ)償?shù)能壍杰壿斎爰壍慕Y(jié)構(gòu)圖。圖2是本發(fā)明的一種實(shí)施方式圖示。
具體實(shí)施例方式下面通過一個具體實(shí)例進(jìn)一步詳細(xì)描述本發(fā)明。圖2給出了使用帶電流補(bǔ)償?shù)能壍杰壿斎爰壍姆糯笃鞯耐暾娐穲D。其中，可變電流源由晶體管McollfcoU實(shí)現(xiàn)。輸出級則是折疊共源共柵級，由晶體管MCfMCS組成。當(dāng)輸入共模電平為中間電平時，輸入管Ml，M2, M3, M4同時導(dǎo)通，而三倍電流鏡管中僅MB3和MB6導(dǎo)通，且電流大小都為210。此時由于三倍電流鏡管MB4沒有電流，因此作為其電流鏡的可變電流源管Mco9和McolO也沒有電流，Mco9的柵極電壓，即Vcol為高，因此可變電流源管Mcof Mco4全部關(guān)斷。同理，由于三倍電流鏡管MBl沒有電流，因此作為其電流鏡的可變電流源管Mcoll和Mcol2也沒有電流，Mcol2的柵極電壓，即Vco2為低，因此可變電流源管MC05 MC08全部關(guān)斷?？勺冸娏髟慈筷P(guān)閉。此時Ml，M2, M3, M4的電流相等，大小都為10。輸入管Ml，M2, M3, M4的尺寸選擇使得Ml，M2, M3, M4的跨導(dǎo)相等為gmO，則此時輸入級的跨導(dǎo)為Ml和M3管(相當(dāng)于M2和M4管)的跨導(dǎo)相加為2gm0，而輸入級從后級抽取的電流為10。當(dāng)輸入共模電平為高電平(接近正電源電壓)時，輸入管Ml和M2管關(guān)斷，跨導(dǎo)為0， 三倍電流鏡管M6的源極電壓升高使其導(dǎo)通。此時三倍電流鏡管MB3的電流210全部通過 M6流入MB4。由于MB5和MB4是電流鏡且MB5的尺寸是MB4的三倍，因此MB5此時的電流為610。三倍電流鏡管中MB1，MB2和M5關(guān)斷。于是，此時輸入管M3和M4的電流為410。 由于MOSFET的平方律特性，即在尺寸固定不變的情況下其跨導(dǎo)與電流成平方關(guān)系，因此此時M3和M4的跨導(dǎo)都為2gm0，因此輸入級的跨導(dǎo)為Ml和M3管(相當(dāng)于M2和M4管)的跨導(dǎo)相加仍為2gm0。此時，由于三倍電流鏡管MB4有電流，因此作為其電流鏡的可變電流源管 Mco9和McolO也有電流，Mco9的柵極電壓，即Vcol為低，因此可變電流源管McofMcc^全部導(dǎo)通，其中Mcol和Mco2流過的電流為310，而Mco3和Mco4流過的電流為10。另一方面，可變電流源管Mc05lfc08全部關(guān)斷。這樣，輸入級從后級抽取的電流仍為10，相比輸入電平為中間電平時未發(fā)生改變。當(dāng)輸入共模電平為低電平(接近負(fù)電源電壓)時，輸入管M3和M4管關(guān)斷，跨導(dǎo)為0， 三倍電流鏡管M5的源極電壓降低使其導(dǎo)通。此時三倍電流鏡管MB6的電流210全部通過 M5流入MB1。由于MBl和MB2是電流鏡且MB2的尺寸是MBl的三倍，因此MB2此時的電流為610。三倍電流鏡管中MB4，MB5和M6關(guān)斷。于是，此時輸入管Ml和M2的電流為410。 由于MOSFET的平方律特性，即在尺寸固定不變的情況下其跨導(dǎo)與電流成平方關(guān)系，因此此時Ml和M2的跨導(dǎo)都為2gm0，因此輸入級的跨導(dǎo)為Ml和M3管(相當(dāng)于M2和M4管)的跨導(dǎo)相加仍為2gm0。此時，由于三倍電流鏡管MBl有電流，因此作為其電流鏡的可變電流源管 Mcoll和Mcol2也有電流，Mco 12的柵極電壓，即Vco2為高，因此可變電流源管Mco5 Mco8 全部導(dǎo)通，其中Mco5和Mco6流過的電流為310，而Mco7和Mco8流過的電流為10。另一方面，可變電流源管Mcof Mco4全部關(guān)斷。這樣，輸入級從后級抽取的電流仍為10，相比輸入電平為中間電平時未發(fā)生改變。由于在輸入共模電平改變的過程中，輸入級從輸出級MCfMCS抽取的直流電流并未發(fā)生改變，因此系統(tǒng)級輸出失調(diào)減小了。最后所應(yīng)說明的是，以上實(shí)施例僅用以說明本發(fā)明的技術(shù)方案而非限制，盡管參照較佳實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)說明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，可以對本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行修改或者等同替換，而不脫離本發(fā)明技術(shù)方案的精神和范圍，其均應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的權(quán)利要求范圍當(dāng)中。
權(quán)利要求
1. 一種帶電流補(bǔ)償?shù)能壍杰壿斎爰?，其特征在于?個輸入差分管(Ml、M2、M3、M4)，8 個三倍電流鏡(MB1、MB2、MB3、MB4、MB5、MB6、M5、M6)，以及8個補(bǔ)償可變電流源(II、12、 13、14、15、16、17、18)，經(jīng)電路連接組成；其中，第一輸入管(Ml)和第二輸入管(M2)是NMOS管，第三輸入管(M3)和第四輸入管 (M4)是PMOS管；第一差分輸入(inl)接第一輸入管(Ml)和第三輸入管(M3)的柵極，第二差分輸入(in2)接第二輸入管(M2)和第四輸入管(M4)的柵極；第一輸入管(Ml)和第二輸入管(M2)的源端連接到第二三倍電流鏡管(MB2)、第三三倍電流鏡管(MB3)的漏端和第八三倍電流鏡管(M6)的源端；第三輸入管(M3)和第四輸入管(M4)的源端連接到第五三倍電流鏡管(MB5)、第六三倍電流鏡管(MB6)的漏端和第七三倍電流鏡管(M5)的源端；第一輸入管 (Ml)的漏端al點(diǎn)接第三可變電流源(13)和第五可變電流源(15)，并與后級相連，從后級抽取電流；第二輸入管(M2)的漏端a2點(diǎn)接第四可變電流源(14)和第六可變電流源(16)， 并與后級相連，從后級抽取電流；第三輸入管(M3)的漏端a3點(diǎn)接第一可變電流源(Il)和第八可變電流源(18)，并與后級相連，從后級抽取電流；第四輸入管(M4)的漏端a4點(diǎn)接第二可變電流源(12)和第七可變電流源(17)，并與后級相連，從后級抽取電流；第六三倍電流鏡管(MB6)的柵極接外部偏置電壓Vbl，第三三倍電流鏡管(MB3)的柵極接外部偏置電壓 Vb2 ；第二三倍電流鏡管(MB2)的柵級與第一三倍電流鏡管(MBl)的柵極和漏極相連，且第一三倍電流鏡管(MBl)的寬長比是第二三倍電流鏡管(MB2)的三倍，形成三倍電流鏡；第一三倍電流鏡管(MBl)的漏極同時與第七三倍電流鏡管(M5)的漏極相連，而第七三倍電流鏡管(M5)的柵極接外部參考電壓Vm;第五三倍電流鏡管(MB5)的柵級與第四三倍電流鏡管 (MB4)的柵極和漏極相連，且第五三倍電流鏡管(MB5)的寬長比是第四三倍電流鏡管(MB4) 的三倍，形成三倍電流鏡；第四三倍電流鏡管(MB4)的漏極同時與第八三倍電流鏡管(M6) 的漏極相連，而第七三倍電流鏡管(M5)的柵極接外部參考電壓Vm。
全文摘要
本發(fā)明屬于模擬電路設(shè)計技術(shù)領(lǐng)域，具體為一種帶電流補(bǔ)償?shù)能壍杰壿斎爰墶Ｓ?個輸入差分管、8個三倍電流鏡以及8個補(bǔ)償可變電流源經(jīng)電路連接組成；本發(fā)明利用可變電流源，實(shí)現(xiàn)在不同輸入共模電平下的電流補(bǔ)償，使得該輸入級從后級抽取的直流電流與輸入共模電平無關(guān)，從而減小后級輸出的失調(diào)。
文檔編號H03F3/45GK102355212SQ20111022676
公開日2012年2月15日 申請日期2011年8月9日 優(yōu)先權(quán)日2011年8月9日
發(fā)明者李一雷, 談熙, 閆娜, 閔昊 申請人:復(fù)旦大學(xué)