轨到轨放大器共模感知控制常数跨导输入方法与流程

1.本发明属于集成电路设计的宽摆幅轨到轨放大器技术领域，具体涉及一种轨到轨放大器共模感知控制常数跨导输入方法。


背景技术：

2.为了实现放大器尽可能大的信号输入范围，输入信号最大接近电源电压，最低到负电源电压附近，或到地电位附近，这就是所谓轨到轨放大器的输入级。 nmos差分输入对输入信号的电压范围是：v
dsat
v
gsn
≤v
inncm
≤v
cc
；pmos差分输入对输入信号的电压范围是：v
ss
≤v
inpcm
≤v
dsat
v
gsp
。式中v
dsat
是mos管的过驱动电压；v
gsn
是nmos管的栅源电压；v
gsp
是pmos管栅源电压的绝对值；v
ss
是负电源电压，或地电压。如果采用这两种差分输入对就可以实现轨到轨的信号输入，这种结构叫互补差分对，图1输入级差分电路共模信号的适应范围。
3.图2给出了传统的轨到轨放大器的输入级电路。它是是由一对nmos差分对和一对pmos差分对构成的互补差分对。当输入共模电压趋近电源电压vcc 时，pmos差分对停止工作，而nmos差分对仍正常工作；当输入共模电压趋近负电源电压(vss)时，pmos差分对工作，而nmos差分对则停止工作；当输入共模电压处于两个电源电压的中间nmos差分对和pmos差分对都可以正常工作，而且有很大的交叠区域。此结构虽然实现了轨到轨的信号输入范围，但在工作的交叠区域输入级电路的跨导增加了一倍，如图3所示为总的跨导随输入共模电压变化的情况，用公式(1)～(3)表示。放大器的增益带宽积(gbw)及压摆率 (selw rate)都是变化的，放大器的频率补偿也非最优。
4.在mos管的饱和区域，漏极电流的表达是：
[0005][0006]
在饱和区域nmos晶体管和pmos晶体管的跨导表达式分别是：
[0007][0008]
互补差分对总的跨导是：
[0009][0010]
公式中选取互补差分对的尺寸，使得kn＝k
p
，
[0011]
就可以得到：
[0012]
取互补差分对的尾部电流in＝i
p
＝i
ref
，在互补差分对共同工作的交叠部分，总的
跨导就是两个单独工作跨导的一倍，
[0013]
如果保持iref为常数，根据数学公式：互补差分对一对不工作，而另一对工作，工作差分对的尾部电流设为4i
ref
，那么，总的跨导g
mt
就会保持不变，实现常数跨导。
[0014]
图4是这种控制平方根电流实现常数跨导的一种电路。在共模输入信号的中间电压区域，pm6和nm6同时关闭。两个互补差分对的尾部电流都是i
ref
，总的跨导是：共模电压在高电平区域，差分对pm1和pm2因输入电平太高而截至，而差分对nm1和nm2则处于工作状态。此时，vrp是高电平， pm6关闭，nm6开起。pm4和pm5都处于截至状态，没有电流流过。pm3的镜像电流通过nm6注入到nmos管nm5，电流是i
ref
。nm3和nm4共同构成了nmos差分对nm1/nm2的尾部镜像电流管，总的电流是4i
ref
。总的跨导是：同样共模电压在低电压区域，nmos差分对nm1/nm2处于截至区域，vrp是低电平，nm6截至，pm6开起。pmos差分对pm1/pm2的尾部电流也是4i
ref
，跨导是：在三个共模电压区域跨导保持了一致。
[0015]
这种平方根1:3电流镜像电路是建立在mos管漏极电流平方特性的基础之上的，但是在现代深亚微米cmos工艺中mos管在饱和区域的漏极电流不再精确遵守该平方规律，这是该方法的最大缺陷。
[0016]
实现轨到轨放大器输入级常数跨导的另外一种常用的方法是用电平转移，图5是该方法实现电路的示意图。通过把输入共模电平转移到高电平，或低电平实现两个差分互补对的同时工作。但该方法工作电源电压不能太低，不适合应用于低电源电压的领域。
[0017]
因此，针对上述问题，予以进一步改进。


技术实现要素：

[0018]
本发明的主要目的在于提供一种轨到轨放大器共模感知控制常数跨导输入方法，其作为轨到轨的放大器输入级电路，而保持放大器的跨导不随输入共模电压发生变化。
[0019]
本发明的另一目的在于提供一种轨到轨放大器共模感知控制常数跨导输入方法，其适合于深亚微米cmos工艺，低电压应用领域。
[0020]
本发明的另一目的在于提供一种轨到轨放大器共模感知控制常数跨导输入方法，第二差分输入对组件和第一差分输入对组件分别在靠近正电源v
cc
和负电源v
ss
的区间工作，第二差分输入对组件对和第一差分输入对组件的尾部电流分别由晶体管nm3和晶体管pm3提供，通过镜像比例设置，可以使这两个电流相等，从而使两个差分对的跨导和压摆率(slew rate)等参数都保持为常数。
[0021]
为达到以上目的，本发明提供一种轨到轨放大器共模感知控制常数跨导输入方法，通过轨到轨放大器共模感知控制常数跨导输入电路用于保持放大器的跨导不随输入共模电压发生变化，包括以下步骤：
[0022]
步骤s1：在轨到轨放大器共模感知控制常数跨导输入电路靠近电源电压v
cc
的高电压区域时，第一共模感知电压组件的工作状态进入截止区并且使得作为电流镜的晶体管
pm4中的电流为零，以使得与晶体管pm4电性连接的作为电流镜的晶体管pm3中的电流为零，进而使得第一差分输入对组件不进行工作；
[0023]
在轨到轨放大器共模感知控制常数跨导输入电路靠近电源电压v
cc
的高电压区域时，第二共模感知电压组件的工作状态进入饱和区，与第二共模感知电压组件电性连接的并且作为电流镜的晶体管nm4中的电流等于与第二共模感知电压组件电性连接的并且作为电流镜的晶体管pm5镜像过来的电流，以使得与晶体管nm4电性连接的作为电流镜的晶体管nm3中有镜像过来的电流，进而使得第二差分输入对组件进行正常工作；
[0024]
步骤s2：当输入信号(输入信号vinn和vinp)的共模电压从高电压开始减小到预设的值，以使得轨到轨放大器共模感知控制常数跨导输入电路靠近负电源电压v
ss
的低电压区间时，第一共模感知电压组件开始工作，与第一共模感知电压组件电性连接的并且作为电流镜的晶体管pm4中的电流等于与第一共模感知电压组件电性连接的并且作为电流镜的晶体管nm5镜像过来的电流，以使得与晶体管pm4电性连接的作为电流镜的晶体管pm3中有镜像过来的电流，进而使得第一差分输入对组件进行正常工作并且第二差分输入对组件不进行工作；
[0025]
步骤s3：轨到轨放大器共模感知控制常数跨导输入电路分别在靠近电源电压v
cc
和负电源电压v
ss
的区域工作时，第二差分输入对组件和第一差分输入对组件的尾部电流分别由晶体管nm3和晶体管pm3提供，并且通过电流镜的镜像比例设置，使得晶体管nm3提供的电流和晶体管pm3提供的电流相等，并且通过设置第一共模感知电压组件和第二共模感知电压组件中晶体管的宽长比来调节第一共模感知电压组件和第二共模感知电压组件的电压感知范围(即正常工作能够提供电流通路的电压范围)，最后使得第一差分输入对组件和第二差分输入对组件的包括跨导和压摆率的参数均保持为常数。
[0026]
作为上述技术方案的进一步优选的技术方案，所述第一共模感知电压组件通过晶体管pm4和晶体管pm3与所述第一差分输入对组件电性连接，所述晶体管pm4和晶体管pm3均连接电源电压v
cc
，所述第二共模感知电压组件通过晶体管nm4和晶体管nm3与所述第二差分输入对组件电性连接，所述晶体管nm4和所述晶体管nm3均连接负电源电压v
ss
；
[0027]
所述第一共模感知组件通过晶体管nm5分别与所述晶体管nm4和所述晶体管nm3电性连接。
[0028]
作为上述技术方案的进一步优选的技术方案，所述第一共模感知电压组件包括晶体管pmr1和晶体管pmr2，所述晶体管pmr1的源极和所述晶体管pmr2的源极电性连接并且所述晶体管pmr1的漏极和所述晶体管pmr2的漏极电性连接，所述晶体管pmr1的栅极连接输入信号vinn并且所述晶体管pmr2的栅极连接输入信号vinp；
[0029]
所述第二共模感知电压组件包括晶体管nmr1和晶体管nmr2，所述晶体管 nmr1的源极和所述晶体管nmr2的源极电性连接并且所述晶体管nmr1的漏极和所述晶体管nmr2的漏极电性连接，所述晶体管nmr1的栅极连接输入信号vinn 并且所述晶体管nmr2的栅极连接输入信号vinp。
[0030]
作为上述技术方案的进一步优选的技术方案，所述第一差分输入对组件包括晶体管pm1和晶体管pm2，所述晶体管pm1的源极和所述晶体管pm2的源极电性连接并且所述晶体管pm1的漏极和所述晶体管pm2的漏极分别与折叠式共源共栅电流求和级电性连接；
[0031]
所述第二差分输入对组件包括晶体管nm1和晶体管nm2，所述晶体管nm1的源极和
所述晶体管nm2的源极电性连接并且所述晶体管nm1的漏极和所述晶体管nm2的漏极分别与折叠式共源共栅电流求和级电性连接；
[0032]
所述晶体管pm1的栅极和所述晶体管nm1的栅极电性连接并且均连接输入信号vinn，所述晶体管pm2的栅极和所述晶体管nm2的栅极电性连接并且均连接输入信号vinp。
[0033]
作为上述技术方案的进一步优选的技术方案，所述晶体管pmr1的源极和所述晶体管pmr2的源极均与所述晶体管pm4的漏极电性连接，所述晶体管pm1 的源极和所述晶体管pm2的源极均与所述晶体管pm3的漏极电性连接。
[0034]
作为上述技术方案的进一步优选的技术方案，所述晶体管nmr1的源极和所述晶体管nmr2的源极均与所述晶体管nm4的漏极电性连接，所述晶体管nm1 的源极和所述晶体管nm2的源极均与所述晶体管nm3的漏极电性连接。
[0035]
作为上述技术方案的进一步优选的技术方案，所述晶体管pmr1的漏极和所述晶体管pmr2的漏极均与所述晶体管nm5的漏极电性连接并且所述晶体管nm5 的源极与所述晶体管nm4的源极电性连接；
[0036]
所述晶体管nmr1的漏极和所述晶体管nmr2的漏极均与晶体管pm5的漏极电性连接并且所述晶体管pm5的源极连接电源电压v
cc
。
[0037]
作为上述技术方案的进一步优选的技术方案，所述晶体管pmr1、所述晶体管pmr2、所述晶体管pm1、所述晶体管pm2、所述晶体管pm3、所述晶体管pm4 和所述晶体管pm5均为pmos管，所述晶体管nmr1、所述晶体管nmr2、所述晶体管nm1、所述晶体管nm2、所述晶体管nm3、所述晶体管nm4和所述晶体管 nm5均为nmos管。
附图说明
[0038]
图1是现有的输入级差分电路共模信号的适应范围图。
[0039]
图2是现有的轨到轨放大器的输入级电路图。
[0040]
图3是现有的输入互补差分对跨导随输入共模电压变化图。
[0041]
图4是现有的控制平方根电流实现常数跨导的一种电路图。
[0042]
图5是现有的电平转移实现输入级常数跨导的一种电路图。
[0043]
图6是本发明的轨到轨放大器共模感知控制常数跨导输入方法的电路图。
[0044]
图7是本发明的pmos差分对组件与nmos差分对组件的尾部电流随轨到轨共模电压变化图。
[0045]
图8是本发明的应用的一种常数跨导轨到轨输入/输出放大器电路图。
[0046]
附图标记包括：100、第二共模感知电压组件；200、第一共模感知电压组件；300、第二差分输入对组件；400、第一差分输入对组件。
具体实施方式
[0047]
以下描述用于揭露本发明以使本领域技术人员能够实现本发明。以下描述中的优选实施例只作为举例，本领域技术人员可以想到其他显而易见的变型。在以下描述中界定的本发明的基本原理可以应用于其他实施方案、变形方案、改进方案、等同方案以及没有背离本发明的精神和范围的其他技术方案。
[0048]
在本发明的优选实施例中，本领域技术人员应注意，本发明所涉及的输入信号、电
源电压和负电源电压等可被视为现有技术。
[0049]
优选实施例。
[0050]
本发明公开了一种轨到轨放大器共模感知控制常数跨导输入方法，通过轨到轨放大器共模感知控制常数跨导输入电路用于保持放大器的跨导不随输入共模电压发生变化，包括以下步骤：
[0051]
步骤s1：在轨到轨放大器共模感知控制常数跨导输入电路靠近电源电压v
cc
的高电压区域时，第一共模感知电压组件的工作状态进入截止区并且使得作为电流镜的晶体管pm4中的电流为零，以使得与晶体管pm4电性连接的作为电流镜的晶体管pm3中的电流为零，进而使得第一差分输入对组件不进行工作；
[0052]
在轨到轨放大器共模感知控制常数跨导输入电路靠近电源电压v
cc
的高电压区域时，第二共模感知电压组件的工作状态进入饱和区，与第二共模感知电压组件电性连接的并且作为电流镜的晶体管nm4中的电流等于与第二共模感知电压组件电性连接的并且作为电流镜的晶体管pm5镜像过来的电流，以使得与晶体管nm4电性连接的作为电流镜的晶体管nm3中有镜像过来的电流，进而使得第二差分输入对组件进行正常工作；
[0053]
步骤s2：当输入信号(输入信号vinn和vinp)的共模电压从高电压开始减小到预设的值，以使得轨到轨放大器共模感知控制常数跨导输入电路靠近负电源电压v
ss
的低电压区间时，第一共模感知电压组件开始工作，与第一共模感知电压组件电性连接的并且作为电流镜的晶体管pm4中的电流等于与第一共模感知电压组件电性连接的并且作为电流镜的晶体管nm5镜像过来的电流，以使得与晶体管pm4电性连接的作为电流镜的晶体管pm3中有镜像过来的电流，进而使得第一差分输入对组件进行正常工作并且第二差分输入对组件不进行工作；
[0054]
步骤s3：轨到轨放大器共模感知控制常数跨导输入电路分别在靠近电源电压v
cc
和负电源电压v
ss
的区域工作时，第二差分输入对组件和第一差分输入对组件的尾部电流分别由晶体管nm3和晶体管pm3提供，并且通过电流镜的镜像比例设置，使得晶体管nm3提供的电流和晶体管pm3提供的电流相等，并且通过设置第一共模感知电压组件和第二共模感知电压组件中晶体管的宽长比来调节第一共模感知电压组件和第二共模感知电压组件的电压感知范围(即正常工作能够提供电流通路的电压范围)，最后使得第一差分输入对组件和第二差分输入对组件的包括跨导和压摆率的参数均保持为常数。
[0055]
具体的是，所述第一共模感知电压组件200通过晶体管pm4和晶体管pm3 与所述第一差分输入对组件400电性连接，所述晶体管pm4和晶体管pm3均连接电源电压v
cc
，所述第二共模感知电压组件100通过晶体管nm4和晶体管nm3 与所述第二差分输入对组件300电性连接，所述晶体管nm4和所述晶体管nm3 均连接负电源电压v
ss
；
[0056]
所述第一共模感知组件200通过晶体管nm5分别与所述晶体管nm4和所述晶体管nm3电性连接。
[0057]
值得一提的是，本发明的晶体管pm5、晶体管pm4、晶体管pm3、晶体管 nm5、晶体管nm4和晶体管nm3均作为电流镜像源。
[0058]
具体的是，所述第一共模感知电压组件包括晶体管pmr1和晶体管pmr2，所述晶体管pmr1的源极和所述晶体管pmr2的源极电性连接并且所述晶体管pmr1 的漏极和所述晶体管pmr2的漏极电性连接，所述晶体管pmr1的栅极连接输入信号vinn并且所述晶体管pmr2的
栅极连接输入信号vinp；
[0059]
所述第二共模感知电压组件包括晶体管nmr1和晶体管nmr2，所述晶体管 nmr1的源极和所述晶体管nmr2的源极电性连接并且所述晶体管nmr1的漏极和所述晶体管nmr2的漏极电性连接，所述晶体管nmr1的栅极连接输入信号vinn 并且所述晶体管nmr2的栅极连接输入信号vinp。
[0060]
更具体的是，所述第一差分输入对组件包括晶体管pm1和晶体管pm2，所述晶体管pm1的源极和所述晶体管pm2的源极电性连接并且所述晶体管pm1的漏极和所述晶体管pm2的漏极分别与折叠式共源共栅电流求和级电性连接；
[0061]
所述第二差分输入对组件包括晶体管nm1和晶体管nm2，所述晶体管nm1的源极和所述晶体管nm2的源极电性连接并且所述晶体管nm1的漏极和所述晶体管nm2的漏极分别与折叠式共源共栅电流求和级电性连接；
[0062]
所述晶体管pm1的栅极和所述晶体管nm1的栅极电性连接并且均连接输入信号vinn，所述晶体管pm2的栅极和所述晶体管nm2的栅极电性连接并且均连接输入信号vinp。
[0063]
进一步的是，所述晶体管pmr1的源极和所述晶体管pmr2的源极均与所述晶体管pm4的漏极电性连接(晶体管pm4的栅极和漏极电性连接并且源极连接电源电压v
cc
)，所述晶体管pm1的源极和所述晶体管pm2的源极均与所述晶体管pm3的漏极电性连接(晶体管pm3的源极连接电源电压v
cc
)。
[0064]
更进一步的是，所述晶体管nmr1的源极和所述晶体管nmr2的源极均与所述晶体管nm4的漏极电性连接(晶体管nm4的栅极和漏极电性连接并且源极连接负电源电压v
ss
)，所述晶体管nm1的源极和所述晶体管nm2的源极均与所述晶体管nm3的漏极电性连接(晶体管nm3的源极连接负电源电压v
ss
)。
[0065]
优选地，所述晶体管pmr1的漏极和所述晶体管pmr2的漏极均与所述晶体管nm5的漏极电性连接并且所述晶体管nm5的源极与所述晶体管nm4的源极电性连接(晶体管nm5的栅极连接电压端vbn)；
[0066]
所述晶体管nmr1的漏极和所述晶体管nmr2的漏极均与晶体管pm5的漏极电性连接并且所述晶体管pm5的源极连接电源电压v
cc
(晶体管pm5的栅极连接电压端vbp)。
[0067]
优选地，所述晶体管pmr1、所述晶体管pmr2、所述晶体管pm1、所述晶体管pm2、所述晶体管pm3、所述晶体管pm4和所述晶体管pm5均为pmos管，所述晶体管nmr1、所述晶体管nmr2、所述晶体管nm1、所述晶体管nm2、所述晶体管nm3、所述晶体管nm4和所述晶体管nm5均为nmos管。
[0068]
本发明的原理为：
[0069]
本发明的内容是图6所示的轨到轨放大器共模感知控制常数跨导输入(电路)方法的电路。该电路由一对pmos管组成的共模感知电压、一对nmos组成的共模感知电压及pmos差分输入对、nmos差分输入对和几个电流镜构成。pmos 共模感知电压由两个pmos晶体管pmr1和pmr2组成，这两个晶体管的源极连接在一起，漏极也连接在一起。这两个pmos晶体管的衬底可以接到它们的源极，避免衬偏效应，也可以接到更高的电平v
cc
。输入级的输入信号v
inn
和v
inp
分别接到pmr1和pmr2的栅极。同理，nmos共模感知电压由两个nmos晶体管 nmr1和nmr2组成，这两个晶体管的源极连接在一起，漏极也连接在一起。这两个nmos晶体管的衬底根据工艺的要求可以接到负电源v
ss
，也可以接到它们的源极。输入级的输入信号v
inn
和v
inp
分别接到nmr1和nmr2的栅极。
[0070]
由于放大器的放大倍数很大，v
inn
和v
inp
的差模信号非常小，在感知共模电压时可以认为v
inn
和v
inp
相等。在共模电压靠近电源电压v
cc
的高电压区域，这一对pmos共模感知电压晶体管工作状态进入截止区，根镜像电流源pm4中电流为零，pmos差分对不工作。但nmos共模感知电压晶体管工作状态进入饱和区，根镜像电流源nm4中电流等于pm5镜像过来的电流，nmos差分对正常工作，其尾部电流由nm3提供。
[0071]
当输入信号的共模电压从高电压开始减小到一定的值，靠近负电源电压v
ss
区间时，pmos共模感知电压晶体管pmr1和pmr2开始工作。根电流镜pm4的电流等于nm5镜像过来的电流，pmos差分对pm1和pm2正常工作，其尾部电流等于pm3从pm4镜像过来的电流。
[0072]
这样nmos差分对和pmos差分对分别在靠近正电源v
cc
和负电源v
ss
的区间工作。nmos差分对和pmos差分对的尾部电流分别由nm3和pm3提供，通过镜像比例设置，可以使这两个电流相等，再设置μ
p
(w/l)
p
＝μn(w/l)n，使两个差分对的跨导和压摆率(slew rate)等参数都保持为常数。
[0073]
pmos共模感知电压晶体管和nmos共模感知电压晶体管感知电压的范围，即正常工作能够提供电流通路的电压范围，可以通过调节两种共模感知电压中晶体管的宽长比(w/l)来调节。
[0074]
如图7是一种在全共模电压分为的调节区间。在交界处由于误差可能产生一定的误差，在这个共模电压范围内基本保持为常数。
[0075]
图8是本发明作为ab类放大器轨到轨输入级的应用电路，实现了轨到轨输入及轨到轨输入的功能。可以应用与低电压、深亚微米cmos工艺中，扩大了输入电压的范围。
[0076]
值得一提的是，图中的“folded cascode current summing stage”为折叠式共源共栅电流求和级。
[0077]
值得一提的是，本发明专利申请涉及的输入信号、电源电压和负电源电压等技术特征应被视为现有技术，这些技术特征的具体结构、工作原理以及可能涉及到的控制方式、空间布置方式采用本领域的常规选择即可，不应被视为本发明专利的发明点所在，本发明专利不做进一步具体展开详述。
[0078]
对于本领域的技术人员而言，依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或对其中部分技术特征进行等同替换，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围。