專利名稱：一種帶電流補償的軌到軌輸入級的制作方法
技術領域：
本發明屬于模擬電路設計技術領域，具體涉及一種模擬電路中的放大器的輸入級。
背景技術：
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。在實際應用中，為了實現在不同輸入共模電平時總體輸入級的跨導不變，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生改變。這種直流電流的改變的直接結果就是輸出級存在輸出失調，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。
發明內容
本發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。本發明提出的軌到軌輸入級，其電路結構如圖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，以及補償可變電流源11、12、 13、14、15、16、17、18，經電路連接組成，通過可變電流源的補償作用，實現在輸入電平由負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。當輸入共模電平為中間電平時，輸入管Ml，M2, M3, M4同時導通。外部參考電壓Vrn和V,p選取合適的值使得M5和M6此時全部關斷，于是三倍電流鏡管中僅MB3和MB6導通，且電流大小都為210。可變電流源全部關閉。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的跨導相等為gmO，則此時輸入級的跨導為Ml和M3管(相當于M2和M4管)的跨導相加為2gm0，而輸入級從后級抽取的電流為10。當輸入共模電平為高電平(接近正電源電壓)時，輸入管Ml和M2管關斷，跨導為 0，三倍電流鏡管M6的源極電壓升高使其導通。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與電流成平方關系，此時M3和 M4的跨導都為2gm0。因此，輸入級的跨導為Ml和M3管(相當于M2和M4管)的跨導相加仍為2gm0。此時，可變電流源II，12，13，14導通。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生改變。當輸入共模電平為低電平(接近負電源電壓)時，輸入管M3和M4管關斷，跨導為0， 三倍電流鏡管M5的源極電壓降低使其導通。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與電流成平方關系，因此此時Ml和M2的跨導都為2gm0，因此輸入級的跨導為Ml和M3管(相當于M2和M4管)的跨導相加仍為2gm0。此時，可變電流源15，16，17，18導通。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生改變。綜上，本發明提出的帶電流補償的軌到軌輸入級在不同輸入共模電平時能滿足跨導不變且從后級抽取的電流不變。
圖1是本發明帶電流補償的軌到軌輸入級的結構圖。圖2是本發明的一種實施方式圖示。
具體實施例方式下面通過一個具體實例進一步詳細描述本發明。圖2給出了使用帶電流補償的軌到軌輸入級的放大器的完整電路圖。其中，可變電流源由晶體管McollfcoU實現。輸出級則是折疊共源共柵級，由晶體管MCfMCS組成。當輸入共模電平為中間電平時，輸入管Ml，M2, M3, M4同時導通，而三倍電流鏡管中僅MB3和MB6導通，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全部關斷。可變電流源全部關閉。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的跨導相等為gmO，則此時輸入級的跨導為Ml和M3管(相當于M2和M4管)的跨導相加為2gm0，而輸入級從后級抽取的電流為10。當輸入共模電平為高電平(接近正電源電壓)時，輸入管Ml和M2管關斷，跨導為0， 三倍電流鏡管M6的源極電壓升高使其導通。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與電流成平方關系，因此此時M3和M4的跨導都為2gm0，因此輸入級的跨導為Ml和M3管(相當于M2和M4管)的跨導相加仍為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生改變。當輸入共模電平為低電平(接近負電源電壓)時，輸入管M3和M4管關斷，跨導為0， 三倍電流鏡管M5的源極電壓降低使其導通。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與電流成平方關系，因此此時Ml和M2的跨導都為2gm0，因此輸入級的跨導為Ml和M3管(相當于M2和M4管)的跨導相加仍為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生改變，因此系統級輸出失調減小了。最后所應說明的是，以上實施例僅用以說明本發明的技術方案而非限制，盡管參照較佳實施例對本發明進行了詳細說明，本領域的普通技術人員應當理解，可以對本發明的技術方案進行修改或者等同替換，而不脫離本發明技術方案的精神和范圍，其均應涵蓋在本發明的權利要求范圍當中。
權利要求
1. 一種帶電流補償的軌到軌輸入級，其特征在于由4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個補償可變電流源(II、12、 13、14、15、16、17、18)，經電路連接組成；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
本發明屬于模擬電路設計技術領域，具體為一種帶電流補償的軌到軌輸入級。由4個輸入差分管、8個三倍電流鏡以及8個補償可變電流源經電路連接組成；本發明利用可變電流源，實現在不同輸入共模電平下的電流補償，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，從而減小后級輸出的失調。
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 優先權日2011年8月9日
發明者李一雷, 談熙, 閆娜, 閔昊 申請人:復旦大學