專利名稱：用于偏置軌對軌dmos放大器輸出級的方法和裝置的制作方法
用于偏置軌對軌DMOS放大器輸出級的方法和裝置相關申請本申請按照35U. S. C. § 119要求提交于2011年6月17日的美國臨時專利申請No. 61/498，330的優先權，通過引用將其完整結合在此。
背景技術：
便攜電子裝置越來越多地使用5V或更低的單個供電電壓，并且較低的供電電壓的設計需要使用全電源跨度或軌對軌電源，以便具有可用動態范圍。圖IA示出了現有技術的軌對軌(rail to rail)輸出DMOS放大器的圖。如圖所示,放大器100是多級放大器，其高增益級之后是輸出驅動級。輸入級101接收輸入信號inputp和inputn,并且提供輸出信號al和ndrive。高增益級包括高側電流鏡102、輸出偏置電路103和低側電流源104。輸 出驅動器級包括高側PMOS驅動器105和低側PMOS驅動器106。輸出偏置電路103從低側電流源104和高側電流鏡102接收輸入電流。響應于輸入電流，輸出偏置塊103設置高側驅動器105的偏置電壓pdrive和低側驅動器106的偏置電壓ndrive。高側電流鏡102包括高側電流鏡1021和1022，它們分別從輸出偏置電路103接收bl和pdrive，并且被耦連到功率軌VDD。低側電流源104包括低側電流源1041和1042，它們分別從輸入級101接收al和ndrive，并且被耦連到功率軌VSS。高側PMOS驅動器105的柵極被以pdrive控制，并且其源極被I禹連到VDD。低側PMOS驅動器106的柵極被以ndrive控制，并且其源極被耦連到VSS。放大器的輸出107取自驅動器105和106的漏極的連接處。如圖IB所示，輸出擺幅是VDD到VSS。換言之，其輸出是軌對軌的。輸出驅動器級和前級(例如，圖IA中的高增益級)之間的連接影響前級的性能，并且因此影響放大器増益。在典型的MOS放大器中，最后增益級(例如，圖IA中的高增益級)驅動MOS輸出驅動器的柵極，該MOS輸出驅動器可以是放大器的高側PMOS或低側NMOS，它們可驅動到ー個或兩個軌(例如，圖IA中的輸出驅動器級)。在圖IA所示的放大器中，驅動器的柵極偏置電壓是偏離(away from)功率軌的柵到源電壓Vgs，并且高增益級電流鏡/源上的凈空(headroom)在高側是VDD — Vpdrive = Vgs_p,并且在低側上是Vndrive — VSS=Vgs_n。因此,在許多放大器上的エ藝扭曲(process skew)和溫度上,前級電流鏡必須以僅僅ー個Vge，例如，圖IA中的Vgs_p或Vgs_n的凈空保持飽和。在高操作溫度和エ藝扭曲的情況下，所述凈空或Vgs可以低至0.4V。這限制了可用于實現鏡的偏置的退化過驅動和共源共柵(cascoding)的數量。這可以直接影響它們的匹配(放大器偏移)以及它們的輸出阻抗(放大器増益)。輸出驅動器的柵到源電壓Vgs越低，越難保持高的前増益級的增益。這通常是由于前級具有高輸出阻抗電流鏡/源。由于這種電壓降上的電壓凈空，電流鏡/源可以退出飽和，導致增益級的輸出處的阻抗降低，這降低了放大器増益。這種情況特別存在于具有一個高增益級和后面跟著的一個驅動級的兩級放大器。因此，希望提供ー種增加輸出驅動器內的驅動電壓的方法和電路。這允許鏡上的更大凈空，并且允許鏡的更好偏置和性能，以簡單的方式增強放大器性能和健壯性。
下面描述若干附圖以便可以理解本發明的特征。然而，應當注意，附圖僅僅示出了本發明的特定實施例，并且因此不被認為限制本發明的范圍，本發明可以包括其它等效的實施例。圖IA示出了現有技術的軌對軌輸出DMOS放大器的圖；圖IB示出了圖IA中的放大器的信號波形；圖2A不出了根據本發明的一個實施例的DMOS放大器；圖2B示出了可用于提供圖2A中的Vdrop的器件；圖2C示出了圖2A中的放大器的信號波形；
圖3A示出了根據本發明的一個實施例的放大器；圖3B示出了根據本發明的一個實施例的放大器；圖3C示出了根據本發明的一個實施例的圖3A中的放大器內的pdrive感測電路
301；圖3D示出了根據本發明的一個實施例的圖3A中的放大器內的ndrive感測電路
302；圖3E示出了圖3A中的放大器的低側信號的波形；圖3F示出了圖3A中的放大器的高側信號的波形；圖4示出了根據本發明的一個實施例偏置放大器的輸出級的方法。
具體實施例方式本發明提供了一種偏置放大器的輸出級，以便提供前級的電流鏡/源的更大凈空的方法和電路。這允許將電流鏡/源更進一歩偏置到飽和，提高增益，并且避免鏡退出飽和以及增益崩潰的可能性。圖2A示出了根據本發明的一個實施例的DMOS放大器。為了增加電流鏡/源上的凈空，本發明在輸出驅動器MOS的源極和功率軌之間增加了電壓降Vdrop，例如，輸出驅動器級的高側處的Vdrop 201和輸出驅動器級的低側處的Vdrop 202。因此，電流鏡的凈空在高側為Vgs_p + Vdrop,并且在低側為Vgs_n + Vdrop。圖2A中的放大器200可以用離開功率軌的Vdrop提升輸出驅動器柵極電壓，增強前増益級的凈空。由于電流鏡現在具有更大的凈空，它們對溫度和エ藝變化具有更大的健壯性，并且該放大器可被設計為具有更高的増益。圖2B示出了可用于提供圖2A中的Vdrop的器件。如圖所示，可以用ニ極管210，或npn晶體管211或pnp晶體管212的Vbe提供Vdrop。還可以由ニ極管接法的MOS提供Vdrop，包括 NM0S213 和 PM0S214。圖2C示出了圖2A中的放大器的信號波形。如圖所示，當輸入掃動時，輸出不能自始至終達到VDD或VSS。這是由于連續Vdrop防止輸出轉到VDD和VSS軌。特別地，由于圖2A的放大器的輸出被在高側限制到VDD — Vdrop，并且被在低側限制為VSS + Vdrop，其輸出擺動是 VDD - VSS - 2X Vdrop。圖3A示出了根據本發明的一個實施例的放大器。圖3A中的放大器300使用感測電路301和302、輔助驅動器303和304以便旁路Vdrop，并且允許常規的軌對軌操作。特別地，ndrive感測電路302可被耦連在低側驅動器電路106的輸入和VSS之間，以便檢測放大器輸出是否被驅動為接近功率軌VSS，并且在其輸出處提供信號ndrive_aux,以便相應地指示結果。低側輔助驅動器304可以具有分別耦連到ndrive感測電路302的輸出、放大器的輸出107和VSS的三個端子，并且被以信號ndrive_aux控制以便連接或斷開輸出107和VSS。當放大器將輸出驅動到VSS吋，ndrive信號可以増大，以便更牢靠地導通低側驅動器電路106。然而，到VSS的路徑受到低側Vdrop202的限制。ndrive感測電路302可以檢測ndrive電壓的確定的増大，并且可以激活將放大器的輸出直接連接到VSS的低側輔助驅動器304,允許放大器始終驅動到VSS。當放大器驅動離開VSS時,ndrive電壓下降到Vgs + Vdrop,并且ndrive感測電路302可以檢測到該情況，并且釋放(dis_engage)低側輔助驅動器304。上述操作序列包含在放大器高増益信號路徑內。因此，利用放大器高増益提供低側輔助驅動器304的平滑(線性)連接，導致高線性和始終到VSS的連續操作。由于ndrive信號的増大，低側電流源上的凈空將増大，并且電流源將被針對高增益健壯地偏置。
類似地，pdrive感測電路301可被耦連在高側驅動器電路105的輸入和VDD之間，以便檢測放大器輸出是否被驅動為接近功率軌VDD，并且在其輸出處提供信號pdriVe_aux,以便相應地指示結果。高側輔助驅動器303可以具有分別耦連到pdrive感測電路301的輸出、放大器的輸出107和VDD的三個端子，并且被以信號pdrive_aux控制以便連接或斷開輸出107和VDD。當放大器驅動接近功率軌VDD吋，與高側驅動器電路105串聯的Vdrop 201將阻止輸出轉到功率軌VDD。Pdrive離開VDD減小。pdrive感測電路301檢測pdrive從VDD的確定的減小，并且激活將放大器的輸出直接連接到VDD的高側輔助驅動器303，允許放大器始終驅動到VDD。當放大器驅動離開VDD時，pdrive下降到低于VDD的Vgs + Vdrop。pdrive感測電路301檢測到這種情況，并且釋放高側輔助驅動器303。上述操作序列包含在放大器高増益信號路徑內。因此，利用放大器高増益提供高側輔助驅動器電路303的平滑(線性)連接，導致高線性和始終到VDD的連續操作。由于pdrive信號的増大，高側電流鏡上的凈空更高，并且電流鏡被針對高增益健壯地偏置。高側和低側輔助驅動器的組合提供了軌對軌操作。圖3A的放大器可用于較高電壓的放大器，例如，5V，其中電壓Vdrop + Vgs不會被供電約束妨礙。通過允許對所有操作和制造條件都成立的鏡內的増大的阻杭，圖3A的放大器允許僅用I個增益級的非常高増益的放大器的健壯設計(例如，>100dB)。圖3B示出了根據本發明的一個實施例的放大器。如圖所示，高側輔助驅動器被以PMOS驅動器303a實現，并且低側輔助驅動器被以NMOS驅動器304a實現。圖3C示出了根據本發明的一個實施例的放大器300中的pdrive感測電路301，并且圖3D示出了根據本發明的一個實施例的放大器300中的ndrive感測電路302。該感測電路可被以具有一種ニ極管電壓降的組合的MOSFET源極跟隨器實現。在圖3C中，源極跟隨器3011可以將其柵極驅動電壓降低晶體管3011的Vgs，并且可以被提供另ー個Vgs以便導通高側輔助驅動器303。將這些Vgs偏置為大于驅動器電路105的Vgs和Vdrop意味著pdrive感測電路301休眠直到放大器驅動接近功率軌VDD，并且高側驅動器電路105的柵極電壓pdrive増大并且以受控的方式導通高側輔助驅動器303。類似地，ndrive感測電路302可以休眠直到放大器驅動接近功率軌VSS，并且低側驅動器電路106的柵極電壓ndrive増大并且以受控的方式導通低側輔助驅動器304。圖3E示出了放大器300的低側的信號波形。如圖所示，隨著輸入下降，輸出被驅動到VSS。當輸出在VSS的Vdrop內時，電壓ndrive由于放大器的閉環增益而増大。ndrive感測電路302檢測ndrive電壓的増大。這又產生ndrive_aux電壓，以便驅動低側輔助驅動器304，低側輔助驅動器304于是允許輸出始終轉到VSS。圖3F示出了放大器300的高側的信號波形。如圖所示，隨著輸入増大，輸出被驅動到VDD。Pdrive離開VDD減小。由pdrive感測電路301檢測Pdrive電壓的減小。這又產生pdrive_aUX電壓，以便驅動高側輔助驅動器303，高側輔助驅動器303于是允許輸出始終轉到VDD。圖4示出了根據本發明的一個實施例偏置放大器的輸出級的方法。圖3A所示的放大器300可以使用該方法，其利用輸出驅動器級的高側處的電壓降201和輸出驅動器級 的低側處的電壓降202。在401,響應于輸入信號inputp和inputn,高增益級110可以給輸出驅動器級120內的低側驅動器電路106提供驅動信號ndrive，并且給輸出驅動器級120內的高側驅動器電路105提供驅動信號pdrive。在402，ndrive感測電路302可以檢測ndrive電壓中是否存在確定的増大。如果是，ndrive感測電路302在403可以激活將放大器300的輸出107直接連接到VSS的低側輔助驅動器304，允許放大器始終驅動到VSS。否則，可以重復402以便繼續檢測ndrive電壓中是否存在確定的増大。在404, ndrive感測電路302可以檢測ndrive電壓是否下降到Vgs + Vdrop。如果是，ndrive感測電路302在405可以釋放低側輔助驅動器304，以便將放大器的輸出107從VSS斷開。否則，可以重復404以便繼續檢測ndrive電壓是否下降到Vgs +Vdrop0在406，pdrive感測電路301可以檢測pdrive中是否存在從VDD的確定的減小。如果是，pdrive感測電路301在407可以激活將放大器300的輸出107直接連接到VDD的高側輔助驅動器303，允許放大器始終驅動到VDD。否則，可以重復406以便繼續檢測pdrive中是否存在從VDD的確定的減小。在408, pdrive感測電路301可以檢測pdrive是否下降到Vgs + Vdrop。如果是，pdrive感測電路301在409可以釋放高側輔助驅動器303，以便將放大器300的輸出107從VDD斷開。否則，可以重復408以便繼續檢測pdrive是否下降到Vgs +Vdrop0然后該處理可以返回401。應當理解，圖4所示的流程圖用于解釋本發明的一般流程，而不是限制步驟數目和/或順序。例如，406到409可以在402到405之前發生，或與402到405同時發生。其它實施例也是可能的，這些實施例是所描述的實施例的元素的子集或是各種組合元素的結果。
權利要求
1.ー種放大器，包括 高增益級，所述高增益級具有用于進入信號的輸入，以及用于響應于進入信號而產生的驅動信號的輸出，所述驅動信號被提供給輸出驅動器級；和 耦連到所述高增益級的所述輸出驅動器級，包括第一驅動器電路，所述第一驅動器電路具有從所述高増益級接收第一驅動信號的第一端子、通過第一電壓降耦連到第一功率軌的第二端子、以及耦連到所述放大器的輸出端子的第三端子。
2.如權利要求I所述的放大器，其中所述第一驅動器電路是晶體管。
3.如權利要求2所述的放大器，其中所述第一功率軌是VDD，并且所述第一驅動器電路是P溝道金屬氧化物半導體場效應晶體管PMOS。
4.如權利要求2所述的放大器，其中所述第一功率軌是VDD，并且所述第一驅動器電路是P溝道雙擴散金屬氧化物半導體場效應晶體管DMOS。
5.如權利要求I所述的放大器，其中以從ニ極管、npn晶體管、pnp晶體管、ニ極管接法的η溝道金屬氧化物半導體場效應晶體管NMOS和ニ極管接法的PMOS組成的組中選擇的器件提供所述第一電壓降。
6.如權利要求I所述的放大器，還包括第二驅動器電路，所述第二驅動器電路具有從所述高增益級接收第二驅動信號的第一端子、通過第二電壓降耦連到第二功率軌的第二端子、以及耦連到所述放大器的輸出端子的第三端子。
7.如權利要求6所述的放大器，其中所述第二驅動器電路是晶體管。
8.如權利要求7所述的放大器，其中所述第二功率軌是VSS，并且所述第二驅動器電路是NMOS。
9.如權利要求7所述的放大器，其中所述第二功率軌是VSS，并且所述第二驅動器電路是η溝道DMOS。
10.如權利要求6所述的放大器，其中以從ニ極管、npn晶體管、pnp晶體管、ニ極管接法的NMOS和ニ極管接法的PMOS組成的組中選擇的器件提供所述第二電壓降。
11.如權利要求4所述的放大器，還包括耦連到所述第一功率軌的第一感測電路，所述第一感測電路接收所述第一驅動信號，并且檢測放大器輸出信號是否被驅動為接近所述第一功率軌。
12.如權利要求11所述的放大器，還包括耦連所述第一感測電路的輸出的第一側輔助驅動器，并且所述第一側輔助驅動器被激活以便將所述放大器的輸出端子連接到所述第一功率軌。
13.如權利要求12所述的放大器，其中所述第一感測電路包括MOSFET源極跟隨器。
14.如權利要求11所述的放大器，還包括耦連到所述第二功率軌、接收所述第二驅動信號、并且檢測放大器輸出信號是否被驅動為接近所述第二功率軌的第二感測電路。
15.如權利要求14所述的放大器，還包括耦連到所述第二感測電路的輸出的第二側輔助驅動器，并且所述第二側輔助驅動器被激活以便將所述放大器的輸出端子連接到所述第二功率軌。
16.如權利要求15所述的放大器，其中所述第二感測電路包括MOSFET源極跟隨器。
17.—種用于偏置放大器的方法,包括 響應于進入信號向第一驅動器電路提供第一驅動信號；在第一功率軌和所述第一驅動器電路之間提供第一電壓降；和 檢測所述放大器的輸出信號是否被驅動到所述第一功率軌。
18.如權利要求17所述的方法，還包括當所述放大器的輸出信號被驅動為接近所述第一功率軌時，將所述放大器的輸出端子連接到所述第一功率軌。
19.如權利要求18所述的方法，還包括 響應于所述進入信號向第二驅動器電路提供第二驅動信號；和 在第二功率軌和所述第二驅動器電路之間提供第二電壓降。
20.如權利要求19所述的方法，還包括檢測所述放大器的輸出信號是否被驅動為接近所述第二功率軌。
21.如權利要求20所述的方法，還包括當所述放大器的輸出信號被驅動為接近所述第二功率軌時，將所述放大器的輸出端子連接到所述第二功率軌。
22.—種放大器,包括 高增益級，所述高增益級具有用于進入信號的輸入，以及用于響應于進入信號而產生的驅動信號的輸出，所述驅動信號被提供給輸出驅動器級；和耦連到所述高增益級的所述輸出驅動器級，包括 第一驅動器電路，所述第一驅動器電路具有從所述高増益級接收第一驅動信號的第一端子、通過第一電壓降耦連到第一功率軌的第二端子、以及耦連到所述放大器的輸出端子的第三端子；和 第二驅動器電路，所述第二驅動器電路具有從所述高増益級接收第二驅動信號的第一端子、通過第二電壓降耦連到第二功率軌的第二端子、以及耦連到所述放大器的輸出端子的第三端子。
23.—種放大器,包括 高增益級，所述高增益級具有用于進入信號的輸入，以及用于響應于進入信號而產生的驅動信號的輸出，所述驅動信號被提供給輸出驅動器級；和耦連到所述高增益級的所述輸出驅動器級，包括 第一驅動器電路，所述第一驅動器電路具有從所述高増益級接收第一驅動信號的第一端子、通過第一電壓降耦連到第一功率軌的第二端子、以及耦連到所述放大器的輸出端子的第三端子；和 第二驅動器電路，所述第二驅動器電路具有從所述高増益級接收第二驅動信號的第一端子、通過第二電壓降耦連到第二功率軌的第二端子、以及耦連到所述放大器的輸出端子的第三端子； 第一感測電路，所述第一感測電路耦連到所述第一功率軌、接收所述第一驅動信號、并且檢測放大器輸出信號是否被驅動為接近所述第一功率軌； 第一側輔助驅動器，所述第一側輔助驅動器耦連到所述第一感測電路的輸出，并且被激活以便將所述放大器的輸出端子連接到所述第一功率軌； 第二感測電路，所述第二感測電路耦連到所述第二功率軌、接收所述第二驅動信號、并且檢測放大器輸出信號是否被驅動為接近所述第二功率軌；以及 第二側輔助驅動器，所述第二側輔助驅動器耦連到所述第二感測電路的輸出，并且被激活以便將所述放大器的輸出端子連接到所述第二功率軌。
全文摘要
本公開涉及用于偏置軌對軌DMOS放大器輸出級的方法和裝置。一種放大器包括用于接收進入信號的輸入級；耦連到輸入級并且響應于進入信號向輸出驅動器級提供驅動信號的高增益級；以及耦連到輸出驅動器級的輸出端子。輸出驅動器級包括高側驅動器電路，具有從高增益級接收第一驅動信號pdrive的第一端子、通過第一電壓降耦連到VDD的第二端子、以及耦連到放大器的輸出端子的第三端子。
文檔編號H03F3/20GK102832891SQ20121020068
公開日2012年12月19日 申請日期2012年6月15日 優先權日2011年6月17日
發明者A·卡哈蘭 申請人:美國亞德諾半導體公司