專利名稱：連續時間共模反饋放大器的制作方法
技術領域：
本發明涉及電子電路，具體涉及差動運算放大器電路。
在高速全差動切換(switched)電容濾波器結構中，一個主差動放大器環路通常包括在該主差動回路放大器內的一個高速共模回路放大器。
圖1示出具有共模反饋的全差動運算放大器的方框圖。放大器100包括主差動放大器102和共模放大器104，它們由電壓信號Vcc和Vee供電。主差動放大器102具有用于接收反向和正向輸入(即差動輸入)Vin-和Vin+的輸入端，用于接收偏置電流Idm的偏置端口ibias，以及用于接收共模控制信號或共模反饋信號的輸入端口Vcmin。主差動放大器102的輸出信號是差動輸出V0+和V0-。
共模放大器104接收主差動放大器102的差動輸出V0+和V0-，并且將它們分別饋送到輸入端口Vcmp和Vcmn，該共模放大器104具有用于接收電流源Icm的偏置端口icmbias，用于接收基準輸入電壓的基準端口Vag，以及控制輸出端口Vcontrol，與主差動放大器102的Vcmin端口相耦合。
雖然運算放大器100的共模輸出信號由(V0++V0-)/2確定，但這個共模輸出信號可能是不定的，會使該運算放大器的輸出從高增益區漂移到低增益區。為了避免發生該情況，采用共模反饋形式來限定和穩定該共模輸出信號。再則，希望共模放大器104的穩定時間響應快得足以避免主差動放大器102的穩定時間響應不致變慢。全差動運算放大器100的輸出電壓擺動Vd由差動輸出電壓確定，這里Vd＝V0+-V0-。差動運算放大器100的共模電壓Vcm由差動輸出電壓的平均值來確定，相對于基準電壓Vag，Vcm＝(V0++V0-)/2。如果共模電壓Vcm連續地與一個諸如Vag＝模擬“地”之類的恒定的基準電壓相比較，則該共模反饋電路稱為“連續時間共模反饋電路(CTCMFB)”。
圖2示出具有CTCMFB的一個典型的全差動CMOS運算放大器作為全差動運算放大器200。全差動運算放大器200由FET晶體管構成，并由電源輸入Vcc和Vee供電，設有差動輸入端Vin+和Vin-。該主差動放大器由標號206所示的這部分來表示，它由用標號202所示那部分中的電流源Idm來偏置。該共模放大器由晶體管M3、M4、M5、M6、M7和M10構成，而且與包括M5、M6、M7、M8、M9和M10的主差動放大器206的一部分重疊。因此共模放大器204是主差動放大器206的一部分。
共模反饋操作是通過將晶體管M5和M6的柵極電壓固定為偏壓Vb1并建立流過門M5及M6的相同電流I+I0/2從而建立穩定的源電壓來實現的。一旦M5和M6的源電壓穩定了，晶體管M3和M4的漏一源電壓Vds3和Vds4就固定了。選擇Vb1的值使得晶體管M3和M4工作在它們的線性區。選擇晶體管M3和M4的溝道寬度與溝道長度之比的寬高比(W/L)3＝(W/L)4使得該共模電壓Vcm有一個預定的值，例如地電位。如果共模電壓變化，則晶體管M3和M4的電阻將隨之變化，并因該電路的負反饋特性而迫使Vcm回到其預定值。圖2所示的共模反饋方案的輸出電壓擺動是由輸出晶體管M9/M10和M7/M8的過飽和電壓Vdssat確定的，而且是過程很敏感的。與典型的共模反饋相關的缺點包括在無嚴格限制運算放大器的輸出電壓擺動(V0+-V0-)的情況下不能在單一低電壓電源環境中使用它們。
在另一個共模反饋方案(未示出)中，共模電壓Vcm周期性地被更新為共模基準電壓Vag，該共模反饋電路稱為“動態共模反饋(DCMFB)”。對于雙電源系統，Vag＝地電位。在單電源低電壓應用中，DCMFB方法最好增加輸出電壓擺動和改善時間響應。可是，DCMFB電路基于切換(switched)電容器技術并且給輸出信號引入了附加的切換噪聲。
其它的共模放大器方案包括設計得具有電阻的放大器。這些放大器存在的問題是CMOS中的電阻允差不好控制，而且在運算放大器電路中通常使用大數值電阻，因限制輸出電壓擺動，從而降低該放大器的性能，迫使工作在較高電源電壓上。這里限制電壓擺動不是缺點。
據此，現在需要一種適用于低電壓單電源應用的、可以提供具有快速瞬時響應時間的寬輸出電壓擺動的、連續時間共模反饋放大器電路。
圖1示出現有技術的具有共模反饋的全差動運算放大器的方框圖。
圖2示出現有技術的具有連續時間共模反饋的全差動CMOS運算放大器的電路圖。
圖3示出本發明的連續時間共模反饋放大器的電路圖。
圖3示出工作在低電壓如Vcc＝2.7v的連續時間共模反饋放大器(CTCMFB)，將其稱為“共模放大器300”。共模放大器300包括兩個差動輸入Vcmp和Vcmn，它們由主差動放大器的差動輸出V0+和V0-供給(如圖1所示)。共模放大器300調節該主差動放大器的差動輸出(V0+、V0-)。而且包括在共模放大器300中的是兩個鏡像低增益CMOS共源極放大器，它們由輸入晶體管最好是P溝道FETMP0/MP2和MP3/MP4構成并且由處于飽和的偏置器件MP6和MP7偏置。MP0的柵極接到Vcmp，MP2的柵極接到Vcmn，MP3和MP4的柵極接在一起并接到基準電壓Vag。在這個實施例中，共源極放大器(MP0/MP2和MP3/MP4)將兩個共模輸入電壓Vcmp及Vcmn及基準電壓Vag變換為電流Icm1和Icm2。這些放大器增益很低，以便在該主差動放大器的整個差動輸出工作范圍V0+至V0-內提供盡可能線性的工作。器件MP0/MP2和MP3/MP4很好地偏置到它們的三極管(線性)區以保證在很寬的工作范圍V0+至V0-內的固定增益。
偏置到它們的飽和區的器件MP28/MP29和MP30/MP31被連接到低增益共源極放大器MP0/MP2和MP4/MP3，以使低增益共源極放大器的漏極對源極電壓Vds接近于零伏。偏置FET MP6和MP7分別用電流源I34和I36偏置到飽和以確定該低增益共源極放大器(MP0/MP2和MP3/MP4)的漏極對源極電壓。電流源I34和I36由偏置電流Icm偏置的電流鏡像電路提供。器件MP0/MP2和MP3/MP4的Vds值選擇很低以確保工作的三極管區。器件MP10和MP11是分別由Icm1和Icm2偏置的渥爾曼(cascode)晶體管。渥爾曼FET MP10和MP11可操作地接到低增益FET放大器電路MP0/MP2和MP3/MP4以便提供該共模放大器300的帶寬提升。通過箝位該輸入晶體管MP0/MP2和MP3/MP4在三極管區，在一個寬的輸入電壓范圍Vcmp至Vcmn內該共模放大器300的增益保持恒定，該范圍是該主差動放大器的差動輸出范圍V0+至V0-。
共模放大器300還包括一個電流一電壓變換器302，用以將電流Icm1和Icm2轉換為共模控制輸出電壓Vcontrod。由于電路對稱，在靜態情況下，Icm1等于Icm2，迫使Vcmn和Vcmp等于Vag。共模輸出電壓Vcontrol將反饋到該主差動運算放大器輸入端口Vcmin而迫使該共模輸入節點Vcmp+Vcmn保持在Vag即(Vcmp+Vcmn)/2＝Vag。在雙電源結構中基準輸入Vag可由在Vcc和Vee電源電壓之間的中點產生。因此在雙電源結構中基準電壓Vag接到地電位，這里的第二電源電壓Vee與Vcc電源電壓是等值和反向電位的。當該第二電源電壓Vee為地電位(單電源結構)時該基準輸入接到Vcc電源電壓的一半。
共模輸入電壓Vcmn/Vcmp的任何增加或減少產生電流Icm1的增加或減少，導致輸出電壓Vcontrol的增加或減少。然后這個電壓將由該主差動放大器用于提供共模輸出電壓Vcm＝(V0++V-)/2的反變化，因此迫使該共模放大器的共模輸入電壓Vcmn/Vcmp保持在Vag。通過調節偏置電流Icm1和Icm2來控制帶寬，共模反饋放大器300獨立地補償瞬時響應時間因而使它與主差動放大器102無關。共模放大器帶寬和控制電壓輸出Vcontrol是從該差動放大器獨立地偏置。
本發明所敘述的CTCMFB放大器300是一個無電阻的放大器，它使用在它們的三極管區偏置的晶體管精確地設定共模偏置點Vcmp＝｜Vcmn｜＝Vag以提供一個寬的工作范圍。此外，CTCMFB放大器300可應用于任何CMOS或BICMOS差動放大器。圖3中所示的CTCMFB300除了電流-電壓變換器302之外，還包括P溝道FET，但是CTCMFB也可設計使用N溝道器件。
如本發明所述的連續時間共模反饋電路300適用于低電壓單電源環境以及雙電源環境，并且允許該共模放大器的瞬時響應時間與該主差動放大器的瞬時響應時間獨立地調節，以便對主差動放大器快速瞬時響應。
權利要求
1.一種CMOS共模差動放大器，具有第一和第二供電節點，用于接收第一和第二電源電壓、第一和第二共模輸入和基準輸入，其特征在于包括按鏡像配置耦合的第一和第二低增益FET放大器電路，用以提供第一和第二共模電流；偏置在飽和區的第一和第二偏置FET，用以將該第一和第二低增益FET放大器電路偏置到它們的三極管區；第一和第二渥爾曼FET，操作地耦合到第一和第二低增益FET放大器電路，用以控制CMOS共模差動放大器的響應時間；一個電流鏡像電路，用以提供第一和第二電流源來偏置該第一和第二偏置FET；和一個電流-電壓變換器，響應該第一和第二共模電流，用以提供CMOS共模差動放大器的控制電壓輸出。
2.根據權利要求1的放大器，其特征在于，還包括偏置到它們的飽和區的第一和第二對FET，每一對接到第一和第二低增益FET放大器電路之一，用于進一步偏置它們到它們的三極管區。
3.根據權利要求1的放大器電路，其特征在于，第一低增益FET放大器電路包括一個第一FET，由該第一共模輸入驅動的并由該第一電源電壓驅動，用以提供該第一共模電流;和一個第二FET，基本上與第一FET相同的、由第一電源電壓供電并由第二共模輸入驅動。
4.根據權利要求3的放大器，其特征在于，該第二低增益FET放大器電路包括由第一電源電壓供電并由該基準輸入驅動的基本上相同的第三和第四FET。
5.根據權利要求1的放大器，其特征在于，該基準輸入是由在所述第一和第二電源電壓之間的中點產生的。
6.一種CMOS連續時間共模反饋放大器，具有第一和第二供電節點，用于接收第一和第二電源電壓、第一和第二共模輸入和一個基準輸入，其特征在于包括按鏡像配置耦合的第一和第二低增益FET放大器電路，用以提供第一和第二共模電流，第一低增益FET放大器電路包括由該第一共模輸入驅動并由第一電源電壓供電的一個第一FET，用于提供該第一共模電流，而且還包括由第一電源電壓供電并由該第二共模輸入驅動的、基本上與第一FET相同的一個第二FET，該第二低增益FET放大器電路包括由第一電源電壓供電并由該基準輸入驅動的基本上相同的第三和第四FET;第一和第二偏置FET，偏置在飽和區，用以偏置第一和第二低增益FET放大器電路到它們的三極管區;第一和第二渥爾曼FET，操作地耦合到第一和第二低增益FET放大器電路，用以控制CMOS連續時間共模反饋放大器的響應時間;一個電流鏡像電路，用于提供第一和第二電流源以便偏置第一和第二偏置FET;一個電流-電壓變換器，響應第一和第二共模電流，用以提供CMOS連續時間共模反饋放大器的控制電壓輸出;和第一和第二對FET，偏置到它們的飽和區，每一對FET接到第一和第二低增益FET放大器電路之一，用于進一步偏置它們到它們的三極管區。
7.一種具有共振反饋的全差動運算放大器，其特征在于包括一個主差動放大器，用于接收差動輸入電壓和提供一個差動輸出，該主差動放大器還提供用于控制該主差動放大器的第一響應時間的第一帶寬;和一個連續時間共模反饋放大器(CTCMFB)，響應該差動輸出，用以提供一個控制電壓輸出，其中該控制電壓輸出獨立地從該主差動放大器偏置并且反饋到該主差動放大器，該CTCMFB放大器提供用于控制第二響應時間的第二帶寬和從該CTCMFB放大器的第二響應時間獨立地偏置該主差動放大器的第一響應時間。
8.根據權利要求7的放大器，其特征在于，該CTCMFB放大器包括以鏡像配置連接的并被偏置到它們的三極管區用于控制該第二控制電壓輸出的第一和第二低增益放大器電路。
9.一種全差動運算放大器，其特征在于包括一個主差動放大器，它提供第一響應時間;和一個連續時間共模反饋放大器，它操作地接到該主差動放大器和提供第二響應時間，所述第一和第二響應時間獨立地偏置，以便提供該全差動運算放大器的快速瞬時響應時間。
10.根據權利要求9的放大器，其特征在于，該連續時間共模反饋放大器無電阻。
全文摘要
一種連續時間共模反饋放大器CTCMFB(300)適合用于低電壓電源環境中要求全差動放大器。在該CTCMFB(300)中的兩個鏡像的、低增益CMOS放大器(MP0/MP2和MP3/MP4)限定和穩定該主差動放大器(102)的共模輸出電壓V
文檔編號H03F3/45GK1112748SQ9510381
公開日1995年11月29日 申請日期1995年4月3日 優先權日1994年4月4日
發明者耶穌·S·皮納-非諾爾, 馬克·J·錢伯斯, 詹姆斯·B·菲利普 申請人:莫托羅拉公司