CN102355212A

CN102355212A - 一种带电流补偿的轨到轨输入级

Info

Publication number: CN102355212A
Application number: CN2011102267668A
Authority: CN
Inventors: 李一雷; 谈熙; 闫娜; 闵昊
Original assignee: Fudan University
Current assignee: Fudan University
Priority date: 2011-08-09
Filing date: 2011-08-09
Publication date: 2012-02-15

Abstract

本发明属于模拟电路设计技术领域，具体为一种带电流补偿的轨到轨输入级。由4个输入差分管、8个三倍电流镜以及8个补偿可变电流源经电路连接组成；本发明利用可变电流源，实现在不同输入共模电平下的电流补偿，使得该输入级从后级抽取的直流电流与输入共模电平无关，从而减小后级输出的失调。

Description

一种带电流补偿的轨到轨输入级

技术领域

本发明属于模拟电路设计技术领域，具体涉及一种模拟电路中的放大器的输入级。

背景技术

在模拟电路中，信号的共模电平往往是不定的，因此可能的信号共模电平范围可大至由负电源电压至正电源电压。为了处理共模电平不同的信号，轨到轨输入级是放大器的重要组成部分。

在实际应用中，为了实现在不同输入共模电平时总体输入级的跨导不变，通常需要在不同的输入共模电平时，给输入晶体管不同的直流电流。由于该电流由输入级直接从后级输出级抽取，因此就使得输出级的直流电流在不同输入共模电平时发生改变。这种直流电流的改变的直接结果就是输出级存在输出失调，即在输出直流电平会随输入共模电平而改变，从而影响放大器的性能。

发明内容

本发明的目的在于提出一种新的轨到轨输入级，通过使用电流补偿，使输入级从后级抽取的直流电流不随共模电平改变，从而减小输出漂移。

本发明提出的轨到轨输入级，其电路结构如图1所示。由输入差分对管：M1、M2、M3、M4，三倍电流镜：MB1、 MB2、 MB3、MB4、MB5、MB6、M5、 M6，以及补偿可变电流源：I1、 I2、 I3、 I4、 I5、I6、 I7、 I8，经电路连接组成，通过可变电流源的补偿作用，实现在输入电平由负电源电压至正电源电压时，该输入级从后级抽取的直流电流不变。

其中，输入管M1和M2是NMOS，输入管M3和M4是PMOS。差分输入in1接输入管M1和M3的栅极，差分输入in2接输入管M2和M4的栅极。输入管M1和M2的源端连接到三倍电流镜管MB2、MB3的漏端和三倍电流镜管M6的源端。输入管M3和M4的源端连接到三倍电流镜管MB5、MB6的漏端和三倍电流镜管M5的源端。输入管M1的漏端a1点接可变电流源I3和I5，并与后级相连，从后级抽取电流。输入管M2的漏端a2点接可变电流源I4和I6，并与后级相连，从后级抽取电流。输入管M3的漏端a3点接可变电流源I1和I8，并与后级相连，从后级抽取电流。输入管M4的漏端a4点接可变电流源I2和I7，并与后级相连，从后级抽取电流。三倍电流镜管MB6的栅极接外部偏置电压V_b1，三倍电流镜管MB3的栅极接外部偏置电压V_b2。三倍电流镜管MB2的栅级与三倍电流镜管MB1的栅极和漏极相连，且三倍电流镜管MB1的宽长比是三倍电流镜管MB2的三倍，形成三倍电流镜。三倍电流镜管MB1的漏极同时与三倍电流镜管M5的漏极相连，而三倍电流镜管M5的栅极接外部参考电压V_rn。三倍电流镜管MB5的栅级与三倍电流镜管MB4的栅极和漏极相连，且三倍电流镜管MB5的宽长比是三倍电流镜管MB4的三倍，形成三倍电流镜。三倍电流镜管MB4的漏极同时与三倍电流镜管M6的漏极相连，而三倍电流镜管M5的栅极接外部参考电压V_rn。

当输入共模电平为中间电平时，输入管M1, M2, M3, M4同时导通。外部参考电压V_rn和V_rp选取合适的值使得M5和M6此时全部关断，于是三倍电流镜管中仅MB3和MB6导通，且电流大小都为2I0。可变电流源全部关闭。此时M1, M2, M3, M4的电流相等，大小都为I0。输入管M1, M2, M3, M4的尺寸选择使得M1, M2, M3, M4的跨导相等为gm0，则此时输入级的跨导为M1和M3管（相当于M2和M4管）的跨导相加为2gm0，而输入级从后级抽取的电流为I0。

当输入共模电平为高电平（接近正电源电压）时，输入管M1和M2管关断，跨导为0，三倍电流镜管M6的源极电压升高使其导通。此时三倍电流镜管MB3的电流2I0全部通过M6流入三倍电流镜管MB4。由于三倍电流镜管MB5和三倍电流镜管MB4是电流镜且三倍电流镜管MB5的尺寸是三倍电流镜管MB4的三倍，因此，三倍电流镜管MB5此时的电流为6I0。三倍电流镜管中MB1, MB2和M5关断。于是，此时输入管M3和M4的电流为4I0。由于MOSFET的平方律特性，即在尺寸固定不变的情况下其跨导与电流成平方关系，此时M3和M4的跨导都为2gm0。因此，输入级的跨导为M1和M3管（相当于M2和M4管）的跨导相加仍为2gm0。此时，可变电流源I1, I2, I3, I4导通。可变电流源I1, I2的电流为3I0，而可变电流源I3, I4的流为I0。这样，输入级从后级抽取的电流仍为I0，相比输入电平为中间电平时未发生改变。

当输入共模电平为低电平（接近负电源电压）时，输入管M3和M4管关断，跨导为0，三倍电流镜管M5的源极电压降低使其导通。此时三倍电流镜管MB6的电流2I0全部通过三倍电流镜管M5流入三倍电流镜管MB1。由于三倍电流镜管MB1和三倍电流镜管MB2是电流镜，且三倍电流镜管MB2的尺寸是三倍电流镜管MB1的三倍，因此三倍电流镜管MB2此时的电流为6I0。三倍电流镜管中MB4, MB5和M6关断。于是，此时输入管M1和M2的电流为4I0。由于MOSFET的平方律特性，即在尺寸固定不变的情况下其跨导与电流成平方关系，因此此时M1和M2的跨导都为2gm0，因此输入级的跨导为M1和M3管（相当于M2和M4管）的跨导相加仍为2gm0。此时，可变电流源I5, I6, I7, I8导通。可变电流源I5, I6的电流为3I0，而可变电流源I7, I8的流为I0。这样，输入级从后级抽取的电流仍为I0，相比输入电平为中间电平时未发生改变。

综上，本发明提出的带电流补偿的轨到轨输入级在不同输入共模电平时能满足跨导不变且从后级抽取的电流不变。

附图说明

图1 是本发明带电流补偿的轨到轨输入级的结构图。

图2 是本发明的一种实施方式图示。

具体实施方式

下面通过一个具体实例进一步详细描述本发明。

图2给出了使用带电流补偿的轨到轨输入级的放大器的完整电路图。其中，可变电流源由晶体管Mco1~Mco12实现。输出级则是折叠共源共栅级，由晶体管MC1~MC8组成。

当输入共模电平为中间电平时，输入管M1, M2, M3, M4同时导通，而三倍电流镜管中仅MB3和MB6导通，且电流大小都为2I0。此时由于三倍电流镜管MB4没有电流，因此作为其电流镜的可变电流源管Mco9和Mco10也没有电流，Mco9的栅极电压，即Vco1为高，因此可变电流源管Mco1~Mco4全部关断。同理，由于三倍电流镜管MB1没有电流，因此作为其电流镜的可变电流源管Mco11和Mco12也没有电流，Mco12的栅极电压，即Vco2为低，因此可变电流源管Mco5~Mco8全部关断。可变电流源全部关闭。此时M1, M2, M3, M4的电流相等，大小都为I0。输入管M1, M2, M3, M4的尺寸选择使得M1, M2, M3, M4的跨导相等为gm0，则此时输入级的跨导为M1和M3管（相当于M2和M4管）的跨导相加为2gm0，而输入级从后级抽取的电流为I0。

当输入共模电平为高电平（接近正电源电压）时，输入管M1和M2管关断，跨导为0，三倍电流镜管M6的源极电压升高使其导通。此时三倍电流镜管MB3的电流2I0全部通过M6流入MB4。由于MB5和MB4是电流镜且MB5的尺寸是MB4的三倍，因此MB5此时的电流为6I0。三倍电流镜管中MB1, MB2和M5关断。于是，此时输入管M3和M4的电流为4I0。由于MOSFET的平方律特性，即在尺寸固定不变的情况下其跨导与电流成平方关系，因此此时M3和M4的跨导都为2gm0，因此输入级的跨导为M1和M3管（相当于M2和M4管）的跨导相加仍为2gm0。此时，由于三倍电流镜管MB4有电流，因此作为其电流镜的可变电流源管Mco9和Mco10也有电流，Mco9的栅极电压，即Vco1为低，因此可变电流源管Mco1~Mco4全部导通，其中Mco1和Mco2流过的电流为3I0，而Mco3和Mco4流过的电流为I0。另一方面，可变电流源管Mco5~Mco8全部关断。这样，输入级从后级抽取的电流仍为I0，相比输入电平为中间电平时未发生改变。

当输入共模电平为低电平（接近负电源电压）时，输入管M3和M4管关断，跨导为0，三倍电流镜管M5的源极电压降低使其导通。此时三倍电流镜管MB6的电流2I0全部通过M5流入MB1。由于MB1和MB2是电流镜且MB2的尺寸是MB1的三倍，因此MB2此时的电流为6I0。三倍电流镜管中MB4, MB5和M6关断。于是，此时输入管M1和M2的电流为4I0。由于MOSFET的平方律特性，即在尺寸固定不变的情况下其跨导与电流成平方关系，因此此时M1和M2的跨导都为2gm0，因此输入级的跨导为M1和M3管（相当于M2和M4管）的跨导相加仍为2gm0。此时，由于三倍电流镜管MB1有电流，因此作为其电流镜的可变电流源管Mco11和Mco12也有电流，Mco12的栅极电压，即Vco2为高，因此可变电流源管Mco5~Mco8全部导通，其中Mco5和Mco6流过的电流为3I0，而Mco7和Mco8流过的电流为I0。另一方面，可变电流源管Mco1~Mco4全部关断。这样，输入级从后级抽取的电流仍为I0，相比输入电平为中间电平时未发生改变。

由于在输入共模电平改变的过程中，输入级从输出级MC1~MC8抽取的直流电流并未发生改变，因此系统级输出失调减小了。

最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims

1.一种带电流补偿的轨到轨输入级，其特征在于由4个输入差分管（M1、M2、M3、M4），8个三倍电流镜（MB1、 MB2、 MB3、MB4、MB5、MB6、M5、 M6），以及8个补偿可变电流源（I1、 I2、 I3、 I4、 I5、I6、 I7、 I8），经电路连接组成；

其中，第一输入管（M1）和第二输入管（M2）是NMOS管，第三输入管（M3）和第四输入管（M4）是PMOS管；第一差分输入（in1）接第一输入管（M1）和第三输入管（M3）的栅极，第二差分输入（in2）接第二输入管（M2）和第四输入管（M4）的栅极；第一输入管（M1）和第二输入管（M2）的源端连接到第二三倍电流镜管（MB2）、第三三倍电流镜管（MB3）的漏端和第八三倍电流镜管（M6）的源端；第三输入管（M3）和第四输入管（M4）的源端连接到第五三倍电流镜管（MB5）、第六三倍电流镜管（MB6）的漏端和第七三倍电流镜管（M5）的源端；第一输入管（M1）的漏端a1点接第三可变电流源（I3）和第五可变电流源（I5），并与后级相连，从后级抽取电流；第二输入管（M2）的漏端a2点接第四可变电流源（I4）和第六可变电流源（I6），并与后级相连，从后级抽取电流；第三输入管（M3）的漏端a3点接第一可变电流源（I1）和第八可变电流源（I8），并与后级相连，从后级抽取电流；第四输入管（M4）的漏端a4点接第二可变电流源（I2）和第七可变电流源（I7），并与后级相连，从后级抽取电流；第六三倍电流镜管（MB6）的栅极接外部偏置电压V_b1，第三三倍电流镜管（MB3）的栅极接外部偏置电压V_b2；第二三倍电流镜管（MB2）的栅级与第一三倍电流镜管（MB1）的栅极和漏极相连，且第一三倍电流镜管（MB1）的宽长比是第二三倍电流镜管（MB2）的三倍，形成三倍电流镜；第一三倍电流镜管（MB1）的漏极同时与第七三倍电流镜管（M5）的漏极相连，而第七三倍电流镜管（M5）的栅极接外部参考电压V_rn；第五三倍电流镜管（MB5）的栅级与第四三倍电流镜管（MB4）的栅极和漏极相连，且第五三倍电流镜管（MB5）的宽长比是第四三倍电流镜管（MB4）的三倍，形成三倍电流镜；第四三倍电流镜管（MB4）的漏极同时与第八三倍电流镜管（M6）的漏极相连，而第七三倍电流镜管（M5）的栅极接外部参考电压V_rn。