專利名稱：自適應(yīng)偏置輸入級和包括該自適應(yīng)偏置輸入級的放大器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明通常涉及集成電路放大器，更具體地，涉及具有小的面積和高的電流效率的自適應(yīng)偏置輸入級，并且涉及包括該自適應(yīng)偏置輸入級的放大器。

背景技術(shù)：
包括模擬集成電路放大器的模擬電路是許多電子設(shè)備中的常見元件。由于需要電子設(shè)備是便攜的和小的，因此模擬集成電路放大器需要被形成為具有低的面積并且在低的功耗下操作。
為了使電流消耗最小，自適應(yīng)偏置放大器依賴于輸入增加偏置電流。

圖1示出了現(xiàn)有技術(shù)的自適應(yīng)偏置放大器100的電路圖，如Degrauwe等人的“Adaptive Biasing CMOS Amplifier”，IEEE Journal ofSolid-State Circuits(IEEE固態(tài)電路雜志)，Vol.SC-17，No.3，pages 522-528，June 1982中公開的。
參考圖1，自適應(yīng)偏置放大器100包括具有柵極的NMOSFET(N溝道金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管)MN1和MN2，輸入Vin-和Vin+分別施加在該柵極上。此外，二極管連接(diode-connected)的PMOSFET(P溝道金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管)MP1和MP2分別連接到NMOSFETMN1和MN2的漏極。NMOSFET MN1和MN2的源極連接到靜態(tài)電流源ISS。
自適應(yīng)偏置放大器100還包括形成第一電流鏡的第一對NMOSFETMN3和MN4、形成第二電流鏡的第二對NMOSFET MN5和MN6、形成第三電流鏡的第三對NMOSFET MN7和MN8、和形成第四電流鏡的第四對NMOSFET MN9和MN10。NMOSFET MN5和MN6分別具有1∶A的面積比，并且NMOSFET MN7和MN8分別具有A∶1的面積比。
PMOSFET MP3和MP4具有連接到PMOSFET MP1的柵極的柵極，并且PMOSFET MP5和MP6具有連接到PMOSFET MP2的柵極的柵極。PMOSFET MP3、MP4、MP5和MP6連接到由NMOSFET MN3、MN4、MN5、MN6、MN7、MN8、MN9和MN10形成的電流鏡。
此外，PMOSFET MP3、MP4、MP5和MP6具有連接到高供電電壓VDD的源極，并且NMOSFET MN3、MN4、MN5、MN6、MN7、MN8、MN9和MN10具有連接到低供電電壓VSS的源極，其中VSS可以是接地電壓。隨著輸入Vin-和Vin+之間的差值的增加，NMOSFETMN3、MN4、MN5、MN6、MN7、MN8、MN9和MN10和PMOSFETMP3、MP4、MP5和MP6通過MOSFET MN1、MN2、MP1和MP2增加各自的偏置電流。
自適應(yīng)偏置放大器100具有由NMOSFET MN3、MN4、MN5、MN6、MN7、MN8、MN9和MN10形成的許多個電流鏡和由PMOSFETMP3、MP4、MP5和MP6形成的許多個靜態(tài)電流路徑。這些元件消耗了相對高的靜態(tài)電流，導(dǎo)致了低的電流效率。此外，輸入NMOSFETMN1和MN2具有二極管連接的負(fù)載MP1和MP2，導(dǎo)致了低的GBW(增益帶寬)。
圖2示出了另一現(xiàn)有技術(shù)的自適應(yīng)偏置放大器110的電路圖，如Callewaert等人的“Class AB CMOS Amplifiers with High Efficiency”，IEEE Journal of Solid-State Circuits，Vol.25，No.6，pages 684-691，June1990中公開的。自適應(yīng)偏置放大器110包括輸入NMOSFET MN11和MN12和感應(yīng)NMOSFET MN13和MN14。該NMOSFET MN11、MN12、MN13和MN14具有柵極，輸入Vin-和Vin+施加到該柵極上，如圖2中所示。
而且，在圖2中，第一靜態(tài)電流源ISS1連接到NMOSFET MN14的源極，并且第二靜態(tài)電流源ISS2連接到NMOSFET MN13的源極。自適應(yīng)偏置放大器110還包括形成第一電流鏡的NMOSFET對MN15和MN16以及形成第二電流鏡的另一NMOSFET對MN17和MN18。NMOSFET MN15和MN16分別具有1∶A的面積比，并且NMOSFETMN17和MN18分別具有A∶1的面積比。
PMOSFET對MP11和MP12形成第三電流鏡，其連接在高供電電壓VDD和NMOSFET MN11和MN14之間。PMOSFET對MP13和MP14形成第四電流鏡，其連接在高供電電壓VDD和NMOSFET MN13和MN12之間。第一偏置電流源Ib1連接在高供電電壓VDD、NMOSFETMN11的漏極和偏置的PMOSFET MP15的源極之間。進(jìn)一步參考圖2，PMOSFET MP17’和MP18’是二極管連接的，并且NMOSFET MN19’被形成用于偏置PMOSFET MP15的柵極。PMOSFET MP15具有連接到NMOSFET MN15的漏極的漏極。
第二偏置電流源Ib2連接在高供電電壓VDD、NMOSFET MN12的漏極和另一偏置的PMOSFET MP16之間。PMOSFET MP16的漏極連接到NMOSFET MN18的漏極。兩個二極管連接的PMOSFET MP17和MP18連接在高供電電壓VDD和NMOSFET MN19之間。PMOSFETMP16的柵極連接到PMOSFET MP18的柵極。NMOSFET MN19的柵極連接到NMOSFET MN18的柵極。NMOSFET MN15、MN16、MN17、MN18和MN19具有連接到低供電電壓VSS的源極，其中VSS可以是接地電壓。
隨著輸入電壓Vin-和Vin+之間的差值的增加，圖2的自適應(yīng)偏置放大器110中的元件通過MOSFET MN11、MN12、MP11和MP14增加各自的偏置電流。此外，相比于圖1的自適應(yīng)偏置放大器100，圖2的自適應(yīng)偏置放大器110的GBW(增益帶寬)得到改善。
然而，第一串聯(lián)的二極管連接的PMOSFET MP17和MP18以及第二串聯(lián)的二極管連接的PMOSFET MP17’和MP18’導(dǎo)致了自適應(yīng)偏置放大器110中的增加的操作電壓，其因此具有有限的最小操作電壓。為了使功耗最小并且利用較輕的電池提高可便攜性，需要較低的操作電壓。此外，圖2的自適應(yīng)偏置放大器包括四個電流源ISS1、ISS2、Ib1和Ib2，其占用的大的集成電路面積。
因此，期望自適應(yīng)偏置放大器具有高的GBW(增益帶寬)、最小的面積、高的電流效率和低的操作電壓。
發(fā)明概述 因此，在本發(fā)明的一般方面中，自適應(yīng)偏置輸入級被形成為具有單個靜態(tài)電流源并且不具有串聯(lián)的多個二極管連接的MOSFET。
根據(jù)本發(fā)明的一個方面的自適應(yīng)偏置輸入級包括差分耦合的放大場效應(yīng)晶體管對，其具有柵極，差分輸入施加在該柵極上，并且包括差分耦合的感應(yīng)場效應(yīng)晶體管對，其具有柵極，差分輸入施加在該柵極上。該自適應(yīng)偏置輸入級進(jìn)一步包括靜態(tài)電流源，其耦合在第一電源節(jié)點和預(yù)定節(jié)點處的放大和感應(yīng)場效應(yīng)晶體管的源極之間。而且，該自適應(yīng)偏置輸入級包括第一電流鏡，其耦合在一個感應(yīng)場效應(yīng)晶體管和第二電源節(jié)點之間，并且包括第二電流鏡，其耦合在第一電流鏡、所述預(yù)定節(jié)點和第一電源節(jié)點之間。
在本發(fā)明的實施例中，當(dāng)施加在該一個感應(yīng)場效應(yīng)晶體管上的第一差分輸入大于施加在另一感應(yīng)場效應(yīng)晶體管上的第二差分輸入時，感應(yīng)場效應(yīng)晶體管以及第一和第二電流鏡使自預(yù)定節(jié)點流出的電流增加。
在本發(fā)明的另一實施例中，第二電流鏡包括第一鏡晶體管，其具有第一面積并且耦合到第一電流鏡，并且包括第二鏡晶體管，其具有面積為第一面積的A倍的第二面積并且耦合到預(yù)定節(jié)點。在本發(fā)明的實施例中，A的范圍是約1～約2，A被選擇為使自適應(yīng)偏置輸入級的電流效率最高。
在本發(fā)明的另一實施例中，自適應(yīng)偏置輸入級包括第三電流鏡，其耦合在另一感應(yīng)場效應(yīng)晶體管和第二電源節(jié)點之間，并且包括第四電流鏡，其耦合在第三電流鏡、預(yù)定節(jié)點和第一電源節(jié)點之間。在該情況中，當(dāng)施加在另一感應(yīng)場效應(yīng)晶體管上的第一差分輸入大于施加在該一個感應(yīng)場效應(yīng)晶體管上的第二差分輸入時，感應(yīng)場效應(yīng)晶體管和以及第三和第四電流鏡使自預(yù)定節(jié)點流出的電流增加。
在本發(fā)明的另一實施例中，第四電流鏡包括第三鏡晶體管，其具有第三面積并且耦合到第三電流鏡，并且包括第四鏡晶體管，其具有為第三面積的A倍的第四面積并且耦合到預(yù)定節(jié)點。例如，A的范圍是約1～約2，A被選擇為使自適應(yīng)偏置輸入級的電流效率最高。
在本發(fā)明的另一實施例中，通過自適應(yīng)偏置輸入級的每個場效應(yīng)晶體管的靜態(tài)電流隨A增加，并且通過每個放大和感應(yīng)場效應(yīng)晶體管的各個動態(tài)電流是差分輸入之間的差值的相應(yīng)二次函數(shù)。
在本發(fā)明的另一實施例中，自適應(yīng)偏置輸入級進(jìn)一步包括負(fù)載場效應(yīng)晶體管，其耦合在放大場效應(yīng)晶體管和第二電源節(jié)點之間，并且由第一和第三電流鏡偏置。
本發(fā)明的實施例的自適應(yīng)偏置輸入級可以特別有利地用于形成放大器。在該情況中，該放大器包括自適應(yīng)偏置輸入級和輸出級，該輸出級耦合在自適應(yīng)偏置輸入級和輸出節(jié)點之間，用于生成輸出節(jié)點處的輸出信號。
在本發(fā)明的示例性實施例中，輸出級包括第一和第二輸出場效應(yīng)晶體管。第一輸出場效應(yīng)晶體管耦合在第二電源節(jié)點和輸出節(jié)點之間并且通過耦合到一個感應(yīng)場效應(yīng)晶體管的第一和第三電流鏡中的一個進(jìn)行偏置。第二輸出場效應(yīng)晶體管耦合在第一電源節(jié)點和輸出節(jié)點之間并且通過耦合到該一個感應(yīng)場效應(yīng)晶體管的第二和第四電流鏡中的一個進(jìn)行偏置。
在本發(fā)明的另一實施例中，輸出級包括第一和第二輸出場效應(yīng)晶體管、補償電阻器和補償電容器。第一輸出場效應(yīng)晶體管耦合在第二電源節(jié)點和輸出節(jié)點之間并且具有耦合到一個放大場效應(yīng)晶體管的漏極的柵極，而有源負(fù)載耦合到該一個放大場效應(yīng)晶體管的漏極。補償電阻器和補償電容器串聯(lián)耦合在第一輸出場效應(yīng)晶體管的柵極和輸出節(jié)點之間。第二輸出場效應(yīng)晶體管耦合在第一電源節(jié)點和輸出節(jié)點之間，并且通過耦合到一個感應(yīng)場效應(yīng)晶體管的第二和第四電流鏡中的一個進(jìn)行偏置，其中施加到該一個感應(yīng)場效應(yīng)晶體管的差分輸入與施加在該一個放大場效應(yīng)晶體管的差分輸入相同。
本發(fā)明的實施例的自適應(yīng)偏置輸入級還可以特別有利于形成軌到軌放大器。在該情況中，該軌到軌放大器包括第一和第二自適應(yīng)偏置輸入級，每個自適應(yīng)偏置輸入級都是根據(jù)上文描述的本發(fā)明的實施例實現(xiàn)的，并且包括輸出級。
第一自適應(yīng)偏置輸入級接收差分輸入以生成去往輸出級的第一中間信號，并且第二自適應(yīng)偏置輸入級接收差分輸入以生成去往輸出級的第二中間信號。此外，第一和第二自適應(yīng)偏置輸入級的各自的場效應(yīng)晶體管互為鏡像反型，即P型和N型場效應(yīng)晶體管。
這樣，自適應(yīng)偏置輸入級利用相對少的電流鏡、單個靜態(tài)電流源形成，而沒有串聯(lián)的多個二極管連接的場效應(yīng)晶體管。因此，該自適應(yīng)偏置輸入級占用了小的面積，具有高的電流效率和高的操作電壓范圍。
通過考慮下面結(jié)合附圖給出的本發(fā)明的詳細(xì)描述，將更好地理解本發(fā)明的這些和其他特征及優(yōu)點。
附圖簡述 圖1和2示出了根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的自適應(yīng)偏置輸入級的電路圖； 圖3示出了根據(jù)本發(fā)明的實施例的自適應(yīng)偏置輸入級； 圖4示出了根據(jù)本發(fā)明的實施例的圖3的自適應(yīng)偏置放大器的動態(tài)電流特性； 圖5示出了根據(jù)本發(fā)明的實施例的自適應(yīng)偏置放大器的電路圖，其有利于高負(fù)載電容并且具有圖3的自適應(yīng)偏置輸入級； 圖6示出了根據(jù)本發(fā)明的實施例的圖5的自適應(yīng)偏置放大器中的電流效率相對于鏡像場效應(yīng)晶體管的面積比的圖線； 圖7示出了根據(jù)本發(fā)明的另一實施例的自適應(yīng)偏置放大器的電路圖，其有利于高增益帶寬并且具有圖3的自適應(yīng)偏置輸入級；并且 圖8和9示出了根據(jù)本發(fā)明的實施例的每個具有自適應(yīng)偏置輸入級的軌到軌自適應(yīng)偏置放大器的電路圖。
此處參考的附圖是出于清楚說明的目的繪制的，不一定依比例繪制。圖1、2、3、4、5、6、7、8和9中的具有相同參考數(shù)字的元件表示具有相似結(jié)構(gòu)和/或功能的元件。
詳細(xì)描述 圖3示出了根據(jù)本發(fā)明的實施例的自適應(yīng)輸入級200的電路圖。參考圖3，自適應(yīng)輸入級200包括差分耦合的放大NMOSFET對(N溝道金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管)MN21和MN22。此外，自適應(yīng)輸入級200包括差分耦合的感應(yīng)NMOSFET對MN23和MN24。
靜態(tài)電流源203在預(yù)定節(jié)點202處耦合到放大和感應(yīng)NMOSFETMN21、MN22、MN23和MN24的源極。此外，靜態(tài)電流源203耦合到提供低供電電壓VSS的第一電源節(jié)點，該VSS可以是接地電壓。放大NMOSFET MN21的柵極和感應(yīng)NMOSFET MN23的柵極具有施加在其上的第一輸入Vin-。放大NMOSFET MN22的柵極和感應(yīng)NMOSFETMN24的柵極具有施加在其上的第二輸入Vin+。在本發(fā)明的實施例中，第一和第二輸入Vin-和Vin+是差分輸入。
第一電流鏡由PMOSFET對(P溝道金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管)MP21和MP22形成。PMOSFET MP21被二極管連接(diode-connect)在提供高供電電壓VDD的第二電源節(jié)點和感應(yīng)NMOSFET MN23的漏極之間。PMOSFET MP22具有耦合到第二電源節(jié)點VDD的源極并且具有耦合到PMOSFET MP21的柵極的柵極。負(fù)載PMOSFET MP23具有耦合到PMOSFET MP21的柵極的柵極，具有耦合到第二電源節(jié)點VDD的源極，并且具有耦合到放大NMOSFETMN22的漏極的漏極。
第二電流鏡由NMOSFET對MN25和MN26形成，其耦合在第一電流鏡的PMOSFET MP22、預(yù)定節(jié)點202和第一電源節(jié)點VSS之間。NMOSFET MN26被二極管連接在第一電源節(jié)點VSS和PMOSFETMP22的漏極之間。NMOSFET MN25具有耦合到第一電源節(jié)點VSS的源極，具有耦合到NMOSFET MN26的柵極的柵極，并且具有耦合到預(yù)定節(jié)點202的漏極。
第三電流鏡由PMOSFET對MP24和MP25形成。PMOSFET MP24是被二極管連接在第二電源節(jié)點VDD和感應(yīng)NMOSFET MN24的漏極之間。PMOSFET MP25具有耦合到第二電源節(jié)點VDD的源極并且具有耦合到PMOSFET MP24的柵極的柵極。負(fù)載PMOSFET MP26具有耦合到PMOSFET MP24的柵極的柵極，具有耦合到第二電源節(jié)點VDD的源極，并且具有耦合到放大NMOSFET MN21的漏極的漏極。
第四電流鏡由NMOSFET對MN27和MN28形成，其耦合在第三電流鏡的PMOSFET MP25、預(yù)定節(jié)點202和第一電源節(jié)點VSS之間。NMOSFET MN28被二極管連接在第一電源節(jié)點VSS和PMOSFETMP25的漏極之間。NMOSFET MN27具有耦合到第一電源節(jié)點VSS的源極，具有耦合到NMOSFET MN28的柵極的柵極，并且具有耦合到預(yù)定節(jié)點202的漏極。
NMOSFET MN26是具有第一面積的第一鏡晶體管，并且NMOSFET MN25是具有第二面積的第二鏡晶體管，該第二面積是NMOSFET MN26的第一面積的A倍。NMOSFET MN28是具有第三面積的第三鏡晶體管，并且NMOSFET MN27是具有第四面積的第四鏡晶體管，該第四面積是NMOSFET MN28的第三面積的A倍。
在本發(fā)明的實施例中，PMOSFET MP21、MP22、MP23、MP24、MP25和MP26尺寸相等。此外，根據(jù)本發(fā)明的實施例，NMOSFETMN21、MN22、MN23和MN24被制造為匹配。
現(xiàn)在通過參考圖4中說明的動態(tài)電流特性描述圖3的自適應(yīng)輸入級200的操作。然而，首先描述靜態(tài)過程中的自適應(yīng)輸入級200的操作。在靜態(tài)過程中，當(dāng)Vin+＝Vin-＝Vin，cm時，Vin＝0，其中Vin，cm是輸入Vin+和Vin-的共模電壓。在該情況中，在圖3的自適應(yīng)輸入級200的靜態(tài)操作過程中，I1，static＝I2，static＝I1’，static＝I2’，static＝Istatic，其中I1，static是I1的靜態(tài)電流，I2，static是I2的靜態(tài)電流，I1’，static是I1’的靜態(tài)電流，并且I2’，static是I2’的靜態(tài)電流。
在該情況中，Istatic在下式1中表達(dá)如下 [式1] ISS是由靜態(tài)電流源203提供的靜態(tài)電流水平，并且A是NMOSFET MN25與MN26或者NMOSFET MN27與MN28的面積比。當(dāng)A≥2時，靜態(tài)電流Istatic不會達(dá)到無窮而是達(dá)到飽和結(jié)果。
下一步，描述動態(tài)過程中的自適應(yīng)輸入級200的操作。在動態(tài)過程中，Vin≠0，其中Vin＝Vin+-Vin-。假設(shè)圖3的MOSFET在強反相狀態(tài)下操作，則電流I1、I1’、I2和I2’的Istatic分量在下式2中表達(dá)如下 [式2] K＝μn*Cox*(W/L)，μn是電子的遷移率，Cox是單位面積的電容，并且W/L是每個NMOSFET MN21、MN22、MN23和MN24的寬長比。此外，Vx，static是靜態(tài)過程中的預(yù)定節(jié)點202處的電壓，并且Vthn是每個NMOSFET MN21、MN22、MN23和MN24的閾值電壓。然后式2還可被表達(dá)為下式3 [式3] 而且，Vx是預(yù)定節(jié)點202處的電壓，其近似于下式4 [式4] 如果在動態(tài)過程中，當(dāng)Vin+＞Vin-時Vin＞0，則I1，dynamic表達(dá)為下式5 [式5] 該I1，dynamic在圖4中 由相對于Vin的二次函數(shù)A說明。
當(dāng)Vin＞0時，大量的動態(tài)電流I1，dynamic自MOSFET MN24、MP24、MP25、MN28和MN27形成的電流回路流出。因此，當(dāng)Vin＞0時，MOSFET MN28、MN27、MP24和MP25形成的電流鏡使流過預(yù)定節(jié)點202的電流增加。
此外，在該情況中，I2，dynamic、I1’，dynamic和I2’，dynamic被表達(dá)為下式6 [式6] 該I2，dynamic、I1’，dynamic和I2’，dynamic在圖4中由相對于Vin的電流特性B說明。
如果在動態(tài)過程中，當(dāng)Vin+＜Vin-時，Vin＜0，則I1，dynamic、I1’，dynamic和I2’，dynamic被表達(dá)為下式7 [式7] 該I1，dynamic、I1’，dynamic和I2’，dynamic在圖4中由相對于Vin的電流特性D說明。
而且在該情況中，I2，dynamic被表達(dá)為下式8 [式8] 該I2，dynamic在圖4中由相對于Vin的二次函數(shù)C說明。當(dāng)Vin＜0時，大量的動態(tài)電流I2，dynamic自MOSFET MN23、MP21、MP22、MN26和MN25形成的電流回路流出。因此，當(dāng)Vin＜0時，由MOSFET MN23、MP21、MP22、MN26和MN25形成的電流鏡使流過預(yù)定節(jié)點202的電流增加。
此外，圖4示出了Vin＝V1，I1，dynamic＝Ia并且I2，dynamic＝Ib的示例。在該情況中，(A-1)Ia+(A-3)Ib+ISS＞0，由于Ib比Ia小很多，因此其近似于(A-1)Ia≥0。因此，滿足該動態(tài)范圍的A值(其是NMOSFETMN25與MN26或者NMOSFET MN27與MN28的面積比)的范圍是A≥1。該A≥1的動態(tài)特性導(dǎo)致了，在動態(tài)狀態(tài)中，當(dāng)Vin≠0時，提供大的動態(tài)電流I1，dynamic或I2，dynamic。而且上文給出了式1，為了同時滿足保持小靜態(tài)電流的靜態(tài)條件和具有快速擺率(slew rate)的動態(tài)條件，需要A在范圍1≤A＜2內(nèi)。
圖5示出了根據(jù)本發(fā)明的實施例利用圖3的自適應(yīng)輸入級200形成的放大器300。在圖3和5中具有相同的參考數(shù)字的元件表示具有相似的結(jié)構(gòu)和/或功能的元件。放大器300包括自適應(yīng)輸入級200和輸出級302，該輸出級302耦合在自適應(yīng)輸入級200和輸出節(jié)點304之間。
輸出級302包括輸出PMOSFET MP31，其具有耦合到第二電源節(jié)點VDD的源極、耦合到PMOSFET MP24的柵極的柵極和耦合到輸出節(jié)點304的漏極。輸出級302還包括輸出NMOSFET MN31，其具有耦合到第一電源節(jié)點VSS的源極、耦合到NMOSFET MN26的柵極的柵極和耦合到輸出節(jié)點304的漏極。負(fù)載電容器CL耦合在輸出節(jié)點304和第一電源節(jié)點VSS之間。
而且，面積比A可被最優(yōu)化，用于使圖5的自適應(yīng)偏置放大器300的電流效率(CE)最高。CE被表達(dá)為下式9 CE＝Iload，dynamic/Itotal＝SR×CL/Itotal [式9] Itotal是自適應(yīng)偏置放大器300中的總的靜態(tài)電流(quiescentcurrent)，并且SR是用于使負(fù)載電容器CL充電或放電的擺率。
Iload，dynamic是去往負(fù)載電容器CL的動態(tài)電流，其被表達(dá)為下式10 [式10] 關(guān)于式10中的Iload，dynamic的正號表示Vin＞0時使負(fù)載電容器CL充電的電流，并且負(fù)號表示Vin＜0時使負(fù)載電容器CL放電的電流。擺率SR被表達(dá)為下式11 [式11] CE相對A的圖線如圖6中所示，并且分析該圖線用于確定，在使電流效率CE最高時，在圖6中的點215處的最優(yōu)的面積比A＝1.5。
圖5的自適應(yīng)偏置放大器300有利地用于大電容的負(fù)載電容器CL的情況或者電容可變的負(fù)載電容器CL的情況。利用圖5的自適應(yīng)偏置放大器300可以獲得足夠的相位裕度。然而，圖5的自適應(yīng)偏置放大器可能具有相對低的增益。
圖7示出了根據(jù)本發(fā)明的另一實施例的自適應(yīng)偏置放大器350的電路圖，其具有相對高的增益并且利用圖3的自適應(yīng)輸入級200形成。在圖3和7中具有相同的參考數(shù)字的元件表示具有相似的結(jié)構(gòu)和/或功能的元件。放大器350包括自適應(yīng)輸入級200和輸出級352，該輸出級352耦合在自適應(yīng)輸入級200和輸出節(jié)點354之間。
輸出級352包括輸出PMOSFET MP32，其具有耦合到第二電源節(jié)點VDD的源極、耦合到NMOSFET MN22的柵極的柵極和耦合到輸出節(jié)點354的漏極。輸出級352還包括輸出NMOSFET MN32，其具有耦合到第一電源節(jié)點VSS的源極、耦合到NMOSFET MN26的柵極的柵極和耦合到輸出節(jié)點354的漏極。負(fù)載電容器CL耦合在輸出節(jié)點354和第一電源節(jié)點VSS之間。
此外，輸出級352包括補償電阻器Rz和補償電容器Cc，兩者串聯(lián)耦合在PMOSFET MP32的柵極和輸出節(jié)點354之間。圖7的自適應(yīng)偏置放大器350提供了相對高的增益和高的GBW(增益帶寬)，并且當(dāng)負(fù)載電容器CL具有相對小的電容時，其是有利的。
圖8示出了根據(jù)本發(fā)明的另一實施例的自適應(yīng)偏置軌到軌放大器400的電路圖。軌到軌放大器400包括第一自適應(yīng)偏置輸入級402、第二自適應(yīng)偏置輸入級404和輸出級406。
第一自適應(yīng)偏置輸入級402接收差分輸入Vin+和Vin-以在第一中間節(jié)點408處生成第一中間信號。第二自適應(yīng)偏置輸入級404接收差分輸入Vin+和Vin-以在第二中間節(jié)點410處生成第二中間信號。輸出級406接收第一和第二中間節(jié)點408和410處的第一和第二中間信號以在輸出節(jié)點412處生成輸出信號Vout。
第一自適應(yīng)偏置輸入級402被實現(xiàn)為與圖3的自適應(yīng)偏置輸入級200相似，其中圖3和8中具有相同參考數(shù)字的元件表示具有相似結(jié)構(gòu)和/或功能的元件。此外，第二自適應(yīng)偏置輸入級404包括的MOSFET與第一自適應(yīng)偏置輸入級402的MOSFET互為鏡像反型。
因此，第二自適應(yīng)偏置輸入級404包括NMOSFET MN45、MN46、MN44、MN41、MN43和MN42，其被配置為分別是第一自適應(yīng)偏置輸入級402的PMOSFET MP25、MP26、MP24、MP21、MP23和MP22的鏡像反型。此外，第二自適應(yīng)偏置輸入級404包括PMOSFET MP48、MP47、MP45、MP46、MP41、MP43、MP44和MP42，其被配置為分別是第一自適應(yīng)偏置輸入級402的NMOSFET MN28、MN27、MN25、MN26、MN21、MN23、MN24和MN22的鏡像反型。第二自適應(yīng)偏置輸入級404包括相應(yīng)的靜態(tài)電流源414，其被配置為第一自適應(yīng)偏置輸入級402的相應(yīng)靜態(tài)電流源203的鏡像反型。
輸出級406包括第一偏置電流源IBIAS1，其耦合在第二電源節(jié)點VDD與耦合到NMOSFET MN22的漏極的第一中間節(jié)點408之間。輸出級406還包括第二偏置電流源IBIAS2，其耦合在第一電源節(jié)點VSS與耦合到PMOSFET MP42的漏極的第二中間節(jié)點410之間。根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，偏置電流源IBIAS1和IBIAS2提供相等的電流。
輸出級406進(jìn)一步包括第一輸出PMOSFET MP51，其具有耦合到第二電源節(jié)點VDD的源極、耦合到第一中間節(jié)點408的柵極和耦合到輸出節(jié)點412的漏極。第一補償電容器Cc1耦合在PMOSFET MP51的柵極和漏極之間。
輸出級406還包括第一輸出NMOSFET MN51，其具有耦合到第一電源節(jié)點VSS的源極、耦合到第二中間節(jié)點410的柵極和耦合到輸出節(jié)點412的漏極。第二補償電容器Cc2耦合在NMOSFET MN51的柵極和漏極之間。根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，補償電容器Cc1和Cc2具有相等的電容。
輸出級406進(jìn)一步包括第二輸出PMOSFET MP52，其具有耦合到第一中間節(jié)點408的源極、上面施加有第一偏置電壓VBP的柵極和耦合到第二中間節(jié)點410的漏極。輸出級406還包括第二輸出NMOSFETMN52，其具有耦合到第一中間節(jié)點408的漏極、上面施加有第二偏置電壓VBN的柵極和耦合到第二中間節(jié)點410的源極。
第一和第二自適應(yīng)偏置輸入級402和404的操作與圖3的自適應(yīng)偏置輸入級200相似。通過將第一和第二自適應(yīng)偏置輸入級402和404配置為鏡像反型，軌到軌放大器400可以針對VDD到VSS的軌到軌范圍內(nèi)的每個輸入Vin+和Vin-執(zhí)行操作。
圖9示出了根據(jù)本發(fā)明的另一實施例的自適應(yīng)偏置軌到軌放大器500的電路圖，其進(jìn)一步使元件數(shù)目最少。軌到軌放大器500包括第一自適應(yīng)偏置輸入級502、第二自適應(yīng)偏置輸入級504和輸出級506。圖9的輸出級506被實現(xiàn)為與圖8的輸出級406相似。
此外，圖9的第一自適應(yīng)偏置輸入級502被實現(xiàn)為與圖8的第一自適應(yīng)偏置輸入級402相似。然而，在圖9的第一自適應(yīng)偏置輸入級502中消除了圖8的第一自適應(yīng)偏置輸入級402中的PMOSFET MP22和由NMOSFET MN25和MN26形成的電流鏡。而是，圖9的第一自適應(yīng)偏置輸入級502包括鏡像PMOSFET MP53，其具有耦合到第二電源節(jié)點VDD的源極、耦合到PMOSFET MP21的柵極的柵極和耦合到PMOSFET MP25的漏極的漏極。
相似地，圖9的第二自適應(yīng)偏置輸入級504被實現(xiàn)為與圖8的第二自適應(yīng)偏置輸入級404相似。然而，在圖9的第二自適應(yīng)偏置輸入級504中消除了圖8的第二自適應(yīng)偏置輸入級404中的NMOSFETMP42和由PMOSFET MP45和MP46形成的電流鏡。而是，圖9的第二自適應(yīng)偏置輸入級504包括鏡像NMOSFET MN53，其具有耦合到第一電源節(jié)點VSS的源極、耦合到NMOSFET MN41的柵極的柵極和耦合到NMOSFET MN45的漏極的漏極。
在圖9中，通過將第一和第二自適應(yīng)偏置輸入級502和504配置為鏡像反型，軌到軌放大器450可以針對VDD到VSS的軌到軌范圍內(nèi)的每個輸入Vin+和Vin-執(zhí)行操作。此外，圖9的軌到軌放大器500被實現(xiàn)為在第一和第二自適應(yīng)偏置輸入級502和504中具有比圖8的軌到軌放大器400更少的MOSFET。因此，圖9的軌到軌放大器500有利地使集成電路面積最小。
這樣，圖3的自適應(yīng)偏置輸入級200以及包括該自適應(yīng)偏置輸入級的圖5、7、8和9的放大器300、350、400和500具有高的電流效率，具有數(shù)目最少的電流源和電流鏡。因此，該集成電路的操作具有最小的功耗和集成電路面積。
前文應(yīng)僅被當(dāng)作示例，并非是限制。因此，此處說明和描述的任何數(shù)量的元件應(yīng)僅被當(dāng)作示例。此外，圖3的自適應(yīng)偏置輸入級200可用于實現(xiàn)除了圖5、7、8和9的示例以外的其他類型的放大器。
本發(fā)明僅由所附權(quán)利要求及其等效物限定。
權(quán)利要求
1.一種自適應(yīng)偏置輸入級，包括
差分耦合的放大場效應(yīng)晶體管對，其具有柵極，差分輸入施加在所述柵極上；
差分耦合的感應(yīng)場效應(yīng)晶體管對，其具有柵極，差分輸入施加在所述柵極上；
靜態(tài)電流源，其耦合在第一電源節(jié)點和預(yù)定節(jié)點處的所述放大和感應(yīng)場效應(yīng)晶體管的源極之間；
第一電流鏡，其耦合在一個所述感應(yīng)場效應(yīng)晶體管和第二電源節(jié)點之間；和
第二電流鏡，其耦合在所述第一電流鏡、所述預(yù)定節(jié)點和所述第一電源節(jié)點之間。
2.如權(quán)利要求1所述的自適應(yīng)偏置輸入級，其中當(dāng)施加在所述一個感應(yīng)場效應(yīng)晶體管上的第一差分輸入大于施加在另一感應(yīng)場效應(yīng)晶體管上的第二差分輸入時，所述感應(yīng)場效應(yīng)晶體管以及所述第一和第二電流鏡使自所述預(yù)定節(jié)點流出的電流增加。
3.如權(quán)利要求2所述的自適應(yīng)偏置輸入級，其中，所述第二電流鏡包括第一鏡晶體管，其具有第一面積并且耦合到所述第一電流鏡，并且包括第二鏡晶體管，其具有面積為第一面積的A倍的第二面積并且耦合到所述預(yù)定節(jié)點。
4.如權(quán)利要求3所述的自適應(yīng)偏置輸入級，其中A處于從約1～約2的范圍內(nèi)，并且其中A被選擇為使自適應(yīng)偏置輸入級的電流效率最高。
5.如權(quán)利要求3所述的自適應(yīng)偏置輸入級，進(jìn)一步包括
第三電流鏡，其耦合在另一感應(yīng)場效應(yīng)晶體管和所述第二電源節(jié)點之間；和
第四電流鏡，其耦合在所述第三電流鏡、所述預(yù)定節(jié)點和所述第一電源節(jié)點之間；
其中當(dāng)施加在所述另一感應(yīng)場效應(yīng)晶體管上的第一差分輸入大于施加在所述一個感應(yīng)場效應(yīng)晶體管上的第二差分輸入時，所述感應(yīng)場效應(yīng)晶體管以及所述第三和第四電流鏡使白所述預(yù)定節(jié)點流出的電流增加；
并且其中所述第四電流鏡包括第三鏡晶體管，其具有第三面積并且耦合到所述第三電流鏡，并且包括第四鏡晶體管，其具有面積為第三面積的A倍的第四面積并且耦合到所述預(yù)定節(jié)點。
6.如權(quán)利要求5所述的自適應(yīng)偏置輸入級，其中A處于約1～約2的范圍內(nèi)，并且其中A被選擇為使自適應(yīng)偏置輸入級的電流效率最高。
7.如權(quán)利要求5所述的自適應(yīng)偏置輸入級，其中通過所述自適應(yīng)偏置輸入級的每個場效應(yīng)晶體管的靜態(tài)電流隨A增加，并且其中通過每個所述放大和感應(yīng)場效應(yīng)晶體管的各個動態(tài)電流是差分輸入之間的差值的相應(yīng)二次函數(shù)。
8.如權(quán)利要求6所述的自適應(yīng)偏置輸入級，進(jìn)一步包括
負(fù)載場效應(yīng)晶體管，其耦合在所述放大場效應(yīng)晶體管和所述第二電源節(jié)點之間，并且由所述第一和第三電流鏡偏置。
9.一種放大器，包括
自適應(yīng)偏置輸入級，包括
差分耦合的放大場效應(yīng)晶體管對，其具有柵極，差分輸入施加在所述柵極上；
差分耦合的感應(yīng)場效應(yīng)晶體管對，其具有柵極，差分輸入施加在所述柵極上；
靜態(tài)電流源，其耦合在第一電源節(jié)點和預(yù)定節(jié)點處的所述放大和感應(yīng)場效應(yīng)晶體管的源極之間；
第一電流鏡，其耦合在一個感應(yīng)場效應(yīng)晶體管和第二電源節(jié)點之間；
第二電流鏡，其耦合在第一電流鏡、所述預(yù)定節(jié)點和所述第一電源節(jié)點之間；
第三電流鏡，其耦合在另一感應(yīng)場效應(yīng)晶體管和所述第二電源節(jié)點之間；和
第四電流鏡，其耦合在所述第三電流鏡、所述預(yù)定節(jié)點和所述第一電源節(jié)點之間；和
輸出級，其耦合在所述自適應(yīng)偏置輸入級和輸出節(jié)點之間，用于在所述輸出節(jié)點處生成輸出信號。
10.如權(quán)利要求9所述的放大器，其中，所述輸出級包括
第一輸出場效應(yīng)晶體管，其耦合在所述第二電源節(jié)點和所述輸出節(jié)點之間，并且通過耦合到一個感應(yīng)場效應(yīng)晶體管的所述第一和第三電流鏡中的一個電流鏡進(jìn)行偏置；和
第二輸出場效應(yīng)晶體管，其耦合在所述第一電源節(jié)點和所述輸出節(jié)點之間，并且通過耦合到所述一個感應(yīng)場效應(yīng)晶體管的所述第二和第四電流鏡中的一個電流鏡進(jìn)行偏置。
11.如權(quán)利要求9所述的放大器，其中，所述輸出級包括
第一輸出場效應(yīng)晶體管，其耦合在所述第二電源節(jié)點和所述輸出節(jié)點之間，并且具有耦合到一個放大場效應(yīng)晶體管的漏極的柵極，且有源負(fù)載耦合到所述一個放大場效應(yīng)晶體管的所述漏極；
補償電阻器和補償電容器，兩者串聯(lián)耦合在所述第一輸出場效應(yīng)晶體管的柵極和所述輸出節(jié)點之間；和
第二輸出場效應(yīng)晶體管，其耦合在所述第一電源節(jié)點和所述輸出節(jié)點之間，并且通過耦合到一個感應(yīng)場效應(yīng)晶體管的所述第二和第四電流鏡中的一個電流鏡偏置，其中施加到所述一個感應(yīng)場效應(yīng)晶體管的差分輸入與施加在所述一個放大場效應(yīng)晶體管的差分輸入相同；
其中當(dāng)施加在所述一個感應(yīng)場效應(yīng)晶體管上的第一差分輸入大于施加在另一感應(yīng)場效應(yīng)晶體管上的第二差分輸入時，所述感應(yīng)場效應(yīng)晶體管以及所述第一和第二電流鏡使自所述預(yù)定節(jié)點流出的電流增加，
并且其中當(dāng)施加在另一感應(yīng)場效應(yīng)晶體管上的第二差分輸入大于施加在所述一個感應(yīng)場效應(yīng)晶體管上的第一差分輸入時，所述感應(yīng)場效應(yīng)晶體管以及所述第三和第四電流鏡使自所述預(yù)定節(jié)點流出的電流增加。
12.如權(quán)利要求9所述的放大器，其中，所述第二電流鏡包括第一鏡晶體管，其具有第一面積并且耦合到所述第一電流鏡，并且包括第二鏡晶體管，其具有面積為第一面積的A倍的第二面積并且耦合到所述預(yù)定節(jié)點，
并且其中，所述第四電流鏡包括第三鏡晶體管，其具有第三面積并且耦合到所述第三電流鏡，并且包括第四鏡晶體管，其具有面積為第三面積的A倍的第四面積并且耦合到所述預(yù)定節(jié)點。
13.如權(quán)利要求12所述的放大器，其中A處于約1～約2的范圍內(nèi)，并且其中A被選擇為使所述自適應(yīng)偏置輸入級的電流效率最高。
14.如權(quán)利要求12所述的放大器，其中通過所述自適應(yīng)偏置輸入級的每個場效應(yīng)晶體管的靜態(tài)電流隨A增加，并且其中通過每個放大和感應(yīng)場效應(yīng)晶體管的各個動態(tài)電流是差分輸入之間的差值的相應(yīng)二次函數(shù)。
15.如權(quán)利要求9所述的放大器，進(jìn)一步包括
負(fù)載場效應(yīng)晶體管，其耦合在所述放大場效應(yīng)晶體管和所述第二電源節(jié)點之間，并且由所述第一和第三電流鏡偏置。
16.一種軌到軌放大器，包括
輸出級；
第一自適應(yīng)偏置輸入級，其接收差分輸入以生成去往所述輸出級的第一中間信號；和
第二自適應(yīng)偏置輸入級，其接收差分輸入以生成去往所述輸出級的第二中間信號，
其中，所述第一和第二自適應(yīng)偏置輸入級的每一個包括
差分耦合的放大場效應(yīng)晶體管對，其具有柵極，差分輸入施加在所述柵極上；
差分耦合的感應(yīng)場效應(yīng)晶體管對，其具有柵極，差分輸入施加在所述柵極上；
靜態(tài)電流源，其耦合在第一電源節(jié)點和預(yù)定節(jié)點處的放大場效應(yīng)晶體管和感應(yīng)場效應(yīng)晶體管的源極之間；
第一電流鏡，其耦合在一個感應(yīng)場效應(yīng)晶體管和第二電源節(jié)點之間；和
第二電流鏡，其耦合在所述第一電流鏡、所述預(yù)定節(jié)點和所述第一電源節(jié)點之間，
其中，第一和第二自適應(yīng)偏置輸入級的各自的場效應(yīng)晶體管互為鏡像，即P型和N型場效應(yīng)晶體管。
17.如權(quán)利要求16所述的軌到軌放大器，其中，所述第一和第二自適應(yīng)偏置輸入級的每一個進(jìn)一步包括
第三電流鏡，其耦合在另一感應(yīng)場效應(yīng)晶體管和所述第二電源節(jié)點之間；和
第四電流鏡，其耦合在所述第三電流鏡、所述預(yù)定節(jié)點和所述第一電源節(jié)點之間；
其中一個放大場效應(yīng)晶體管的漏極耦合到有源負(fù)載并且生成第一和第二中間信號中的一個；
并且其中當(dāng)施加在所述一個感應(yīng)場效應(yīng)晶體管上的第一差分輸入大于施加在另一感應(yīng)場效應(yīng)晶體管上的第二差分輸入時，所述感應(yīng)場效應(yīng)晶體管以及所述第一和第二電流鏡使自所述預(yù)定節(jié)點流出的電流增加，
并且其中當(dāng)施加在另一感應(yīng)場效應(yīng)晶體管上的第二差分輸入大于施加在所述一個感應(yīng)場效應(yīng)晶體管上的第一差分輸入時，所述感應(yīng)場效應(yīng)晶體管以及所述第三和第四電流鏡使自所述預(yù)定節(jié)點流出的電流增加。
18.如權(quán)利要求16所述的軌到軌放大器，其中，所述第二電流鏡包括第一鏡晶體管，其具有第一面積并且耦合到所述第一電流鏡，并且包括第二鏡晶體管，其具有面積為第一面積的A倍的第二面積并且耦合到所述預(yù)定節(jié)點，并且其中，所述第四電流鏡包括第三鏡晶體管，其具有第三面積并且耦合到所述第三電流鏡，并且包括第四鏡晶體管，其具有面積為第三面積的A倍的第四面積并且耦合到所述預(yù)定節(jié)點。
19.如權(quán)利要求18所述的軌到軌放大器，其中A處于約1～約2的范圍內(nèi)，并且其中A被選擇為使所述自適應(yīng)偏置輸入級的電流效率最高。
20.如權(quán)利要求18所述的軌到軌放大器，其中通過所述自適應(yīng)偏置輸入級的每個場效應(yīng)晶體管的靜態(tài)電流隨A增加，并且其中通過每個放大和感應(yīng)場效應(yīng)晶體管的各個動態(tài)電流是差分輸入之間的差值的相應(yīng)二次函數(shù)。
21.如權(quán)利要求16所述的軌到軌放大器，其中一個放大場效應(yīng)晶體管的漏極耦合到有源負(fù)載并且生成所述第一和第二中間信號中的一個，并且具有柵極，施加在所述柵極上的差分輸入與施加在耦合到所述第一電流鏡的所述一個感應(yīng)場效應(yīng)晶體管上的差分輸入相同。
22.如權(quán)利要求21所述的軌到軌放大器，其中，所述第一和第二自適應(yīng)偏置輸入級的每一個包括
第三電流鏡，其耦合在所述第二電源節(jié)點、另一感應(yīng)晶體管和所述第二電流鏡之間；和
鏡像場效應(yīng)晶體管，其具有利用所述第三電流鏡偏置的柵極并且具有耦合在所述第一和第二電流鏡之間的漏極；
其中當(dāng)差分輸入不同時，所述感應(yīng)場效應(yīng)晶體管、鏡像場效應(yīng)晶體管以及第一、第二和第三電流鏡使自所述預(yù)定節(jié)點流出的電流增加。
23.如權(quán)利要求16所述的軌到軌放大器，其中，所述第二電流鏡包括第一鏡晶體管，其具有第一面積并且耦合到所述第一電流鏡，并且包括第二鏡晶體管，其具有面積為第一面積的A倍的第二面積并且耦合到所述預(yù)定節(jié)點。
24.如權(quán)利要求23所述的軌到軌放大器，其中A處于約1～約2的范圍內(nèi)，并且其中A被選擇為使所述自適應(yīng)偏置輸入級的電流效率最高。
25.如權(quán)利要求24所述的軌到軌放大器，其中通過所述自適應(yīng)偏置輸入級的每個場效應(yīng)晶體管的靜態(tài)電流隨A增加，并且其中通過每個放大和感應(yīng)場效應(yīng)晶體管的各個動態(tài)電流是差分輸入之間的差值的相應(yīng)二次函數(shù)。
全文摘要
一種自適應(yīng)偏置輸入級包括差分耦合的放大和感應(yīng)場效應(yīng)晶體管對，其具有柵極，差分輸入施加在該柵極上。此外，靜態(tài)電流源耦合到預(yù)定節(jié)點處的放大和感應(yīng)場效應(yīng)晶體管的源極。而且，電流鏡耦合到感應(yīng)場效應(yīng)晶體管用于形成回路機構(gòu)，用于在差分輸入具有非零差值時使通過預(yù)定節(jié)點的電流增加。
文檔編號H03F1/02GK101299596SQ20081009301
公開日2008年11月5日 申請日期2008年4月15日 優(yōu)先權(quán)日2007年5月2日
發(fā)明者金亨來 申請人:三星電子株式會社