[发明专利]一种带电流补偿的轨到轨输入级

说明书

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。