[发明专利]一种具有广范围的输入端值和输出端值的差分放大器

说明书

本发明涉及差分放大器，具体涉及一种具有广范围的输入端值和输出端值的差分放大器，包括差分输入管对M1、M2，M1、M2的源极均与电流源的输出端相连，M1的漏极与M3的源极相连，M2的漏极与M4的源极相连，M3、M4的栅极相互连接组成共栅晶体管，M3、M4的漏极分别与作为电流镜负载的M7、M8相连，M7、M8的栅极相互连接，M7、M8的源极均与VDD相连；本发明所提供的技术方案能够有效克服现有技术所存在的输入共模范围和输出电压摆幅较小的缺陷。

技术领域

本发明涉及差分放大器，具体涉及一种具有广范围的输入端值和输出端值的差分放大器。

背景技术

差分转单端运算放大器的输入信号为差分信号，输出信号为单端信号，由于其在噪声、电压摆幅、带宽频率和单位增益等方面都显示出较好的优越性，所以经常成为高性能的代名词，并且由于其可以将一对差分信号转换成一个单独的信号，使得其可以运用在某些特殊的电路中。传统的差分转单端放大器常见的有单级和两级放大器，而单级运放还可以分成简单的差分转单端放大器、套筒式共源-共栅和折叠式共源-共栅这三种结构。

(1)如图1所示为一个简单的单级差分转单端放大器，VDD表示电源电压，M1和M2构成输入差分对，M3和M4构成负载，这种放大器的增益表示为：

A_v≈g_m1(r_o1||r_o3)

其中：g_m1表示输入管M1跨导，r_o1和r_o3表示M1和M3管的输出电阻。

(2)在模拟电路的设计过程中，共源-共栅结构的运算放大器是应用最为广泛的一种，其能在保持频率特性优秀的前提下，实现电压增益的最大化。选择这种结构的目的，大多数都是为了尽可能大的提高增益。共源-共栅结构的运算放大器主要分为套筒式和折叠式两种，两种结构的增益大致相同。

套筒式共源-共栅运算放大器的结构如图2所示，相比于简单结构运放，套筒式共源-共栅结构增加了两对MOS管，使得运放增益得到相当大的改善。该电路中输入管的跨导仍为g_m1，输出阻抗约增大为(g_m4r_o4)r_o2||(g_m6r_o6)r_o8，由此可以得到该电路的增益为：

A_v≈g_m1[(g_m4r_o4)r_o2||(g_m6r_o6)r_o8]

由此可见共源-共栅结构要比简单结构的增益提高许多。

折叠式共源-共栅运算放大器的结构如图3所示，放大原理与套筒式基本一致，输出阻抗同样约为(g_m4r_o4)r_o2||(g_m6r_o6)r_o8，电路的增益也与套筒式一致：

A_v≈g_m1[(g_m4r_o4)r_o2||(g_m6r_o6)r_o8]

折叠式结构的不同之处在于将差分输入对管从NMOS管变为了PMOS管并进行了一次折叠，结果我们可以很明显地看出这种结构的功耗比套筒式增加了一倍，但是牺牲一倍功耗带来的优势同样显而易见，那就是输入共模范围的增大和输出电压摆幅的增大。

对于运放的输入共模范围和输出电压摆幅，我们可以对三种结构分别进行详细讨论，如下：