[发明专利]一种无交越失真运算放大器输入级衬底电压控制电路

说明书

一种无交越失真运算放大器输入级衬底电压控制电路，通过在输入级电路中设置两路差分输入对，第一路为主输入差分对即运放真正输入差分对，第二路为辅助输入差分对即随输入信号改变而改变的共模信号差分对，所述辅助输入差分对能够在采集输入信号的同时在其信号上增加一个电压以此来驱动主输入差分对的衬底端，以使该衬底端与源端之间的电压基本不变，解决衬偏效应对运算放大器输入对的影响，同时也解决电流源驱动的问题。

技术领域

本发明涉及运算放大器输入级技术，特别是一种无交越失真运算放大器输入级衬底电压控制电路，通过在输入级电路中设置两路差分输入对，第一路为主输入差分对即运放真正输入差分对，第二路为辅助输入差分对即随输入信号改变而改变的共模信号差分对，所述辅助输入差分对能够在采集输入信号的同时在其信号上增加一个电压以此来驱动主输入差分对的衬底端，以使该衬底端与源端之间的电压基本不变，解决衬偏效应对运算放大器输入对的影响，同时也解决电流源驱动的问题。

背景技术

通用运算放大器输入级一般选择PMOS为输入的差分对，这是因为输入信号一般以0电平为参考电位的信号，另外PMOS输入对在相同的功耗以及增益带宽积下可得到比NMOS输入对更高的SR(Slew rate，电压转换速率)。因此大部分非轨到轨输入的运算放大器都使用PMOS为输入差分对。图1是现有技术中运算放大器输入级所用的PMOS输入差分对电路结构示意图。如图1所示，第一PMOS管Pmos1和第二PMOS管Pmos2组成了运算放大器的输入差分对，Pmos1的源极和Pmos2的源极均连接第一电流源I1的输出端，第一电流源I1的输入端连接供电电压端Vcc，Pmos1的衬底与Pmos2的衬底连接成衬底节点(或称为输入差分对衬底端)，衬底节点连接Vcc，Pmos1的栅极连接运算放大器的负向输入端INn，Pmos2的栅极连接运算放大器的正向输入端INp，Pmos1的漏极连接差分信号负向输出端outn，Pmos2的漏极连接差分信号正向输出端outp，Pmos1的漏极通过第一电阻R1连接接地端Vss，Pmos2的漏极通过第二电阻R2连接接地端Vss。为了保证PMOS的源漏极与其衬底之间的二极管始终为反偏。如图1所示，通常是将PMOS输入对的衬底接到运放的最高电位。但由于MOSFET的体效应(body-effect，衬底调制效应/衬偏效应)，主要是来源于mos管的S-B(Source-Bulk，源端-衬底)端之间的偏压。因此，这种接法会对电路产生以下影响。①MOSFET在出现沟道(反型层)以后，虽然沟道下面的耗尽层厚度达到了最大(这时，栅极电压即使再增大，耗尽层厚度也不会再增大)；但是，衬偏电压是直接加在源-衬底之间的反向电压，它可以使场感应结的耗尽层厚度进一步展宽，并引起其中的空间电荷面密度增加，从而导致器件的阈值电压VT升高。而阈值电压VT的升高又将进一步影响到器件的漏源电流IDS及其整个的性能，例如栅极跨导降低等。衬底掺杂浓度越高，衬偏电压所引起的空间电荷面密度的增加就越多，则衬偏效应越显著。②由于衬偏电压将使场感应结的耗尽层厚度展宽、空间电荷面密度增加，所以，当栅极电压不变时，衬偏电压就会使沟道中的载流子面电荷密度减小，从而就使得沟道电阻增大，并导致电流减小、跨导降低。③当MOSFET在动态工作时，源极电位是不断在变化着的，则加在源-衬底之间的衬偏电压也将相应地随着而不断变化；这就产生所谓背栅调制作用，即呈现出一定JFET(结型场效应管)的功能。④由于衬偏电压会引起背栅调制作用，使得沟道中的面电荷密度随着源极电位而发生变化，即产生了一种电容效应，这个电容就称为衬偏电容。衬偏电容的出现即将明显地影响到器件的开关速度。⑤由于MOSFET在加有衬偏电压时，即将增加一种背栅调制作用，从而就额外产生出一个与此背栅调制所对应的交流电阻；于是，这就将使得器件的总输出电阻降低，并导致电压增益下降。所以，减小衬偏效应将有利于提高电压增益。