[发明专利]输出端可增加输出电压摆幅的折叠式差分转单端放大器

说明书

本发明公开了输出端可增加输出电压摆幅的折叠式差分转单端放大器，包括PMOS对管、NMOS对管组；所述NMOS对管组包含若干对依次串联的NMOS对管；所述PMOS对管的一对引脚分别与NMOS对管组的一对引脚连接后再分别通过恒流源接地，所述PMOS对管的另一对引脚相互连接后再通过恒流源与NMOS对管组的另一对引脚连接。本发明可以提高差分转单端放大器中输出端输出电压的摆幅。

技术领域

本发明属于集成电路设计技术领域，具体涉及输出端可增加输出电压摆幅的折叠式差分转单端放大器。

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，所以便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需要的电路中。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：gm1表示输入管M1跨导，ro1和ro3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，对比于简单结构运放，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gm1，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的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：

对于简单运放而言，如图1所示，其输入共模范围为：Vdsat+VTH<VCM<VDD,输出电压摆幅为：2Vdsat<VOUT<VDD-Vdsat，其中Vdsat为MOS管的最小过驱动电压，VTH为MOS管的阈值电压。

对于套筒式共源共栅运放而言，如图2所示，其输入共模范围为：Vdsat+VTH<VCM<VDD-VTH-Vdsat，输出电压摆幅为：3Vdsat<VOUT<VDD-2Vdsat。

对于折叠式共源共栅运放而言，如图3所示，其输入共模范围为：0V<VCM<VDD-VTH-2Vdsat，输出电压摆幅为：2Vdsat<VOUT<VDD-2Vdsat。