CN101005273A - 具有改善的转换速率的差分放大器 - Google Patents

Abstract

差分放大器接收差分输入信号，并在输出节点生成输出信号。耦合到差分放大器的辅助电路用于改进转换速率响应。在有关差分输入信号的静态和小信号情况中，辅助电路不改变或更改差分放大器的操作。然而，在有关差分输入信号的大信号变化情况中，辅助电路用于加速向输出节点提供电流或从其吸收电流。因此，可更快地对耦合到输出节点的稳定补偿电容器进行充电或放电，从而体验到差分放大器转换速率性能的改进。

Description

具有改善的转换速率的差分放大器

技术领域

本发明涉及差分放大器，并且具体地说，涉及包括改善转换速率的电路的差分放大器。

背景技术

参照图1，图中显示了常规的和传统的现有技术差分放大器10的电路图。在差分输入晶体管(p沟道)M1和M2的栅极端接收差分信号输入Vi(具有分量Vi+和Vi-)。M1和M2的源极端耦合在一起，并耦合到提供电流2I的电流源12的第一端子。电流源12的第二端子耦合到参考电压Vdd。

M1的漏极端子耦合到(n沟道)晶体管M4的漏极和栅极端。晶体管M4的源极端耦合到参考电压地。晶体管M4的栅极端还耦合到(n沟道)晶体管M3的栅极。晶体管M3的源极端还耦合到参考电压地。晶体管M3的漏极端子耦合到(p沟道)晶体管M7的漏极端子和栅极端。晶体管M7的源极端耦合到参考电压Vdd。

M2的漏极端子耦合到(n沟道)晶体管M5的漏极和栅极端。晶体管M5的源极端耦合到参考电压地。晶体管M5的栅极端还耦合到(n沟道)晶体管M6的栅极。晶体管M6的源极端还耦合到参考电压地。晶体管M6的漏极端耦合到(p沟道)晶体管M8的漏极端。晶体管M8的源极端耦合到参考电压Vdd。

晶体管M7和M8的栅极端耦合在一起。因此，晶体管M1中的电流使用晶体管M3、M4和M7镜像到晶体管M8。晶体管M2的电流使用晶体管M5镜像到晶体管M6。

差分放大器10的输出在耦合于晶体管M6与M8之间的公共漏极端处提取。此点标记为节点“OUT”。从节点OUT输出的电流Io1是晶体管M8与M6的电流差(或换言之，为接收差分信号输入Vi+和Vi-的晶体管M1与M2的电流之差)。

电容器C耦合在输出节点OUT与参考电压地之间。电容器C在本领域称为用于闭环操作的稳定补偿电容器。

当差分输入信号Vi为正值大信号(对负值大信号的推断类似)，晶体管M1导通，并且晶体管M2截止。在此条件下，晶体管M1和M8中的电流彼此相等，并等于电流源12提供的2I电流。晶体管M2和M6中的电流也彼此相等，但均为零。如上所述，输出电流Io1等于晶体管M8与M6的电流差，在此情况下为电流源12提供的电流2I。通过已知的方程式，可计算节点OUT上输出电压Vo的转换速率：

SR＝Io1/C

即：

SR＝2I/C。

现在参照图2，它是输入差分信号Vi为2V峰峰值方波(参见图3)时有关图1的传统差分放大器10的输出电压Vo的电压与时间曲线图。图2的曲线示出了当图1差分放大器10配置为单位增益缓冲器时的结果。还使用瞬态仿真分析进行了说明。

在图2中可以看到，相对于图3的输入信号，图1所示传统差分放大器10的转换速率要求大约5微秒的转换时间间隔。在差分放大器的许多已知应用中，此转换速率响应极其不可接受(即太慢)。它可通过提高电流源12来改善，但功耗也会增加并且放大器的频率响应会改变，这可能导致不稳定。

因此，本领域需要一种差分放大器电路，这种差分放大器电路可提供与类似图1所示传统差分放大器相比更快且因此更可接受的转换速率。

发明内容

根据本发明的实施例，提供了一种连接到与差分放大器相关联的补偿电容器的电路。该电路包括电流源电路，其耦合成检测差分放大器操作以及为响应检测到所述差分放大器正根据第一高差分电压输入操作而向所述补偿电容器提供电流。所述电路还包括电流吸收电路，其耦合成检测差分放大器操作以及为响应检测到所述差分放大器正根据第二高差分电压输入操作而从所述补偿电容器吸收电流。

根据另一实施例，差分放大器包括具有差分电压输入和电流输出节点的差分放大器级、耦合到所述电流输出节点的补偿电容器及耦合到所述差分放大器级和所述补偿电容器的转换速率增强级，所述转换速率增强级可用于在除所述差分放大器级本身向所述电流输出节点提供或从其吸收的任何电流外，还选择性地向所述电流输出节点提供或从其吸收电流。

根据另一实施例，差分放大器包括具有差分电压输入的差分放大器级、耦合到电流输出节点的电流源晶体管、耦合到所述电流输出节点的电流吸收晶体管以及耦合到所述电流输出节点的补偿电容器。电流源传感器电路耦合到所述电流源晶体管，并可用于检测何时正由所述差分放大器级本身向所述电流输出节点提供电流，而电流吸收传感器电路耦合到所述电流吸收晶体管，并可用于检测何时正由所述差分放大器级本身从所述电流输出节点吸收电流。额外电流源晶体管也耦合到所述电流输出节点，并可用于响应所述电流源传感器电路而向所述电流输出节点提供额外电流，而额外电流吸收晶体管也耦合到所述电流输出节点，并可用于响应所述电流吸收传感器电路而从所述电流输出节点吸收额外电流。

在另一实施例中，差分放大器包括具有差分电压输入和电流输出节点的差分放大器级、耦合到所述电流输出节点的补偿电容器以及耦合到所述差分放大器级和所述补偿电容器的电容器充电/放电级。电容器充电/放电级可用于检测何时所述差分放大器级正根据高差分电压输入操作，并对此做出响应而帮助所述差分放大器级以比所述差分放大器级本身能够达到的更快速度，对所述补偿电容器进行充电/放电。

附图说明

通过参照附图，可更完整地理解本发明，这些附图中：

图1是常规的和传统的现有技术差分放大器的电路图；

图2是有关图1所示差分放大器的输出电压的电压与时间曲线图；

图3是有关输入电压方波的电压与时间曲线图；

图4是根据本发明实施例的差分放大器电路图；以及

图5是有关图4所示差分放大器的输出电压的电压与时间曲线图。

具体实施方式

现在参照图4，图中显示了根据本发明实施例的差分放大器100的电路图。在图4中，为与图1常规的和传统的现有技术差分放大器10类似或相同的元件提供了相同的标号。除理解图4所示实施例必需的外，省略了对这些元件的进一步讨论，并且读者可回顾以上对图1的讨论，这些讨论通过引用结合到这里。

对于如下元件，图4的差分放大器100具有与图1放大器类似的构成：电流源2I、晶体管M1-M8和电容器C。因此，放大器100具有差分放大器级10。辅助电路102添加到放大器级10以形成本发明的差分放大器。辅助电路102包括晶体管(p沟道)M9，其栅极端耦合到晶体管M7和M8的栅极端。晶体管M9的源极端耦合到参考电压Vdd。晶体管M9的漏极端子耦合到提供电流(1+α)I的电流源104的第一端子。电流源104的第二端子耦合到参考电压地。

辅助电路102还包括晶体管(n沟道)M10，此晶体管的漏极端耦合到参考电压Vdd。晶体管M10的栅极端耦合到晶体管M9的漏极端。晶体管M10的源极端耦合到输出节点OUT。

辅助电路102还包括晶体管(n沟道)M11，其栅极端耦合到晶体管M5和M6的栅极端。晶体管M11的源极端耦合到参考电压地。晶体管M11的漏极端耦合到提供电流(1+α)I的电流源106的第一端子。电流源106的第二端子耦合到参考电压Vdd。

辅助电路102还包括晶体管(p沟道)M12，其漏极端耦合到参考电压地。晶体管M12的栅极端耦合到晶体管M11的漏极端。晶体管M12的源极端耦合到输出节点OUT。

晶体管M9和M11分别复制晶体管M8和M6的电流。晶体管M9/M11的静态电流为I，在此情况下，晶体管M9/M11的漏极电压为0V/Vdd，这使晶体管M10和M12均截止。在小信号操作(即，差分信号输入Vi+和Vi-之差很小)中，晶体管M9/M11的电流小于(1+α)I，在此情况下，晶体管M10和M12也由于晶体管M9的漏电压很低而晶体管M11的漏电压很高而截止。因此，在静态和小信号状态中，晶体管M10和M12对差分放大器100的操作无影响，因此其操作本质上几乎与图10所示传统差分放大器所经历的操作相同。

另一方面，如果输入电压Vi足够大(即，当差分信号输入Vi+和Vi-之差很大)时，晶体管M9/M11中的复制电流变得相当不平衡，并且晶体管M9/M11的漏电压变得足够大/小，可使相应的晶体管M10/M12导通。发生这种情况时，视输入差分信号Vi摆动的方向而定，流过节点OUT的晶体管M10和M12各自的源电流Io2和Io3分别帮助加快电容器C的充电和放电。实际上，晶体管M9和电流源104充当传感器，用于检测存在第一高差分电压输入(即差分信号输入Vi+和Vi-之间第一方向上的差很大)的模式下差分放大器10的操作。类似地，晶体管M11和电流源106充当传感器，用于检测存在第二高差分电压输入(即，差分信号输入Vi+和Vi-之间第二相反的方向上的差很大)的模式下差分放大器10的操作。实际上，电路M9/104和M11/104充当电流比较电路，其中，晶体管M9和M11中分别从M8和M6复制的电流各自与其相应电流源104和106提供的电流(1+α)I进行比较。不平衡时，晶体管M10或M12的栅极端上的信号使一个或另一个晶体管导通，并因此向输出节点OUT和电容器C提供电流或从其吸收电流。

例如，对于在大差分输入电压摆幅情况下对电容器C充电，使晶体管M10导通，于是从图4中节点OUT输出的电流Io将为：

Io＝Io1+Io2

其中，Io1＝2I(如以上针对图1所述)。因此，输出电压Vo的转换速率可以计算为：

SR＝Io/C＝(Io1+Io2)/C

这样：

SR＞2I/C。

因此，此转换速率优于如上所述图1所示常规的和传统的现有技术差分放大器10的转换速率。

相反，对于在相反的大差分输入电压摆幅情况下对电容器C放电，使晶体管M12导通，于是从图4中节点OUT输出的电流Io将为：

Io＝(Io1-Io3)

其中，Io1＝-2I。因此，输出电压Vo的转换速率可以计算为：

SR＝Io/C＝(Io1-Io3)/C

这样：

SR＜-2I/C。

任一情况下，转换速率优于如上所述图1常规的和传统的现有技术差分放大器10的最佳可能转换速率。

通过选择适当的α值，使得(0＜α＜1)，并且通过为晶体管M10和M12选择适当的宽长(W/L)比，可获得极佳的大信号瞬态特性。例如，仿真测试表明，α值等于0.07并且晶体管M10的宽长(W/L)比等于1，而晶体管M12的宽长(W/L)比等于3时可提供良好效果。其它的值组合在给定情况下可提供相同或更好的结果。

现在参照图5，它是输入差分信号Vi为2V峰峰值方波(参见图3)时有关图4所示差分放大器的输出电压Vo的电压与时间曲线图。图5的曲线图示出了图4所示差分放大器100配置为单位增益缓冲器时的结果。还使用瞬态仿真分析进行了说明。

在图5中可以看到，尤其是与图2进行比较时，相对于图3的输入信号，图4所示差分放大器10的转换速率得到了很大的改善，并提供了比相对于图1所示常规的和传统的现有技术差分放大器10所经历的大约5毫秒延迟短得多的转换时间间隔。

正如本领域技术人员所认识到的那样，图4所示差分放大器可在任意数量的可能电路应用中使用。已注意到，放大器100在线性电压调节应用中特别有用。

虽然图4的电路采用FET类型的晶体管，但可以理解，差分放大器设计同样适于采用其它晶体管类型，例如，可采用双极型晶体管。此外，虽然对某些导电类型的晶体管作了图示和说明，但可以认识到，所述电路可替代性地以给定应用所需的导电型相反的晶体管来构造。

在对放大器100的说明中，术语“耦合”用于描述某些电路元件的互连。本文使用的术语“耦合”不要理解为部件之间需要直接连接。添加其它元件，例如连接在图4所示那些元件之间，如果并未实质上改变所述放大器在改善转换速率响应方面的操作特性，则这也要视为在本发明范围内。

差分放大器100可针对给定电路应用由分离元件构造。然而，在优选实施例中，放大器100被制成半导体衬底上的集成电路(IC)，并可包括一个或多个其它电路。

在本说明书上下文中，会认识到，晶体管的栅极端包括其控制端，并且晶体管的源-漏极电路包括其可控的导电路径或电路。在双极型晶体管的上下文中，在提及其基极端和发射极-集电极电路时，可应用类似的术语。

虽然已通过附图和以上详细说明对本发明的方法和设备进行了图解和描述，但要理解，本发明并不限于所公开的实施例，而是在未脱离所附权利要求书所陈述和限定的本发明精神的前提下，可以进行各种调整、修改和替换。

Claims (21)

1.一种连接到与差分放大器相关联的补偿电容器的电路，它包括：

电流源电路，其耦合成检测差分放大器操作以及为响应检测到所述差分放大器正根据第一高差分电压输入操作而向所述补偿电容器提供电流；以及

电流吸收器电路，其耦合成检测差分放大器操作以及为响应检测到所述差分放大器正根据第二高差分电压输入操作而从所述补偿电容器吸收电流。

2.如权利要求1所述的电路，其特征在于，所述电流源电路包括：

电流源晶体管，其具有耦合到所述补偿电容器和控制端子的导电路径；以及

检测电路，其具有测量由所述差分放大器提供给输出节点的电流的输入和耦合到所述电流源晶体管的所述控制端子的输出。

3.如权利要求2所述的电路，其特征在于，所述检测电路的所述输出使所述电流源晶体管为响应检测到正由所述差分放大器提供的电流而开启。

4.如权利要求1所述的电路，其特征在于，所述电流吸收器电路包括：

电流吸收晶体管，其具有耦合到所述补偿电容器和控制端子的导电路径；以及

检测电路，其具有测量由所述差分放大器从输出节点吸收的电流的输入和耦合到所述电流吸收晶体管的所述控制端子的输出。

5.如权利要求4所述的电路，其特征在于，所述检测电路的所述输出使所述电流吸收晶体管为响应检测到正由所述差分放大器吸收的电流而开启。

6.如权利要求1所述的电路，其特征在于，所述电路被制成集成电路。

7.一种差分放大器，它包括：

具有差分电压输入和电流输出节点的差分放大器级；

耦合到所述电流输出节点的补偿电容器；以及

耦合到所述差分放大器级和所述补偿电容器的转换速率增强级，所述转换速率增强级可用于在除所述差分放大器级本身向所述电流输出节点提供或从其吸收的任何电流外，还选择性地向所述电流输出节点提供或从其吸收电流。

8.如权利要求7所述的差分放大器，其特征在于，所述转换速率增强级包括：

充电源电路，其耦合成检测差分放大器级操作以及为响应检测到所述差分放大器正根据第一高差分电压输入操作而向所述补偿电容器提供额外的电流；以及

充电吸收电路，其耦合成检测差分放大器操作以及为响应检测到所述差分放大器正根据第二高差分电压输入操作而从所述补偿电容器吸收额外的电流。

9.如权利要求7所述的差分放大器，其特征在于，所述转换速率增强级包括：

可控电流电路，其可用于选择性地从所述补偿电容器提供/吸收电流；以及

电路，用于检测是否正由所述差分放大器级本身向所述电流输出节点提供或从其吸收电流，并且对此做出响应而控制所述可控电流源的所述操作以帮助提供/吸收电流，从而改善差分电压输入摆幅期间的转换速率。

10.如权利要求7所述的差分放大器，其特征在于，所述差分放大器被制成集成电路。

11.一种差分放大器，它包括：

差分放大器，其具有差分电压输入、耦合到电流输出节点的电流源晶体管和耦合到所述电流输出节点的电流吸收晶体管；

耦合到所述电流输出节点的补偿电容器；

电流源传感器电路，其耦合到所述电流源晶体管，并可用于检测何时正由所述差分放大器级本身向所述电流输出节点提供电流；

电流吸收传感器电路，其耦合到所述电流吸收晶体管，并可用于检测何时正由所述差分放大器级本身从所述电流输出节点吸收电流；

额外电流源晶体管，其也耦合到所述电流输出节点，并可用于响应所述电流源传感器电路而向所述电流输出节点提供额外电流；以及

额外电流吸收晶体管，其也耦合到所述电流输出晶体管，并可用于响应所述电流吸收传感器电路而从所述电流输出节点吸收额外电流。

12.如权利要求11所述的差分放大器，其特征在于，所述电流源传感器电路包括：

第一复制晶体管，其具有到所述差分放大器级的所述电流源晶体管的公共控制端连接；以及

耦合在与所述第一复制晶体管串联的第一节点处的第一电流源，所述第一节点耦合成控制所述额外电流源晶体管。

13.如权利要求12所述的差分放大器，其特征在于，所述电流吸收传感器电路包括：

第二复制晶体管，其具有到所述差分放大器级的所述电流源晶体管的公共控制端连接；以及

耦合在与所述第二复制晶体管串联的第二节点处的第二电流源，所述第二节点耦合成控制所述额外电流源晶体管。

14.如权利要求11所述的差分放大器，其特征在于，所述差分放大器被制成集成电路装置。

15.一种差分放大器，它包括：

具有差分电压输入和电流输出节点的差分放大器级；

耦合到所述电流输出节点的补偿电容器；以及

耦合到所述差分放大器级和所述补偿电容器的电容器充电/放电级；所述电容器充电/放电极可用于检测何时所述差分放大器级正根据高差分电压输入操作，并对此做出响应而帮助所述差分放大器级以比所述差分放大器级本身能够达到的更快速度，对所述补偿电容器进行充电/放电。

16.如权利要求15所述的差分放大器，其特征在于，所述电容器充电/放电级包括：

充电电路，其可用于响应第一高差分电压输入摆幅，以向所述电流输出节点提供除差分放大器级提供的第二电流外以外的第一电流；以及

放电电路，其可用于响应第二相反的高差分电压输入摆幅，以吸收除差分放大器级从所述电流输出节点吸收的第四电流外的第三电流。

17.如权利要求16所述的差分放大器，其特征在于，

所述充电电路包括第一电流传感器，其可用于检测差分放大器级提供的第二电流并对此做出响应而提供第一电流；以及

所述放电电路包括第二电流传感器，其可用于检测差分放大器级吸收的第四电流，并对此做出响应而吸收第三电流。

18.如权利要求17所述的差分放大器，其特征在于，

所述第一电流传感器用于比较所述第二电流和第一参考电流，并根据所述比较生成第一控制信号；以及

所述第二电流传感器用于比较所述第四电流和第二参考电流，并根据所述比较生成第二控制信号。

19.如权利要求18所述的差分放大器，其特征在于，

所述充电电路还包括辅助电流源，该辅助电流源具有耦合成接收所述第一控制信号并对此做出响应而生成所述第一电流的控制端子；

所述放电电路还包括辅助电流吸收器，该辅助电流吸收器具有耦合成接收所述第二控制信号并对此做出响应而生成所述第二电流的控制端子。

20.如权利要求19所述的差分放大器，其特征在于，所述辅助电流源和辅助电流吸收器各自包括晶体管。

21.如权利要求15所述的差分放大器，其特征在于，所述差分放大器被制成集成电路装置。

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