CN102832891A - 用于偏置轨对轨dmos放大器输出级的方法和装置 - Google Patents

Abstract

本公开涉及用于偏置轨对轨DMOS放大器输出级的方法和装置。一种放大器包括用于接收进入信号的输入级；耦连到输入级并且响应于进入信号向输出驱动器级提供驱动信号的高增益级；以及耦连到输出驱动器级的输出端子。输出驱动器级包括高侧驱动器电路，具有从高增益级接收第一驱动信号pdrive的第一端子、通过第一电压降耦连到VDD的第二端子、以及耦连到放大器的输出端子的第三端子。

Description

用于偏置轨对轨DMOS放大器输出级的方法和装置

相关申请

本申请按照35U.S.C.§119要求提交于2011年6月17日的美国临时专利申请No.61/498,330的优先权，通过引用将其完整结合在此。

背景技术

便携电子装置越来越多地使用5V或更低的单个供电电压，并且较低的供电电压的设计需要使用全电源跨度或轨对轨电源，以便具有可用动态范围。图1A示出了现有技术的轨对轨（rail to rail）输出DMOS放大器的图。如图所示，放大器100是多级放大器，其高增益级之后是输出驱动级。输入级101接收输入信号inputp和inputn，并且提供输出信号a1和ndrive。高增益级包括高侧电流镜102、输出偏置电路103和低侧电流源104。输出驱动器级包括高侧PMOS驱动器105和低侧PMOS驱动器106。输出偏置电路103从低侧电流源104和高侧电流镜102接收输入电流。响应于输入电流，输出偏置块103设置高侧驱动器105的偏置电压pdrive和低侧驱动器106的偏置电压ndrive。

高侧电流镜102包括高侧电流镜1021和1022，它们分别从输出偏置电路103接收b1和pdrive，并且被耦连到功率轨VDD。低侧电流源104包括低侧电流源1041和1042，它们分别从输入级101接收a1和ndrive，并且被耦连到功率轨VSS。高侧PMOS驱动器105的栅极被以pdrive控制，并且其源极被耦连到VDD。低侧PMOS驱动器106的栅极被以ndrive控制，并且其源极被耦连到VSS。放大器的输出107取自驱动器105和106的漏极的连接处。如图1B所示，输出摆幅是VDD到VSS。换言之，其输出是轨对轨的。

输出驱动器级和前级（例如，图1A中的高增益级）之间的连接影响前级的性能，并且因此影响放大器增益。在典型的MOS放大器中，最后增益级（例如，图1A中的高增益级）驱动MOS输出驱动器的栅极，该MOS输出驱动器可以是放大器的高侧PMOS或低侧NMOS，它们可驱动到一个或两个轨（例如，图1A中的输出驱动器级）。在图1A所示的放大器中，驱动器的栅极偏置电压是偏离（awayfrom）功率轨的栅到源电压Vgs，并且高增益级电流镜/源上的净空（headroom）在高侧是VDD－Vpdrive＝Vgs_p，并且在低侧上是Vndrive－VSS＝Vgs_n。因此，在许多放大器上的工艺扭曲（processskew）和温度上，前级电流镜必须以仅仅一个Vge，例如，图1A中的Vgs_p或Vgs_n的净空保持饱和。

在高操作温度和工艺扭曲的情况下，所述净空或Vgs可以低至0.4V。这限制了可用于实现镜的偏置的退化过驱动和共源共栅（cascoding）的数量。这可以直接影响它们的匹配（放大器偏移）以及它们的输出阻抗（放大器增益）。输出驱动器的栅到源电压Vgs越低，越难保持高的前增益级的增益。这通常是由于前级具有高输出阻抗电流镜/源。由于这种电压降上的电压净空，电流镜/源可以退出饱和，导致增益级的输出处的阻抗降低，这降低了放大器增益。这种情况特别存在于具有一个高增益级和后面跟着的一个驱动级的两级放大器。

因此，希望提供一种增加输出驱动器内的驱动电压的方法和电路。这允许镜上的更大净空，并且允许镜的更好偏置和性能，以简单的方式增强放大器性能和健壮性。

附图说明

下面描述若干附图以便可以理解本发明的特征。然而，应当注意，附图仅仅示出了本发明的特定实施例，并且因此不被认为限制本发明的范围，本发明可以包括其它等效的实施例。

图1A示出了现有技术的轨对轨输出DMOS放大器的图；

图1B示出了图1A中的放大器的信号波形；

图2A示出了根据本发明的一个实施例的DMOS放大器；

图2B示出了可用于提供图2A中的Vdrop的器件；

图2C示出了图2A中的放大器的信号波形；

图3A示出了根据本发明的一个实施例的放大器；

图3B示出了根据本发明的一个实施例的放大器；

图3C示出了根据本发明的一个实施例的图3A中的放大器内的pdrive感测电路301；

图3D示出了根据本发明的一个实施例的图3A中的放大器内的ndrive感测电路302；

图3E示出了图3A中的放大器的低侧信号的波形；

图3F示出了图3A中的放大器的高侧信号的波形；

图4示出了根据本发明的一个实施例偏置放大器的输出级的方法。

具体实施方式

本发明提供了一种偏置放大器的输出级，以便提供前级的电流镜/源的更大净空的方法和电路。这允许将电流镜/源更进一步偏置到饱和，提高增益，并且避免镜退出饱和以及增益崩溃的可能性。

图2A示出了根据本发明的一个实施例的DMOS放大器。为了增加电流镜/源上的净空，本发明在输出驱动器MOS的源极和功率轨之间增加了电压降Vdrop，例如，输出驱动器级的高侧处的Vdrop 201和输出驱动器级的低侧处的Vdrop 202。因此，电流镜的净空在高侧为Vgs_p＋Vdrop，并且在低侧为Vgs_n＋Vdrop。图2A中的放大器200可以用离开功率轨的Vdrop提升输出驱动器栅极电压，增强前增益级的净空。由于电流镜现在具有更大的净空，它们对温度和工艺变化具有更大的健壮性，并且该放大器可被设计为具有更高的增益。

图2B示出了可用于提供图2A中的Vdrop的器件。如图所示，可以用二极管210，或npn晶体管211或pnp晶体管212的Vbe提供Vdrop。还可以由二极管接法的MOS提供Vdrop，包括NMOS213和PMOS214。

图2C示出了图2A中的放大器的信号波形。如图所示，当输入扫动时，输出不能自始至终达到VDD或VSS。这是由于连续Vdrop防止输出转到VDD和VSS轨。特别地，由于图2A的放大器的输出被在高侧限制到VDD－Vdrop，并且被在低侧限制为VSS＋Vdrop，其输出摆动是VDD－VSS－2×Vdrop。

图3A示出了根据本发明的一个实施例的放大器。图3A中的放大器300使用感测电路301和302、辅助驱动器303和304以便旁路Vdrop，并且允许常规的轨对轨操作。

特别地，ndrive感测电路302可被耦连在低侧驱动器电路106的输入和VSS之间，以便检测放大器输出是否被驱动为接近功率轨VSS，并且在其输出处提供信号ndrive_aux，以便相应地指示结果。低侧辅助驱动器304可以具有分别耦连到ndrive感测电路302的输出、放大器的输出107和VSS的三个端子，并且被以信号ndrive_aux控制以便连接或断开输出107和VSS。

当放大器将输出驱动到VSS时，ndrive信号可以增大，以便更牢靠地导通低侧驱动器电路106。然而，到VSS的路径受到低侧Vdrop202的限制。ndrive感测电路302可以检测ndrive电压的确定的增大，并且可以激活将放大器的输出直接连接到VSS的低侧辅助驱动器304，允许放大器始终驱动到VSS。当放大器驱动离开VSS时，ndrive电压下降到Vgs＋Vdrop，并且ndrive感测电路302可以检测到该情况，并且释放（dis-engage）低侧辅助驱动器304。上述操作序列包含在放大器高增益信号路径内。因此，利用放大器高增益提供低侧辅助驱动器304的平滑（线性）连接，导致高线性和始终到VSS的连续操作。由于ndrive信号的增大，低侧电流源上的净空将增大，并且电流源将被针对高增益健壮地偏置。

类似地，pdrive感测电路301可被耦连在高侧驱动器电路105的输入和VDD之间，以便检测放大器输出是否被驱动为接近功率轨VDD，并且在其输出处提供信号pdrive_aux，以便相应地指示结果。高侧辅助驱动器303可以具有分别耦连到pdrive感测电路301的输出、放大器的输出107和VDD的三个端子，并且被以信号pdrive_aux控制以便连接或断开输出107和VDD。

当放大器驱动接近功率轨VDD时，与高侧驱动器电路105串联的Vdrop 201将阻止输出转到功率轨VDD。Pdrive离开VDD减小。pdrive感测电路301检测pdrive从VDD的确定的减小，并且激活将放大器的输出直接连接到VDD的高侧辅助驱动器303，允许放大器始终驱动到VDD。当放大器驱动离开VDD时，pdrive下降到低于VDD的Vgs＋Vdrop。pdrive感测电路301检测到这种情况，并且释放高侧辅助驱动器303。上述操作序列包含在放大器高增益信号路径内。因此，利用放大器高增益提供高侧辅助驱动器电路303的平滑（线性）连接，导致高线性和始终到VDD的连续操作。由于pdrive信号的增大，高侧电流镜上的净空更高，并且电流镜被针对高增益健壮地偏置。

高侧和低侧辅助驱动器的组合提供了轨对轨操作。

图3A的放大器可用于较高电压的放大器，例如，5V，其中电压Vdrop＋Vgs不会被供电约束妨碍。通过允许对所有操作和制造条件都成立的镜内的增大的阻抗，图3A的放大器允许仅用1个增益级的非常高增益的放大器的健壮设计（例如，>100dB）。

图3B示出了根据本发明的一个实施例的放大器。如图所示，高侧辅助驱动器被以PMOS驱动器303a实现，并且低侧辅助驱动器被以NMOS驱动器304a实现。

图3C示出了根据本发明的一个实施例的放大器300中的pdrive感测电路301，并且图3D示出了根据本发明的一个实施例的放大器300中的ndrive感测电路302。该感测电路可被以具有一种二极管电压降的组合的MOSFET源极跟随器实现。在图3C中，源极跟随器3011可以将其栅极驱动电压降低晶体管3011的Vgs，并且可以被提供另一个Vgs以便导通高侧辅助驱动器303。将这些Vgs偏置为大于驱动器电路105的Vgs和Vdrop意味着pdrive感测电路301休眠直到放大器驱动接近功率轨VDD，并且高侧驱动器电路105的栅极电压pdrive增大并且以受控的方式导通高侧辅助驱动器303。类似地，ndrive感测电路302可以休眠直到放大器驱动接近功率轨VSS，并且低侧驱动器电路106的栅极电压ndrive增大并且以受控的方式导通低侧辅助驱动器304。

图3E示出了放大器300的低侧的信号波形。如图所示，随着输入下降，输出被驱动到VSS。当输出在VSS的Vdrop内时，电压ndrive由于放大器的闭环增益而增大。ndrive感测电路302检测ndrive电压的增大。这又产生ndrive_aux电压，以便驱动低侧辅助驱动器304，低侧辅助驱动器304于是允许输出始终转到VSS。

图3F示出了放大器300的高侧的信号波形。如图所示，随着输入增大，输出被驱动到VDD。Pdrive离开VDD减小。由pdrive感测电路301检测Pdrive电压的减小。这又产生pdrive_aux电压，以便驱动高侧辅助驱动器303，高侧辅助驱动器303于是允许输出始终转到VDD。

图4示出了根据本发明的一个实施例偏置放大器的输出级的方法。图3A所示的放大器300可以使用该方法，其利用输出驱动器级的高侧处的电压降201和输出驱动器级的低侧处的电压降202。

在401，响应于输入信号inputp和inputn，高增益级110可以给输出驱动器级120内的低侧驱动器电路106提供驱动信号ndrive，并且给输出驱动器级120内的高侧驱动器电路105提供驱动信号pdrive。

在402，ndrive感测电路302可以检测ndrive电压中是否存在确定的增大。

如果是，ndrive感测电路302在403可以激活将放大器300的输出107直接连接到VSS的低侧辅助驱动器304，允许放大器始终驱动到VSS。否则，可以重复402以便继续检测ndrive电压中是否存在确定的增大。

在404，ndrive感测电路302可以检测ndrive电压是否下降到Vgs＋Vdrop。

如果是，ndrive感测电路302在405可以释放低侧辅助驱动器304，以便将放大器的输出107从VSS断开。否则，可以重复404以便继续检测ndrive电压是否下降到Vgs＋Vdrop。

在406，pdrive感测电路301可以检测pdrive中是否存在从VDD的确定的减小。

如果是，pdrive感测电路301在407可以激活将放大器300的输出107直接连接到VDD的高侧辅助驱动器303，允许放大器始终驱动到VDD。否则，可以重复406以便继续检测pdrive中是否存在从VDD的确定的减小。

在408，pdrive感测电路301可以检测pdrive是否下降到Vgs＋Vdrop。

如果是，pdrive感测电路301在409可以释放高侧辅助驱动器303，以便将放大器300的输出107从VDD断开。否则，可以重复408以便继续检测pdrive是否下降到Vgs＋Vdrop。

然后该处理可以返回401。

应当理解，图4所示的流程图用于解释本发明的一般流程，而不是限制步骤数目和/或顺序。例如，406到409可以在402到405之前发生，或与402到405同时发生。

其它实施例也是可能的，这些实施例是所描述的实施例的元素的子集或是各种组合元素的结果。

Claims (23)

1.一种放大器，包括：

高增益级，所述高增益级具有用于进入信号的输入，以及用于响应于进入信号而产生的驱动信号的输出，所述驱动信号被提供给输出驱动器级；和

耦连到所述高增益级的所述输出驱动器级，包括：第一驱动器电路，所述第一驱动器电路具有从所述高增益级接收第一驱动信号的第一端子、通过第一电压降耦连到第一功率轨的第二端子、以及耦连到所述放大器的输出端子的第三端子。

2.如权利要求1所述的放大器，其中所述第一驱动器电路是晶体管。

3.如权利要求2所述的放大器，其中所述第一功率轨是VDD，并且所述第一驱动器电路是p沟道金属氧化物半导体场效应晶体管PMOS。

4.如权利要求2所述的放大器，其中所述第一功率轨是VDD，并且所述第一驱动器电路是p沟道双扩散金属氧化物半导体场效应晶体管DMOS。

5.如权利要求1所述的放大器，其中以从二极管、npn晶体管、pnp晶体管、二极管接法的n沟道金属氧化物半导体场效应晶体管NMOS和二极管接法的PMOS组成的组中选择的器件提供所述第一电压降。

6.如权利要求1所述的放大器，还包括：第二驱动器电路，所述第二驱动器电路具有从所述高增益级接收第二驱动信号的第一端子、通过第二电压降耦连到第二功率轨的第二端子、以及耦连到所述放大器的输出端子的第三端子。

7.如权利要求6所述的放大器，其中所述第二驱动器电路是晶体管。

8.如权利要求7所述的放大器，其中所述第二功率轨是VSS，并且所述第二驱动器电路是NMOS。

9.如权利要求7所述的放大器，其中所述第二功率轨是VSS，并且所述第二驱动器电路是n沟道DMOS。

10.如权利要求6所述的放大器，其中以从二极管、npn晶体管、pnp晶体管、二极管接法的NMOS和二极管接法的PMOS组成的组中选择的器件提供所述第二电压降。

11.如权利要求4所述的放大器，还包括：耦连到所述第一功率轨的第一感测电路，所述第一感测电路接收所述第一驱动信号，并且检测放大器输出信号是否被驱动为接近所述第一功率轨。

12.如权利要求11所述的放大器，还包括：耦连所述第一感测电路的输出的第一侧辅助驱动器，并且所述第一侧辅助驱动器被激活以便将所述放大器的输出端子连接到所述第一功率轨。

13.如权利要求12所述的放大器，其中所述第一感测电路包括MOSFET源极跟随器。

14.如权利要求11所述的放大器，还包括：耦连到所述第二功率轨、接收所述第二驱动信号、并且检测放大器输出信号是否被驱动为接近所述第二功率轨的第二感测电路。

15.如权利要求14所述的放大器，还包括：耦连到所述第二感测电路的输出的第二侧辅助驱动器，并且所述第二侧辅助驱动器被激活以便将所述放大器的输出端子连接到所述第二功率轨。

16.如权利要求15所述的放大器，其中所述第二感测电路包括MOSFET源极跟随器。

17.一种用于偏置放大器的方法，包括：

响应于进入信号向第一驱动器电路提供第一驱动信号；

在第一功率轨和所述第一驱动器电路之间提供第一电压降；和

检测所述放大器的输出信号是否被驱动到所述第一功率轨。

18.如权利要求17所述的方法，还包括：当所述放大器的输出信号被驱动为接近所述第一功率轨时，将所述放大器的输出端子连接到所述第一功率轨。

19.如权利要求18所述的方法，还包括：

响应于所述进入信号向第二驱动器电路提供第二驱动信号；和

在第二功率轨和所述第二驱动器电路之间提供第二电压降。

20.如权利要求19所述的方法，还包括：检测所述放大器的输出信号是否被驱动为接近所述第二功率轨。

21.如权利要求20所述的方法，还包括：当所述放大器的输出信号被驱动为接近所述第二功率轨时，将所述放大器的输出端子连接到所述第二功率轨。

22.一种放大器，包括：

高增益级，所述高增益级具有用于进入信号的输入，以及用于响应于进入信号而产生的驱动信号的输出，所述驱动信号被提供给输出驱动器级；和

耦连到所述高增益级的所述输出驱动器级，包括：

第一驱动器电路，所述第一驱动器电路具有从所述高增益级接收第一驱动信号的第一端子、通过第一电压降耦连到第一功率轨的第二端子、以及耦连到所述放大器的输出端子的第三端子；和

第二驱动器电路，所述第二驱动器电路具有从所述高增益级接收第二驱动信号的第一端子、通过第二电压降耦连到第二功率轨的第二端子、以及耦连到所述放大器的输出端子的第三端子。

23.一种放大器，包括：

高增益级，所述高增益级具有用于进入信号的输入，以及用于响应于进入信号而产生的驱动信号的输出，所述驱动信号被提供给输出驱动器级；和

耦连到所述高增益级的所述输出驱动器级，包括：

第一驱动器电路，所述第一驱动器电路具有从所述高增益级接收第一驱动信号的第一端子、通过第一电压降耦连到第一功率轨的第二端子、以及耦连到所述放大器的输出端子的第三端子；和

第二驱动器电路，所述第二驱动器电路具有从所述高增益级接收第二驱动信号的第一端子、通过第二电压降耦连到第二功率轨的第二端子、以及耦连到所述放大器的输出端子的第三端子；

第一感测电路，所述第一感测电路耦连到所述第一功率轨、接收所述第一驱动信号、并且检测放大器输出信号是否被驱动为接近所述第一功率轨；

第一侧辅助驱动器，所述第一侧辅助驱动器耦连到所述第一感测电路的输出，并且被激活以便将所述放大器的输出端子连接到所述第一功率轨；

第二感测电路，所述第二感测电路耦连到所述第二功率轨、接收所述第二驱动信号、并且检测放大器输出信号是否被驱动为接近所述第二功率轨；以及

第二侧辅助驱动器，所述第二侧辅助驱动器耦连到所述第二感测电路的输出，并且被激活以便将所述放大器的输出端子连接到所述第二功率轨。

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