CN104901643B - 共模抑制放大器 - Google Patents

Abstract

本发明揭示了一种低压高共模抑制放大器，包含差分对管及共模抑制放大电路相连构成的基本电路，并设有由场效应管P_2B、P_2C、N_2B、N_2C组成的共模反馈电路和由场效应管N₃、N₄、P₆、P₅、P_3A、P_3B组成的电流求和电路，其中共模反馈电路的场效应管P_2B、P_2C与共模抑制放大电路的场效应管P_2A共栅相接于共栅参考电压V_CP，共模抑制放大电路的电源端电流源P_1A、P_1B及地端电流源N_1A、N_1B通过电流求和电路将流过的电流镜像到场效应管N_b，且场效应管N_b及电阻R_b与参考电流I_REF流经的场效应管N_a及电阻R_a共模匹配，钳位流经共模抑制放大电路中场效应管N_2A的电流接近参考电流I_REF。本发明放大器通过反馈自偏置，提高了电路的共模抑制效果，同时保证了该放大器可以在低电源电压下工作。

Description

共模抑制放大器

技术领域

本发明涉及一种共模抑制放大器，尤其涉及一种能在低电源电压下运行且输出性能不受输入共模电压变化而影响的低压高共模抑制放大器，属于集成电子电路设计领域。

背景技术

低电源电压高共模抑制放大器在高性能医疗和工业系统中应用广泛，如图1所示的常规的运算放大器，由于其已得到广泛应用，故而其电路结构描述省略。该结构的好处是可以实现上升和下降的压摆率平衡，但缺点是共栅极电流随着输入共模电压变化，从而导致失调电压随输入共模电压变化，输出性能难以满足实用需求。

已有一部分研究者对图1所示的常规运算放大器提出了改进，如图2所示。其详尽的改进请参见：Ron Hogervorst, John P. Tero, Johan H. Huijsing; Compact CMOSconstant-gm rail-to-rail input stage with gm-control by an electronic zenerdiode, IEEE Journal of Solid-State Circuits, vol. 31, pp. 1035 - 1040, July1996。该结构保证了压摆率平衡的同时可以提高电路共模抑制，但存在二极管串联偏置P_0B和P_3C，不能在低电源电压下工作，放大器应用无法拓展。

发明内容

鉴于上述现有技术存在的缺陷，本发明的目的是提出一种低压高共模抑制放大器。

为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案为：低压高共模抑制放大器，包含差分对管及共模抑制放大电路相连构成的基本电路，其特征在于：所述放大器设有由场效应管P_2B、P_2C、N_2B、N_2C组成的共模反馈电路和由场效应管N₃、N₄、P₆、P₅、P_3A、P_3B组成的电流求和电路，其中所述共模反馈电路的场效应管P_2B、P_2C与共模抑制放大电路的场效应管P_2A共栅相接于共栅参考电压V_CP，共模抑制放大电路的电源端电流源P_1A、P_1B及地端电流源N_1A、N_1B通过电流求和电路将流过的电流镜像到场效应管N_b，且场效应管N_b及电阻R_b与参考电流I_REF流经的场效应管N_a及电阻R_a共模匹配，钳位流经共模抑制放大电路中场效应管N_2A的电流接近参考电流I_REF。

进一步地，所述放大器于共模抑制放大电路的电源端引入固定偏置的电流源T_P，并于共模抑制放大电路的地端引入固定偏置的电流源T_N，钳位场效应管N_2A保持一定的电流。

本发明的有益效果：通过将共模抑制放大电路的电源端和地端的尾电流源以反馈形式自偏置，使该低电源电压工栅极电流不会随输入共模电压变化，大大提高了电路的共模抑制效果，同时通过进一步引入固定偏置的电流源保证了该放大器可以在低电源电压下工作。

附图说明

图1是一种常规的运算放大器的结构示意图。

图2是现有一种针对图1所示运算放大器提出的改进结构示意图。

图3是本发明提出的低压高共模抑制放大器的结构示意图。

图4是本发明放大器的输出电流随输入共模电压的变化示意图。

图5是本发明放大器中失调电压V_OS对输出电流的影响示意图。

具体实施方式

如图3所示的本发明低压高共模抑制放大器结构示意图可见，该放大器也包含差分对管及共模抑制放大电路相连构成的基本电路，该基本电路由于当前已得到广泛应用，故省略详述其中各器件名称及相互连接，请参见图示。但在这个基本电路的基础上，为了克服该基本电路在实际应用中出现的固有缺陷，本发明创作者经过多年潜心研究，提出了对该基本电路的改进，作为该放大器的核心电路，该放大器中设有由场效应管P_2B、P_2C、N_2B、N_2C组成的共模反馈电路和由场效应管N₃、N₄、P₆、P₅、P_3A、P_3B组成的电流求和电路，其中共模反馈电路的场效应管P_2B、P_2C与共模抑制放大电路的场效应管P_2A共栅相接于共栅参考电压V_CP、共源相接于差分对管的场效应管N_SB的漏极，场效应管N_2B、N_2C共源相接，而电流求和电路与共模反馈电路及共模抑制放大电路的两端电流源的连接结构如图3所示，该电流求和电路旨在将流经共模抑制放大电路的电源端电流源P_1A、P_1B及地端电流源N_1A、N_1B电流镜像到场效应管N_b，且场效应管N_b及电阻R_b与参考电流I_REF流经的场效应管N_a及电阻R_a共模匹配。基于场效应管N_b、电阻R_b和场效应管N_a及电阻R_a相匹配，场效应管N_b的栅极电压接近于场效应管N_a的栅极电压，从而流过共栅级N_2A的电流将由N_b钳位，接近流过场效应管N_a的参考电流I_REF。由于共模抑制放大电路的各电流源均是由共模反馈电路关联控制，因此输出电流不会受输入共模电压影响，其输出电流随输入共模电压变化如图4所示呈线性平滑状延伸。

但如果上述场效应管N_b、电阻R_b和场效应管N_a及电阻R_a匹配度较差，或者电流求和电路和共模反馈电路引入的失调过大，相当于在N_2C和N_b的栅极引入失调电压V_OS，若这种失调电压V_OS过大，有可能导致N_1A、N_1B的栅极接近地，从而关断N_1A，N_1B和N₃，令共模反馈失效，共栅极N_2A无电流输出，从而使放大器失效。再请参阅图3所示，本发明该放大器在电源端和地端分别引入了固定偏置的电流源T_P和T_N构成钳位电路，其作用相当于电流钳位，保证N_2A至少有一定的电流流过，保证了放大器工作正常。如图5所示的失调电压V_OS对输出电流的影响。I_1A为流过N_1A的电流，如果没有钳位电路，其值在V_OS较大时接近0。如果有钳位电路，I_1A始终有电流流过。该电路结构最低工作电压为V_GS+2V_dsat，因此可以在低电源电压下工作。

综上所述可见，本发明低压高共模抑制放大器通过将共模抑制放大电路的电源端和地端的尾电流源以反馈形式自偏置，使该低电源电压工栅极电流不会随输入共模电压变化，大大提高了电路的共模抑制效果，同时通过进一步引入固定偏置的电流源作钳位电路保证了该放大器可以在低电源电压下工作。

除上述实施例外，本发明还可以有其它实施方式，凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明所要求保护的范围之内。

Claims (2)

1.共模抑制放大器，包含输入差分对管及折叠共源共栅结构的共模抑制放大电路相连构成的基本电路，其特征在于：所述放大器设有由场效应管P_2B、P_2C、N_2B、N_2C组成的共模反馈电路和由场效应管N₃、N₄、P₆、P₅、P_3A、P_3B组成的电流求和电路，其中：

共模反馈电路的场效应管P_2B、N_2B的共漏极与电流求和电路的场效应管P_3A的栅极以及共模抑制放大电路的电流源P_1A、P_1B的栅极共联，场效应管P_2C、N_2C的共漏极与共模抑制放大电路的电流源N_1A、N_1B的栅极共联，场效应管N_2B的栅极与共模抑制放大电路的场效应管N_2A的栅极共栅相接；所述场效应管P_2B、P_2C与场效应管P₄、P₆以及共模抑制放大电路的场效应管P_2A共栅相接于共栅参考电压V_CP；

电流求和电路的场效应管N₃的漏极和N4的源极相连，场效应管P₅的漏极和P₆的源极相连，且场效应管P₅、P_3A、P_3B和共模抑制放大电路的电流源P_1A、P_1B共源相连，场效应管P₅、P_3B的共栅极与场效应管P₆、N₄的共漏极共联，场效应管N₃和共模抑制放大电路的电流源N_1A共源相连；

场效应管N_a的源极与电阻R_a的一端串联，电阻R_a的另一端接地，场效应管N_a的漏极与参考电流I_REF相连，场效应管N_a、N₄共栅相接，场效应管N_b的源极与电阻R_b的一端串联，电阻R_b的另一端接地，场效应管N_b与P₄共漏连接，P₄的源极连接场效应管P_3A、P_3B的共漏极；所述共模抑制放大电路的电源端电流源P_1A、P_1B及地端电流源N_1A、N_1B通过电流求和电路将流过的电流镜像到场效应管N_b，且场效应管N_b及电阻R_b与参考电流I_REF流经的场效应管N_a及电阻R_a共模匹配，钳位流经共模抑制放大电路中场效应管N_2A的电流接近参考电流I_REF，其中场效应管中P为P型晶体管、N为N型晶体管。

2.根据权利要求1所述的共模抑制放大器，其特征在于：所述放大器于共模抑制放大电路的电源端引入固定偏置的电流源T_P，并于共模抑制放大电路的地端引入固定偏置的电流源T_N，电流源T_P与场效应管P_2C的源极相连，电流源T_N与场效应管N_2C的源极相连，钳位场效应管N_2A保持恒定的电流。