CN105515536A - 轨到轨放大器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及轨到轨放大器，包括：输入电压范围偏向VDD的输入信号路径，包括双极型晶体管Q₇以及双极型晶体管Q₈；输入电压范围偏向GND的输入信号路径，包括双极型晶体管Q₁发射极以及双极型晶体管Q₂的发射极，由跟踪电流源I₁和I₂提供电流给发射极跟随器双极型晶体管Q₁和双极型晶体管Q₂；源耦合对场效应晶体管M₁、场效应晶体管M₂；源耦合对场效应晶体管M₃、场效应晶体管M₄；输入端，输出端。本发明中的放大器降低了放大器的功耗、提高了电源抑制比、降低了噪声，增加了输入输出的幅度。

Description

轨到轨放大器

【技术领域】

本发明涉及电路，尤其涉及一种轨到轨放大器。

【背景技术】

在麦克风集成电路领域，放大器作为输出驱动放大器，而输出驱动放大器需要满足低功耗、低噪声(高信噪比)、高电源抑制比(尤其针对VDD端在217Hz处的噪声)，以及高AOP(AcousticOverloadPoint)轨到轨输入输出范围。

传统的轨到轨放大器使用并联的P型CMOS和N型CMOS源耦合对作为输入级，这导致有以下问题：

1)MOS管在输入级中有大的闪烁噪声，该闪烁噪声覆盖了从直流到几兆赫兹，作为音频放大器，闪烁噪声是主要噪声，会明显降低输出信噪比。

2)当输入信号值接近VDD时，P型输入分支电流减小，电压余量变小，这导致输出端的电源抑制比降低。

在现有技术中，为了解决第一个问题，输入级采用双极型晶体管，然而在CMOS工艺中，双极型晶体管有以下限制：

A)双极型晶体管的电流增益β＝I_C/I_B，在CMOS工艺中过低。

B)对于PNP型双极型晶体管，集电极端为P型衬底，因此，集电极必须接到GND。

有鉴于此，有必要提供一种新的放大器。

【发明内容】

本发明要解决的技术问题消除闪烁噪声，提供一种低功耗、低噪声(高信噪比)、高电源抑制比、高AOP的放大器。

为解决上述技术问题，本发明提供以下技术方案：

一种轨到轨放大器，包括：输入电压范围偏向VDD的输入信号路径，包括双极型晶体管Q₇以及双极型晶体管Q₈；输入电压范围偏向GND的输入信号路径，包括双极型晶体管Q₁发射极以及双极型晶体管Q₂的发射极，由跟踪电流源I₁和I₂提供电流给发射极跟随器双极型晶体管Q₁和双极型晶体管Q₂，所述双极型晶体管Q₁发射极和双极型晶体管Q₂发射极的信号经过发射极耦合对双极型晶体管Q₅和双极型晶体管Q₆；源耦合对场效应晶体管M₁、场效应晶体管M₂，用于引导电流在双极型晶体管Q₁的发射极与虚拟负载双极型晶体管Q₃之间传输；源耦合对场效应晶体管M₃、场效应晶体管M₄，用于引导电流在双极型晶体管Q₂的发射极与虚拟负载双极型晶体管Q₄之间传输；输入端，用于接收外部信号，输入工作电压；输出端，与所述输入电压范围偏向VDD的输入信号路径连接，用于输出放大信号。

特别的，所述轨到轨放大器包括第一差分输入电压V_INP、第二差分输入电压V_INN、第一参考电压V_REF1以及第二参考电压V_REF2，所述跟踪电流源I₁在V_INP<V_REF1时，电流源I₁流向双极型晶体管Q₁；在第一差分输入电压V_INP增加时，电流源I₁上的电压余量减少，电流源I₁的输出阻抗减少；在V_INP>V_REF1时，场效应晶体管M₁和场效应晶体管M₂转向，电流源I₁流向双极型晶体管Q₃；第一参考电压V_REF1的数值使得电流源I₁在其输出阻抗显著减少前停止流向双极型晶体管Q₁，转而流向双极型晶体管Q₃；在V_INN<V_REF1时，电流源I₂流向双极型晶体管Q₂；在第二差分输入电压V_INN增加时，电流源I₂上的电压余量减少，电流源I₂的输出阻抗减少；在V_INN>V_REF1时，场效应晶体管M₃和场效应晶体管M₄转向，电流源I₂流向双极型晶体管Q₄；第一参考电压V_REF1的数值使得电流源I₂在其输出阻抗显著减少前停止流向双极型晶体管Q₂，转而流向双极型晶体管Q₄。

特别的，还包括电流源I₃，用于为发射极耦合对双极型晶体管Q₅、双极型晶体管Q₆或双极型晶体管Q₇、双极型晶体管Q₈提供电流。

特别的，所述电流源I₃在(V_INP+V_INN)/2＜V_REF2时偏向于所述输入电压范围偏向GND的输入信号路径。

特别的，所述电流源I₃在(V_INP+V_INN)/2＞V_REF2时偏向于所述输入电压范围偏向VDD的输入信号路径。

特别的，还包括电流舵结构，与所述发射极耦合对双极型晶体管Q₅、双极型晶体管Q₆或双极型晶体管Q₇、双极型晶体管Q₈连接，用于减少静态电流。

特别的，所述输出端包括作为负载的电流反射镜，用于将差分信号转换为单端输出，所述电流反射镜包括场效应晶体管M₅和场效应晶体管M₆。

特别的，所述输出端还包括输出级场效应晶体管M₁₀以及电流源I₄，用于提供额外的电压增益和扩大输出振幅，所述输出端为单端输出端。

特别的，所述输出端包括共模反馈电路场效应晶体管M₁₄、场效应晶体管M₁₅、场效应晶体管M₁₆、场效应晶体管M₁₇，用于将放大器的共模输出电压的值设定为第三参考电压V_REF3。

本发明的有益效果在于，本发明中的轨到轨放大器降低了放大器的功耗、提高了电源抑制比、降低了噪声，增加了输入输出的幅度。

【附图说明】

图1为本发明一实施方式中轨到轨放大器的电路结构图；

图2为本发明另一实施方式中轨到轨放大器的电路结构图；

图3为本发明又一实施方式中轨到轨放大器的电路结构图；

图4为图2一实施方式中高精度电流镜像I₁和I₂的具体结构图；

图5为图2一实施方式中高精度电流镜像I₃的具体结构图；

图6为图2一实施方式中高精度电流镜像I₄的具体结构图和电源抑制比对消环。

图7为本发明一实施方式中轨到轨放大器的应用图；

图8为图7中差分动态电流接收器的具体结构图。

【具体实施方式】

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

请参阅图1，图1所示为本发明一实施方式中轨到轨放大器的全差分输入电路结构图。

在本实施方式中，轨到轨放大器包括：输入电压范围偏向VDD的输入信号路径，包括双极型晶体管Q₇以及双极型晶体管Q₈；输入电压范围偏向GND的输入信号路径，包括双极型晶体管Q₁发射极以及双极型晶体管Q₂的发射极，由跟踪电流源I₁和I₂提供电流给发射极跟随器双极型晶体管Q₁和双极型晶体管Q₂，所述双极型晶体管Q₁发射极和双极型晶体管Q₂发射极的信号经过发射极耦合对双极型晶体管Q₅和双极型晶体管Q₆；源耦合对场效应晶体管M₁、场效应晶体管M₂，用于引导电流在双极型晶体管Q₁的发射极与虚拟负载双极型晶体管Q₃之间传输；源耦合对场效应晶体管M₃、场效应晶体管M₄，用于引导电流在双极型晶体管Q₂的发射极与虚拟负载双极型晶体管Q₄之间传输；输入端，用于接收外部信号，输入工作电压；输出端，与所述输入电压范围偏向VDD的输入信号路径连接，用于输出放大信号。

在本实施方式中，跟踪电流源I₁和I₂的电流源值相等，提供电流给发射极跟随器双极型晶体管Q₁和双极型晶体管Q₂。

在本实施方式中，所述轨到轨放大器包括第一差分输入电压V_INP、第二差分输入电压V_INN、第一参考电压V_REF1以及第二参考电压V_REF2，当V_INP>V_REF1时，电流源I₁的输出阻抗变小，来自VDD的噪声通过电流源I₁的小阻抗耦合到场效应晶体管M₁和场效应晶体管M₂的源极。因此，场效应晶体管M₁、场效应晶体管M₂的源极的电源抑制比被降低。同时，V_INP>V_REF1，场效应晶体管M₁和场效应晶体管M₂在电流源I₁的阻抗明显减少前转向。因此，VDD处的噪声无法通过电流源I₁耦合到双极型晶体管Q₁的发射极，双极型晶体管Q₁的发射极可以保持高电源抑制比。另外，虚拟负载双极型晶体管Q₃、双极型晶体管Q₄用于确保场效应晶体管M₁、场效应晶体管M₂和场效应晶体管M₃、场效应晶体管M₄的漏极电压保持更好的平衡。

在本实施方式中，所述轨到轨放大器还包括电流源I₃，用于为射极耦合对双极型晶体管Q₅、双极型晶体管Q₆或双极型晶体管Q₇、双极型晶体管Q₈提供电流。

在本实施方式中，所述电流源I₃在(V_INP+V_INN)/2＜V_REF2时偏向于所述输入电压范围偏向GND的输入信号路径。

在本实施方式中，所述电流源I₃在(V_INP+V_INN)/2＞V_REF2时偏向于所述输入电压范围偏向VDD的输入信号路径。

在本实施方式中，还包括电流舵结构，与所述发射极耦合对双极型晶体管Q₅、双极型晶体管Q₆或双极型晶体管Q₇、双极型晶体管Q₈连接，用于减少静态电流。若是没有该电流舵结构，每对发射极耦合对双极型晶体管Q₅、双极型晶体管Q₆和双极型晶体管Q₇、双极型晶体管Q₈均需要一个电流源，因此增加双极型晶体管Q₅、双极型晶体管Q₆、双极型晶体管Q₇和双极型晶体管Q₈的静态电流。

请参阅图2，图2所示为本发明另一实施方式中轨到轨放大器的电路结构图。

图2与图1的区别为输出端不同。

在本实施方式中，所述轨到轨放大器作为单端放大器使用时，输出端包括作为负载的电流反射镜(场效应晶体管M₅，场效应晶体管M₆)，用于将差分信号转换为单端输出。

在本实施方式中，所述输出端还包括输出级场效应晶体管M₁₀以及电流源I₄，用于提供额外的电压增益和扩大输出振幅。

请参阅图3，图3所示为本发明又一实施方式中轨到轨放大器的电路结构图。

图3与图1、图2的区别为输出端不同。

所述轨到轨放大器作为全差分放大器使用时，所述输出端包括共模反馈电路场效应晶体管M₁₄、场效应晶体管M₁₅、场效应晶体管M₁₆、场效应晶体管M₁₇，用于将放大器的共模输出电压的值设定为第三参考电压V_REF3。

请参阅图4，图4为图2一实施方式中高精度电流镜像I₁和I₂的具体结构图。

在本实施方式中，所述跟踪电流源I₁以及I₂包括晶体管对场效应晶体管M₁、场效应晶体管M₂以及参考电流源I_R1、I_R2，所述晶体管对场效应晶体管M₁、场效应晶体管M₂的镜像比为：M₂:M₁＝N₂:N₁，晶体管对场效应晶体管M₃、场效应晶体管M₄的镜像比为：M₄:M₃＝N₄:N₃，场效应晶体管M₅、场效应晶体管M₆的镜像比为：M₆:M₅＝1:1，参考电流源I_R1、I_R2的镜像比为：I_R2:I_R1＝N₄:N₃，输出电流为：假设N₄＝N₃，N₂＝(2K+1)N₁，可以得出I₁＝I₂＝K*I_R1，晶体管对场效应晶体管M₃、场效应晶体管M₄有相同的栅极电压，即V_G,M3＝V_G,M4。因为I_R2:I_R1＝N₄:N₃，晶体管对场效应晶体管M₃、场效应晶体管M₄有相同的栅-源电压即V_GS,M3＝V_GS,M4，所以晶体管对场效应晶体管M₁、场效应晶体管M₂的漏-源电压也相同，即V_DS,M1＝V_DS,M2。晶体管对场效应晶体管M₁、场效应晶体管M₂有相同的栅-源电压，即V_GS,M1＝V_GS,M2。因此电流镜：场效应晶体管M₁和场效应晶体管M₂的精度特别高。电压V_DS,M1和V_DS,M2完全由场效应晶体管M₁、场效应晶体管M₂、场效应晶体管M₃、场效应晶体管M₄、I_R1以及I_R2来决定，而且，独立于场效应晶体管M₅和场效应晶体管M₆的漏极电压(V_D,M5和V_D,M6)，V_D,M5和V_D,M6可以有更大幅度的值，且对电流镜：场效应晶体管M₁和场效应晶体管M₂的精度影响很小。电容器C₁用于对场效应晶体管对场效应晶体管M₂以及场效应晶体管M₁所在反馈回路做相位补偿。

请参阅图5，图5为图2一实施方式中高精度电流镜像I₃的具体结构图。

在本实施方式中，电流源I₃的电流镜的理论和拓扑结构同图4，除此之外，在图5中，电流镜由N型场效应晶体管来实现，而且输出电流减少到一个分支。场效应晶体管对场效应晶体管M₂，场效应晶体管M₁的电流镜镜像比是：M₂:M₁＝(K₃+1):1。场效应晶体管对场效应晶体管M₄，场效应晶体管M₃的电流镜镜像比是：M₄:M₃＝I_R4:I_R3＝1:1。因此电流I₃＝K₃*I_R3。场效应晶体管对场效应晶体管M₄，场效应晶体管M₃有相同栅极电压。因为M₄:M₃＝I_R4:I_R3＝1:1，场效应晶体管对场效应晶体管M₄，场效应晶体管M₃有相同栅-源电压，V_GS,M3＝V_GS,M4。所以场效应晶体管对场效应晶体管M₂，场效应晶体管M₁有相同的漏-源电压，V_DS,M1＝V_DS,M2。而且V_GS,M1＝V_GS,M2，所以场效应晶体管对场效应晶体管M₂，场效应晶体管M₁的电流镜精度很高，而且与场效应晶体管M₅的漏极电压V_D,M5无关。电容器C₁用于对场效应晶体管对场效应晶体管M₂，场效应晶体管M₁所在反馈回路做相位补偿。

请参阅图6，图6为图2一实施方式中高精度电流镜像I₄的具体结构图。

在本实施方式中，电流源I₄由场效应晶体管M₁到场效应晶体管M₅、I_R5、I_R6和电容C₁来实现。电流镜的理论和拓扑结构同图5。场效应晶体管对场效应晶体管M₂，场效应晶体管M₁的电流镜镜像比是：M₂:M₁＝(K₄+1):1。场效应晶体管对场效应晶体管M₄，场效应晶体管M₃的电流镜镜像比是：M₄:M₃＝I_R6:I_R5＝1:1。因此电流I₄＝K₄*I_R5。场效应晶体管对场效应晶体管M₄，场效应晶体管M₃有相同栅极电压。因为M₄:M₃＝I_R6:I_R5＝1:1，场效应晶体管对场效应晶体管M₄，场效应晶体管M₃有相同栅-源电压，V_GS,M3＝V_GS,M4。所以场效应晶体管对场效应晶体管M₂，场效应晶体管M₁有相同的漏-源电压，V_DS,M1＝V_DS,M2。而且V_GS,M1＝V_GS,M2，所以场效应晶体管对场效应晶体管M₂，场效应晶体管M₁的电流镜精度很高，而且与场效应晶体管M₅的漏极电压V_D,M5无关。电容器C₁用于对场效应晶体管对场效应晶体管M₂，场效应晶体管M₁所在反馈回路做相位补偿。场效应晶体管M₆到场效应晶体管M₁₃和电容C₂组成一个电源抑制比反馈环，来改善V_FB1的电源抑制比，图6中的节点V_FB1和V_FB2与图2中的V_FB1和V_FB2连接。在图6中，电容C₂用于检测VDD的噪声，这个噪声被场效应晶体管M₁₂放大，并反馈给V_FB1。这个反馈环是负反馈环。因此来自VDD的噪声在节点V_FB1被消除，改进了V_FB1的电源抑制比。除了形成的分支没有电容C₂，场效应晶体管M₆、场效应晶体管M₈、场效应晶体管M₁₀、场效应晶体管M₁₃分支和场效应晶体管M₇、场效应晶体管M₉、场效应晶体管M₁₁、场效应晶体管M₁₂分支相同。电流I_M12＝I_M13，场效应晶体管M₆、场效应晶体管M₈、场效应晶体管M₁₀、场效应晶体管M₁₃分支的目的是平衡图2中场效应晶体管M₅、场效应晶体管M₆的静态电流。

请参阅图7，图7为轨到轨的具体应用，图7中电路模块A为单端轨到轨放大器(如图2所示)，在图7A中，放大器可以作为单位增益缓冲器。

在图7B中，放大器用于作为带有闭环增益的非反相放大器，所述闭环增益值由电阻R₁和电阻R₂决定。

在图7C中，所示为一个全差分放大器。该放大器由两个单端轨到轨放大器实现，分别为A1和A2。闭环增益值为2R₁/R₂。电路模块B是一个差分动态电流接收器，可提供额外的电流给电路模块A的输出端。

请参阅图8，图8所示为图7C中的差分动态电流接收器(电路模块B)的具体结构图。

在本实施方式中，在图7C和图2中，单端放大器的输出级可以通过VDD经场效应晶体管M₁₀将大电流提供给外部负载。然而，输出级不能从外部负载接收大电流到放大器，接收的电流被电流源I₄限制。当单端放大器在图7C中使用时，为了不增加整个全差分放大器的噪声，电阻R₁和R₂的取值较小，导致电路模块A的输出端必须能够流入和流出比较大的电流。电路模块A本身可以从VDD处经场效应晶体管M₁₀向外部提供大电流。对于流入的电流，图8中的差分动态电流接受器为电流模块A接收电流。在图8中，参考电流源I_R7＝I_R8＞I_R9＝I_R10，场效应晶体管M₃、场效应晶体管M₄、场效应晶体管M₅和场效应晶体管M₆的镜像比为M₃:M₄＝M₆:M₅＝P:1，在图7C中，当V_INP＞V_INN，V_OUTP＞V_OUTN，图7中的放大器A2必须接收电流为：(V_OUTP-V_OUTN)/(2R₁+R₂)。在图7C的电路模块B，当V_INP＞V_INN时，V_OUTN可以接收的电流可以达到(V_INP-V_INN)/R_S*P。电路模块B要为电路模块A提供足够的电流需要满足条件：P＞2R₁*R_S/[R₂*(2R₁+R₂)]。

因此本发明中的轨到轨输入输出范围放大器解决了背景技术中的问题，且同时降低了放大器的功耗、提高了电源抑制比、降低了噪声，增加了输入输出的幅度。这个放大器的使用解决方案中提供了单端，全差分和闭环方案。这个放大器适用于麦克风应用，尤其是需要高AOP、低功耗和低噪声的麦克风。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种轨到轨放大器，其特征在于，包括：

输入电压范围偏向VDD的输入信号路径，包括双极型晶体管Q₇以及双极型晶体管Q₈；

输入电压范围偏向GND的输入信号路径，包括双极型晶体管Q₁发射极以及双极型晶体管Q₂的发射极，由跟踪电流源I₁和I₂提供电流给发射极跟随器双极型晶体管Q₁和双极型晶体管Q₂，所述双极型晶体管Q₁发射极和双极型晶体管Q₂发射极的信号经过发射极耦合对双极型晶体管Q₅和双极型晶体管Q₆；

源耦合对场效应晶体管M₁、场效应晶体管M₂，用于引导电流在双极型晶体管Q₁的发射极与虚拟负载双极型晶体管Q₃之间传输；

源耦合对场效应晶体管M₃、场效应晶体管M₄，用于引导电流在双极型晶体管Q₂的发射极与虚拟负载双极型晶体管Q₄之间传输；

输入端，用于接收外部信号，输入工作电压；

输出端，与所述输入电压范围偏向VDD的输入信号路径连接，用于输出放大信号。

2.如权利要求1所述的轨到轨放大器，其特征在于，所述轨到轨放大器包括第一差分输入电压V_INP、第二差分输入电压V_INN、第一参考电压V_REF1以及第二参考电压V_REF2，所述跟踪电流源I₁在V_INP<V_REF1时，电流源I₁流向双极型晶体管Q₁；在第一差分输入电压V_INP增加时，电流源I₁上的电压余量减少，电流源I₁的输出阻抗减少；在V_INP>V_REF1时，场效应晶体管M₁和场效应晶体管M₂转向，电流源I₁流向双极型晶体管Q₃；第一参考电压V_REF1的数值使得电流源I₁在其输出阻抗显著减少前停止流向双极型晶体管Q₁，转而流向双极型晶体管Q₃；在V_INN<V_REF1时，电流源I₂流向双极型晶体管Q₂；在第二差分输入电压V_INN增加时，电流源I₂上的电压余量减少，电流源I₂的输出阻抗减少；在V_INN>V_REF1时，场效应晶体管M₃和场效应晶体管M₄转向，电流源I₂流向双极型晶体管Q₄；第一参考电压V_REF1的数值使得电流源I₂在其输出阻抗显著减少前停止流向双极型晶体管Q₂，转而流向双极型晶体管Q₄。

3.如权利要求2所述的轨到轨放大器，其特征在于，还包括电流源I₃，用于为发射极耦合对双极型晶体管Q₅、双极型晶体管Q₆或双极型晶体管Q₇、双极型晶体管Q₈提供电流。

4.如权利要求3所述的轨到轨放大器，其特征在于，所述电流源I₃在(V_INP+V_INN)/2＜V_REF2时偏向于所述输入电压范围偏向GND的输入信号路径。

5.如权利要求3所述的轨到轨放大器，其特征在于，所述电流源I₃在(V_INP+V_INN)/2＞V_REF2时偏向于所述输入电压范围偏向VDD的输入信号路径。

6.如权利要求4或5所述的轨到轨放大器，其特征在于，还包括电流舵结构，与所述发射极耦合对双极型晶体管Q₅、双极型晶体管Q₆或双极型晶体管Q₇、双极型晶体管Q₈连接，用于减少静态电流。

7.如权利要求6所述的轨到轨放大器，其特征在于，所述输出端包括作为负载的电流反射镜，用于将差分信号转换为单端输出，所述电流反射镜包括场效应晶体管M₅和场效应晶体管M₆。

8.如权利要求7所述的轨到轨放大器，其特征在于，所述输出端还包括输出级场效应晶体管M₁₀以及电流源I₄，用于提供额外的电压增益和扩大输出振幅，所述输出端为单端输出端。

9.如权利要求6所述的轨到轨放大器，其特征在于，所述输出端包括共模反馈电路场效应晶体管M₁₄、场效应晶体管M₁₅、场效应晶体管M₁₆、场效应晶体管M₁₇，用于将放大器的共模输出电压的值设定为第三参考电压V_REF3。