CN110649903A - 高共模动态范围且pvt恒定的差分放大器 - Google Patents

Abstract

本发明揭示了一种高共模动态范围且PVT恒定的差分放大器，所述差分放大器包括恒定跨导偏置电路、差分放大器电路及输入共模分量跟踪补偿电路，所述输入共模分量跟踪补偿电路用于提取输入信号的共模分量，所述恒定跨导偏置电路用于根据输入共模分量跟踪补偿电路反馈的共模分量提供偏置电压与电流，以抵消差分放大器电路的固有增益随PVT的变化。本发明中恒定跨导偏置电路能够抵消差分放大器电路的固有增益随PVT的变化，从而达到PVT恒定的特性，输入共模分量跟踪补偿电路能够提取输入信号的共模分量，扩大了差分放大器电路的共模动态范围。

Description

高共模动态范围且PVT恒定的差分放大器

技术领域

本发明属于集成电路技术领域，具体涉及一种高共模动态范围且PVT恒定的差分放大器。

背景技术

具有高共模动态范围与PVT恒定的放大器在集成电路系统中具有非常广泛的应用需求，例如，广泛应用于点对点数据传输链路的数据接口中的低压差分信号(LVDS)接收机。LVDS接收机一般需要集成一个预置放大器来提高接收灵敏度，虽然输入信号为差分形式，但是不可避免的存在共模分量，当输入信号的共模分量超出一定范围时，容易引起LVDS接收机饱和，从而降低接收机性能。因此，LVDS的预置放大器需要能够提供高共模动态范围，同时兼具PVT恒定的特性。

因此，针对上述技术问题，有必要提供一种高共模动态范围且PVT恒定的差分放大器。

发明内容

本发明的目的在于提供一种高共模动态范围且PVT恒定的差分放大器，以解决现有技术中高共模动态范围及PVT恒定的问题。

为了实现上述目的，本发明一实施例提供的技术方案如下：

一种高共模动态范围且PVT恒定的差分放大器，所述差分放大器包括恒定跨导偏置电路、差分放大器电路及输入共模分量跟踪补偿电路，所述输入共模分量跟踪补偿电路用于提取输入信号的共模分量，所述恒定跨导偏置电路用于根据输入共模分量跟踪补偿电路反馈的共模分量提供偏置电压与电流，以抵消差分放大器电路的固有增益随PVT的变化。

一实施例中，所述恒定跨导偏置电路包括共源共栅电流镜及偏置电流放大电路，所述共源共栅电流镜包括若干PMOS管、若干NMOS管及电阻R_C，所述偏置电流放大电路包括运算放大器、与运算放大器两个输入端相连的电阻及与运算放大器输出端相连的NMOS管。

一实施例中，所述共源共栅电流镜用于提供偏置电流，其包括第一PMOS管、第二PMOS管、第三PMOS管、第四PMOS管、第五PMOS管、第六PMOS管、第一NMOS管、第二NMOS管、第三NMOS管、第四NMOS管及电阻R_C；

其中，第一PMOS管、第二PMOS管、第三PMOS管的栅极相连，第一PMOS管、第二PMOS管、第三PMOS管的源极与电压VDD相连，第一PMOS管、第二PMOS管、第三PMOS管的漏极分别与第四PMOS管、第五PMOS管、第六PMOS管的源极相连，第四PMOS管、第五PMOS管、第六PMOS管的栅极相连，第四PMOS管、第五PMOS管的漏极分别与第一NMOS管、第二NMOS管的漏极相连，第六PMOS管的漏极与偏置电流放大电路，第一NMOS管、第二NMOS管的栅极相连，第一NMOS管、第二NMOS管的源极分别与第三NMOS管、第四NMOS管的漏极相连，第三NMOS管、第四NMOS管的栅极相连，第三NMOS管的源极与电压VSS相连，第四NMOS管的源极接电阻R_C后与电压VSS相连，所述第一NMOS管的栅极和漏极相连，第三NMOS管的栅极和漏极相连。

一实施例中，所述偏置电流放大电路用于放大共源共栅电流镜提供的偏置电流，其包括运算放大器、与运算放大器两个输入端相连的第一电阻和第二电阻、及运算放大器输出端相连的第九NMOS管；

其中，运算放大器的第一输入端和第二输入端分别接第一电阻和第二电阻后与电压VSS相连，第一输入端还与第六PMOS管的漏极相连，运算放大器的输出端与第九NMOS管的栅极相连，第九NMOS管的源极与运算放大器的第二输入端相连，第九NMOS管的漏极与差分放大器电路相连。

一实施例中，所述差分放大器电路包括若干PMOS管、若干NMOS管及若干电阻。

一实施例中，所述差分放大器电路包括第五NMOS管、第六NMOS管、第七NMOS管、第八NMOS管、及第三电阻和第四电阻；

其中，所述第五NMOS管、第六NMOS管的源极均与恒定跨导偏置电路相连，第五NMOS管、第六NMOS管的栅极分别与第一信号输入端和第二信号输入端相连，第五NMOS管、第六NMOS管的漏极分别与第七NMOS管、第八NMOS管的源极相连，第七NMOS管、第八NMOS管的栅极相连，第七NMOS管、第八NMOS管的漏极分别与第一信号输出端和第二信号输出端相连，且第七NMOS管的漏极接第三电阻后与电压VDD相连，第八NMOS管的漏极接第四电阻后与电压VDD相连。

一实施例中，所述输入共模分量跟踪补偿电路包括PMOS管及若干电阻。

一实施例中，所述输入共模分量跟踪补偿电路包括第七PMOS管、第五电阻、第六电阻及第七电阻，第五电阻、第六电阻用于提取输入信号的共模分量；

其中，所述第七PMOS管的源极接第五电阻后与电压VDD相连，第七PMOS管的栅极分别接第六电阻和第七电阻后与第一信号输入端和第二信号输入端相连，第七PMOS管的漏极与电压VSS相连，且第七PMOS管的源极与第七NMOS管的栅极、第八NMOS管的栅极相连。

一实施例中，所述共源共栅电流镜提供的偏置电流I_b为：

其中，β_m为第三NMOS管的跨导系数，K为第四NMOS管与第三NMOS管的尺寸比；

偏置电流放大电路的放大系数为a，a为第一电阻与第二电阻的比值。

一实施例中，所述差分放大器电路的电压增益A_V为：

其中，β_m为第三NMOS管的跨导系数，K为第四NMOS管与第三NMOS管的尺寸比，β_d为第五NMOS管及第六NMOS管的跨导系数，a为偏置电流放大电路的放大系数，R₃为第三电阻的阻值。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

本发明中恒定跨导偏置电路能够抵消差分放大器电路的固有增益随PVT的变化，从而达到PVT恒定的特性，输入共模分量跟踪补偿电路能够提取输入信号的共模分量，扩大了差分放大器电路的共模动态范围。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明中差分放大器的模块示意图；

图2为本发明一具体实施例中差分放大器的电路原理图。

具体实施方式

以下将结合附图所示的各实施方式对本发明进行详细描述。但该等实施方式并不限制本发明，本领域的普通技术人员根据该等实施方式所做出的结构、方法、或功能上的变换均包含在本发明的保护范围内。

并且，应当理解的是尽管术语第一、第二等在本文中可以被用于描述各种元件或结构，但是这些被描述对象不应受到这些术语的限制。这些术语仅用于将这些描述对象彼此区分开。例如，第一NMOS管可以被称为第二NMOS管，并且类似地第二NMOS管也可以被称为第一NMOS管，这并不背离本发明的保护范围。

参图1所示，本发明公开了一种高共模动态范围且PVT恒定的差分放大器，该差分放大器包括恒定跨导偏置电路、差分放大器电路及输入共模分量跟踪补偿电路：

恒定跨导偏置电路的功能是为差分放大器电路提供偏置电压与电流，其提供的偏置电压与电流随工艺、电压以及温度(PVT)的变化而变化。

偏置电压与电流对整个放大器增益的影响同样随PVT的变化而变化，该变化的趋势与差分放大器电路的固有增益随PVT变化的趋势相反，并且能够互相抵消，从而达到PVT恒定的特性。

输入共模分量跟踪补偿电路能够提取输入信号的共模分量，根据提取的共模分量对差分放大器电路施加的影响，例如通过调整偏置状态等，进而保持差分放大器的增益不受输入信号的共模分量的影响，进而拓宽放大器的共模动态范围。

以下结合具体实施例对本发明作进一步说明。

参图2所示，本发明一具体实施例中公开了一种高共模动态范围且PVT恒定的差分放大器，包括恒定跨导偏置电路、差分放大器电路及输入共模分量跟踪补偿电路，以下针对三个电路单元进行详细说明。

恒定跨导偏置电路：

恒定跨导偏置电路包括共源共栅电流镜及偏置电流放大电路，共源共栅电流镜包括若干PMOS管、若干NMOS管及电阻R_C，偏置电流放大电路包括运算放大器、与运算放大器两个输入端相连的电阻及与运算放大器输出端相连的NMOS管。

具体地，本实施例中共源共栅电流镜用于提供偏置电流I_b，其包括第一PMOS管(P₁)、第二PMOS管(P₂)、第三PMOS管(P₃)、第四PMOS管(P₄)、第五PMOS管(P₅)、第六PMOS管(P₆)、第一NMOS管(N₁)、第二NMOS管(N₂)、第三NMOS管(N₃)、第四NMOS管(N₄)及电阻R_C；

其中，第一PMOS管、第二PMOS管、第三PMOS管的栅极相连，第一PMOS管、第二PMOS管、第三PMOS管的源极与电压VDD相连，第一PMOS管、第二PMOS管、第三PMOS管的漏极分别与第四PMOS管、第五PMOS管、第六PMOS管的源极相连，第四PMOS管、第五PMOS管、第六PMOS管的栅极相连，第四PMOS管、第五PMOS管的漏极分别与第一NMOS管、第二NMOS管的漏极相连，第六PMOS管的漏极与偏置电流放大电路，第一NMOS管、第二NMOS管的栅极相连，第一NMOS管、第二NMOS管的源极分别与第三NMOS管、第四NMOS管的漏极相连，第三NMOS管、第四NMOS管的栅极相连，第三NMOS管的源极与电压VSS相连，第四NMOS管的源极接电阻R_C后与电压VSS相连，第一NMOS管的栅极和漏极相连，第三NMOS管的栅极和漏极相连。

本实施例中偏置电流放大电路用于放大共源共栅电流镜提供的偏置电流，其包括运算放大器(A)、与运算放大器(A)两个输入端相连的第一电阻(R₁)和第二电阻(R₂)、及运算放大器(A)输出端相连的第九NMOS管(N₉)；

其中，运算放大器的第一输入端和第二输入端分别接第一电阻和第二电阻后与电压VSS相连，第一输入端还与第六PMOS管的漏极相连，运算放大器的输出端与第九NMOS管的栅极相连，第九NMOS管的源极与运算放大器的第二输入端相连，第九NMOS管的漏极与差分放大器电路相连。

差分放大器电路：

差分放大器电路包括若干PMOS管、若干NMOS管及若干电阻。

具体地，本实施例中差分放大器电路包括第五NMOS管(N₅)、第六NMOS管(N₆)、第七NMOS管(N₇)、第八NMOS管(N₈)、及第三电阻(R₃)和第四电阻(R₄)；

其中，第五NMOS管、第六NMOS管的源极均与恒定跨导偏置电路相连，第五NMOS管、第六NMOS管的栅极分别与第一信号输入端V_in，n和第二信号输入端V_in，p相连，第五NMOS管、第六NMOS管的漏极分别与第七NMOS管、第八NMOS管的源极相连，第七NMOS管、第八NMOS管的栅极相连，第七NMOS管、第八NMOS管的漏极分别与第一信号输出端V_out，p和第二信号输出端V_out，n相连，且第七NMOS管的漏极接第三电阻后与电压VDD相连，第八NMOS管的漏极接第四电阻后与电压VDD相连。

输入共模分量跟踪补偿电路：

输入共模分量跟踪补偿电路包括PMOS管及若干电阻。

具体地，本实施例中输入共模分量跟踪补偿电路包括第七PMOS管(P₇)、第五电阻(R₅)、第六电阻(R₆)及第七电阻(R₇)，第五电阻(R₅)、第六电阻(R₆)用于提取输入信号的共模分量；

其中，第七PMOS管的源极接第五电阻后与电压VDD相连，第七PMOS管的栅极分别接第六电阻和第七电阻后与第一信号输入端和第二信号输入端相连，第七PMOS管的漏极与电压VSS相连，且第七PMOS管的源极与第七NMOS管的栅极、第八NMOS管的栅极相连。

本实施例恒定跨导偏置电路中的共源共栅电流镜具有高输出阻抗的优点，其提供的偏置电流I_b为：

其中，β_m为第三NMOS管的跨导系数，K为第四NMOS管与第三NMOS管的尺寸比。

偏置电流放大电路的放大系数为a，a为第一电阻与第二电阻的比值，偏置电流放大电路可将电流镜的偏置电流I_b放大a倍，作为运算放大器(A)的尾电流。

运算放大器(A)构成的反馈电路能够极大的提高从第二电阻(R₂)看向电路的输入阻抗Z，从而减少由于电源电压变化而产生的对差分放大器电路的偏置电流变化。

由第五NMOS管(N₅)、第六NMOS管(N₆)构成的差分输入级的跨导可表示为：

其中，β_d为第五NMOS管及第六NMOS管的跨导系数(第五NMOS管及第六NMOS管的跨导系数相等)，a为偏置电流放大电路的放大系数，I_b为偏置电流。

结合(1)式，可以得到：

因此，差分放大器电路的电压增益可表示为A_V＝g_mR₃，即：

由(4)式可知，差分放大器电路的电压增益只与电阻的比值、MOS管的尺寸比等参数相关，与偏置电压、工艺参数等无关，因此差分放大器电路的电压增益可以达到PVT恒定的效果。

本实施例中的第六电阻(R₆)与第七电阻(R₇)为大电阻，阻值相等，用以提取输入信号的共模分量。提取的共模分量通过第七PMOS管(P7)与第五电阻(R₅)构成的电压转换电路，对差分放大器电路中的第七NMOS管(N₇)和第八NMOS管(N₈)施加栅极偏置电压，当输入信号的共模分量发生大范围偏移时，由共模分量转换的偏置电压也跟随偏移，从而保证差分放大器电路中的MOS管工作在饱和区，扩大了差分放大器电路的共模动态范围。

由以上技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果：

本发明中恒定跨导偏置电路能够抵消差分放大器电路的固有增益随PVT的变化，从而达到PVT恒定的特性，输入共模分量跟踪补偿电路能够提取输入信号的共模分量，扩大了差分放大器电路的共模动态范围。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施例加以描述，但并非每个实施例仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (10)

1.一种高共模动态范围且PVT恒定的差分放大器，其特征在于，所述差分放大器包括恒定跨导偏置电路、差分放大器电路及输入共模分量跟踪补偿电路，所述输入共模分量跟踪补偿电路用于提取输入信号的共模分量，所述恒定跨导偏置电路用于根据输入共模分量跟踪补偿电路反馈的共模分量提供偏置电压与电流，以抵消差分放大器电路的固有增益随PVT的变化。

2.根据权利要求1所述的高共模动态范围且PVT恒定的差分放大器，其特征在于，所述恒定跨导偏置电路包括共源共栅电流镜及偏置电流放大电路，所述共源共栅电流镜包括若干PMOS管、若干NMOS管及电阻R_C，所述偏置电流放大电路包括运算放大器、与运算放大器两个输入端相连的电阻及与运算放大器输出端相连的NMOS管。

3.根据权利要求2所述的高共模动态范围且PVT恒定的差分放大器，其特征在于，所述共源共栅电流镜用于提供偏置电流，其包括第一PMOS管、第二PMOS管、第三PMOS管、第四PMOS管、第五PMOS管、第六PMOS管、第一NMOS管、第二NMOS管、第三NMOS管、第四NMOS管及电阻R_C；

其中，第一PMOS管、第二PMOS管、第三PMOS管的栅极相连，第一PMOS管、第二PMOS管、第三PMOS管的源极与电压VDD相连，第一PMOS管、第二PMOS管、第三PMOS管的漏极分别与第四PMOS管、第五PMOS管、第六PMOS管的源极相连，第四PMOS管、第五PMOS管、第六PMOS管的栅极相连，第四PMOS管、第五PMOS管的漏极分别与第一NMOS管、第二NMOS管的漏极相连，第六PMOS管的漏极与偏置电流放大电路，第一NMOS管、第二NMOS管的栅极相连，第一NMOS管、第二NMOS管的源极分别与第三NMOS管、第四NMOS管的漏极相连，第三NMOS管、第四NMOS管的栅极相连，第三NMOS管的源极与电压VSS相连，第四NMOS管的源极接电阻R_C后与电压VSS相连，所述第一NMOS管的栅极和漏极相连，第三NMOS管的栅极和漏极相连。

4.根据权利要求3所述的高共模动态范围且PVT恒定的差分放大器，其特征在于，所述偏置电流放大电路用于放大共源共栅电流镜提供的偏置电流，其包括运算放大器、与运算放大器两个输入端相连的第一电阻和第二电阻、及运算放大器输出端相连的第九NMOS管；

其中，运算放大器的第一输入端和第二输入端分别接第一电阻和第二电阻后与电压VSS相连，第一输入端还与第六PMOS管的漏极相连，运算放大器的输出端与第九NMOS管的栅极相连，第九NMOS管的源极与运算放大器的第二输入端相连，第九NMOS管的漏极与差分放大器电路相连。

5.根据权利要求4所述的高共模动态范围且PVT恒定的差分放大器，其特征在于，所述差分放大器电路包括若干PMOS管、若干NMOS管及若干电阻。

6.根据权利要求5所述的高共模动态范围且PVT恒定的差分放大器，其特征在于，所述差分放大器电路包括第五NMOS管、第六NMOS管、第七NMOS管、第八NMOS管、及第三电阻和第四电阻；

其中，所述第五NMOS管、第六NMOS管的源极均与恒定跨导偏置电路相连，第五NMOS管、第六NMOS管的栅极分别与第一信号输入端和第二信号输入端相连，第五NMOS管、第六NMOS管的漏极分别与第七NMOS管、第八NMOS管的源极相连，第七NMOS管、第八NMOS管的栅极相连，第七NMOS管、第八NMOS管的漏极分别与第一信号输出端和第二信号输出端相连，且第七NMOS管的漏极接第三电阻后与电压VDD相连，第八NMOS管的漏极接第四电阻后与电压VDD相连。

7.根据权利要求6所述的高共模动态范围且PVT恒定的差分放大器，其特征在于，所述输入共模分量跟踪补偿电路包括PMOS管及若干电阻。

8.根据权利要求7所述的高共模动态范围且PVT恒定的差分放大器，其特征在于，所述输入共模分量跟踪补偿电路包括第七PMOS管、第五电阻、第六电阻及第七电阻，第五电阻、第六电阻用于提取输入信号的共模分量；

其中，所述第七PMOS管的源极接第五电阻后与电压VDD相连，第七PMOS管的栅极分别接第六电阻和第七电阻后与第一信号输入端和第二信号输入端相连，第七PMOS管的漏极与电压VSS相连，且第七PMOS管的源极与第七NMOS管的栅极、第八NMOS管的栅极相连。

9.根据权利要求4所述的高共模动态范围且PVT恒定的差分放大器，其特征在于，所述共源共栅电流镜提供的偏置电流I_b为：

其中，β_m为第三NMOS管的跨导系数，K为第四NMOS管与第三NMOS管的尺寸比；

偏置电流放大电路的放大系数为a，a为第一电阻与第二电阻的比值。

10.根据权利要求6所述的高共模动态范围且PVT恒定的差分放大器，其特征在于，所述差分放大器电路的电压增益A_V为：

其中，β_m为第三NMOS管的跨导系数，K为第四NMOS管与第三NMOS管的尺寸比，β_d为第五NMOS管及第六NMOS管的跨导系数，a为偏置电流放大电路的放大系数，R₃为第三电阻的阻值。

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