CN112019171A - 差动放大器 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种差动放大器，包括：差动输入电路，根据第一输入电压、第二输入电压与第一电流调整流入差动输入电路的第二电流与第三电流；第一电流源电路，根据第一参考电压产生第一电流；电流镜电路，根据第四电流产生第五电流；第二电流源电路，根据第二参考电压产生第六电流与第七电流；以及阻抗电路，耦接于电流镜电路与接地端子之间，所述差动放大器具有低输出电压误差。

Description

差动放大器
技术领域
本发明涉及一种差动放大器，尤其涉及一种叠接式差动放大器。
背景技术
叠接式差动放大器因具有较宽的输入与输出电压范围等优点而广泛应用于单位增益缓冲器，并用以实现阻抗转换器、电压调节器或比较器等电路。图4A表示现有技术的叠接式差动放大器400的电路示意图，其中Vin1、Vin2、Vout与VDD分别表示第一输入电压、第二输入电压、输出电压与电源电压，图4B则表示叠接式差动放大器400的第一/第二输入电压的差与输出电压的电压转换曲线。因为叠接式差动放大器400内的晶体管与电阻等元件的非理想特性，例如半导体制程误差等，使所述电压转换曲线产生飘移，而所述电压转换曲线的飘移则造成输出电压误差+Verr1与输出电压误差-Verr1。
发明内容
本发明提供一种差动放大器，其可以使其输入/输出电压转换曲线的飘移减少，进而缩小输出电压误差。
本发明的一实施例提出一种差动放大器，包括：差动输入电路，根据第一输入电压、第二输入电压与第一电流调整流入所述差动输入电路的第二电流与第三电流；第一电流源电路，耦接于所述差动输入电路与接地端子之间，根据第一参考电压产生所述第一电流；电流镜电路，耦接于输出端子与所述接地端子之间，根据第四电流产生第五电流；第二电流源电路，耦接于电源端子与所述输出端子之间，根据第二参考电压产生第六电流与第七电流，所述第六电流的第一部份流入所述差动输入电路形成所述第二电流，所述第六电流的第二部份流至所述输出端子，所述第七电流的第一部份流入所述差动输入电路形成所述第三电流，所述第七电流的第二部份流入所述电流镜电路形成所述第四电流；以及阻抗电路，耦接于所述电流镜电路与所述接地端子之间。
基于上述，根据本发明的差动放大器，可减少输入/输出电压转换曲线的飘移，进而缩小输出电压误差，因此可应用于需要高精准度电压检测器或电压比较器等电路。
为让本发明的上述特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，并配合附图作详细说明如下。
附图说明
图1是表示本发明的一实施例的差动放大器的电路图；
图2是表示图1所示的差动放大器的输入/输出电压转换曲线图；
图3是表示图1所示的差动放大器的输入/输出电压的乱数统计分析图；
图4A是现有技术的差动放大器的示意图；图4B是图4A所示的差动放大器的输入/输出电压转换曲线图。
附图标记说明
100：差动放大器
101：接地端子
102：差动输入电路
103：第一电流源电路
104：电流镜电路
105：第二电流源电路
106：阻抗电路
107：电源端子
108：输出端子
109：第一输入端子
110：第二输入端子
VDD：电源电压
Vref1：第一参考电压
Vref2：第二参考电压
Vref3：第三参考电压
Vref4：第四参考电压
Vgs5、Vgs6：电压差
Vin1：第一输入电压
Vin2：第二输入电压
Vout：输出电压
+Verr1、+Verr2、-Verr1、-Verr2：输出电压误差
M1～M12：晶体管
R1～R2：电阻
I1～I7：电流
具体实施方式
以下，参照附图对本发明的实施方式进行说明。
图1是表示本发明的一实施例的差动放大器100的电路图。
本实施例的差动放大器100包括接地端子101、差动输入电路102，包括第一输入端子109与第二输入端子110，第一电流源电路103、电流镜电路104、第二电流源电路105、阻抗电路106、电源端子107、输出端子108。
如图1所示，上述元件的连接关系如下：差动输入电路102的第一输入端子109输入为第一输入电压Vin1，差动输入电路102的第二输入端子110输入为第二输入电压Vin2，第一电流源电路103的第一端子连接于差动输入电路102的共源极端子，第一电流源电路103的第二端子连接于接地端子101，第一电流源电路103的第一控制端子输入为第一参考电压Vref1，第一电流源电路103的第二控制端子输入为第三参考电压Vref3，差动输入电路102的第一输出端子与差动输入电路102的第二输出端子耦接至第二电流源电路105，第二电流源电路105的第一控制端子输入为第二参考电压Vref2，第二电流源电路105的第二控制端子输入为第四参考电压Vref4，电流镜电路104耦接至第二电流源电路105与阻抗电路106，电流镜电路104的控制端子输入有第三参考电压，阻抗电路106耦接至接地端子101，输出端子Vout耦接于第二电流源电路105与电流镜电路104之间，接地端子101输入为接地电压，电源端子107输入为电源电压VDD。
另外，差动放大器100中的各元件尺寸以左右对称的方式设计，即以晶体管M1的尺寸等于晶体管M2的尺寸，晶体管M9的尺寸等于晶体管M10的尺寸，晶体管M11的尺寸等于晶体管M12的尺寸，晶体管M7的尺寸等于晶体管M8的尺寸，晶体管M5的尺寸等于晶体管M6的尺寸，电阻R1的尺寸等于电阻R2的尺寸的方式设计。
以下，对如上文所述般构成的差动放大器100的动作进行说明。
参照图1，以下假设差动放大器100无制程飘移等非理想效应。第二电流源电路105的P型晶体管M9与P型晶体管M10根据第二参考电压Vref2，产生第六电流I6与第七电流I7，第六电流I6的第一部份流入差动输入电路102形成第二电流I2，第七电流I7的第一部份流入差动输入电路102形成第三电流I3，第二电流I2与第三电流I3流入第一电流源电路103，且第二电流I2与第三电流I3的和形成第一电流I1。由于差动输入电路102的特性，当第一输入电压Vin1与第二输入电压Vin2相等时，第二电流I2等于第三电流I3，当第一输入电压Vin1大于第二输入电压Vin2时，第二电流I2增加而第三电流I3减少，而当第一输入电压Vin1小于第二输入电压Vin2时第二电流I2减少而第三电流增加I3。第七电流I7的第二部份流入电流镜电路104形成第四电流I4，第四电流I4流入N型晶体管M5后于N型晶体管M5的栅极与源极形成一电压差Vgs5，电压差Vgs5与N型晶体管M6的栅极与源极电压差Vgs6相等，因此第五电流I5等于第四电流I4。
参照图1与图2，在差动放大器100无非理想效应的情况下，当第一输入电压Vin1与第二输入电压Vin2相等时，第二电流I2等于第三电流I3，第七电流I7等于第六电流I6，第四电流I4等于第五电流I5，因此输出电压Vout实质上等于电源电压VDD的一半。
当第二输入电压Vin2大于第一输入电压Vin1时，因差动输入电路102的特性第二电流I2减少而第三电流I3增加，使得第四电流I4与第五电流I5减少，且第六电流I6中流入晶体管M12的电流增加，因此输出电压Vout上升。
反之，当第二输入电压Vin2小于第一输入电压Vin1时，因差动输入电路102的特性第二电流I2增加而第三电流I3减少，使得第四电流I4与第五电流I5增加，且第六电流I6中流入晶体管M12的电流减少，因此输出电压Vout下降。
然而，因为半导体制程的非理想效应等因素，导致第四电流I4与第五电流I5不相等，而使得当第一输入电压Vin1与第二输入电压Vin2相等时，输出电压Vout产生误差而不实质上等于电源电压VDD的一半。例如当第一输入电压Vin1与第二输入电压Vin2相等时，若第四电流I4大于第五电流I5，对输出电压Vout将造成输出电压误差+Verr2，反之，当第一输入电压Vin1与第二输入电压Vin2相等时，若第四电流I4小于第五电流I5，对输出电压Vout将造成输出电压误差-Verr2，而输出电压误差+Verr2与输出电压误差-Verr2将使得差动放大器100的输入/输出电压转换曲线图产生飘移，如图2所示。
值得注意的是，图1的电阻R1与电阻R2可减少输出电压误差+Verr2与输出电压误差-Verr2的大小，例如当第一输入电压Vin1与第二输入电压Vin2相等时，若第四电流I4大于第五电流I5，因为电阻R1与电阻R2的存在，N型晶体管M5的源极电压将高于N型晶体管M6的源极电压，即电压差Vgs5<电压差Vgs6，使第四电流I4得到抑制，并缩小第四电流I4与第五电流I5的差异，进而缩小输出电压误差+Verr2，反之，若第四电流I4小于第五电流I5，因为电阻R1与电阻R2的存在，N型晶体管M6的源极电压将高于N型晶体管M5的源极电压，即电压差Vgs6<电压差Vgs5，使第五电流I5得到抑制，并缩小第四电流I4与第五电流I5的差异，进而缩小输出电压误差-Verr2。
图3表示差动放大器100在有电阻R1/R2与无电阻R1/R2两种情况下的输入/输出电压的乱数统计分析图，横轴表示第二输入电压Vin2减去第一输入电压Vin1，纵轴表示当输出电压Vout等于电源电压VDD的一半时的出现频率，由图3可看出差动放大器100在有电阻R1/R2的统计分布较无电阻R1/R2的统计分布更集中于第二输入电压Vin2等于第一输入电压Vin1的情形，换言之，差动放大器100在有电阻R1/R2情况下能减少输出电压误差。
综上所述，根据本发明所述的差动放大器，可减少输入/输出电压转换曲线的飘移，进而缩小输出电压误差，因此可应用于需要高精准度电压检测器或电压比较器等电路。
虽然本发明已以实施例揭示如上，然其并非用以限定本发明，任何所属技术领域中技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作些许的更改与润饰，故本发明的保护范围当视权利要求所界定的为准。
[产业利用性]
本发明的差动放大器可减少输入/输出电压转换曲线的飘移，进而缩小输出电压误差，因此可应用于需要高精准度电压检测器或电压比较器等电路。

Claims (9)

1.一种差动放大器，包括：
差动输入电路，根据第一输入电压、第二输入电压与第一电流调整流入所述差动输入电路的第二电流与第三电流；
第一电流源电路，耦接于所述差动输入电路与接地端子之间，根据第一参考电压产生所述第一电流；
电流镜电路，耦接于输出端子与所述接地端子之间，根据第四电流产生第五电流；
第二电流源电路，耦接于电源端子与所述输出端子之间，根据第二参考电压产生第六电流与第七电流，所述第六电流的第一部份流入所述差动输入电路形成所述第二电流，所述第六电流的第二部份流至所述输出端子，所述第七电流的第一部份流入所述差动输入电路形成所述第三电流，所述第七电流的第二部份流入所述电流镜电路形成所述第四电流；以及
阻抗电路，耦接于所述电流镜电路与所述接地端子之间。
2.根据权利要求1所述的差动放大器，其中所述差动输入电路包括:
第一晶体管，所述第一晶体管受控于所述第一输入电压，所述第一晶体管的第一端子流入所述第二电流；以及
第二晶体管，所述第二晶体管受控于所述第二输入电压，所述第二晶体管的第一端子流入所述第三电流。
3.根据权利要求1或2所述的差动放大器，其中所述第一电流源电路包括:
第三晶体管，所述第三晶体管受控于所述第一参考电压并产生所述第一电流。
4.根据权利要求3所述的差动放大器，其中所述第一电流源电路还包括:
第四晶体管，所述第四晶体管串联连接所述第三晶体管。
5.根据权利要求1的差动放大器，其中所述电流镜电路包括:
第五晶体管，所述第五晶体管的第一端子流入所述第四电流；以及
第六晶体管，所述第六晶体管的控制端与所述第五晶体管的控制端连接。
6.根据权利要求5所述的差动放大器，其中所述电流镜电路还包括:
第七晶体管，所述第七晶体管串联连接所述第五晶体管，且所述第七晶体管的第一端子连接所述第五晶体管的控制端；以及
第八晶体管，所述第八晶体管串联连接所述第六晶体管，且所述第八晶体管的控制端连接所述第七晶体管的控制端。
7.根据权利要求1的差动放大器，其中所述第二电流源电路包括:
第九晶体管，所述第九晶体管受控于所述第二参考电压并产生所述第七电流；以及
第十晶体管，所述第十晶体管受控于所述第二参考电压并产生所述第六电流。
8.根据权利要求7所述的差动放大器，其中所述第二电流源电路还包括:
第十一晶体管，所述第十一晶体管串联连接所述第九晶体管；以及
第十二晶体管，所述第十二晶体管串联连接所述第十晶体管，且所述第十一晶体管的控制端连接所述第十二晶体管的控制端。
9.根据权利要求1差动放大器，其中所述阻抗电路包括:
第一电阻，所述第一电阻的一端连接所述电流镜电路，所述第一电阻的另一端连接所述接地端子；以及
第二电阻，所述第二电阻的一端连接所述电流镜电路，所述第二电阻的另一端连接所述接地端子。
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