CN113630096B

CN113630096B - 高速全差分放大器的轨到轨输出电路及高速全差分放大器

Info

Publication number: CN113630096B
Application number: CN202110943596.9A
Authority: CN
Inventors: 范国亮; 何峥嵘; 王成鹤; 杨阳; 周远杰
Original assignee: CETC 24 Research Institute
Current assignee: CETC 24 Research Institute
Priority date: 2021-08-17
Filing date: 2021-08-17
Publication date: 2023-09-19
Anticipated expiration: 2041-08-17
Also published as: CN113630096A

Abstract

本发明提供了一种高速全差分放大器的轨到轨输出电路及高速全差分放大器，结合高速跨导放大级与新型互补共射推挽输出级的结构设计，可以对放大器前级输出的差分信号进行高速跨导放大和缓冲、并实现接近正/负电源的轨到轨输出；通过输出端与输入端之间设置的反馈网络，能有效补偿频率滚降、提高输出稳定性；该轨到轨输出电路基于互补双极工艺及全纵向晶体管实现，在保证高速运放在降低电源电压应用的同时，实现了高速放大和轨到轨输出，从而不影响其信噪比和速度/带宽指标。

Description

高速全差分放大器的轨到轨输出电路及高速全差分放大器

技术领域

本发明涉及半导体集成电路设计技术领域，尤其是涉及一种高速全差分放大器的轨到轨输出电路及高速全差分放大器。

背景技术

放大器作为绝大多数电路中不可或缺的一部分，其性能在很大程度上决定了整个电路甚至系统的性能。随着电池供电便携式设备的普及，低压低功耗条件下工作逐渐成为系统的必备要求。电源电压降低导致的最直接影响是输出信号幅度的减小，这会导致信噪比大大降低。相对于单端输出放大器，全差分输出放大器的差分输出幅度可以提高一倍，这可以大大改善系统的信噪比。显然，对输出幅度影响最大的是放大器的输出部分。另外，随着无线网络技术、5G技术和物联网技术等技术的发展，需要处理的信号速度越来越高，这对放大器的带宽和压摆率等性能提出了更高的要求。

为了解决上述问题，必须设计采用高速全差分放大器的轨到轨(满摆幅)输出电路结构。但是，常规双极型放大器的输出结构主要分为三种：

①、如图1中(a)所示的NPN型射极跟随器输出级，该输出结构的正向饱和压降远大于负相饱和压降，且负的压摆率严重受限，无法实现轨到轨输出和大摆率；

②、如图1中(b)所示的NPN和PNP互补跟随输出，该输出结构的输出摆幅距离正负电源电压有一个VBE+VCESAT的饱和压降，同样无法实现轨到轨输出；

③、如图1中(c)所示的NPN和PNP互补共射推挽输出，该输出结构虽然可以实现轨到轨输出，但是需要复杂的静态电流控制结构，大大增加了电路的复杂程度与设计难度。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种高速全差分放大器的轨到轨输出电路技术方案，在低电源电压下达到高速轨到轨输出，实现宽带、大摆率和高信噪比等性能指标。

为实现上述目的及其它相关目的，本发明提供一种高速全差分放大器的轨到轨输出电路，包括：

高速跨导放大级，其输入端接所述高速全差分放大器前级差分放大级输出的第一电压信号，将所述第一电压信号转换为第一电流信号，对所述第一电流信号进行跨导放大和缓冲，在其输出端得到第二电流信号；

新型互补共射推挽输出级，其输入端接所述高速跨导放大级的输出端，将所述第二电流信号转换为第二电压信号，并放大所述第二电压信号，在其输出端实现轨到轨输出。

可选地，所述轨到轨输出电路还包括反馈网络，所述反馈网络设置在所述新型互补共射推挽级的输出端与所述新型互补共射推挽级的输入端之间，以补偿频率滚降、提高输出稳定性。

可选地，所述高速跨导放大级、所述新型互补共射推挽输出级及所述反馈网络均包括基于互补双极工艺的电路单元。

可选地，所述高速跨导放大级包括第一NPN三极管、第二NPN三极管、第三NPN三极管、第四NPN三极管、第五NPN三极管、第六NPN三极管、第一PNP三极管、第二PNP三极管、第三PNP三极管、第四PNP三极管、第五PNP三极管、第六PNP三极管、电阻、第一恒流源、第二恒流源、第三恒流源及第四恒流源，所述第一PNP三极管的基极与所述第一NPN三极管的基极连接，作为所述高速跨导放大级的同相输入端，所述第一PNP三极管的集电极接负电源，所述第一PNP三极管的发射极接所述第一恒流源的负端，所述第一恒流源的正端接正电源，所述第二PNP三极管的基极与所述第二NPN三极管的基极连接，作为所述高速跨导放大级的反相输入端，所述第二PNP三极管的集电极接所述负电源，所述第二PNP三极管的发射极接所述第二恒流源的负端，所述第二恒流源的正端接所述正电源，所述第一NPN三极管的集电极接所述正电源，所述第一NPN三极管的发射极接所述第三恒流源的正端，所述第三恒流源的负端接所述负电源，所述第二NPN三极管的集电极接所述正电源，所述第二NPN三极管的发射极接所述第四恒流源的正端，所述第四恒流源的负端接所述负电源，所述第三NPN三极管的基极接所述第一PNP三极管的发射极，所述第三NPN三极管的发射极接所述第三PNP三极管的发射极，所述第三PNP三极管的基极接所述第一NPN三极管的发射极，所述第四NPN三极管的基极接所述第二PNP三极管的发射极，所述第四NPN三极管的发射极接所述第四PNP三极管的发射极，所述第四PNP三极管的基极接所述第二NPN三极管的发射极，所述第五PNP三极管的发射极接所述正电源，所述第五PNP三极管的基极接所述第六PNP三极管的基极，所述第五PNP三极管的集电极接所述第五PNP三极管的基极，且所述第五PNP三极管的集电极接所述第三NPN三极管的集电极，所述第六PNP三极管的发射极接所述正电源，所述第六PNP三极管的集电极接所述第四NPN三极管的集电极，所述第六PNP三极管的集电极作为所述高速跨导放大级的第一输出端，所述第五NPN三极管的基极接所述第六NPN三极管的基极，所述第五NPN三极管的集电极接所述第三PNP三极管的集电极，所述第五NPN三极管的集电极作为所述高速跨导放大级的第二输出端，所述第五NPN三极管的发射极接所述负电源，所述第六NPN三极管的集电极接所述第四PNP三极管的集电极，所述第六NPN三极管的集电极接所述第六NPN三极管的基极，所述第六NPN三极管的发射极接所述负电源，所述电阻的一端接所述第三NPN三极管的发射极，所述电阻的另一端接所述第四NPN三极管的发射极。

可选地，所述新型互补共射推挽输出级包括第七NPN三极管、第八NPN三极管、第九NPN三极管、第十NPN三极管、第十一NPN三极管、第七PNP三极管、第八PNP三极管、第九PNP三极管、第十PNP三极管及第十一PNP三极管，所述第七PNP三极管的发射极接所述正电源，所述第七PNP三极管的基极接所述第六PNP三极管的集电极，所述第七PNP三极管的集电极接所述第七NPN三极管的集电极，所述第七PNP三极管的集电极作为所述新型互补共射推挽输出级的第一输出端，所述第七NPN三极管的发射极接所述负电源，所述第八PNP三极管的发射极接所述正电源，所述第八PNP三极管的基极接所述第六PNP三极管的基极，所述第八PNP三极管的集电极接所述第八NPN三极管的集电极，所述第八NPN三极管的基极接第一偏置电压，所述第八NPN三极管的发射极接所述第九NPN三极管的集电极，所述第九NPN三极管的基极同时接所述第八NPN三极管的集电极与所述第七NPN三极管的基极，所述第九NPN三极管的发射极接所述负电源，所述第十NPN三极管的发射极接所述负电源，所述第十NPN三极管的基极所述第五NPN三极管的集电极，所述第十NPN三极管的集电极接所述第九PNP三极管的基极，所述第十NPN三极管的集电极作为所述新型互补共射推挽输出级的第二输出端，所述第九PNP三极管的发射极接所述正电源，所述第十一NPN三极管的发射极接所述负电源，所述第十一NPN三极管的基极接所述第五NPN三极管的基极，所述第十一NPN三极管的集电极接所述第十PNP三极管的集电极，所述第十PNP三极管的基极接第二偏置电压，所述第十PNP三极管的发射极接所述第十一PNP三极管的集电极，所述第十一PNP三极管的基极同时接所述第九PNP三极管的基极与所述第十PNP三极管的集电极，所述第十一PNP三极管的发射极接所述正电源。

可选地，所述反馈网络包括第一电容及第二电容，所述第一电容的一端与所述第七PNP三极管的基极连接，所述第一电容的另一端与所述第七PNP三极管的集电极连接，所述第二电容的一端与所述第十NPN三极管的基极连接，所述第二电容的另一端与所述第十NPN三极管的集电极连接。

可选地，所述第一PNP三极管、第二PNP三极管、第三PNP三极管、第四PNP三极管、第五PNP三极管、第六PNP三极管、第七PNP三极管、第八PNP三极管、第九PNP三极管、第十PNP三极管、第十一PNP三极管均包括互补双极工艺制造的纵向PNP三极管。

此外，为实现上述目的及其它相关目的，本发明还提供一种高速全差分放大器，包括N级前级差分放大级以及上述任意一项所述的高速全差分放大器的轨到轨输出电路，N为大于等于1的整数；当N大于等于2时，N级所述前级差分放大级依次级联，所述轨到轨输出电路的输入端接最后一级所述前级差分放大级的输出端；当N等于1时，所述轨到轨输出电路的输入端接所述前级差分放大级的输出端。

如上所述，本发明提供的高速全差分放大器的轨到轨输出电路及高速全差分放大器，至少具有以下有益效果：

1)结合高速跨导放大级及新型互补共射推挽输出级的结构设计，就可以对前级差分放大级输出的差分信号进行高速跨导放大和缓冲，并在新型互补共射推挽输出级的输出端实现轨到轨输出；

2)该轨到轨输出电路基于互补双极工艺实现，在保证高速全差分放大器在降低电源电压应用的同时，实现了高速放大和轨到轨输出，从而不影响其信噪比和速度/带宽指标。

附图说明

图1为运算放大器常规的三种输出电路结构。

图2为本发明中高速全差分放大器的轨到轨输出电路的原理框图。

图3为本发明一实施例中高速全差分放大器的轨到轨输出电路的电路结构图。

附图标号说明

1—高速跨导放大级，2—新型互补共射推挽输出级，3—反馈网络，V₁—第一电压信号，V₂—第二电压信号，V₃—第三电压信号，I₁—第一电流信号，I₂—第二电流信号，N1—第一NPN三极管，N2—第二NPN三极管，N3—第三NPN三极管，N4—第四NPN三极管，N5—第五NPN三极管，N6—第六NPN三极管，N7—第七NPN三极管，N8—第八NPN三极管，N9—第九NPN三极管，N10—第十NPN三极管，N11—第十一NPN三极管，P1—第一PNP三极管，P2—第二PNP三极管，P3—第三PNP三极管，P4—第四PNP三极管，P5—第五PNP三极管，P6—第六PNP三极管，P7—第七PNP三极管，P8—第八PNP三极管，P9—第九PNP三极管，P10—第十PNP三极管，P11—第十一PNP三极管，I1—第一恒流源，I2—第二恒流源，I3—第三恒流源，I4—第四恒流源，R—电阻，C1—第一电容，C2—第二电容，VCC—正电源，VEE—负电源，VBN—第一偏置电压，VBP—第二偏置电压，VIP—高速跨导放大级1的同相输入端，VIN—高速跨导放大级1的反相输入端，V_OUT1—高速跨导放大级的第一输出端，V_OUT2—高速跨导放大级的第二输出端，VOUTN—新型互补共射推挽输出级2的第一输出端，VOUTP—新型互补共射推挽输出级2的第二输出端。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。

请参阅图2至图3。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图示中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。本说明书所附图示所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。

如图2所示，本发明提供一种高速全差分放大器的轨到轨输出电路，其包括：

高速跨导放大级1，其输入端接高速全差分放大器前级差分放大级输出的第一电压信号V₁，将第一电压信号V₁转换为第一电流信号I₁，对第一电流信号I₁进行跨导放大和缓冲，在其输出端得到第二电流信号I₂；

新型互补共射推挽输出级2，其输入端接高速跨导放大级1的输出端，将第二电流信号I₂转换为第二电压信号V₂，并放大第二电压信号V₂，在其输出端实现轨到轨输出，得到接近正电源/负电源的满摆幅输出的第三电压信号V₃。

可选地，如图2所示，所述轨到轨输出电路还包括反馈网络3，反馈网络3设置在新型互补共射推挽级2的输出端与新型互补共射推挽级2的输入端之间，以补偿频率滚降、提高输出稳定性。

其中，高速跨导放大级1、新型互补共射推挽输出级2及反馈网络3均包括基于互补双极工艺的电路单元，即整个轨到轨输出电路基于互补双极工艺实现，在保证高速全差分放大器在降低电源电压应用的同时，实现了高速放大和轨到轨输出，而不影响其信噪比和速度/带宽指标。

如图3所示，在本发明的一可选实施例中，高速跨导放大级1包括第一NPN三极管N1、第二NPN三极管N2、第三NPN三极管N3、第四NPN三极管N4、第五NPN三极管N5、第六NPN三极管N6、第一PNP三极管P1、第二PNP三极管P2、第三PNP三极管P3、第四PNP三极管P4、第五PNP三极管P5、第六PNP三极管P6、电阻R、第一恒流源I1、第二恒流源I2、第三恒流源I3及第四恒流源I4，第一PNP三极管P1的基极与第一NPN三极管N1的基极连接，作为高速跨导放大级1的同相输入端VIP，第一PNP三极管P1的集电极接负电源VEE，第一PNP三极管P1的发射极接第一恒流源I1的负端，第一恒流源I1的正端接正电源VCC，第二PNP三极管P2的基极与第二NPN三极管N2的基极连接，作为高速跨导放大级1的反相输入端VIN，第二PNP三极管P2的集电极接负电源VEE，第二PNP三极管P2的发射极接第二恒流源I2的负端，第二恒流源I2的正端接正电源VCC，第一NPN三极管N1的集电极接正电源VCC，第一NPN三极管N1的发射极接第三恒流源I3的正端，第三恒流源I3的负端接负电源VEE，第二NPN三极管N2的集电极接正电源VCC，第二NPN三极管N2的发射极接第四恒流源I4的正端，第四恒流源I4的负端接负电源VEE，第三NPN三极管N3的基极接第一PNP三极管P1的发射极，第三NPN三极管N3的发射极接第三PNP三极管P3的发射极，第三PNP三极管P3的基极接第一NPN三极管N1的发射极，第四NPN三极管N4的基极接第二PNP三极管P2的发射极，第四NPN三极管N4的发射极接第四PNP三极管P4的发射极，第四PNP三极管P4的基极接第二NPN三极管N2的发射极，第五PNP三极管P5的发射极接正电源VCC，第五PNP三极管P5的基极接第六PNP三极管P6的基极，第五PNP三极管P5的集电极接第五PNP三极管P5的基极，且第五PNP三极管P5的集电极接第三NPN三极管N3的集电极，第六PNP三极管P6的发射极接正电源VCC，第六PNP三极管P6的集电极接第四NPN三极管N4的集电极，第六PNP三极管P6的集电极作为高速跨导放大级1的第一输出端V_OUT1，第五NPN三极管N5的基极接第六NPN三极管N6的基极，第五NPN三极管N5的集电极接第三PNP三极管P3的集电极，第五NPN三极管N5的集电极作为高速跨导放大级1的第二输出端V_OUT2，第五NPN三极管n5的发射极接负电源VEE，第六NPN三极管N6的集电极接第四PNP三极管P4的集电极，第六NPN三极管N6的集电极接第六NPN三极管N6的基极，第六NPN三极管N6的发射极接负电源VEE，电阻R的一端接第三NPN三极管N3的发射极，电阻R的另一端接第四NPN三极管N4的发射极。

详细地，如图3所示，第一NPN三极管N1、第二NPN三极管N2、第三NPN三极管N3、第四NPN三极管N4、第一PNP三极管P1、第二PNP三极管P2、第三PNP三极管P3及第四PNP三极管P4构成对称的全差分放大结构，第一NPN三极管N1、第二NPN三极管N2、第三NPN三极管N3、第四NPN三极管N4、第一PNP三极管P1、第二PNP三极管P2、第三PNP三极管P3及第四PNP三极管P4均工作在射极跟随状态；第五PNP三极管P5和第六PNP三极管P6构成PNP型电流镜，第五NPN三极管N5和第六NPN三极管N6构成NPN型电流镜。

其中，第一恒流源I1、第二恒流源I2、第三恒流源I3及第四恒流源I4相等，即I1＝I2＝I3＝I4。

同时，如图3所示，在本发明的一可选实施例中，新型互补共射推挽输出级2包括第七NPN三极管N7、第八NPN三极管N8、第九NPN三极管N9、第十NPN三极管N10、第十一NPN三极管N11、第七PNP三极管P7、第八PNP三极管P8、第九PNP三极管P9、第十PNP三极管P10及第十一PNP三极管P11，第七PNP三极管P7的发射极接正电源VCC，第七PNP三极管P7的基极接第六PNP三极管P6的集电极，第七PNP三极管P7的集电极接第七NPN三极管N7的集电极，第七PNP三极管P7的集电极作为新型互补共射推挽输出级2的第一输出端VOUTN(即整个轨到轨输出电路的反相输出端)，第七NPN三极管N7的发射极接负电源VEE，第八PNP三极管P8的发射极接正电源VCC，第八PNP三极管P8的基极接第六PNP三极管P6的基极，第八PNP三极管P8的集电极接第八NPN三极管N8的集电极，第八NPN三极管N8的基极接第一偏置电压VBN，第八NPN三极管N8的发射极接第九NPN三极管N9的集电极，第九NPN三极管N9的基极同时接第八NPN三极管N8的集电极与第七NPN三极管N7的基极，第九NPN三极管N9的发射极接负电源VEE，第十NPN三极管N10的发射极接负电源VEE，第十NPN三极管N10的基极第五NPN三极管N5的集电极，第十NPN三极管N10的集电极接第九PNP三极管P9的基极，第十NPN三极管N10的集电极作为新型互补共射推挽输出级2的第二输出端VOUTP(即整个轨到轨输出电路的同相输出端)，第九PNP三极管P9的发射极接正电源VCC，第十一NPN三极管N11的发射极接负电源VEE，第十一NPN三极管N11的基极接第五NPN三极管N5的基极，第十一NPN三极管N11的集电极接第十PNP三极管P10的集电极，第十PNP三极管P10的基极接第二偏置电压VBP，第十PNP三极管P10的发射极接第十一PNP三极管P11的集电极，第十一PNP三极管P11的基极同时接第九PNP三极管P9的基极与第十PNP三极管P10的集电极，第十一PNP三极管P11的发射极接正电源VCC。

详细地，如图3所示，第七PNP三极管P7、第八PNP三极管P8、第七NPN三极管N7、第八NPN三极管N8及第九NPN三极管N9组成了新型高速互补推挽输出级2的一部分，第九PNP三极管P9、第十PNP三极管P10、第十一PNP三极管P11、第十NPN三极管N10及第十一NPN三极管N11组成了新型高速互补推挽输出级2的另一部分，这两部分对称设计，第七PNP三极管P7和第七NPN三极管N7构成的第一输出端VOUTN，以及第九PNP三极管P9和第十NPN三极管N10构成的第二输出端VOUTP，不需要复杂的静态电流控制电路，大大简化了电路结构；且输出最高电平可达VCC-V_CESATP，输出最低电平可达VEE+V_CESATN，V_CESATP和V_CESATN分别是PNP三极管和NPN三极管的饱和压降，其值随着负载电流的减小而减小、最低仅mV级，从而实现了运放满摆幅输出功能(接近正电源VCC或者负电源VEE)。

其中，第一偏置电压VBN和第二偏置电压VBP的设置要使得第九NPN三极管N9和第十一PNP三极管P11工作在放大区边缘。

此外，如图3所示，在本发明的一可选实施例中，反馈网络3包括第一电容C1及第二电容C2，第一电容C1的一端与第七PNP三极管P7的基极连接，第一电容C1的另一端与第七PNP三极管P7的集电极连接，第二电容C2的一端与第十NPN三极管N10的基极连接，第二电容C2的另一端与第十NPN三极管N10的集电极连接。

其中，如图3所示的第一PNP三极管P1、第二PNP三极管P2、第三PNP三极管P3、第四PNP三极管P4、第五PNP三极管P5、第六PNP三极管P6、第七PNP三极管P7、第八PNP三极管P8、第九PNP三极管P9、第十PNP三极管P10、第十一PNP三极管P11均包括互补双极工艺制造的纵向PNP三极管，即VPNP管，相对于横向PNP三极管，其速度快、频率高。整个轨到轨输出电路基于互补双极工艺及全纵向晶体管实现，消除了传统运放采用SPNP(衬底PNP)、射极跟随器输出结构时，只能低速工作，且输出将损失至少一个基极-发射极正向压降、摆幅不足的缺陷，在各种低电压、高速、宽动态范围应用场合具有较大优势。

详细地，如图3所示的高速运算放大器的轨到轨输出电路的工作原理如下：

1)、假设前级差分放大级传来的第一电压信号V₁的值为△V，送入高速跨导放大级1的输入端VIP、VIN，通过对称的全差分结构、PNP型电流镜、NPN型电流镜及相等的4个恒流源(即第一恒流源I1～第四恒流源I4)结构设计，使得电阻R两端的压差仍保持为△V。因此，电阻R两端电流的变化近似为：

△I＝△V/R

经过上述过程，高速跨导放大级1构成的电流型增益放大结构实现了差分电压△V到差分电流△I的变换，高速跨导放大级1的跨导为恒定值，其大小由电阻R的电阻值决定：

gm＝△I/△V＝1/R

通过改变电阻R的电阻值，即可调整高速跨导放大级1的跨导gm大小，同时提升放大增益；并且由于信号传输过程中无电压信号放大，其工作频带宽、信号传输速度快。

2)、经过高速跨导放大级1的电压到电流(V-I)转换后，再对差分电流进行跨导放大和缓冲，差分电流信号△I的流经路径有两条，依次流过第三NPN三极管N3、电阻R及第四PNP三极管P4，或者依次流过第四NPN三极管N4、电阻R及第三PNP三极管P3，如果一条路径的电流增加，则另一条路径的电流必然减小。若高速跨导放大级1的同相输入端VIP的输入信号>>高速跨导放大级1的同反相输入端VIN的输入信号，则流过第三NPN三极管N3、电阻R及第四PNP三极管P4的电流迅速增加，流过第四NPN三极管N4及第三PNP三极管P3的电流迅速减小。迅速增加的电流同时流过第五PNP三极管P5和第六NPN三极管N6，两个电流镜分别将该电流复制到第六PNP三极管P6和第五NPN三极管N5上，但第四NPN三极管N4及第三PNP三极管P3上的电流迅速减小，第一输出端V_OUT1处的电压会迅速升高，第二输出端V_OUT2处的电压会迅速降低，输出管第八PNP三极管P8和第十NPN三极管N10起到反相共射极放大作用。

3)、在新型互补共射推挽输出级2中，将放大后的差分电流信号转换为电压信号，并进行放大后的轨到轨输出，第一输出端V_OUT1处的迅速升高会使得第七PNP三极管P7截止，进而导致新型互补共射推挽输出级2的第一输出端VOUTN迅速降低，输出低电平最低可达VEE+V_CESATN；第二输出端V_OUT2处的迅速降低会使得第十NPN三极管N10截止，进而导致新型互补共射推挽输出级2的第二输出端VOUTP迅速升高，输出高电平最高可达VCC-V_CESATP，实现了运放满摆幅输出功能(接近正电源VCC或者负电源VEE)。另外，第八PNP三极管P8和第十一NPN三极管N11也会分别镜像第五PNP三极管P5和第六NPN三极管N6中快速增加的电流，最终第七NPN三极管N7和第九PNP三极管P9中的电流也会迅速增加，这有助于第一输出端VOUTN的降低和第二输出端VOUTP的升高。

注意，第一偏置电压VBN和第二偏置电压VBP的设置使得第九NPN三极管N9和第十一PNP三极管P11工作在放大区边缘，当第八NPN三极管N8、第九NPN三极管N9和第十PNP三极管P10、第十一PNP三极管P11中的电流增加时，第八NPN三极管N8和第十PNP三极管P10的发射结导通压降V_BE电压必然增加，导致第九NPN三极管N9和第十一PNP三极管P11进入饱和区，使得第九NPN三极管N9的基极电压迅速提高，第十一PNP三极管P11的基极电压迅速降低，从而使得流过第七NPN三极管N7的电流远大于流过第九NPN三极管N9的电流，流过第九PNP三极管P9的电流远大于流过第十一PNP三极管P11的电流，这有助于提高电路的响应速度。

另外，若高速跨导放大级1的同相输入端VIP的输入信号<<高速跨导放大级1的同反相输入端VIN的输入信号，各个支路的电流和各个节点的电压变化相反，最终结果是第一输出端VOUTN的输出电压迅速升高，输出高电平最高可达VCC-V_CESATP，第二输出端VOUTP的输出电压迅速降低，输出低电平最低可达VEE+V_CESATN，同样实现了满摆幅的轨到轨输出，在此不再叙述。

与此同时，如图3所示，第一电容C1和第二电容C2组成的反馈网络3设置在新型高速互补推挽输出级2的输出端到高速跨导放大级1的输出端(即新型高速互补推挽输出级2的输入端)之间，第一电容C1和第二电容C2即为米勒电容，可补偿频率滚降、提高输出稳定性。第一电容C1和第二电容C2的电容值大小对带宽和稳定性的影响很大，电容值越小、工作速度越快、稳定性越差，因此在电路速度与稳定性之间需进行折衷设计。

此外，本发明还提供一种高速全差分放大器，其包括N级前级差分放大级以及上述高速全差分放大器的轨到轨输出电路，N为大于等于1的整数；当N大于等于2时，N级前级差分放大级依次级联，对输入的差分信号进行级联多倍放大，所述轨到轨输出电路的输入端接最后一级前级差分放大级的输出端，通过所述轨到轨输出电路实现放大后的差分信号的轨到轨输出(满摆幅输出)；当N等于1时，所述轨到轨输出电路的输入端接前级差分放大级的输出端，通过所述轨到轨输出电路实现放大后的差分信号的轨到轨输出(满摆幅输出)。

综上所述，本发明的高速全差分放大器的轨到轨输出电路及高速全差分放大器，结合高速跨导放大级与新型互补共射推挽输出级的结构设计，可以对放大器前级输出的差分信号进行高速跨导放大和缓冲、并实现接近正/负电源的轨到轨输出；通过输出端与输入端之间设置的反馈网络，能有效补偿频率滚降、提高输出稳定性；该轨到轨输出电路基于互补双极工艺及全纵向晶体管实现，在保证高速运放在降低电源电压应用的同时，实现了高速放大和轨到轨输出，从而不影响其信噪比和速度/带宽指标。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims

1.一种高速全差分放大器的轨到轨输出电路，其特征在于，包括：

互补共射推挽输出级，其输入端接所述高速跨导放大级的输出端，将所述第二电流信号转换为第二电压信号，并放大所述第二电压信号，在其输出端实现轨到轨输出；

所述高速全差分放大器的轨到轨输出电路还包括反馈网络，所述反馈网络设置在所述互补共射推挽输出级的输出端与所述互补共射推挽输出级的输入端之间，以补偿频率滚降、提高输出稳定性；

其中，所述高速跨导放大级包括第一NPN三极管、第二NPN三极管、第三NPN三极管、第四NPN三极管、第五NPN三极管、第六NPN三极管、第一PNP三极管、第二PNP三极管、第三PNP三极管、第四PNP三极管、第五PNP三极管、第六PNP三极管、电阻、第一恒流源、第二恒流源、第三恒流源及第四恒流源，所述第一PNP三极管的基极与所述第一NPN三极管的基极连接，作为所述高速跨导放大级的同相输入端，所述第一PNP三极管的集电极接负电源，所述第一PNP三极管的发射极接所述第一恒流源的负端，所述第一恒流源的正端接正电源，所述第二PNP三极管的基极与所述第二NPN三极管的基极连接，作为所述高速跨导放大级的反相输入端，所述第二PNP三极管的集电极接所述负电源，所述第二PNP三极管的发射极接所述第二恒流源的负端，所述第二恒流源的正端接所述正电源，所述第一NPN三极管的集电极接所述正电源，所述第一NPN三极管的发射极接所述第三恒流源的正端，所述第三恒流源的负端接所述负电源，所述第二NPN三极管的集电极接所述正电源，所述第二NPN三极管的发射极接所述第四恒流源的正端，所述第四恒流源的负端接所述负电源，所述第三NPN三极管的基极接所述第一PNP三极管的发射极，所述第三NPN三极管的发射极接所述第三PNP三极管的发射极，所述第三PNP三极管的基极接所述第一NPN三极管的发射极，所述第四NPN三极管的基极接所述第二PNP三极管的发射极，所述第四NPN三极管的发射极接所述第四PNP三极管的发射极，所述第四PNP三极管的基极接所述第二NPN三极管的发射极，所述第五PNP三极管的发射极接所述正电源，所述第五PNP三极管的基极接所述第六PNP三极管的基极，所述第五PNP三极管的集电极接所述第五PNP三极管的基极，且所述第五PNP三极管的集电极接所述第三NPN三极管的集电极，所述第六PNP三极管的发射极接所述正电源，所述第六PNP三极管的集电极接所述第四NPN三极管的集电极，所述第六PNP三极管的集电极作为所述高速跨导放大级的第一输出端，所述第五NPN三极管的基极接所述第六NPN三极管的基极，所述第五NPN三极管的集电极接所述第三PNP三极管的集电极，所述第五NPN三极管的集电极作为所述高速跨导放大级的第二输出端，所述第五NPN三极管的发射极接所述负电源，所述第六NPN三极管的集电极接所述第四PNP三极管的集电极，所述第六NPN三极管的集电极接所述第六NPN三极管的基极，所述第六NPN三极管的发射极接所述负电源，所述电阻的一端接所述第三NPN三极管的发射极，所述电阻的另一端接所述第四NPN三极管的发射极；

所述互补共射推挽输出级包括第七NPN三极管、第八NPN三极管、第九NPN三极管、第十NPN三极管、第十一NPN三极管、第七PNP三极管、第八PNP三极管、第九PNP三极管、第十PNP三极管及第十一PNP三极管，所述第七PNP三极管的发射极接所述正电源，所述第七PNP三极管的基极接所述第六PNP三极管的集电极，所述第七PNP三极管的集电极接所述第七NPN三极管的集电极，所述第七PNP三极管的集电极作为所述互补共射推挽输出级的第一输出端，所述第七NPN三极管的发射极接所述负电源，所述第八PNP三极管的发射极接所述正电源，所述第八PNP三极管的基极接所述第六PNP三极管的基极，所述第八PNP三极管的集电极接所述第八NPN三极管的集电极，所述第八NPN三极管的基极接第一偏置电压，所述第八NPN三极管的发射极接所述第九NPN三极管的集电极，所述第九NPN三极管的基极同时接所述第八NPN三极管的集电极与所述第七NPN三极管的基极，所述第九NPN三极管的发射极接所述负电源，所述第十NPN三极管的发射极接所述负电源，所述第十NPN三极管的基极所述第五NPN三极管的集电极，所述第十NPN三极管的集电极接所述第九PNP三极管的基极，所述第十NPN三极管的集电极作为所述互补共射推挽输出级的第二输出端，所述第九PNP三极管的发射极接所述正电源，所述第十一NPN三极管的发射极接所述负电源，所述第十一NPN三极管的基极接所述第五NPN三极管的基极，所述第十一NPN三极管的集电极接所述第十PNP三极管的集电极，所述第十PNP三极管的基极接第二偏置电压，所述第十PNP三极管的发射极接所述第十一PNP三极管的集电极，所述第十一PNP三极管的基极同时接所述第九PNP三极管的基极与所述第十PNP三极管的集电极，所述第十一PNP三极管的发射极接所述正电源；

所述反馈网络包括第一电容及第二电容，所述第一电容的一端与所述第七PNP三极管的基极连接，所述第一电容的另一端与所述第七PNP三极管的集电极连接，所述第二电容的一端与所述第十NPN三极管的基极连接，所述第二电容的另一端与所述第十NPN三极管的集电极连接。

2.根据权利要求1所述的高速全差分放大器的轨到轨输出电路，其特征在于，所述高速跨导放大级、所述互补共射推挽输出级及所述反馈网络均包括基于互补双极工艺的电路单元。

3.根据权利要求2所述的高速全差分放大器的轨到轨输出电路，其特征在于，所述第一PNP三极管、所述第二PNP三极管、所述第三PNP三极管、所述第四PNP三极管、所述第五PNP三极管、所述第六PNP三极管、所述第七PNP三极管、所述第八PNP三极管、所述第九PNP三极管、所述第十PNP三极管、所述第十一PNP三极管均包括互补双极工艺制造的纵向PNP三极管。

4.一种高速全差分放大器，其特征在于，包括N级前级差分放大级以及权利要求1-3中任意一项所述的高速全差分放大器的轨到轨输出电路，N为大于等于1的整数；当N大于等于2时，N级所述前级差分放大级依次级联，所述轨到轨输出电路的输入端接最后一级所述前级差分放大级的输出端；当N等于1时，所述轨到轨输出电路的输入端接所述前级差分放大级的输出端。