CN114584089A - 一种差分运算放大器及芯片 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种差分运算放大器及芯片，差分运算放大器包括电流镜电路、第一级放大电路、第二级放大电路和共模反馈电路；其中，电流镜电路、第一级放大电路和第二级放大电路都支持差分输入和差分输出。第一级放大电路的差分输出端与第二级放大电路的差分输入端对应连接；第一级放大电路的差分输出端还通过共模反馈电路连接到电流镜电路的反馈端；第二级放大电路的差分输出端通过共模反馈电路连接到第二级放大电路的反馈端；第二级放大电路的差分输出端是所述差分运算放大器的输出端；电流镜电路的输出端与第一级放大电路的供电端连接；电流镜电路的输入端用于接收外部输入差分运算放大器的信号。

Description

一种差分运算放大器及芯片

技术领域

本发明属于差分放大器的技术领域，尤其涉及一种差分运算放大器及芯片。

背景技术

目前比较常见的设计放大器的技术主要有源跟随器结构、共源放大器结构以及电阻负反馈结构等，其中源跟随器结构和电阻负反馈结构因线性度较高、输出电阻较低，而常用于驱动模拟小信号、低阻值负载以及电容负载等，而共源放大器常用于驱动大功率信号和满摆幅大信号。而共源放大器结构在高频时，由于自身寄生电容的存在，会恶化驱动电路的线性度，放大信号不稳定。在多级级运算放大器中，运算放大器的输出级通常要求能够提供大的输出范围，但随着电源电压的逐渐降低，由于级联较多MOS管，所以电压输出不稳定。

发明内容

针对上述技术缺陷，本发明通过设计两级放大电路及其共模反馈电路之间的工作环路，提出一差分运算放大器，具体的技术方案如下：

一种差分运算放大器，差分运算放大器包括电流镜电路、第一级放大电路、第二级放大电路和共模反馈电路；其中，电流镜电路、第一级放大电路和第二级放大电路都支持差分输入和差分输出；第一级放大电路的差分输出端与第二级放大电路的差分输入端对应连接；第一级放大电路的差分输出端还通过共模反馈电路连接到电流镜电路的反馈端；第二级放大电路的差分输出端通过共模反馈电路连接到第二级放大电路的反馈端；第二级放大电路的差分输出端是所述差分运算放大器的输出端；电流镜电路的输出端与第一级放大电路的供电端连接；电流镜电路的输入端用于接收外部输入差分运算放大器的信号。

进一步地，所述共模反馈电路包括第一共模反馈电路和第二共模反馈电路；第一级放大电路的差分输出端与第二级放大电路的差分输入端对应连接；第一级放大电路的差分输出端还通过第一共模反馈电路连接到电流镜电路的反馈端；第二级放大电路的差分输出端通过第二共模反馈电路连接到第二级放大电路的反馈端；第二级放大电路的差分输出端是所述差分运算放大器的输出端。

进一步地，所述差分运算放大器是四输入运算放大器，其中，所述差分运算放大器的正输入端包括所述差分运算放大器的第一正输入端和所述差分运算放大器的第二正输入端，所述差分运算放大器的负输入端包括所述差分运算放大器的第一负输入端和所述差分运算放大器的第二负输入端；所述差分运算放大器的第一正输入端和所述差分运算放大器的第二负输入端用于接入待处理的一对差分信号；所述差分运算放大器的第一负输入端和所述差分运算放大器的第二正输入端都接入共模参考电压；所述差分运算放大器的第一正输入端、所述差分运算放大器的第一负输入端、所述差分运算放大器的第二正输入端和所述差分运算放大器的第二负输入端都是电流镜电路的输入端；其中，第二级放大电路的供电端接入的电源和电流镜电路的供电端接入的电源相等；第二级放大电路的接地端和第一级放大电路的接地端共享一个地线。

进一步地，所述电流镜电路包括第一PMOS管、第二PMOS管、第三PMOS管、第四PMOS管、第五PMOS管和第六PMOS管；第三PMOS管的栅极是所述差分运算放大器的第一正输入端，第五PMOS管的栅极是所述差分运算放大器的第二正输入端，第四PMOS管的栅极是所述差分运算放大器的第一负输入端，第六PMOS管的栅极是所述差分运算放大器的第二负输入端；第三PMOS管的漏极与第五PMOS管的漏极连接，第三PMOS管的漏极与第五PMOS管的漏极的连接节点是电流镜电路的第一输出端；第四PMOS管的漏极与第六PMOS管的漏极连接，第四PMOS管的漏极与第六PMOS管的漏极的连接节点是电流镜电路的第二输出端；其中，电流镜电路的输出端包括电流镜电路的第一输出端和电流镜电路的第二输出端；第三PMOS管的源极与第四PMOS管的源极都连接到第一PMOS管的漏极，第五PMOS管的源极与第六PMOS管的源极都连接到第二PMOS管的漏极；第一PMOS管的栅极是所述电流镜电路的第一反馈端，第二PMOS管的栅极是所述电流镜电路的第二反馈端，第一PMOS管的栅极和第二PMOS管的栅极都与第一共模反馈电路的输出端连接；电流镜电路的反馈端包括电流镜电路的第一反馈端和电流镜电路的第二反馈端；第一PMOS管的源极是电流镜电路的第一供电端，第二PMOS管的源极是电流镜电路的第二供电端；电流镜电路的供电端包括电流镜电路的第一供电端和电流镜电路的第二供电端。

进一步地，所述第一级放大电路包括第七PMOS管、第八PMOS管、第一NMOS管、第二NMOS管、第三NMOS管和第四NMOS管；第七PMOS管的源极是第一级放大电路的第一供电端，第一级放大电路的第一供电端与电流镜电路的第一输出端连接；第八PMOS管的源极是第一级放大电路的第二供电端，第一级放大电路的第二供电端与电流镜电路的第二输出端连接；第七PMOS管的栅极接入外界提供的第一偏置电压；第八PMOS管的栅极接入外界提供的第一偏置电压；其中，第一级放大电路的供电端包括第一级放大电路的第一供电端和第一级放大电路的第二供电端；电流镜电路的输出端包括电流镜电路的第一输出端和电流镜电路的第二输出端；第七PMOS管的漏极与第一NMOS管的漏极连接，第一NMOS管的栅极接入外界提供的第二偏置电压，第一NMOS管的源极与第三NMOS管的漏极连接，第三NMOS管的栅极接入外界提供的第三偏置电压，第三NMOS管的源极接地；第八PMOS管的漏极与第二NMOS管的漏极连接，第二NMOS管的栅极接入外界提供的第二偏置电压，第二NMOS管的源极与第四NMOS管的漏极连接，第四NMOS管的栅极接入外界提供的第三偏置电压，第四NMOS管的源极接地；第七PMOS管的漏极与第一NMOS管的漏极的连接节点是第一级放大电路的正输出端，第八PMOS管的漏极与第二NMOS管的漏极的连接节点是第一级放大电路的负输出端；其中，第一级放大电路的差分输出端包括第一级放大电路的正输出端和第一级放大电路的负输出端；第一级放大电路的正输出端和第一级放大电路的负输出端分别与所述第一共模反馈电路的差分输入端连接，所述电流镜电路的第一反馈端和所述电流镜电路的第二反馈端都与所述第一共模反馈电路的输出端连接，以调节第一级放大电路的差分输出结果；其中，电流镜电路的反馈端包括电流镜电路的第一反馈端和电流镜电路的第二反馈端。

进一步地，所述第二级放大电路包括第九PMOS管、第十PMOS管、第五NMOS管和第六NMOS管；第九PMOS管的源极与电流镜电路的第一供电端连接，第九PMOS管的漏极与第五NMOS管的漏极连接，第九PMOS管的栅极是第二级放大电路的正输入端，第九PMOS管的栅极与第一级放大电路的正输出端连接，第五NMOS管的源极接地；第九PMOS管的漏极与第五NMOS管的漏极的连接节点是第二级放大电路的正输出端；第十PMOS管的源极与电流镜电路的第二供电端连接，第十PMOS管的漏极与第六NMOS管的漏极连接，第十PMOS管的栅极是第二级放大电路的负输入端，第十PMOS管的栅极与第一级放大电路的负输出端连接，第六NMOS管的源极接地；第十PMOS管的漏极与第六NMOS管的漏极的连接节点是第二级放大电路的负输出端；第二级放大电路的正输出端和第二级放大电路的负输出端分别与所述第二共模反馈电路的差分输入端连接；第五NMOS管的栅极是第二级放大电路的第一反馈端，第四NMOS管的栅极是第二级放大电路的第二反馈端，第二级放大电路的第一反馈端和第二级放大电路的第二反馈端都与所述第二共模反馈电路的输出端连接，以调节第二级放大电路的差分输出结果；其中，第二级放大电路的差分输入端包括第二级放大电路的正输入端和第二级放大电路的负输入端；第二级放大电路的差分输出端包括第二级放大电路的正输出端和第二级放大电路的负输出端；第一级放大电路的差分输出端包括第一级放大电路的正输出端和第一级放大电路的负输出端；电流镜电路的供电端包括电流镜电路的第一供电端和电流镜电路的第二供电端；第二级放大电路的反馈端包括第二级放大电路的第一反馈端和第二级放大电路的第二反馈端。

进一步地，所述第一偏置电压、所述第二偏置电压和所述第三偏置电压互不相等，以在不同对MOS管之间形成电压差；其中，所述第一偏置电压、所述第二偏置电压和所述第三偏置电压当中，任意两个偏置电压的电压差是保持恒定；所述第一偏置电压、所述第二偏置电压和所述第三偏置电压都是由相应的偏置电压源提供。

进一步地，所述第一共模反馈电路和所述第二共模反馈电路属于相同类型的共模反馈结构，所述第一共模反馈电路和所述第二共模反馈电路接入同一个共模参考电压，以使得所述差分运算放大器的输出稳定到同一个共模电平。

进一步地，所述第一共模反馈电路用于产生反馈控制信号给所述电流镜电路的反馈端，以将第一级放大电路输出的差分信号的电压均值调节为等于所述共模参考电压；所述第二共模反馈电路用于产生反馈控制信号给所述第二级放大电路的反馈端，以将第二级放大电路输出的差分信号的电压均值调节为等于所述共模参考电压。

一种芯片，该芯片的内部存在所述差分运算放大器。

与现有技术相比，本发明将运算放大器设计为具有四个输入端的运算放大器，并支持两对差分输入和一对差分输出，既存在电流镜负载结构，又连接有共模反馈电路，可以形成第一级放大电路和第二级放大电路及其共模反馈电路的工作环路；由于只是设计两级放大电路，所以保证电路复杂程度不高的前提下，提高该运算放大器的驱动能力，保证放大后的信号的稳定性，产生的共模电压不容易偏离共模参考电压。

附图说明

图1是本发明一实施例公开的差分运算放大器的结构示意图。

图2是第一共模反馈电路CMFB1和第二共模反馈电路CMFB2的连接结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行详细描述。

作为一种实施例，本发明公开一种差分运算放大器，所述差分运算放大器包括电流镜电路、第一级放大电路、第二级放大电路和共模反馈电路；其中，电流镜电路、第一级放大电路和第二级放大电路都支持差分输入和差分输出；第一级放大电路的差分输出端与第二级放大电路的差分输入端对应连接，使得第一级放大电路和第二级放大电路级联连接；第一级放大电路的差分输出端还通过共模反馈电路连接到电流镜电路的反馈端；第二级放大电路的差分输出端通过共模反馈电路连接到第二级放大电路的反馈端；第二级放大电路的差分输出端是所述差分运算放大器的输出端；电流镜电路的输出端与第一级放大电路的供电端连接，为第一级放大电路提供驱动信号源。电流镜电路的输入端用于接收外部输入差分运算放大器的信号，包括至少一对差分输入信号,以适应两级放大电路的差分放大需求。

在一些实施例中，第一级放大电路和第二级放大电路都连接上同一个所述共模反馈电路，相较于两级运放的共模反馈电路，降低电路结构的复杂度；在另外一些实施例中，同一个所述共模反馈电路可以等效于两个独立的传统的共模反馈结构，分别服务于第一级放大电路和第二级放大电路，不涉及差分输入端和差分输出端的端口复用问题。

优选地，共模反馈电路与第一级放大电路的差分输出端的差分接口，不同于共模反馈电路与第二级放大电路的差分输出端的差分接口；共模反馈电路与第一级放大电路的差分输出端相连接的差分输入端，不同于共模反馈电路与第二级放大电路的差分输出端相连接的差分输入端；共模反馈电路与电流镜电路的反馈端相连接的输出端，不同于共模反馈电路与电流镜电路的反馈端相连接的输出端，则共模反馈电路被配置为存在四个差分输入端和两个输出端的电路。

作为一种实施例，如图1所示，所述差分运算放大器包括电流镜电路、第一级放大电路、第二级放大电路、第一共模反馈电路和第二共模反馈电路；其中，电流镜电路、第一级放大电路、第二级放大电路都支持差分输入和差分输出；第一级放大电路的差分输出端与第二级放大电路的差分输入端对应连接，使得第一级放大电路和第二级放大电路级联连接；第一级放大电路的差分输出端还通过第一共模反馈电路连接到电流镜电路的反馈端，以稳定本级输出的电平，则电流镜电路和第一级放大电路优选地构成一级完整的放大器。第二级放大电路的差分输出端通过第二共模反馈电路连接到第二级放大电路的反馈端；第二级放大电路的差分输出端是所述差分运算放大器的输出端；所述差分运算放大器的第一正输入端、所述差分运算放大器的第一负输入端、所述差分运算放大器的第二正输入端和所述差分运算放大器的第二负输入端都是电流镜电路的输入端，对应为两对差分输入端；电流镜电路的输出端与第一级放大电路的供电端连接，为第一级放大电路提供驱动信号源；从而形成第一级放大电路和第一共模反馈电路的第一环路、以及第二级放大电路和第二共模反馈电路的第二环路，所述第一环路和所述第二环路共同维持所述差分运算放大器输出的差分信号的稳定，能够让第一级放大电路的差分输出和第二级放大电路的差分输出均稳定到合理且相同的共模电平。

与现有技术相比，前述实施例将运算放大器设计为具有四个输入端的运算放大器，并支持两对差分输入和一对差分输出，既存在电流镜负载结构，又连接有共模反馈电路，可以形成第一级放大电路和第二级放大电路及其共模反馈电路的工作环路；由于只是设计两级放大电路，所以保证电路复杂程度不高的前提下，提高该运算放大器的驱动能力，保证放大后的信号的稳定性，产生的共模电压不容易偏离共模参考电压。

需要说明的是，所述差分运算放大器是四输入运算放大器，其中，所述差分运算放大器的正输入端包括所述差分运算放大器的第一正输入端和所述差分运算放大器的第二正输入端，所述差分运算放大器的负输入端包括所述差分运算放大器的第一负输入端和所述差分运算放大器的第二负输入端；可选地，所述差分运算放大器的第一正输入端和所述差分运算放大器的第二负输入端用于接入待处理的一对差分信号，对应到图1中，所述差分运算放大器的第一正输入端用于接收差分信号VIP1，所述差分运算放大器的第二负输入端用于接收差分信号VIN2；所述差分运算放大器的第一负输入端和所述差分运算放大器的第二正输入端都接入共模参考电压。其中，第二级放大电路的供电端接入的电源和电流镜电路的供电端接入的电源VDD相等；第二级放大电路的接地端和第一级放大电路的接地端共享一个地线GND。本实施例将差分运算放大器设计为具有四个输入端的运算放大器，并支持两对差分输入和一对差分输出，以适应差分输入输出的稳定性需求；从而在保证电路复杂程度不高的前提下，提高差分运算放大器的输入阻抗。

优选地，第一共模反馈电路和第二共模反馈电路可以视为两个独立的共模反馈电路，其中，这两个共模反馈电路支持差分输入和单端输出；第一共模反馈电路和第二共模反馈电路也可以合并为一个整体电路模块，即形成一个所述共模反馈电路；其中，第一共模反馈电路的差分输入端连接第一放大电路的差分输出端，第一共模反馈电路的输出端连接电流镜电路，连接形成所述第一环路；第二共模反馈电路的差分输入端连接第二放大电路的差分输出端，第二共模反馈电路的输出端连接第二放大电路，连接形成所述第二环路。

在一些实施例中，电流镜电路可以为MOS型电流镜电路，相应地，第一级放大电路和第二级放大电路都是由MOS管连接出来，特别是以反相器结构组建出两级放大电路；电流镜电路还可以是三极管型电流镜，相应地，第一级放大电路和第二级放大电路都是由三极管连接出来。在电流镜电路为MOS型的电流镜电路时，电流镜电路中的沟道长度调制效应被抑制，其中，电流镜电路、第一级放大电路和第二级放大电路中相关的PMOS管的衬底都接电源VDD，相关的NMOS管的衬底都接地线GND；另外，在电流镜电路为三极管型的电流镜电路时，电流镜电路中的基区宽度调制效应被抑制。

作为一种实施例，如图1所示，所述电流镜电路包括第一PMOS管MP1、第二PMOS管MP2、第三PMOS管MP3、第四PMOS管MP4、第五PMOS管MP5和第六PMOS管MP6；第三PMOS管MP3的栅极是所述差分运算放大器的第一正输入端，用于输入差分模拟信号VIP1；第五PMOS管MP5的栅极是所述差分运算放大器的第二正输入端，用于输入差分模拟信号VIP2；第四PMOS管MP4的栅极是所述差分运算放大器的第一负输入端，用于输入差分模拟信号VIN1，第六PMOS管的栅极是所述差分运算放大器的第二负输入端，用于输入差分模拟信号VIN2。需要说明的是，第一PMOS管MP1的源极是电流镜电路的第一供电端，第二PMOS管MP2的源极是电流镜电路的第二供电端；其中，电流镜电路的供电端包括电流镜电路的第一供电端和电流镜电路的第二供电端。第三PMOS管MP3的漏极与第五PMOS管MP5的漏极连接，第三PMOS管MP3的漏极与第五PMOS管MP5的漏极的连接节点是电流镜电路的第一输出端，为第一级放大电路的内部设置一对差分MOS管对提供电流源；第四PMOS管MP4的漏极与第六PMOS管MP6的漏极连接，第四PMOS管MP4的漏极与第六PMOS管MP6的漏极的连接节点是电流镜电路的第二输出端，为第一级放大电路的另一对差分MOS管对提供电流源，从而接成电流镜负载结构，提高第一级放大电路的驱动能力；其中，电流镜电路的输出端包括电流镜电路的第一输出端和电流镜电路的第二输出端。第三PMOS管MP3的源极与第四PMOS管MP4的源极都连接到第一PMOS管MP1的漏极，第五PMOS管MP5的源极与第六PMOS管MP6的源极都连接到第二PMOS管MP2的漏极；第一PMOS管MP1的栅极是所述电流镜电路的第一反馈端，用于接收共模反馈控制信号Vfb1；第二PMOS管MP2的栅极是所述电流镜电路的第二反馈端，用于接收共模反馈控制信号Vfb1。第一PMOS管MP1的栅极和第二PMOS管MP2的栅极都与第一共模反馈电路的输出端连接，电流镜电路的反馈端包括电流镜电路的第一反馈端和电流镜电路的第二反馈端，则形成了所述电流镜电路、第一级放大电路以及第一共模反馈电路的工作环路，只要保证环路稳定，第一级放大电路输出的差分信号的电压平均值（共模电压）与共模参考电压相等。

作为一种实施例，如图1所示，所述第一级放大电路包括第七PMOS管MP7、第八PMOS管MP8、第一NMOS管NM1、第二NMOS管NM2、第三NMOS管NM3和第四NMOS管NM4；第七PMOS管MP7的源极是第一级放大电路的第一供电端，第一级放大电路的第一供电端与前述的电流镜电路的第一输出端连接；第八PMOS管MP8的源极是第一级放大电路的第二供电端，第一级放大电路的第二供电端与电流镜电路的第二输出端连接；第七PMOS管MP7的栅极接入外界提供的第一偏置电压Vb1，为第七PMOS管MP7提供偏置电流，其中，第一偏置电压Vb1是恒定电压时，在第七PMOS管MP7所在支路产生恒定的偏置电流；第八PMOS管MP8的栅极接入外界提供的第一偏置电压Vb1，为第八PMOS管MP8提供偏置电流，其中，第一偏置电压Vb1是恒定电压时，在第八PMOS管MP8所在支路产生恒定的偏置电流；其中，第一级放大电路的供电端包括第一级放大电路的第一供电端和第一级放大电路的第二供电端；电流镜电路的输出端包括电流镜电路的第一输出端和电流镜电路的第二输出端。第七PMOS管MP7的漏极与第一NMOS管NM1的漏极连接，第一NMOS管NM1的栅极接入外界提供的第二偏置电压Vb2，为第一NMOS管NM1提供偏置电流；第一NMOS管NM1的源极与第三NMOS管NM3的漏极连接，第三NMOS管NM3的栅极接入外界提供的第三偏置电压Vb3，为第三NMOS管NM3提供偏置电流，第三NMOS管NM3的源极接地GND；必要地，第一NMOS管NM1的衬底和第三NMOS管NM3的衬底都接地GND。第八PMOS管MP8的漏极与第二NMOS管NM2的漏极连接；第二NMOS管NM2的栅极接入外界提供的第二偏置电压Vb2，为第二NMOS管NM2提供偏置电流；第二NMOS管NM2的源极与第四NMOS管NM4的漏极连接；第四NMOS管NM4的栅极接入外界提供的第三偏置电压Vb3，为第四NMOS管NM4提供偏置电流；第四NMOS管NM4的源极接地GND。必要地，第二NMOS管NM2的衬底和第四NMOS管NM4的衬底都接地GND。第七PMOS管MP7的漏极与第一NMOS管NM1的漏极的连接节点41是第一级放大电路的正输出端，用于输出差分输出信号VOP1；第八PMOS管MP8的漏极与第二NMOS管NM2的漏极的连接节点42是第一级放大电路的负输出端,用于输出差分输出信号VON1；其中，第一级放大电路的差分输出端包括第一级放大电路的正输出端和第一级放大电路的负输出端。差分输出信号VON1和差分输出信号VOP1的均值，即差分输出信号VON1和差分输出信号VOP1的共模电压在所述第一共模反馈电路的作用下，都被调节稳定到所述共模参考电压。

在前述实施例中，如图1所示，所述第一偏置电压Vb1、所述第二偏置电压Vb2和所述第三偏置电压Vb3互不相等，以在不同对MOS管之间形成电压差；其中，所述第一偏置电压、所述第二偏置电压和所述第三偏置电压当中，任意两个偏置电压的电压差是保持恒定，使得前述的电压差保持恒定，有利于抑制沟道长度调制效应。需要说明的是，所述第一偏置电压、所述第二偏置电压和所述第三偏置电压都是由相应的偏置电压源提供。需要说明的是，上述偏置电压源还可以采用稳压器件或者稳压电路来实现。对此本实施例不做限定。针对输入型电源电路来说，前述偏置电压可设计为对地电压稳定。

结合图2可知，第一级放大电路的正输出端和第一级放大电路的负输出端分别与所述第一共模反馈电路的差分输入端（包括正输入端和负输入端）连接，所述第一共模反馈电路CMFB1的正输入端用于接收第一级放大电路的正输出端输出的差分输出信号VOP1，所述第一共模反馈电路CMFB1的负输入端用于接收第一级放大电路的负输出端输出的差分输出信号VON1。所述电流镜电路的第一反馈端和所述电流镜电路的第二反馈端都与所述第一共模反馈电路CMFB1的输出端连接，所述第一共模反馈电路CMFB1为所述电流镜电路的第一反馈端和第二反馈端提供反馈控制信号Vfb1，以调节第一级放大电路的差分输出结果，具体让第一级放大电路的输出的共模电压等于所述共模参考电压Vcom。需要说明的是，电流镜电路的反馈端包括电流镜电路的第一反馈端和电流镜电路的第二反馈端。所述电流镜电路、第一级放大电路以及第一共模反馈电路的工作环路稳定时，第一级放大电路的差分输出结果稳定到所述共模参考电压上，进而可以实现差分输出信号VOP1的电压等于所述共模参考电压，且差分输出信号VON1的电压等于所述共模参考电压。

作为一种实施例，如图1所示，所述第二级放大电路包括第九PMOS管MP9、第十PMOS管MP10、第五NMOS管NM5和第六NMOS管NM6；第九PMOS管MP9的源极与电流镜电路的第一供电端连接，用于接入电源VDD；第九PMOS管MP9的栅极是第二级放大电路的正输入端，第九PMOS管MP9的栅极与第一级放大电路的正输出端连接，用于接收第一级放大电路的正输出端输出的差分信号VOP1或经过第一共模反馈电路调节后的共模参考电压Vcom，使得第二级放大电路与第一级放大电路进行级联连接，第一级放大电路的输出可以作为第二级放大电路的偏置信号，起到控制第二级放大电路的作用，则所述差分运算放大器的输入阻抗因多级放大电路的级联结构而得到提高。第五NMOS管NM5的源极接地GND；第九PMOS管MP9的漏极与第五NMOS管NM5的漏极连接，第九PMOS管MP9的漏极与第五NMOS管NM5的漏极的连接节点是第二级放大电路的正输出端，用于输出差分输出信号VOP2，作为差分运算放大器的正输出端输出的差分信号。第十PMOS管MP10的源极与电流镜电路的第二供电端连接，用于接入电源VDD；第十PMOS管MP10的栅极是第二级放大电路的负输入端，第十PMOS管MP10的栅极与第一级放大电路的负输出端连接，用于接收第一级放大电路的负输出端输出的差分信号VON1或经过第一共模反馈电路调节后的共模参考电压Vcom，使得第二级放大电路与第一级放大电路进行级联连接，则所述差分运算放大器的输入阻抗因多级放大电路的级联结构而得到提高。第六NMOS管NM6的源极接地；第十PMOS管MP10的漏极与第六NMOS管NM6的漏极连接，第十PMOS管MP10的漏极与第六NMOS管NM6的漏极的连接节点是第二级放大电路的负输出端，用于输出差分输出信号VON2，作为差分运算放大器的负输出端输出的差分信号。结合图1和图2可知，第二级放大电路的正输出端和第二级放大电路的负输出端分别与所述第二共模反馈电路的差分输入端（包括正输入端和负输入端）连接；所述第二共模反馈电路CMFB2的正输入端用于接收第二级放大电路的正输出端输出的差分输出信号VOP2，所述第二共模反馈电路CMFB2的负输入端用于接收第二级放大电路的负输出端输出的差分输出信号VON2。第五NMOS管NM5的栅极是第二级放大电路的第一反馈端，第四NMOS管NM4的栅极是第二级放大电路的第二反馈端，第二级放大电路的第一反馈端和第二级放大电路的第二反馈端都与所述第二共模反馈电路的输出端连接，所述第二共模反馈电路CMFB2为所述第二级放大电路的第一反馈端和第二反馈端提供反馈控制信号Vfb2，以调节第二级放大电路的差分输出结果，具体让第二级放大电路的输出的共模电压（差分输出信号VON2和差分输出信号VOP2的电压平均值）等于所述共模参考电压Vcom。所述电流镜电路、第一级放大电路、第一共模反馈电路、第二级放大电路以及第二共模反馈电路形成的工作环路稳定时，第二级放大电路的差分输出结果稳定到所述共模参考电压上，进而可以实现差分输出信号VOP2的电压等于所述共模参考电压，且差分输出信号VON2的电压等于所述共模参考电压。综上，在前述实施例中，第一级放大电路的输出为第二级放大电路的输入提供偏置，且两级放大电路都有各自匹配连接的共模反馈电路来调节本级运放输出的差分信号，以使得相应的共模电压等于所述共模参考电压，其中，两级放大电路可以分担电流镜电路的电流，提高所述差分运算放大器的输入阻抗，进而提高整体增益，扩大输出范围。

需要说明的是，电流镜电路的反馈端包括电流镜电路的第一反馈端和电流镜电路的第二反馈端；第二级放大电路的差分输入端包括第二级放大电路的正输入端和第二级放大电路的负输入端；第二级放大电路的差分输出端包括第二级放大电路的正输出端和第二级放大电路的负输出端；第一级放大电路的差分输出端包括第一级放大电路的正输出端和第一级放大电路的负输出端；电流镜电路的供电端包括电流镜电路的第一供电端和电流镜电路的第二供电端；第二级放大电路的反馈端包括第二级放大电路的第一反馈端和第二级放大电路的第二反馈端，则第二级放大电路的差分输入端分别接收第一级放大电路的输出和所述第二共模反馈电路CMFB2提供的反馈控制信号Vfb2。

结合图2可知，所述第一共模反馈电路CMFB1和所述第二共模反馈电路CMFB2属于相同类型的共模反馈结构，所述第一共模反馈电路CMFB1和所述第二共模反馈电路CMFB2都接入同一个共模参考电压Vcom，所述第一共模反馈电路CMFB1用于第一级放大电路输出的差分信号与所述共模参考电压进行比较，产生反馈控制信号给所述电流镜电路的反馈端，以使得所述差分运算放大器的输出稳定到同一个共模电平，即第一级放大电路输出的差分信号稳定于所述共模参考电压Vcom，至少让第一级放大电路输出的差分信号的电压均值(与差分信号对应的共模电压)等于所述共模参考电压Vcom；所述第二共模反馈电路CMFB2用于将第二级放大电路输出的差分信号与所述共模参考电压进行比较，产生反馈控制信号给所述第二级放大电路的反馈端，使得第二级放大电路输出的差分信号稳定于所述共模参考电压Vcom，至少让第二级放大电路输出的差分信号的电压均值(与差分信号对应的共模电压)等于所述共模参考电压Vcom。

需要说明的是，所述共模反馈结构按照类型可以划分为连续时间共模反馈电路和开关电容共模反馈电路；连续时间共模反馈电路对输出共模电压偏移的校准是连续进行的。但开关电容共模反馈电路对输出共模电压的反馈控制是离散的，是在每次电荷转移的半个时钟周期中完成的，校准也是在不断重复的半时钟周期内完成的。连续时间共模反馈电路主要应用于连续时间电路中，但是具有限制差模输出信号摆幅，增加差模负载，增加静态功耗和检测共模电压非线性等缺点。开关电容共模反馈电路在这几方面具有优势，但因为会引入时钟耦合和离散工作状态使差分输出信号出现毛刺而不适合用于连续时间电路中。开关电容共模反馈电路已经成功应用于数据采样系统中，尤其是在全差分开关电容电路中。具体地，共模反馈电路一般分为两个部分：共模检测电路和比较放大器电路，通过共模检测电路检测输出共模电压，然后输入比较放大器电路和预先指定的共模参考电压相比较，将它们的差值放大并返回到原电路对输出共模电压的偏移进行校正。

作为一种实施方式一，当第一级放大电路的差分输出端输出的差分信号的电压平均值大于所述共模参考电压时，所述第一共模反馈电路产生相应的反馈控制信号，将第一级放大电路输出的差分信号的电压平均值拉低以达到所述共模参考电压，并让电压平均值稳定地等于所述共模参考电压；当第一级放大电路输出的差分信号的平均值小于所述共模参考电压时，所述第一共模反馈电路产生相应的反馈控制信号，将第一级放大电路输出的差分信号的电压平均值拉高以达到所述共模参考电压，并让电压平均值稳定地等于所述共模参考电压。因此，在本实施例中，差分输入第一级放大电路的电压由于工艺偏差或者其他因素，在生产过程中通常不能达到预期的电压值，需要共模反馈电路将输出差分信号的电压平均值，即共模电压，调节至预期电压，即所述共模参考电压。

作为一种实施方式二，当第一级放大电路的差分输出端输出的第一差分信号的电压大于所述共模参考电压，且第一级放大电路输出的第二差分信号的电压小于所述共模参考电压时，所述第一共模反馈电路产生相应的反馈控制信号，将第一级放大电路输出的第一差分信号的电压拉低以达到所述共模参考电压，同时，将第一级放大电路输出的第二差分信号的电压拉高以达到所述共模参考电压，且让调节后的第一差分信号的电压和第二差分信号的电压都等于所述共模参考电压，并保持稳定到所述共模参考电压。

综合实施方式一和二，所述第一共模反馈电路用于产生反馈控制信号给所述电流镜电路的反馈端，以将第一级放大电路输出的差分信号的电压均值调节为等于所述共模参考电压。

作为一种实施方式三，当第二级放大电路的差分输出端输出的差分信号的电压平均值大于所述共模参考电压时，所述第二共模反馈电路产生相应的反馈控制信号，将第二级放大电路输出的差分信号的电压平均值拉低以达到所述共模参考电压，并让该电压平均值能够稳定地等于所述共模参考电压；当第二级放大电路输出的差分信号的电压平均值小于所述共模参考电压时，所述第二共模反馈电路产生相应的反馈控制信号，将第二级放大电路输出的差分信号的电压平均值拉高以达到所述共模参考电压，并让该电压平均值能够稳定地等于所述共模参考电压。因此，在本实施例中，差分输入第二级放大电路的电压由于工艺偏差或者其他因素，在生产过程中通常不能达到预期的电压值，需要共模反馈电路将输出差分信号的电压平均值，即共模电压，调节至预期电压，即所述共模参考电压。

作为一种实施方式四，当第二级放大电路的差分输出端输出的第一差分信号的电压大于所述共模参考电压，且第二级放大电路输出的第二差分信号的电压小于所述共模参考电压时，所述第二共模反馈电路产生相应的反馈控制信号，将第二级放大电路输出的第一差分信号的电压拉低以达到所述共模参考电压，同时，将第二级放大电路输出的第二差分信号的电压拉高以达到所述共模参考电压，然后，让调节后的第一差分信号的电压和第二差分信号的电压都等于所述共模参考电压，并保持稳定到所述共模参考电压。

综合实施方式三和实施方式四，所述第二共模反馈电路用于产生反馈控制信号给所述第二级放大电路的反馈端，以将第二级放大电路输出的差分信号的电压均值调节为等于所述共模参考电压。

基于前述实施例，本发明还公开一种芯片，该芯片的内部设置有前述实施例所述的差分运算放大器，该差分运算放大器可以应用于芯片的前级（或输入级），作为驱动放大器或模数转换器（ADC）中的第一级放大器，此时，该差分运算放大器决定了所在的芯片的信号增益及其在输出级的信号稳定程度。优选地，差分运算放大器的差分输入端和输出端通过外接电阻和电容可以构建出加法器、减法器、积分器以及当前需调用的运算功能相适应的运算架构。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制；尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者对部分技术特征进行等同替换；而不脱离本发明技术方案的精神，其均应涵盖在本发明请求保护的技术方案范围当中。

Claims (10)

1.一种差分运算放大器，其特征在于，差分运算放大器包括电流镜电路、第一级放大电路、第二级放大电路和共模反馈电路；其中，电流镜电路、第一级放大电路和第二级放大电路都支持差分输入和差分输出；

第一级放大电路的差分输出端与第二级放大电路的差分输入端对应连接；第一级放大电路的差分输出端还通过共模反馈电路连接到电流镜电路的反馈端；

第二级放大电路的差分输出端通过共模反馈电路连接到第二级放大电路的反馈端；第二级放大电路的差分输出端是所述差分运算放大器的输出端；

电流镜电路的输出端与第一级放大电路的供电端连接；电流镜电路的输入端用于接收外部输入差分运算放大器的信号。

2.根据权利要求1所述差分运算放大器，其特征在于，所述共模反馈电路包括第一共模反馈电路和第二共模反馈电路；

第一级放大电路的差分输出端与第二级放大电路的差分输入端对应连接；第一级放大电路的差分输出端还通过第一共模反馈电路连接到电流镜电路的反馈端；

第二级放大电路的差分输出端通过第二共模反馈电路连接到第二级放大电路的反馈端；第二级放大电路的差分输出端是所述差分运算放大器的输出端。

3.根据权利要求2所述差分运算放大器，其特征在于，所述差分运算放大器是四输入运算放大器，其中，所述差分运算放大器的正输入端包括所述差分运算放大器的第一正输入端和所述差分运算放大器的第二正输入端，所述差分运算放大器的负输入端包括所述差分运算放大器的第一负输入端和所述差分运算放大器的第二负输入端；

所述差分运算放大器的第一正输入端和所述差分运算放大器的第二负输入端用于接入待处理的一对差分信号；

所述差分运算放大器的第一负输入端和所述差分运算放大器的第二正输入端都接入共模参考电压；

所述差分运算放大器的第一正输入端、所述差分运算放大器的第一负输入端、所述差分运算放大器的第二正输入端和所述差分运算放大器的第二负输入端都是电流镜电路的输入端；

其中，第二级放大电路的供电端接入的电源和电流镜电路的供电端接入的电源相等；第二级放大电路的接地端和第一级放大电路的接地端共享一个地线。

4.根据权利要求3所述差分运算放大器，其特征在于，所述电流镜电路包括第一PMOS管、第二PMOS管、第三PMOS管、第四PMOS管、第五PMOS管和第六PMOS管；

第三PMOS管的栅极是所述差分运算放大器的第一正输入端，第五PMOS管的栅极是所述差分运算放大器的第二正输入端，第四PMOS管的栅极是所述差分运算放大器的第一负输入端，第六PMOS管的栅极是所述差分运算放大器的第二负输入端；

第三PMOS管的漏极与第五PMOS管的漏极连接，第三PMOS管的漏极与第五PMOS管的漏极的连接节点是电流镜电路的第一输出端；第四PMOS管的漏极与第六PMOS管的漏极连接，第四PMOS管的漏极与第六PMOS管的漏极的连接节点是电流镜电路的第二输出端；其中，电流镜电路的输出端包括电流镜电路的第一输出端和电流镜电路的第二输出端；

第三PMOS管的源极与第四PMOS管的源极都连接到第一PMOS管的漏极，第五PMOS管的源极与第六PMOS管的源极都连接到第二PMOS管的漏极；

第一PMOS管的栅极是所述电流镜电路的第一反馈端，第二PMOS管的栅极是所述电流镜电路的第二反馈端，第一PMOS管的栅极和第二PMOS管的栅极都与第一共模反馈电路的输出端连接；电流镜电路的反馈端包括电流镜电路的第一反馈端和电流镜电路的第二反馈端；

第一PMOS管的源极是电流镜电路的第一供电端，第二PMOS管的源极是电流镜电路的第二供电端；电流镜电路的供电端包括电流镜电路的第一供电端和电流镜电路的第二供电端。

5.根据权利要求3所述差分运算放大器，其特征在于，所述第一级放大电路包括第七PMOS管、第八PMOS管、第一NMOS管、第二NMOS管、第三NMOS管和第四NMOS管；

第七PMOS管的源极是第一级放大电路的第一供电端，第一级放大电路的第一供电端与电流镜电路的第一输出端连接；第八PMOS管的源极是第一级放大电路的第二供电端，第一级放大电路的第二供电端与电流镜电路的第二输出端连接；第七PMOS管的栅极接入外界提供的第一偏置电压；第八PMOS管的栅极接入外界提供的第一偏置电压；其中，第一级放大电路的供电端包括第一级放大电路的第一供电端和第一级放大电路的第二供电端；电流镜电路的输出端包括电流镜电路的第一输出端和电流镜电路的第二输出端；

第七PMOS管的漏极与第一NMOS管的漏极连接，第一NMOS管的栅极接入外界提供的第二偏置电压，第一NMOS管的源极与第三NMOS管的漏极连接，第三NMOS管的栅极接入外界提供的第三偏置电压，第三NMOS管的源极接地；

第八PMOS管的漏极与第二NMOS管的漏极连接，第二NMOS管的栅极接入外界提供的第二偏置电压，第二NMOS管的源极与第四NMOS管的漏极连接，第四NMOS管的栅极接入外界提供的第三偏置电压，第四NMOS管的源极接地；

第七PMOS管的漏极与第一NMOS管的漏极的连接节点是第一级放大电路的正输出端，第八PMOS管的漏极与第二NMOS管的漏极的连接节点是第一级放大电路的负输出端；其中，第一级放大电路的差分输出端包括第一级放大电路的正输出端和第一级放大电路的负输出端；

第一级放大电路的正输出端和第一级放大电路的负输出端分别与所述第一共模反馈电路的差分输入端连接，所述电流镜电路的第一反馈端和所述电流镜电路的第二反馈端都与所述第一共模反馈电路的输出端连接，以调节第一级放大电路的差分输出结果；其中，电流镜电路的反馈端包括电流镜电路的第一反馈端和电流镜电路的第二反馈端。

6.根据权利要求3所述差分运算放大器，其特征在于，所述第二级放大电路包括第九PMOS管、第十PMOS管、第五NMOS管和第六NMOS管；

第九PMOS管的源极与电流镜电路的第一供电端连接，第九PMOS管的漏极与第五NMOS管的漏极连接，第九PMOS管的栅极是第二级放大电路的正输入端，第九PMOS管的栅极与第一级放大电路的正输出端连接，第五NMOS管的源极接地；第九PMOS管的漏极与第五NMOS管的漏极的连接节点是第二级放大电路的正输出端；

第十PMOS管的源极与电流镜电路的第二供电端连接，第十PMOS管的漏极与第六NMOS管的漏极连接，第十PMOS管的栅极是第二级放大电路的负输入端，第十PMOS管的栅极与第一级放大电路的负输出端连接，第六NMOS管的源极接地；第十PMOS管的漏极与第六NMOS管的漏极的连接节点是第二级放大电路的负输出端；

第二级放大电路的正输出端和第二级放大电路的负输出端分别与所述第二共模反馈电路的差分输入端连接；第五NMOS管的栅极是第二级放大电路的第一反馈端，第四NMOS管的栅极是第二级放大电路的第二反馈端，第二级放大电路的第一反馈端和第二级放大电路的第二反馈端都与所述第二共模反馈电路的输出端连接，以调节第二级放大电路的差分输出结果；

其中，第二级放大电路的差分输入端包括第二级放大电路的正输入端和第二级放大电路的负输入端；第二级放大电路的差分输出端包括第二级放大电路的正输出端和第二级放大电路的负输出端；第一级放大电路的差分输出端包括第一级放大电路的正输出端和第一级放大电路的负输出端；电流镜电路的供电端包括电流镜电路的第一供电端和电流镜电路的第二供电端；第二级放大电路的反馈端包括第二级放大电路的第一反馈端和第二级放大电路的第二反馈端。

7.根据权利要求5所述差分运算放大器，其特征在于，所述第一偏置电压、所述第二偏置电压和所述第三偏置电压互不相等，以在不同对MOS管之间形成电压差；

其中，所述第一偏置电压、所述第二偏置电压和所述第三偏置电压当中，任意两个偏置电压的电压差是保持恒定；所述第一偏置电压、所述第二偏置电压和所述第三偏置电压都是由相应的偏置电压源提供。

8.根据权利要求2所述差分运算放大器，其特征在于，所述第一共模反馈电路和所述第二共模反馈电路属于相同类型的共模反馈结构，所述第一共模反馈电路和所述第二共模反馈电路接入同一个共模参考电压，以使得所述差分运算放大器的输出稳定到同一个共模电平。

9.根据权利要求8所述差分运算放大器，其特征在于，所述第一共模反馈电路用于产生反馈控制信号给所述电流镜电路的反馈端，以将第一级放大电路输出的差分信号的电压均值调节为等于所述共模参考电压；

所述第二共模反馈电路用于产生反馈控制信号给所述第二级放大电路的反馈端，以将第二级放大电路输出的差分信号的电压均值调节为等于所述共模参考电压。

10.一种芯片，其特征在于，该芯片的内部存在权利要求1至9任一项所述差分运算放大器。

Images