TW202042501A - 差動放大器 - Google Patents

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Abstract

本發明提供一種差動放大器，包括：差動輸入電路，根據第一輸入電壓、第二輸入電壓與第一電流調整流入差動輸入電路的第二電流與第三電流；第一電流源電路，根據第一參考電壓產生第一電流；電流鏡電路，根據第四電流產生第五電流；第二電流源電路，根據第二參考電壓產生第六電流與第七電流；以及阻抗電路，耦接於電流鏡電路與接地端子之間，所述差動放大器具有低輸出電壓誤差。

Description

差動放大器
本發明是有關於一種差動放大器，特別是關於一種疊接式差動放大器。
疊接式差動放大器因具有較寬的輸入與輸出電壓範圍等優點而廣泛應用於單位增益緩衝器，並用以實現阻抗轉換器、電壓調節器或比較器等電路。圖4A表示習知技術的疊接式差動放大器400的電路示意圖，其中Vin1、Vin2、Vout與VDD分別表示第一輸入電壓、第二輸入電壓、輸出電壓與電源電壓，圖4B則表示疊接式差動放大器400的第一/第二輸入電壓的差與輸出電壓的電壓轉換曲線。因為疊接式差動放大器400內的電晶體與電阻等元件的非理想特性，例如半導體製程誤差等，使所述電壓轉換曲線產生飄移，而所述電壓轉換曲線的飄移則造成輸出電壓誤差+Verr1與輸出電壓誤差-Verr1。
本發明提供一種差動放大器，其可以使其輸入/輸出電壓轉換曲線的飄移減少，進而縮小輸出電壓誤差。
本發明的一實施例提出一種差動放大器，包括：差動輸入電路，根據第一輸入電壓、第二輸入電壓與第一電流調整流入所述差動輸入電路的第二電流與第三電流；第一電流源電路，耦接於所述差動輸入電路與接地端子之間，根據第一參考電壓產生所述第一電流；電流鏡電路，耦接於輸出端子與所述接地端子之間，根據第四電流產生第五電流；第二電流源電路，耦接於電源端子與所述輸出端子之間，根據第二參考電壓產生第六電流與第七電流，所述第六電流的第一部份流入所述差動輸入電路形成所述第二電流，所述第六電流的第二部份流至所述輸出端子，所述第七電流的第一部份流入所述差動輸入電路形成所述第三電流，所述第七電流的第二部份流入所述電流鏡電路形成所述第四電流；以及阻抗電路，耦接於所述電流鏡電路與所述接地端子之間。
基於上述，根據本發明的差動放大器，可減少輸入/輸出電壓轉換曲線的飄移，進而縮小輸出電壓誤差，因此可應用於需要高精準度電壓偵測器或電壓比較器等電路。
為讓本發明的上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。
以下，參照圖式對本發明的實施形態進行說明。
圖1是表示本發明的一實施例的差動放大器100的電路圖。
本實施例的差動放大器100包括接地端子101、差動輸入電路102，包括第一輸入端子109與第二輸入端子110，第一電流源電路103、電流鏡電路104、第二電流源電路105、阻抗電路106、電源端子107、輸出端子108。
如圖1所示，上述元件的連接關係如下：差動輸入電路102的第一輸入端子109輸入為第一輸入電壓Vin1，差動輸入電路102的第二輸入端子110輸入為第二輸入電壓Vin2，第一電流源電路103的第一端子連接於差動輸入電路102的共源極端子，第一電流源電路103的第二端子連接於接地端子101，第一電流源電路103的第一控制端子輸入為第一參考電壓Vref1，第一電流源電路103的第二控制端子輸入為第三參考電壓Vref3，差動輸入電路102的第一輸出端子與差動輸入電路102的第二輸出端子耦接至第二電流源電路105，第二電流源電路105的第一控制端子輸入為第二參考電壓Vref2，第二電流源電路105的第二控制端子輸入為第四參考電壓Vref4，電流鏡電路104耦接至第二電流源電路105與阻抗電路106，電流鏡電路104的控制端子輸入有第三參考電壓，阻抗電路106耦接至接地端子101，輸出端子Vout耦接於第二電流源電路105與電流鏡電路104之間，接地端子101輸入為接地電壓，電源端子107輸入為電源電壓VDD。
另外，差動放大器100中的各元件尺寸以左右對稱的方式設計，即以電晶體M1的尺寸等於電晶體M2的尺寸，電晶體M9的尺寸等於電晶體M10的尺寸，電晶體M11的尺寸等於電晶體M12的尺寸，電晶體M7的尺寸等於電晶體M8的尺寸，電晶體M5的尺寸等於電晶體M6的尺寸，電阻R1的尺寸等於電阻R2的尺寸的方式設計。
以下，對如上文所述般構成的差動放大器100的動作進行說明。
參照圖1，以下假設差動放大器100無製程飄移等非理想效應。第二電流源電路105的P型電晶體M9與P型電晶體M10根據第二參考電壓Vref2，產生第六電流I6與第七電流I7，第六電流I6的第一部份流入差動輸入電路102形成第二電流I2，第七電流I7的第一部份流入差動輸入電路102形成第三電流I3，第二電流I2與第三電流I3流入第一電流源電路103，且第二電流I2與第三電流I3的和形成第一電流I1。由於差動輸入電路102的特性，當第一輸入電壓Vin1與第二輸入電壓Vin2相等時，第二電流I2等於第三電流I3，當第一輸入電壓Vin1大於第二輸入電壓Vin2時，第二電流I2增加而第三電流I3減少，而當第一輸入電壓Vin1小於第二輸入電壓Vin2時第二電流I2減少而第三電流增加I3。第七電流I7的第二部份流入電流鏡電路104形成第四電流I4，第四電流I4流入N型電晶體M5後於N型電晶體M5的閘極與源極形成一電壓差Vgs5，電壓差Vgs5與N型電晶體M6的閘極與源極電壓差Vgs6相等，因此第五電流I5等於第四電流I4。
參照圖1與圖2，在差動放大器100無非理想效應的情況下，當第一輸入電壓Vin1與第二輸入電壓Vin2相等時，第二電流I2等於第三電流I3，第七電流I7等於第六電流I6，第四電流I4等於第五電流I5，因此輸出電壓Vout實質上等於電源電壓VDD的一半。
當第二輸入電壓Vin2大於第一輸入電壓Vin1時，因差動輸入電路102的特性第二電流I2減少而第三電流I3增加，使得第四電流I4與第五電流I5減少，且第六電流I6中流入電晶體M12的電流增加，因此輸出電壓Vout上升。
反之，當第二輸入電壓Vin2小於第一輸入電壓Vin1時，因差動輸入電路102的特性第二電流I2增加而第三電流I3減少，使得第四電流I4與第五電流I5增加，且第六電流I6中流入電晶體M12的電流減少，因此輸出電壓Vout下降。
然而，因為半導體製程的非理想效應等因素，導致第四電流I4與第五電流I5不相等，而使得當第一輸入電壓Vin1與第二輸入電壓Vin2相等時，輸出電壓Vout產生誤差而不實質上等於電源電壓VDD的一半。例如當第一輸入電壓Vin1與第二輸入電壓Vin2相等時，若第四電流I4大於第五電流I5，對輸出電壓Vout將造成輸出電壓誤差+Verr2，反之，當第一輸入電壓Vin1與第二輸入電壓Vin2相等時，若第四電流I4小於第五電流I5，對輸出電壓Vout將造成輸出電壓誤差-Verr2，而輸出電壓誤差+Verr2與輸出電壓誤差-Verr2將使得差動放大器100的輸入/輸出電壓轉換曲線圖產生飄移，如圖2所示。
值得注意的是，圖1的電阻R1與電阻R2可減少輸出電壓誤差+Verr2與輸出電壓誤差-Verr2的大小，例如當第一輸入電壓Vin1與第二輸入電壓Vin2相等時，若第四電流I4大於第五電流I5，因為電阻R1與電阻R2的存在，N型電晶體M5的源極電壓將高於N型電晶體M6的源極電壓，即電壓差Vgs5 ＜ 電壓差Vgs6，使第四電流I4得到抑制，並縮小第四電流I4與第五電流I5的差異，進而縮小輸出電壓誤差+Verr2，反之，若第四電流I4小於第五電流I5，因為電阻R1與電阻R2的存在，N型電晶體M6的源極電壓將高於N型電晶體M5的源極電壓，即電壓差Vgs6 ＜ 電壓差Vgs5，使第五電流I5得到抑制，並縮小第四電流I4與第五電流I5的差異，進而縮小輸出電壓誤差-Verr2。
圖3表示差動放大器100在有電阻R1/R2與無電阻R1/R2兩種情況下的輸入/輸出電壓的亂數統計分析圖，橫軸表示第二輸入電壓Vin2減去第一輸入電壓Vin1，縱軸表示當輸出電壓Vout等於電源電壓VDD的一半時的出現頻率，由圖3可看出差動放大器100在有電阻R1/R2的統計分佈較無電阻R1/R2的統計分佈更集中於第二輸入電壓Vin2等於第一輸入電壓Vin1的情形，換言之，差動放大器100在有電阻R1/R2情況下能減少輸出電壓誤差。
綜上所述，根據本發明所述的差動放大器，可減少輸入/輸出電壓轉換曲線的飄移，進而縮小輸出電壓誤差，因此可應用於需要高精準度電壓偵測器或電壓比較器等電路。
雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明的精神和範圍內，當可作些許的更動與潤飾，故本發明的保護範圍當視後附的申請專利範圍所界定者為準。 [產業利用性] 本發明的差動放大器可減少輸入/輸出電壓轉換曲線的飄移，進而縮小輸出電壓誤差，因此可應用於需要高精準度電壓偵測器或電壓比較器等電路。
100:差動放大器 101:接地端子 102:差動輸入電路 103:第一電流源電路 104:電流鏡電路 105:第二電流源電路 106:阻抗電路 107:電源端子 108:輸出端子 109:第一輸入端子 110:第二輸入端子 VDD:電源電壓 Vref1:第一參考電壓 Vref2:第二參考電壓 Vref3:第三參考電壓 Vref4:第四參考電壓 Vgs5、Vgs6:電壓差 Vin1:第一輸入電壓 Vin2:第二輸入電壓 Vout:輸出電壓 +Verr1、+Verr2、-Verr1、-Verr2:輸出電壓誤差 M1~M12:電晶體 R1~R2:電阻 I1~I7:電流
圖1是表示本發明的一實施例的差動放大器的電路圖。 圖2是表示圖1所示的差動放大器的輸入/輸出電壓轉換曲線圖。 圖3是表示圖1所示的差動放大器的輸入/輸出電壓的亂數統計分析圖。 圖4A是習知技術的差動放大器的示意圖；圖4B是圖4A所示的差動放大器的輸入/輸出電壓轉換曲線圖。
100:差動放大器
101:接地端子
102:差動輸入電路
103:第一電流源電路
104:電流鏡電路
105:第二電流源電路
106:阻抗電路
107:電源端子
108:輸出端子
109:第一輸入端子
110:第二輸入端子

Claims (9)

  1. 一種差動放大器，包括： 差動輸入電路，根據第一輸入電壓、第二輸入電壓與第一電流調整流入所述差動輸入電路的第二電流與第三電流； 第一電流源電路，耦接於所述差動輸入電路與接地端子之間，根據第一參考電壓產生所述第一電流； 電流鏡電路，耦接於輸出端子與所述接地端子之間，根據第四電流產生第五電流； 第二電流源電路，耦接於電源端子與所述輸出端子之間，根據第二參考電壓產生第六電流與第七電流，所述第六電流的第一部份流入所述差動輸入電路形成所述第二電流，所述第六電流的第二部份流至所述輸出端子，所述第七電流的第一部份流入所述差動輸入電路形成所述第三電流，所述第七電流的第二部份流入所述電流鏡電路形成所述第四電流；以及 阻抗電路，耦接於所述電流鏡電路與所述接地端子之間。
  2. 如申請專利範圍第1項所述的差動放大器，其中所述差動輸入電路包括: 第一電晶體，所述第一電晶體受控於所述第一輸入電壓，所述第一電晶體的第一端子流入所述第二電流；以及 第二電晶體，所述第二電晶體受控於所述第二輸入電壓，所述第二電晶體的第一端子流入所述第三電流。
  3. 如申請專利範圍第1項或第2項所述的差動放大器，其中所述第一電流源電路包括: 第三電晶體，所述第三電晶體受控於所述第一參考電壓並產生所述第一電流。
  4. 如申請專利範圍第3項所述的差動放大器，其中所述第一電流源電路更包括: 第四電晶體，所述第四電晶體串聯連接所述第三電晶體。
  5. 如申請專利範圍第1項的差動放大器，其中所述電流鏡電路包括: 第五電晶體，所述第五電晶體的第一端子流入所述第四電流；以及 第六電晶體，所述第六電晶體的控制端與所述第五電晶體的控制端連接。
  6. 如申請專利範圍第5項所述的差動放大器，其中所述電流鏡電路更包括: 第七電晶體，所述第七電晶體串聯連接所述第五電晶體，且所述第七電晶體的第一端子連接所述第五電晶體的控制端；以及 第八電晶體，所述第八電晶體串聯連接所述第六電晶體，且所述第八電晶體的控制端連接所述第七電晶體的控制端。
  7. 如申請專利範圍第1項的差動放大器，其中所述第二電流源電路包括: 第九電晶體，所述第九電晶體受控於所述第二參考電壓並產生所述第七電流；以及 第十電晶體，所述第十電晶體受控於所述第二參考電壓並產生所述第六電流。
  8. 如申請專利範圍第7項所述的差動放大器，其中所述第二電流源電路更包括: 第十一電晶體，所述第十一電晶體串聯連接所述第九電晶體；以及 第十二電晶體，所述第十二電晶體串聯連接所述第十電晶體，且所述第十一電晶體的控制端連接所述第十二電晶體的控制端。
  9. 如申請專利範圍第1項差動放大器，其中所述阻抗電路包括: 第一電阻，所述第一電阻的一端連接所述電流鏡電路，所述第一電阻的另一端連接所述接地端子；以及 第二電阻，所述第二電阻的一端連接所述電流鏡電路，所述第二電阻的另一端連接所述接地端子。
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