一种跨导恒定的差分对输入电路制造技术

本发明专利技术公开了一种新型的跨导恒定的差分对输入电路，所述差分对输入电路包括NMOS差分输入对与PMOS差分输入对，所述NMOS差分输入对与PMOS差分输入对的尾电流源数值均为

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及CMOS模拟电路设计领域，特别是涉及一种新型的跨导恒定的差分对 输入电路。
技术介绍
在轨到轨的运算放大器（railtorailoperationalamplifier,Rail-to-Rail OPAMP)设计中，要求输入级从电源低电位至高电位，即在轨到轨电压范围内具有恒定跨导 的功能（constanttransconductance)。而单独的PMOS或NMOS差分输入对在全电压范围 内将处于截止、亚阈值、线性和饱和四个工作区域，其跨导由零变化至最大值。 由于PMOS管在低栅电压下开启，高的栅电压下截止；而NMOS管则恰恰相反，其在 低的栅电压下截止，高的栅电压下开启。根据这个特性，使NMOS差分对与PMOS差分对并联 作为输入级时，则NMOS对截止的时候PMOS对开启，或PMOS对截止的时候NMOS开启；此时电 路的跨导恒大于零。另一方面，在输入电压处于高或低电平时，输入级只有NMOS对或PMOS 对开启，则电路的总跨导Gm,t(rtal为： 其中1%和kP为比例系数，可以通过调整电路尺寸及电性参数，使其相等；Id,NMQS和 Id,P?s分别为NMOS差分输入对和PMOS差分输入对的漏源电流。假设参数k和Id，使得存在 以下关系：kN -kp-k，Id，NM0S -Id，PM0S-Id (3) 则在输入电压为高和低电平时，电路跨导恒定。而在当输入电压处于较中间值时， 使PMOS差分输入对和NMOS差分输入对都开启且处于饱和区时，此时电路的跨导为： 这个数值是在输入电压在较高或较低电平时的两倍。此时在全电压的输入范围 内，差分输入对管的跨导并非为恒定值。因此需要修改电路结构以实现恒定跨导。 现有技术中一种实现恒定跨导的现有电路结构是通过改变输入对管的尾电流来 使其跨导在不同输入电压下恒定。其原理图如图1所示。PM1、PM2管为PMOS差分输入对，NMl、NM2管为NMOS差分输入对；Itail灘和Itail,p職分别为NMOS差分输入对和PMOS差分输 入对的尾电流源，且调节电路参数使： !tail, NMOS一I tail, PMOS一I tail ONM3和PM3管为开关管，其栅电压分别为VBIASN和VBIASP;模块3XCM_N和3XCM_ P分别为1:3和3:1的电流镜结构，通过将匪3和PM3的漏电流放大3倍输入至NMOS差分 输入对和PMOS差分输入对的源电极。 其具体工作原理如下所述： 输入电压在轨到轨的电压范围内时，变化PMOS差分输入对和NMOS差分输入对的 尾电流使其漏极电流改变从而使其跨导变化。其中1和Vb分别为A节点和B节点的电压； VtM和VthP分别为NMOS差分输入对和PMOS差分输入对的阈值电压。 ①当0彡Vin<VthN+VB时，NMOS差分输入对的栅源电压低于VthN从而处于截止 区，PMOS差分输入对处于饱和区。输入对的总跨导Gnbttrtal为： ②当Va+IVthpI彡Vin<VDD时，PMOS差分输入对的栅源电压绝对值低于VthP绝对 值从而处于截止区，NMOS差分输入对处于饱和区，输入对的总跨导Gm,t(rtal为：③当VthN+VB<Vin<VA+1VthpI时，PMOS的栅源电压绝对值高于VthP绝对值、且NMOS差分输入对差分输入对的栅源电压高于VthN从而都处于开启状态，此时输入对的总 跨导为：由于Id,MQS在随Vin增大而增大的同时Id,PMQS在随Vin增大而减小，所以其平方根 之和的变化量较小。特别的当PMOS、NMOS差分输入对都处于饱和区时，Gnbtrtal大小为： 此时实现了输入差分对在全电压范围的跨导恒定，这就是3倍电流镜跨导恒定的 原理。 -种实现该现有电路结构的的具体电路如图2。NM4和PM4管作为NMOS差分输入 对和PMOS差分输入对的尾电流源；NM3和PM3作为开关管；NM5、NM6管组成3倍电流镜模 块3XCM_N，PM5、PM6管组成3倍电流镜模块3XCM_P。 该电路原理如前所述。但是该结构中，单独的用PM4或NM4这样一个MOSFET来 做电流源，在随共模输入电压变化的同时，A、B节点电压会使其电流值变化，特别是当开关 管在开启的状态下，开关管的漏源电压较大，有时会迫使尾电流源管NM4、PM4进入线性区， 从而影响电流源电流精度。另一方面要求3倍尾电流源开关管PM3、NM3的栅电压VBIAS5、 VBIAS6精度较高，这在电路中是较难产生的，且在制造工艺、电源电压及温度等条件的变化 下，其所需的电压偏置和产生的偏置电压都在变化，在某些极限情况下产生的偏置电压可 能不符合电路要求，这极大的限值了电路的性能。 3倍电流镜恒定跨导电路的理论中利用输入对管从开启到关断的过程中，导致B 节点电位Vb的降低，如图2所示，使得NM3管的Vgs增大，直到Vgs>VtM时，NM3管开启以使 整个3倍电流镜模块3XCM_P开启，同理开启3XCM_N模块电路，来使NMOS和PMOS输入对管 互补输出电流，从而使整个输入管跨导恒定。而在这个过程中B点电位的变化会带来尾电 流源电流值的变化。特别是开关管匪3、PM3,在当输入共模电压处于中间值时，要求开关管 匪3、PM3处于关断状态下，漏电流小，则要求开关管沟道足够长且宽长比足够小；而当输入 共模电压处于极端情况下，则要求开关管匪3、PM3开启且导通电阻足够小，这就要求其沟 道足够短且宽长比足够大。这对矛盾不易调和，在一些电路分析中常出现开关管在开启的 同时其漏源电压太大，导致尾电流源管处于线性区！另一方面，3倍电流镜恒定跨导电路要 求产生精确的偏置电压VBIASN、VBIASP，如图2所示，这增加了电路的设计复杂度；同时在 一些极端的电路工艺、环境、电源情况下，产生的该偏置电压极可能不再符合电路要求。
技术实现思路
为克服上述现有技术存在的不足，本专利技术之目的在于提供一种新型的跨导恒定的 差分对输入电路，其通过监测节点A、B的电压，将3倍尾电流源开关管偏置电压值浮动到合 适的值来控制开关管开启与否，以达到控制差分对尾电流的变化从而达到输入跨导和恒定 的目的；同时监测A、B节点电压的电路不会反过来影响尾电流管NM4、PM4的电流值。 为达上述及其它目的，本专利技术提出一种新型的跨导恒定的差分对输入电路，所述 差分对输入电路包括NMOS差分输入对（匪1、匪2管）与PMOS差分输入对（PM1、PM2管）， 所述NMOS差分输入对与PMOS差分输入对的尾电流源数值均为Ici,所述差分对输入电路通 过监测PMOS差分输入对的中间节点A与NMOS差分输入对的中间节点B的电压并经过其电 压值浮动以控制3倍尾电流源开关管（W3、PM3)开启或关断31。电流源，所述31。电流源连 接至输入差分对作为其尾电流的一部分。 进一步地，所述差分对输入电路包括： 输入差分对基本电路，用于放大输入信号，包括NMOS输入差分对管（匪1，匪2)、 PMOS输入差分对管（PM1，PM2)以及各自的尾电流源（匪3、PM3); NMOS差分输入对3倍电流源模块，用于根据输入电压动态开启或关闭N型3倍恒 流源，包括N型3倍电流源取样管（NM6，匪7)、N型3倍电本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种新型的跨导恒定的差分对输入电路，所述差分对输入电路包括NMOS差分输入对(NM1、NM2管)与PMOS差分输入对(PM1、PM2管)，其特征在于：所述NMOS差分输入对与PMOS差分输入对的尾电流源数值均为I0，所述差分对输入电路通过监测PMOS差分输入对的中间节点A与NMOS差分输入对的中间节点B的电压并经过其电压值浮动以控制3倍尾电流源开关管(NM3、PM3)开启或关断3I0电流源，所述3I0电流源连接至输入差分对作为其尾电流的一部分。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：谢加雄，张宁，蔡俊，
申请(专利权)人：上海华力微电子有限公司，
类型：发明
国别省市：上海;31