专利名称：连续时间共模反馈放大器的制作方法
技术领域：
本发明涉及电子电路，具体涉及差动运算放大器电路。
在高速全差动切换(switched)电容滤波器结构中，一个主差动放大器环路通常包括在该主差动回路放大器内的一个高速共模回路放大器。
图1示出具有共模反馈的全差动运算放大器的方框图。放大器100包括主差动放大器102和共模放大器104，它们由电压信号Vcc和Vee供电。主差动放大器102具有用于接收反向和正向输入(即差动输入)Vin-和Vin+的输入端，用于接收偏置电流Idm的偏置端口ibias，以及用于接收共模控制信号或共模反馈信号的输入端口Vcmin。主差动放大器102的输出信号是差动输出V0+和V0-。
共模放大器104接收主差动放大器102的差动输出V0+和V0-，并且将它们分别馈送到输入端口Vcmp和Vcmn，该共模放大器104具有用于接收电流源Icm的偏置端口icmbias，用于接收基准输入电压的基准端口Vag，以及控制输出端口Vcontrol，与主差动放大器102的Vcmin端口相耦合。
虽然运算放大器100的共模输出信号由(V0++V0-)/2确定，但这个共模输出信号可能是不定的，会使该运算放大器的输出从高增益区漂移到低增益区。为了避免发生该情况，采用共模反馈形式来限定和稳定该共模输出信号。再则，希望共模放大器104的稳定时间响应快得足以避免主差动放大器102的稳定时间响应不致变慢。全差动运算放大器100的输出电压摆动Vd由差动输出电压确定，这里Vd＝V0+-V0-。差动运算放大器100的共模电压Vcm由差动输出电压的平均值来确定，相对于基准电压Vag，Vcm＝(V0++V0-)/2。如果共模电压Vcm连续地与一个诸如Vag＝模拟“地”之类的恒定的基准电压相比较，则该共模反馈电路称为“连续时间共模反馈电路(CTCMFB)”。
图2示出具有CTCMFB的一个典型的全差动CMOS运算放大器作为全差动运算放大器200。全差动运算放大器200由FET晶体管构成，并由电源输入Vcc和Vee供电，设有差动输入端Vin+和Vin-。该主差动放大器由标号206所示的这部分来表示，它由用标号202所示那部分中的电流源Idm来偏置。该共模放大器由晶体管M3、M4、M5、M6、M7和M10构成，而且与包括M5、M6、M7、M8、M9和M10的主差动放大器206的一部分重叠。因此共模放大器204是主差动放大器206的一部分。
共模反馈操作是通过将晶体管M5和M6的栅极电压固定为偏压Vb1并建立流过门M5及M6的相同电流I+I0/2从而建立稳定的源电压来实现的。一旦M5和M6的源电压稳定了，晶体管M3和M4的漏一源电压Vds3和Vds4就固定了。选择Vb1的值使得晶体管M3和M4工作在它们的线性区。选择晶体管M3和M4的沟道宽度与沟道长度之比的宽高比(W/L)3＝(W/L)4使得该共模电压Vcm有一个预定的值，例如地电位。如果共模电压变化，则晶体管M3和M4的电阻将随之变化，并因该电路的负反馈特性而迫使Vcm回到其预定值。图2所示的共模反馈方案的输出电压摆动是由输出晶体管M9/M10和M7/M8的过饱和电压Vdssat确定的，而且是过程很敏感的。与典型的共模反馈相关的缺点包括在无严格限制运算放大器的输出电压摆动(V0+-V0-)的情况下不能在单一低电压电源环境中使用它们。
在另一个共模反馈方案(未示出)中，共模电压Vcm周期性地被更新为共模基准电压Vag，该共模反馈电路称为“动态共模反馈(DCMFB)”。对于双电源系统，Vag＝地电位。在单电源低电压应用中，DCMFB方法最好增加输出电压摆动和改善时间响应。可是，DCMFB电路基于切换(switched)电容器技术并且给输出信号引入了附加的切换噪声。
其它的共模放大器方案包括设计得具有电阻的放大器。这些放大器存在的问题是CMOS中的电阻允差不好控制，而且在运算放大器电路中通常使用大数值电阻，因限制输出电压摆动，从而降低该放大器的性能，迫使工作在较高电源电压上。这里限制电压摆动不是缺点。
据此，现在需要一种适用于低电压单电源应用的、可以提供具有快速瞬时响应时间的宽输出电压摆动的、连续时间共模反馈放大器电路。
图1示出现有技术的具有共模反馈的全差动运算放大器的方框图。
图2示出现有技术的具有连续时间共模反馈的全差动CMOS运算放大器的电路图。
图3示出本发明的连续时间共模反馈放大器的电路图。
图3示出工作在低电压如Vcc＝2.7v的连续时间共模反馈放大器(CTCMFB)，将其称为“共模放大器300”。共模放大器300包括两个差动输入Vcmp和Vcmn，它们由主差动放大器的差动输出V0+和V0-供给(如图1所示)。共模放大器300调节该主差动放大器的差动输出(V0+、V0-)。而且包括在共模放大器300中的是两个镜像低增益CMOS共源极放大器，它们由输入晶体管最好是P沟道FETMP0/MP2和MP3/MP4构成并且由处于饱和的偏置器件MP6和MP7偏置。MP0的栅极接到Vcmp，MP2的栅极接到Vcmn，MP3和MP4的栅极接在一起并接到基准电压Vag。在这个实施例中，共源极放大器(MP0/MP2和MP3/MP4)将两个共模输入电压Vcmp及Vcmn及基准电压Vag变换为电流Icm1和Icm2。这些放大器增益很低，以便在该主差动放大器的整个差动输出工作范围V0+至V0-内提供尽可能线性的工作。器件MP0/MP2和MP3/MP4很好地偏置到它们的三极管(线性)区以保证在很宽的工作范围V0+至V0-内的固定增益。
偏置到它们的饱和区的器件MP28/MP29和MP30/MP31被连接到低增益共源极放大器MP0/MP2和MP4/MP3，以使低增益共源极放大器的漏极对源极电压Vds接近于零伏。偏置FET MP6和MP7分别用电流源I34和I36偏置到饱和以确定该低增益共源极放大器(MP0/MP2和MP3/MP4)的漏极对源极电压。电流源I34和I36由偏置电流Icm偏置的电流镜像电路提供。器件MP0/MP2和MP3/MP4的Vds值选择很低以确保工作的三极管区。器件MP10和MP11是分别由Icm1和Icm2偏置的渥尔曼(cascode)晶体管。渥尔曼FET MP10和MP11可操作地接到低增益FET放大器电路MP0/MP2和MP3/MP4以便提供该共模放大器300的带宽提升。通过箝位该输入晶体管MP0/MP2和MP3/MP4在三极管区，在一个宽的输入电压范围Vcmp至Vcmn内该共模放大器300的增益保持恒定，该范围是该主差动放大器的差动输出范围V0+至V0-。
共模放大器300还包括一个电流一电压变换器302，用以将电流Icm1和Icm2转换为共模控制输出电压Vcontrod。由于电路对称，在静态情况下，Icm1等于Icm2，迫使Vcmn和Vcmp等于Vag。共模输出电压Vcontrol将反馈到该主差动运算放大器输入端口Vcmin而迫使该共模输入节点Vcmp+Vcmn保持在Vag即(Vcmp+Vcmn)/2＝Vag。在双电源结构中基准输入Vag可由在Vcc和Vee电源电压之间的中点产生。因此在双电源结构中基准电压Vag接到地电位，这里的第二电源电压Vee与Vcc电源电压是等值和反向电位的。当该第二电源电压Vee为地电位(单电源结构)时该基准输入接到Vcc电源电压的一半。
共模输入电压Vcmn/Vcmp的任何增加或减少产生电流Icm1的增加或减少，导致输出电压Vcontrol的增加或减少。然后这个电压将由该主差动放大器用于提供共模输出电压Vcm＝(V0++V-)/2的反变化，因此迫使该共模放大器的共模输入电压Vcmn/Vcmp保持在Vag。通过调节偏置电流Icm1和Icm2来控制带宽，共模反馈放大器300独立地补偿瞬时响应时间因而使它与主差动放大器102无关。共模放大器带宽和控制电压输出Vcontrol是从该差动放大器独立地偏置。
本发明所叙述的CTCMFB放大器300是一个无电阻的放大器，它使用在它们的三极管区偏置的晶体管精确地设定共模偏置点Vcmp＝｜Vcmn｜＝Vag以提供一个宽的工作范围。此外，CTCMFB放大器300可应用于任何CMOS或BICMOS差动放大器。图3中所示的CTCMFB300除了电流-电压变换器302之外，还包括P沟道FET，但是CTCMFB也可设计使用N沟道器件。
如本发明所述的连续时间共模反馈电路300适用于低电压单电源环境以及双电源环境，并且允许该共模放大器的瞬时响应时间与该主差动放大器的瞬时响应时间独立地调节，以便对主差动放大器快速瞬时响应。
权利要求
1.一种CMOS共模差动放大器，具有第一和第二供电节点，用于接收第一和第二电源电压、第一和第二共模输入和基准输入，其特征在于包括按镜像配置耦合的第一和第二低增益FET放大器电路，用以提供第一和第二共模电流；偏置在饱和区的第一和第二偏置FET，用以将该第一和第二低增益FET放大器电路偏置到它们的三极管区；第一和第二渥尔曼FET，操作地耦合到第一和第二低增益FET放大器电路，用以控制CMOS共模差动放大器的响应时间；一个电流镜像电路，用以提供第一和第二电流源来偏置该第一和第二偏置FET；和一个电流-电压变换器，响应该第一和第二共模电流，用以提供CMOS共模差动放大器的控制电压输出。
2.根据权利要求1的放大器，其特征在于，还包括偏置到它们的饱和区的第一和第二对FET，每一对接到第一和第二低增益FET放大器电路之一，用于进一步偏置它们到它们的三极管区。
3.根据权利要求1的放大器电路，其特征在于，第一低增益FET放大器电路包括一个第一FET，由该第一共模输入驱动的并由该第一电源电压驱动，用以提供该第一共模电流;和一个第二FET，基本上与第一FET相同的、由第一电源电压供电并由第二共模输入驱动。
4.根据权利要求3的放大器，其特征在于，该第二低增益FET放大器电路包括由第一电源电压供电并由该基准输入驱动的基本上相同的第三和第四FET。
5.根据权利要求1的放大器，其特征在于，该基准输入是由在所述第一和第二电源电压之间的中点产生的。
6.一种CMOS连续时间共模反馈放大器，具有第一和第二供电节点，用于接收第一和第二电源电压、第一和第二共模输入和一个基准输入，其特征在于包括按镜像配置耦合的第一和第二低增益FET放大器电路，用以提供第一和第二共模电流，第一低增益FET放大器电路包括由该第一共模输入驱动并由第一电源电压供电的一个第一FET，用于提供该第一共模电流，而且还包括由第一电源电压供电并由该第二共模输入驱动的、基本上与第一FET相同的一个第二FET，该第二低增益FET放大器电路包括由第一电源电压供电并由该基准输入驱动的基本上相同的第三和第四FET;第一和第二偏置FET，偏置在饱和区，用以偏置第一和第二低增益FET放大器电路到它们的三极管区;第一和第二渥尔曼FET，操作地耦合到第一和第二低增益FET放大器电路，用以控制CMOS连续时间共模反馈放大器的响应时间;一个电流镜像电路，用于提供第一和第二电流源以便偏置第一和第二偏置FET;一个电流-电压变换器，响应第一和第二共模电流，用以提供CMOS连续时间共模反馈放大器的控制电压输出;和第一和第二对FET，偏置到它们的饱和区，每一对FET接到第一和第二低增益FET放大器电路之一，用于进一步偏置它们到它们的三极管区。
7.一种具有共振反馈的全差动运算放大器，其特征在于包括一个主差动放大器，用于接收差动输入电压和提供一个差动输出，该主差动放大器还提供用于控制该主差动放大器的第一响应时间的第一带宽;和一个连续时间共模反馈放大器(CTCMFB)，响应该差动输出，用以提供一个控制电压输出，其中该控制电压输出独立地从该主差动放大器偏置并且反馈到该主差动放大器，该CTCMFB放大器提供用于控制第二响应时间的第二带宽和从该CTCMFB放大器的第二响应时间独立地偏置该主差动放大器的第一响应时间。
8.根据权利要求7的放大器，其特征在于，该CTCMFB放大器包括以镜像配置连接的并被偏置到它们的三极管区用于控制该第二控制电压输出的第一和第二低增益放大器电路。
9.一种全差动运算放大器，其特征在于包括一个主差动放大器，它提供第一响应时间;和一个连续时间共模反馈放大器，它操作地接到该主差动放大器和提供第二响应时间，所述第一和第二响应时间独立地偏置，以便提供该全差动运算放大器的快速瞬时响应时间。
10.根据权利要求9的放大器，其特征在于，该连续时间共模反馈放大器无电阻。
全文摘要
一种连续时间共模反馈放大器CTCMFB(300)适合用于低电压电源环境中要求全差动放大器。在该CTCMFB(300)中的两个镜像的、低增益CMOS放大器(MP0/MP2和MP3/MP4)限定和稳定该主差动放大器(102)的共模输出电压V
文档编号H03F3/45GK1112748SQ9510381
公开日1995年11月29日 申请日期1995年4月3日 优先权日1994年4月4日
发明者耶稣·S·皮纳-非诺尔, 马克·J·钱伯斯, 詹姆斯·B·菲利普 申请人:莫托罗拉公司