本發(fā)明涉及模擬和混合信號集成電路領(lǐng)域，特別涉及一種可用于信號放大電路中的全差分放大結(jié)構(gòu)。

背景技術(shù)：

自從上個世紀五十年代集成電路誕生以來，在過去的幾十年中集成電路都以驚人的速度不斷發(fā)展著，經(jīng)歷了理論基礎(chǔ)、電路結(jié)構(gòu)以及制造工藝的巨大變革，如今集成電路已經(jīng)深入應(yīng)用到人們生活中的方方面面。發(fā)展到今天，運算放大器已經(jīng)成為模擬集成電路中應(yīng)用最廣泛的模塊之一，廣泛應(yīng)用于各種模擬電路和數(shù)模混合電路中。在發(fā)展的過程中，運算放大器的設(shè)計由開始的通用型轉(zhuǎn)向定制型，針對不同的應(yīng)用環(huán)境，設(shè)計出具有相應(yīng)特點的運算放大器。

運算放大器在實際電路應(yīng)用中，常常用來實現(xiàn)加減乘除的功能，一種最常見的應(yīng)用就是實現(xiàn)固定倍數(shù)的信號放大功能，比如常見的精確乘2放大電路。在這種固定倍數(shù)放大的應(yīng)用中，運算放大器常被接成負反饋形式，一般有兩種常見反饋方法，分別用電阻反饋網(wǎng)絡(luò)和電容反饋網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)。使用電阻反饋網(wǎng)絡(luò)的形式要求運放能夠驅(qū)動對應(yīng)阻值的電阻，無形中增加了對運放功耗的要求，并且電阻反饋網(wǎng)絡(luò)會占用較大的芯片面積。使用電容反饋網(wǎng)絡(luò)的形式一般要求增加開關(guān)來控制電容接入的方向，增加了時鐘控制信號，容易干擾模擬信號電壓，并且電容也會占用更多面積。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

為克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明旨在解決功耗、面積的增加和性能的退化，提出一種開環(huán)工作方式的全差分放大器，不需要使用電容或者電阻反饋網(wǎng)絡(luò)，就可以實現(xiàn)特定增益倍數(shù)的模擬信號放大，并且具有良好的魯棒性。為此，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是，魯棒性全差分放大器裝置，包括開環(huán)全差分放大器和共模反饋放大器兩個部分，開環(huán)全差分放大器使用PMOS管作為輸入對管，使用正反饋交叉連接形式的PMOS管作為負載；共模反饋放大器中，使用類似五管運放的結(jié)構(gòu)采集輸入信號和輸出信號的共模電平，產(chǎn)生反饋信號給開環(huán)全差分放大器；通過反饋信號調(diào)節(jié)全差分放大器輸出支路電流大小，實現(xiàn)對輸出電壓共模電平的調(diào)節(jié)控制。

在開環(huán)全差分放大器中，晶體管MP3、MP4、MP5、MP6構(gòu)成電流源，MN3、MN4構(gòu)成由反饋信號VFB控制的電流源，MP15和MP16是輸入對晶體管，MP11、MP12、MP13、MP14是正反饋連接形式的負載晶體管，MP3源極連接電源VDD，柵極連接偏置電壓VBP1，漏極連接MP4的源極，MP4柵極連接偏置電壓VBP2，漏極連接MP11、MP12、MP13、MP14的源極，MP11柵極連接MP11漏極、MP12的柵極和負相輸出端VO-，MP12柵極連接MP11漏極，MP12漏極連接正向輸出端VO+，MP13柵極連接MP14漏極，MP13漏極連接負相輸出端VO-，MP14柵極連接MP14漏極、MP13的柵極和正相輸出端VO+，MP5源極連接電源VDD，柵極連接偏置電壓VBP1，漏極連接MP6的源極，MP6的柵極連接偏置電壓VBP2，漏極連接MP15和MP16的源極，MP15的柵極連接正相輸入端，漏極連接負相輸出端，MP16的柵極連接負相輸入端，漏極連接正相輸出端，MN3的漏極連接負相輸出端，柵極連接反饋信號VFB，源極連接地，MN4的漏極連接到正相輸出端，柵極連接反饋信號VFB，源極連接地，電容C1上極板連接負相輸出端VO-，下極板連接反饋信號VFB，電容C2上極板連接正相輸出端VO+，下極板連接反饋信號VFB。

在反饋放大器中，MP1源極連接電源VDD，柵極連接偏置電壓VBP1，漏極連接MP2的源極，MP2柵極連接偏置電壓VBP2，漏極連接MP7、MP8、MP9、MP10的源極，MP7柵極連接放大器正相輸出端VO+，漏極連接MN1的漏極，MP8柵極連接放大器負相輸出端VO-，漏極連接MN1漏極。MP9柵極連接正相輸入端VIN+，漏極連接MN2漏極，即節(jié)點VFB，MP10柵極連接負相輸入端VIN-，漏極連接MN2漏極，即節(jié)點VFB，MN1柵極連接MN1漏極和MN2柵極，MN1源極接地，MN2柵極連接MN1柵極，源極接地，漏極是反饋信號VFB。

本發(fā)明的特點及有益效果是：

本發(fā)明采用開環(huán)全差分放大器和共模反饋放大器結(jié)構(gòu)，不使用電容或者電阻反饋網(wǎng)絡(luò)，就可以實現(xiàn)特定增益倍數(shù)的模擬信號放大，仿真結(jié)果證明本發(fā)明公布的放大器具有良好的魯棒性。

附圖說明：

圖1是本發(fā)明公開的放大器電路原理圖；

圖2是蒙特卡洛仿真得到的幅頻響應(yīng)曲線族；

圖3是蒙特卡洛仿真得到的增益分布直方圖。

具體實施方式

本發(fā)明公布的全差分放大器主要包括開環(huán)全差分放大器和共模反饋放大器兩個部分。開環(huán)全差分放大器使用PMOS管作為輸入對管，使用正反饋交叉連接形式的PMOS管作為負載。共模反饋放大器中，使用類似五管運放的結(jié)構(gòu)采集輸入信號和輸出信號的共模電平，產(chǎn)生反饋信號給開環(huán)全差分放大器。通過反饋信號調(diào)節(jié)全差分放大器輸出支路電流大小，實現(xiàn)對輸出電壓共模電平的調(diào)節(jié)控制，確保輸出共模電平和輸入共模電平相等。

在開環(huán)全差分放大器中，MP3、MP4、MP5、MP6是電流源，MN3、MN4是由反饋信號VFB控制的電流源。MP15和MP16是輸入對管。MP11、MP12、MP13、MP14是正反饋連接形式的負載晶體管。其連接關(guān)系如下，MP3源極連接電源VDD，柵極連接偏置電壓VBP1，漏極連接MP4的源極。MP4柵極連接偏置電壓VBP2，漏極連接MP11、MP12、MP13、MP14的源極。MP11柵極連接MP11漏極、MP12的柵極和負相輸出端VO-。MP12柵極連接MP11漏極，MP12漏極連接正向輸出端VO+。MP13柵極連接MP14漏極，MP13漏極連接負相輸出端VO-。MP14柵極連接MP14漏極、MP13的柵極和正相輸出端VO+。MP5源極連接電源VDD，柵極連接偏置電壓VBP1，漏極連接MP6的源極。MP6的柵極連接偏置電壓VBP2，漏極連接MP15和MP16的源極。MP15的柵極連接正相輸入端，漏極連接負相輸出端。MP16的柵極連接負相輸入端，漏極連接正相輸出端。MN3的漏極連接負相輸出端，柵極連接反饋信號VFB，源極連接地。MN4的漏極連接到正相輸出端，柵極連接反饋信號VFB，源極連接地。電容C1上極板連接負相輸出端VO-，下極板連接反饋信號VFB。電容C2上極板連接正相輸出端VO+，下極板連接反饋信號VFB。

在反饋放大器中，MP1源極連接電源VDD，柵極連接偏置電壓VBP1，漏極連接MP2的源極，MP2柵極連接偏置電壓VBP2，漏極連接MP7、MP8、MP9、MP10的源極。MP7柵極連接放大器正相輸出端VO+，漏極連接MN1的漏極。MP8柵極連接放大器負相輸出端VO-，漏極連接MN1漏極。MP9柵極連接正相輸入端VIN+，漏極連接MN2漏極，即節(jié)點VFB。MP10柵極連接負相輸入端VIN-，漏極連接MN2漏極，即節(jié)點VFB。MN1柵極連接MN1漏極和MN2柵極，MN1源極接地。MN2柵極連接MN1柵極，源極接地，漏極是反饋信號VFB。

下面結(jié)合具體實施方式對本發(fā)明作進一步詳細地描述。

本發(fā)明公布的魯棒性全差分放大器結(jié)構(gòu)電路圖如圖1所示。對全差分電路通過小信號模型使用半邊電路分析方法，分析在負相輸出端VO-的電流，負相輸出端電流之和為零。忽略溝道長度調(diào)制效應(yīng)，可以得到

gm₁₅×VIN₊+gm₁₁×VO_-+gm₁₃×VO₊＝0 (1)

全差分電路輸入和輸出信號在小信號分析中具有大小相等，符號相反的特點，VO₊＝-VO_-帶入公式(1)，得到

同理可得

其中，MP11和MP14，MP12和MP13，MP15和MP16的寬長比分別相等。因此，放大器增益可以寫成

采用

MOS管電流I₁₁:I₁₂:I₁₅＝I₁₃:I₁₄:I₁₆＝1:2:4，

跨導(dǎo)表達式跨導(dǎo)比值gm₁₁:gm₁₂:gm₁₅＝gm₁₃:gm₁₄:gm₁₆＝1:2:4。

則放大器增益為A＝4。

通過這種方式，實現(xiàn)了開環(huán)工作放大器四倍增益放大的功能。

并且，本發(fā)明公布的放大器開環(huán)放大倍數(shù)只與輸入管和負載管跨導(dǎo)比值有關(guān)，電路中輸入對管和負載管電流由電流源固定，保持不變，跨導(dǎo)表達式由于輸入對管和負載管都是PMOS管，工藝偏差導(dǎo)致的遷移率μ和柵氧化層電容C_ox變化基本保持一致，跨導(dǎo)值gm變化趨勢可以保持高度一致性，跨導(dǎo)比值基本不變。因此，本發(fā)明公布的全差分放大器結(jié)構(gòu)具有很好的魯棒性。

在放大器工作時，輸出共模電平依靠共模反饋放大器調(diào)節(jié)，當輸出共模電平升高時，VO+和VO-之和增加，導(dǎo)致MP7和MP8電流之和減小，MP9和MP10電流之和增大，反饋信號VFB增大，從而MN3和MN4電流增大，形成反饋，降低VO+和VO-電壓。反之，當輸出共模電平降低時，VO+和VO-之和減小，導(dǎo)致MP7和MP8電流之和增大，MP9和MP10電流之和減小，反饋信號VFB減小，從而MN3和MN4電流減小，形成反饋，增大VO+和VO-電壓。總是保持輸出共模電平等于輸入共模電平，即VO₊+VO_-＝VIN₊+VIN_-。

圖2是蒙特卡洛仿真得到的放大器幅頻響應(yīng)曲線族，圖3是蒙特卡洛仿真得到的增益分布直方圖，可以看出，300次仿真得到的增益期望為11.9433dB，標準差為0.0546369dB，對應(yīng)增益為3.95517倍，增益偏差6.3％，即超過99.7％的概率可以將增益控制在3.95517±0.075范圍內(nèi)。仿真結(jié)果證明本發(fā)明公布的放大器具有良好的魯棒性。

盡管上面結(jié)合圖對本發(fā)明進行了描述，但是本發(fā)明并不局限于上述的具體實施方式，上述的具體實施方式僅僅是示意性的，而不是限制性的，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員在本發(fā)明的啟示下，在不脫離本發(fā)明宗旨的情況下，還可以做出很多變形，這些均屬于本發(fā)明的保護之內(nèi)。