[发明专利]具有对称电路拓扑的差分放大器

说明书

技术领域

本发明涉及一种差分放大器电路并且特别地涉及一种具有包括不 同导电类型的晶体管的两个输入级的差分放大器电路。

背景技术

近年来，由于LSI制造技术中的进步而使得在LSI上实现的 MOSFET的尺寸不断减小，并且这导致了可施加到MOSFET的最大电压 的降低。而且，作为对于移动电子设备的性能增加的要求和需求，对 于电池和周边部件上的发展，以及节约能源的社会需要的结果，增加 了在各种移动电子设备中减小电源电压的要求。

电源电压的减小，不期待地使得难以操作和设计电子设备的电路。 一个问题在于，具有CMOS构造的LSI中广泛使用的增强型NMOS或者 PMOS FET的允许的输入电压范围受到限制。具体地，增强型FET具有 无效的电压范围，在该电压范围中不导通输出电流(这样的特性常常 被称为常关闭型)。更具体地，NMOS晶体管能够以高于其阈值电压的 输入电压来工作，而PMOS晶体管能够以低于通过从电源电压减去阈值 电压而获得的负阈值电压的输入电压来工作。相反，当电源电压减小 时，阈值电压相对电源电压的比率增加了；这意味着禁止电压范围相 对电源电压的比率增加了。另外，电路中的信号电压被减小为低于阈 值电压电平，导致电路的故障。

一种解决该问题的有希望的方法是在差分放大器电路中引入 NMOS晶体管的输入晶体管对和PMOS晶体管的输入晶体管对。图1是 示出这样构建的差分放大器电路的典型构造的电路图。例如，Behzad Razavi在“Design of Analog CMOS Integrated Circuits”，McGraw-Hill， 2002，pp.326中公开了图1的电路构造。

图1的差分放大器电路100包括N型输入级101、P型输入级102和输 出级103。N型输入级101包括NMOS晶体管M11至M13，并且P型输入级 102包括PMOS晶体管M14至M16。NMOS晶体管M12和PMOS晶体管 M14连接到接收差分输入信号中的一个(即非反转的输入信号)的非反 转的输入端IP，而NMOS晶体管M13和PMOS晶体管M15连接到接收另 一差分输入信号(即，反转的输入信号)的反转的输入端IM。即，N 型输入级101中的NMOS晶体管M12和M13构成接收差分输入信号的 NMOS晶体管对，而P型输入级102中的PMOS晶体管M14和M15构成接 收差分输入信号的PMOS晶体管对。

输出级103包括NMOS晶体管M17至M1A以及PMOS晶体管M1B至 M1E。输出级103中的节点N11和N12分别连接至P型输入级102中的 PMOS晶体管M14和M15的漏极，而输出级103中的节点N14和N15分别 连接至N型输入级101中的NMOS晶体管M12和M13的漏极。输出级103 从输出端OUT输出对应于馈送到N型输入级101和P型输入级102的差分 输入信号的输出信号。

增强型晶体管(即常关闭型)可以用于差分放大器电路100中的 NMOS晶体管和PMOS晶体管。

在图1的差分放大器电路100中，允许用NMOS晶体管M12和M13 构造的N型输入级101来接收等于或者高于NMOS晶体管的阈值电压的 输入电压，而允许用PMOS晶体管M14和M15构造的P型输入级102来接 收等于或者低于通过从电源电压减去PMOS晶体管的阈值电压而获得 的电压的输入电压。因此，图1的差分放大器电路100能够处理从接地 至电源电压的整个电压范围中的输入电压。

然而，本发明的发明人已经发现了下述问题，即图1的差分放大器 100的偏移电压不被设置为零。下面将详细讨论该问题。在下面的讨论 中，除非另外有明确的说明，假定差分放大器电路100中的所有MOS晶 体管在饱和区内操作。应注意，出于说明电路操作的概念的目的，所 有MOS晶体管操作在饱和区内的假定并不造成与差分放大器电路100 的实际操作有本质的不精确。

一般来说，MOS晶体管的漏极电流ID用下面的等式(1)表示：