[发明专利]一种可靠的低压轨到轨跨导放大电路的输入级

说明书

本发明公开了一种可靠的低压轨到轨跨导放大电路的输入级，涉及半导体技术领域，包括：第十PMOS管、第一PMOS管构成输入PMOS差分对及其尾部电流管第二PMOS管、第十NMOS管、第一NMOS管构成输入NMOS管差分对及其尾部电流管第二NMOS管，第五PMOS管、第三PMOS管、第四PMOS管是第二PMOS管、第十PMOS管、第一PMOS管的等比例复制，第五NMOS管镜像第三NMOS管和第四NMOS管的电流，然后再通过第六PMOS管、第七PMOS管的镜像流入NMOS管差分对的尾电流第二NMOS管。本发明优点在于：跨导保持恒定，功耗明显降低，且达到最优的频率补偿，并不会导致信号失真。

技术领域

本发明涉及半导体技术领域，更具体涉及一种可靠的低压轨到轨跨导放大电路的输入级。

背景技术

随着CMOS工艺技术的不断推进，芯片的特征尺寸越来越小，随之而来的是芯片的工作电压越来越低，这对于轨到轨跨导放大器和运算放大器的设计来说提出了很大的挑战。

为了使跨导放大器能够在0至电源电压的输入范围内能够正常工作，通常的做法是采用PMOS差分对和NMOS差分对并联组成输入差分电路，这样对任意的共模输入电压，至少有一个差分对能够工作。然而，对于不同的共模电压，输入差分电路的跨导变化会有2倍之大，这会造成跨导放大器不能达到最优的频率补偿，导致信号失真。因此，有必要使得在整个输入共模范围内，输入差分电路的跨导保持恒定或者尽可能地减小跨导的变化。

通常的做法是控制PMOS差分对和NMOS差分对的尾电流来达到跨导恒定的要求。由于PMOS/NMOS差分对的开启(关断)点可能随工艺、温度和电源变化太大，因此当电源电压很低时，这种方法的效果不佳甚至在某些情况下失效。

轨到轨运放是一种特殊的运放类型，它可以实现电源电压范围内的输入共模及输出摆幅。随着工艺尺寸的不断缩减，芯片的工作电压也越来越低，轨到轨运放能够很好地解决由此带来的信号输入共模范围或者输出摆幅的降低。运放输出的轨到轨实现比较容易，而输入的轨到轨实现则相对复杂。

一个传统的轨到轨输入跨导放大器如图1所示，图2是图1电路的恒定跨导输入级，增加输出buffer级即可构成轨到轨运放。MN0和MN1构成了输入NMOS差分对，MN2是其尾电流管；MP0和MP1构成了输入PMOS差分对，MP2是其尾电流管。当输入共模电压在0～(VDD-|Vds,MP2|-|Vgs,MP0(1)|)范围内时,PMOS差分对工作；当输入共模电压在(Vds,MN2+Vgs,MN0(1))～VDD范围内时，PMOS差分对工作。如果(VDD-|Vds,MP2|-|Vgs,MP0(1)|)(Vds,MN2+Vgs,MN0(1)),可以看出，这段电压范围内，PMOS差分对和NMOS差分对同时打开。

如果只是单纯地把NMOS差分对和PMOS差分对组合起来，虽然可以实现整个电源电压范围的共模输入，但是可以看出，当输入共模电压位于中间区域时，NMOS差分对和PMOS差分对同时工作，因此它们的跨导gm是叠加关系，比起只有NMOS差分对和PMOS差分对工作来说，gm值增大了一倍(假设PMOS差分对和NMOS差分对的gm相等，gmp＝gmn)。这会带来诸如失真，带宽变化及补偿困难等问题。