[发明专利]基于反相器的差分放大器

说明书

一种电路可以包含第一电流源、第二电流源和电耦合在第一电流源和第二电流源之间的差分反相放大器。该差分反相放大器可以包含多个负载电阻器和多个二极管连接的金属氧化物半导体(MOS)钳位器，所述多个二极管连接的金属氧化物半导体(MOS)钳位器被配置为限制输出摆动并使共模干扰最小化。

技术领域

本公开涉及电子放大器电路，更具体地，涉及反相放大器(inverter amplifier)比较器。

背景技术

某些先前的架构被配置用于低噪声高速差分放大器，这些放大器充当带有负载电阻器的简单差分对和差分反相放大器拓扑。对于低噪声高速应用，简单性可能很有用，因为额外的复杂性可能会使噪声性能、带宽或两者降级。对于便携式电池操作设备，有效利用电流可能是有用的。

图1示出了结合了用于增益和电阻负载的金属氧化物半导体(metal oxidesemiconductor，MOS)差分对的先前拓扑100的示例。该电路提供低噪声、合理的增益和高带宽。图2示出了由图1就所示器件尺寸和技术所示的拓扑100的交流电(alternatingcurrent，AC)、噪声和瞬态性能200。

虽然具有负载电阻器的差分对是低噪声拓扑，但是可以采用使用负沟道MOS(NMOS)和正沟道MOS(PMOS)差分对两者的配置的放大器拓扑。这些反相放大器拓扑可以提供性能的改善，因为偏置电流被用于在NMOS对和PMOS对两者中生成增益(gm)。图3示出了先前的差分反相放大器拓扑300的示例，其中偏置电流流过PMOS差分对和NMOS差分对两者，从而有效地将可用gm加倍，用于适当优化的器件定尺寸(sizing)。复制(replica)偏置电路被用于设置NMOS和PMOS偏置电流。这里，vcm被外部设置为vdd/2，并且复制偏置电路进行调节，使得PMOS电流源和NMOS电流源的栅极也处于vdd。

图3所示的差分反相放大器300可以用于高信号限制级，诸如参考中的时钟缓冲器。然而，存在严重的问题，使得这种系统不适用于针对具有大动态范围的输入信号的高速低噪声放大器级。用于逐次逼近型(Successive Approximation Register，SAR)模数转换器(Analog to Digitial Converter，ADC)的比较器就是一种这样的应用。

图4示出了结果400，表明与vcm＝vdd/2的期望输出共模相比，输出共模电压约为850mV。由于NMOS电流源和PMOS电流源两者的栅极都连接在图4中标记为vgn的节点上，因此电压接近vdd的一半。这使得电路对器件参数敏感，并且难以在期望输出共模电压处平衡。图6示出了蒙特卡罗失配(mismatch)模拟的结果600，并且输出共模在大部分的电源范围上变化，这可能导致电路表现出增益和带宽的过度变化。此外，由于动态余量(headroom)问题，电路可能在共模电压的极端情况下变得不可工作。

除了过度共模变化的问题之外，图3所示的电路300可能表现出依赖于信号的限制行为，这在SAR应用中是不希望的，因为这种行为可能导致失真。图4和图5之间的比较显示，输出共模电压和标记为vsp和vsn的两个公共源节点在30mV和500mV的输入信号情况之间表现出显著不同的行为。

取决于以下输入信号，该电路300具有三种不同的工作模式：小信号，没有限制并且输入器件工作在有源区中；中信号，输入开关器件进入三极管(triode)区并充当开关；以及大信号，输入器件充当开关并且电流源由于低动态余量而进入三极管区。小和中信号模式可能没有问题，但应当避免其中电流源被挤压(crush)的大信号模式。

所公开技术的实施例解决了现有技术中的这些和其他限制。

附图说明

图1示出了结合了用于增益和电阻负载的金属氧化物半导体(MOS)差分对的先前拓扑的示例。

图2示出了图1所示的拓扑的交流(AC)、噪声和瞬态性能。

图3示出了先前的差分反相放大器拓扑的示例。