差分放大器的制作方法

专利名称：差分放大器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种差分放大器，并且尤其涉及一种在液晶显示面板 的源极驱动器中使用的差分放大器。
背景技术：
已知有源矩阵液晶显示装置，其包括作为TFT型液晶显示面板的 薄膜晶体管液晶显示器(TFT-LCD)、被安置在TFT-LCD的上侧的源 极驱动器以及被安置在TFT-LCD的侧面的栅极驱动器。在此种液晶显 示装置中，在源极驱动器中使用用于驱动像素的电容器负载的差分放 大器。.
在TFT-LCD中，执行AC驱动，以便防止由于DC电压施加而导 致灼烧。LCD的AC驱动是在每个帧或各条线中反转以公共电平为中 心的写入极性的驱动方法，并且存在诸如"帧反转"、"栅极线反转"、 "漏极线反转"以及"点反转"的多种类型。"帧反转"是在每个帧 中反转写入极性的方法，并且"栅极线反转"是在每个帧中的每N (N 是2或者大于2的整数)条线中的扫描线方向上的写入极性相同且极 性被反转并且在每个帧中进一步反转写入极性的方法。"漏极线反转" 是每个帧中的数据线方向上的写入极性相同并且在每个帧中反转写入 极性的方法。"点极性"是在每个帧中反转相邻像素的写入极性并且 在每个帧进一步反转写入极性的方法。
图8示出液晶显示装置中的源极驱动器10和TFT-LCD (在下文 中也被简单地称为LCD) 20。源极驱动器10包括数据寄存器11，其 捕获给定位数(例如，八位)的数字显示信号R、 G以及B;锁存电路 12，其锁存与选通信号ST同步的数字显示信号；D/A转换器13，其是由并行的N (N是2或者大于2的整数)级的数字模拟转换器组成；液 晶灰阶电压发生器14，其具有符合液晶的特性的伽玛变换特性；以及 N个电压跟随器15 (电压跟随器15_1至电压跟随器15—N)，其缓冲 来自于D/A转换器13的电压。
LCD 20包括TFT 16 (TFT 16_1至TFT 16—N)和像素电容器17 (像素电容器17一1至像素电容器17—N)。每个TFT16被放置在数据 线和扫描线之间的交叉处。每个TFT16的栅极被连接到扫描线，并且 源极被连接到数据线。每个像素电容器17的一端被连接到TFT 16的 漏极，并且另一端被连接到COM端子。尽管为了便于描述而使图8示 出仅一条线的LCD 20的构造，但是实际的LCD包括图8中所示的TFT 16的M (M是2或者大于2的整数)条线。
在液晶显示装置的操作期间，未示出的栅极驱动器顺序地驱动每 条线中的TFT的栅极。
D/A转换器13将来自于锁存电路12的数字显示信号从数字转化 成模拟并且将所获得的电压提供给N个电压跟随器15_1至电压跟随器 15一N中的每一个。电压跟随器15_1至电压跟随器15—N是差分放大器， 并且它们执行从D/A转换器13提供的电压的差分放大并且通过 TFT16_1至TFT16_N将结果应用于像素电容器17—1至像素电容器 17_N。
液晶灰阶电压发生器14生成基准电压并且将其提供给D/A转换器 13。 D/A转换器13通过由ROM开关等组成的未示出的解码器来选择 基准电压。
例如，液晶灰阶电压发生器14包括电阻梯电路，并且通过电压跟 随器对其进行驱动，以便减少在每个基准电压点处的阻抗或以便调整 基准电压。通常，由用作LCD的源极驱动器的输出电路的差分放大器(是图 8的示例中的电压跟随器15)执行对LCD的像素的写入。图9是等同 于日本专利No.3550016的图10，并且它示出日本专利No.3550016中 公布的差分放大器。在下面的描述中，P沟道MOS晶体管和N沟道 MOS晶体管被简单地分别称为P晶体管和N晶体管。
图9中所示的差分放大器是用于驱动等于或者高于电源电压的一 半的灰阶电压的高电压差分放大器。在此差分放大器中，差分级包括 能够输入电压的N晶体管差分对(NM61和NM62)，该电压等于或者 大于作为较高电压电源的电源2的电压的一半并且等于或者小于电源2 的电压。在输入等于或大于作为较低电压电源的电源1的电压并且等 于或小于电源2的电压的一半的电压的情况下，可以使用包括P晶体 管差分对的差分放大器。
如图9中所示，NM61和NM62的源极相互连接，并且NM61的 栅极被连接到-输入端子，并且NM62的栅极被连接到+输入端子。此 外，N晶体管NM63被连接在N晶体管差分对和电源1之间。NM63 用作输入级的恒流源，具有被连接到电源1的源极、被连接到NM61 和NM62的源极的漏极以及被连接到恒压源端子偏置3的栅极。
P晶体管PM53和PM54的源极被连接到电源2。 PM53的栅极和 漏极以及PM54的栅极被连接到NM61的漏极，并且PM54的漏极被连 接到NM62的漏极。
P晶体管PM55的源极被连接到电源2，并且栅极被连接到PM54 和NM62的漏极。此外，N晶体管NM64被连接在PM55的漏极和电 源1之间。NM64用作输出级的恒流源，具有被连接到电源1的源极、 被连接到PM55的漏极的栅极以及被连接到恒压源端子偏置3的栅极。
7PM55的漏极被连接到相位补偿电容器C的一端。具有被连接到 恒压源端子偏置4的栅极和被连接到PM54的漏极的源极的P晶体管 PM56被连接在相位补偿电容器C的另一端和PM55的栅极之间，从而 用作零点电阻器。
在下文中描述了当在电压跟随器构造中连接图9中所示的差分放 大器时的操作。电压跟随器连接是连接差分放大器的-输入端子和输出 端子。电压跟随器构造中的差分放大器是具有高输入阻抗和低输出阻 抗的放大器，按照现在的样子，被输入至+输入端子的电压被输出到输 出端子。
如果+输入端子和输出端子处的电压相等，那么作为流过输入级中 的N晶体管NM63的漏极电流的一半的电流流入NM61和NM62的漏极。
如果+输入端子处的电压变得大于输出端子处的电压，那么作为流 过输入级中的N晶体管NM63的漏极电流流入NM62，并且流入NM61 的电流变成零。因此，流入PM53和PM54的电流也变成零。在这样的 情况下，通过PM54的电流与NM62的电流之间的差来使相位补偿电 容器C放电，PM55的栅极电压减少，通过PM55的电流对输出负载电 容器进行充电，并且输出端子处的电压根据+输入端子处的电压而变得 较高，使得差分放大器输出上升沿。
如果+输入端子处的电压变得低于输出端子处的电压，那么流入 NM62的电流变成零，并且流过输入级中的N晶体管MN63的漏极电 流流入NM61。因此，流过输入级中的N晶体管NM63的漏极电流也 流入PM53和PM54。在这样的情况下，通过PM54的电流与NM62的 电流之间的差来对相位补偿电容器C充电，PM55的栅极电压增加，通 过输出级中的N晶体管NM64的电流来使输出负载电容器放电，并且 输出端子处的电压根据+输入端子处的电压而变得较低，使得差分放大
8器输出下降沿。
这样，输出端子处的电压响应于+输入端子处的电压中的变化而变
化，通过输入级中的恒流源NM63的电流容量、相位补偿电容器C以 及PM55来确定上升速度，并且由输入级中的恒流源NM63的电流容 量、相位补偿电容器C以及输出级中的恒流源NM64来确定下降速度。
图IO示出差分放大器的另一示例。图IO中所示的差分放大器也 是用于驱动等于或者高于电源电压的一半的灰阶电压的高电压差分放 大器。在此差分放大器中，输入级包括能够输入等于或高于作为较高 电压电源的VDD的电压的一半并且等于或低于VDD的电压的电压的 N晶体管差分对(MN1和MN2)。在输入等于或者高于作为较低电压 电源的VSS的电压并且等于或者低于VDD的电压的一半的电压的情 况下，可以使用包括P晶体管差分对的差分放大器。在下面的描述和 附图中，用"INP"表示"+输入端子"并且用"INM"表示"-输入端 子，，。
如图10中所示，被定位在输入级中的MN1和MN2的源极被相互 连接，并且MNi的栅极被连接到输入端子INM，并且MN2的栅极被 连接到输入端子INP。N晶体管MN10被连接在N晶体管差分对和VSS 之间。MN10用作输入级的恒流源，具有被连接到VSS的源极、被连 接到MN1和MN2的源极的漏极以及被连接到恒压源端子BN1的栅极。
被定位在中间级的P晶体管MP3和MP4的源极被连接到VDD。 MP3的栅极和漏极以及MP4的栅极被连接到MN1的漏极，并且MP4 的漏极被连接到MN2的漏极。
P晶体管MP7的源极被连接到VDD，栅极被连接到恒压源端子 BP3，并且漏极被连接到MP4和MN2的漏极。P晶体管MP8的源极被 连接到MP7的漏极，栅极被连接到恒压源端子BP4，并且漏极被连接到N晶体管MN7的漏极。N晶体管MN8的源极被连接到MN7的漏极， 栅极被连接到恒压源端子BN4，并且漏极被连接到MP7的漏极。
被定位在输出级中的P晶体管MP9的源极被连接到VDD，并且 栅极被连接到MP7的漏极。N晶体管MN9的源极被连接到VSS，并 且栅极被连接到MN7的漏极。MP9和MN9的漏极相互连接，用作输 出端子OUT。
此外，相位补偿电容器C1的一端被连接到MP9的漏极。相位补 偿电容器Cl的另一端被连接到MP7的漏极和MP9的栅极。
在下文中描述了当在电压跟随器构造中连接图10中所示的差分 放大器时的操作。
如果输入端子INP和输出端子OUT处的电压相等，那么是流过输 入级中的N晶体管MN10的漏极电流的一半的电流流入MN1和MN2。
如果输入端子INP处的电压变得高于输出端子OUT处的电压，那 么流过MN10的漏极电流流入到MN2中，并且流入MN1的电流变成 零。因此，流入MP3和MP4的电流也变成零。在这样的情况下，通过 MP4的电流与MN2的电流之间的差使相位补偿电容器Cl放电，MP9 的栅极电压减少，通过MP9的电流对输出负载电容器充电，并且输出 端子OUT处的电压根据输入端子INP处的电压而变得较高。
如果输入端子INP处的电压变得低于输出端子OUT处的电压，那 么流入MN2的电流变成零，并且流过MNIO的电流流入MN1。因此， 流过MN10的漏极电流也流入MP3和MP4。在这样的情况下，通过 MP4的电流和MN2的电流之间的差对相位补偿电容器C充电，并且 MP9的栅极电压增加。因为随着MP9的栅极电压的增长，MP8的栅源 电压(VGS)变得更大，所以MP7的漏极电流流入到MP8的量大于流入到MN8的量。从而流入NM8的电流减少，并且MN8的VGS变得 较小，并且MN9的栅极电压增加。然后，通过MN9的电流使输出负 载电容器放电，并且输出端子OUT处的电压根据输入端子INP处的电 压而变得更低。
这样，输出端子OUT处的电压响应于输入端子INP处的电压变化 而变化，通过输入级中的恒流源MNIO、相位补偿电容器C1以及MP9 的电流容量来确定上升速度，并且通过输入级中的恒流源MNIO、相位 补偿电容器C1以及MN9的电流容量来确定下降速度。

发明内容
图9和图IO中所示的差分放大器的充电和放电速度如下。
如上所述，在图9中所示的差分放大器中，输出端子处的电压响 应于+输入端子处的电压变化而变化，通过输入级中的恒流源NM63、 相位补偿电容器C以及PM55的电流容量来确定上升速度，并且通过 输入级中的恒流源NM63、相位补偿电容器C以及输出级中的恒流源 NM64的电流容量来确定下降速度。
MOS晶体管的漏极电流被划分为三极区(非饱和区)和五极区(饱 和区)，在所述三极区中，漏极电流基本上与漏极电压成比例地增加， 在所述五极区中，漏极电流基本上不随漏极电压的增加而改变。三极 区和五极区中的漏极电流的近似表示分别是下面的表达式1和2。在下 面的表达式中，分别用"Id" 、 "Vcjs" 、 "VDS" 、 "W"以及"L" 表示漏极电流、栅源电压、漏源电压、栅极宽度以及栅极长度。
表达式1:表达式2:
如表达式1和2所示，MOS晶体管的漏极电流取决于栅源电压。
在图9所示的差分放大器中，因为PM55的栅源电压根据被驱动 的负载状态而不同，所以作为用于确定上升速度的一个因子的PM55 的电流容量根据负载状态而不同。另一方面，由于输入级中的恒流源 NM64的栅源电压是恒定的，所以不管负载状态如何，作为用于确定下 降速度的一个因子的NM64的电流容量是恒定的。
因此，在图9中所示的差分放大器中，虽然上升速度取决于负载 状态，但是下降速度不取决于负载状态。因此，在该差分放大器中， 上升速度和下降速度是不同的，这导致负载驱动输出波形不对称。
在图10中所示的差分放大器中，输出端子OUT处的电压响应于 输入端子INP处的电压变化而变化，通过输入级中的恒流源MNIO、相 位补偿电容器Cl以及MP9的电流容量来确定上升速度，并且通过输 入级中的恒流源MNIO、相位补偿电容器C1以及MN9的电流容量来 确定下降速度。因为通过图10中所示的差分放大器中的MP9和MN9 的推挽构造来驱动输出负载电容器，所以与图9中所示的差分放大器 相比较，更容易地使用上升沿和下降沿之间的对称。但是，因为寄生 电容器被添加至输入级中的差分对的源极并且寄生电容器影响差分放 大器的压摆率，所以差分放大器的上升速度和下降速度是不同的，这 导致负载驱动输出波形不对称。在下面详细地对其进行描述。
图10中所^的差分放大器中的上升沿处的压摆率被确定如下。
如果具有高度为Vip并且时间为tl的脉冲形状被输入，那么在此时段中流入相位补偿电容器Cl的电流是输入级中的恒流源的电流"211"和流过差分对的源极(源极尾电容器)Cs的寄生电容器的电流 "is"的和(2IH is)。通过下面的表达式3表示差分对的输出电压vo(t)。表达式3:此外，因为这时MN1被导通，所以MN1用作源极跟随器，并且 波形vin(t)输入至栅极并且源极处的波形基本上相同。因而，通过下面 的表达式4表示流过寄生电容Cs的电流is(t)。表达式4:0<t<tl上述表达式3和表达式4得出下面的表达式5和表达式6. 表达式5:w( 丄ft2/l^丄C，^、乂 ci g a Q rt表达式6:"C Cl如表达式6中所示，当差分放大器输出上升沿时，在开始(t=0) 出现"CsVip/Cl"的"跳跃"，然后压摆率变成由输入级中的恒流源13的电流和负载电容器C1所确定的"2I1/C1"。此外，图IO中所示的差分放大器中的下降沿处的压摆率被确定如下。在下降沿的情况下，MN1被截止，并且MN2被导通。在这样的 状态下，MN2用作源极跟随器，并且栅极处的信号波形和源极处的信 号波形基本上相同。因此，通过下面的表达式7表示流过寄生电容器 Cs的电流is(t)。如果流过寄生电容器Cs和负载电容器Cl的电流分别 是"is"和"ic"，那么获得下面的表达式7。t/vo ~ & ~ l.C & = Cs = Cl此外，因为流过负载电容器C1的电流ic是"2Il-is"，所述电流 ic与流过MN2的电流相同，所以获得下面的表达式8。表达式8:& ~ 2/1 - & Cl上述表达式7和表达式8得出下面的表达式9。表达式9:ofvo ~ /s ~ 2/1 A — = Cs + Cl如上述表达式9表示的那样，当图IO中所示的差分放大器输出下 降沿时，通过输入级中的恒流源的电流和差分对的源极的寄生电容器Cs来确定压摆率。如上所述，在包括输入级中的N晶体管差分对的图IO的差分放大器中，在上升沿的开始处出现"csvip/cr'的"跳跃"，然后压摆率 变成由输入级中的恒流源的电流和负载电容器ci所确定的"2ii/cr。另一方面，在下降沿处，压摆率是"211/ (Cs+Cl)"。因此，上升沿和下降沿之间的压摆率不同，并且因而，上升沿和下降沿之间的输出 波形是不对称的。在图IO中所示的差分放大器是其中通过N晶体管形成的输入级中的差分对的示例。在其中通过p晶体管形成输入级中的差分对的差分放大器的情况下，在下降沿的开始处出现"CsVip/Cl"的"跳跃"， 然后压摆率变成"2I1/C1"。另一方面，在上升沿处，压摆率是"211/ (Cs+Cl)"。因此，如图10中所示的差分放大器那样，上升沿和下 降沿之间的压摆率不同，并且因此上升沿和下降沿之间的输出波形是 不对称的。当在特定的灰阶处写入TFT-LCD的像素时，源极驱动器中的差分 放大器的操作根据在前的用于像素的灰阶电压而不同。如果在前的灰 阶电压低于要被写入的下一个灰阶电压，那么差分放大器执行像素电 容器的充电(上升)操作，并且如果在前的灰阶电压高于要被写入的 下一个灰阶电压，那么差分放大器执行像素电容器的放电(下降)操 作。在使用用于源极驱动器的上述差分放大器的情况下，差分放大器 的充电速度和放电速度是不同的，并且由此负载驱动器输出波形是不 同的，使得像素处的写入电压在上升沿和下降沿之间不同。尽管输入 数据指示相同的灰阶，但是这对诸如显示不同颜色的显示器具有不利 影响。这样，从而作为负载驱动输出波形的对称度的差分放大器的上 升/下降速度，是指示LCD中源极驱动器的性能的参数之一，并且是维护对称的关键问题。本发明实施例的示例性方面是差分放大器。差分放大器包括输入 电路，其通过第一输入端子和第二输入端子来接收差分输入；以及后 级处理电路，其根据由输入电路接收到的差分输入来使输出输出。输 入电路包括差分对，其通过具有被连接到第一输入端子的栅极的第一 晶体管和具有被连接到第二输入端子的栅极的第二晶体管来形成，第 一晶体管和第二晶体管具有相互连接的源极；恒流源，其被连接到第 一晶体管和第二晶体管的源极；以及可变电流源，其被连接到第一晶 体管和第二晶体管的源极。后级处理电路包括相位补偿电容器，并且 后级处理电路通过输入电路的恒流源对相位补偿电容器充电和放电， 输出响应于差分输入变化的输出。如果差分输入的变化达到导致差分 对的源极处的寄生电容器要被充电或者放电的水平，则输入电路的可 变电流源导通并且提供用于对寄生电容器充电或者放电的电流。根据作为方法、系统和装置的任何一个的上述示例性方面的差分 放大器的实施作为本发明的实施例的另一示例性方面也是有效的。根据本发明的实施例的示例性方面，可以改进差分放大器中上升 沿和下降沿之间的输出波形的对称。


根据结合附图对特定示例性实施例进行的以下描述，使以上和其 他示例性方面、优点和特征将更加明显，其中图1是表现本发明的原理的差分放大器的示意图；图2是示出在图1中所示的差分放大器的输入级中的可变电流源 的构造的示例的视图；图3是示出在图1中所示的差分放大器的输入级中的可变电流源 的构造的另一示例的视图；图4是示出根据本发明的第一示例性实施例的差分放大器的视图；图5是示出根据本发明的第二示例性实施例的差分放大器的视图；图6是示出根据本发明的第三示例性实施例的差分放大器的视图；图7是示出根据本发明的第四示例性实施例的差分放大器的视图；图8是液晶显示装置的示意图；图9是示出在图8中所示的液晶显示装置的源极驱动器中使用的 差分放大器的构造的示例的视图；图10是示出在图8中所示的液晶显示装置的源极驱动器中使用的 差分放大器的构造的示例的视图；以及图11是图10中所示的差分放大器的示意图。
具体实施方式
在描述本发明的具体示例性实施例之前，与图IO中所示的差分放 大器相比，在下文中描述本发明潜在的原理。图11是图10中所示的差分放大器的示意图。差分放大器包括输 入级41、中间级42以及输出级43。在输入级41中，N晶体管MN1 和MN2的源极被连接以形成N晶体管差分对。恒流源IS1被连接在N 晶体管差分对和VSS之间。输入端子INM和INP分别被连接到MN1 和MN2的栅极，并且MN1和MN2的漏极被连接并且用作输入级41 的输出端子。在中间级42中，输入被连接到输入级41的输出(MN1 和MN2的漏极)，并且输出被连接到输出级43的输入，并且I-V转 换或者I-I转换被执行。在输出级43中，输入被连接到中间级42的输 出，并且输出被连接到输出端子OUT，并且V-V转换或者I-V转换被 执行。如上所述，差分放大器在上升沿处利用通过MN2的恒流源IS1的电流使相位补偿电容器Cl放电，以及在下降沿处利用通过MN1的恒 流源IS1的电流对相位补偿电容器C1充电并且进一步使N晶体管差分 对的源极处的寄生电容器放电。因此，下降沿处的压摆率低于上升沿 处的压摆率。
图1是基于本发明的原理的差分放大器100的示意图。差分放大 器100包括输入级110、中间级42以及输出级43。在图1中，通过相 同的附图标记表示具有与图10中相同功能的元件并且不重复对其的详 细描述。
除了图10中所示的差分放大器的输入级41中的元件之外，输入 级110包括可变电流源IS2，所述可变电流源IS2在N晶体管差分对的 MN2和VSS之间由输入至INP的信号来控制。
差分放大器100的操作状态根据输入电压(输入端子INP和INM 处的电压)而被划分为三种状态。
如果INP和INM处的电压相等，那么可变电流源IS2的电流为零， 并且作为恒流源IS1的电流的一半的电流流入MN1和MN2。
如果INP处的电压变得高于INM处的电压，艮卩，当差分放大器 IOO输出上升沿时，可变电流源IS2的电流为零，并且恒流源IS1的整 个电流流入MN2，并且没有电流流入MN1。这时，与图11中所示的 差分放大器中的一样，相位补偿电容器Cl利用通过MN2的恒流源IS1 的电流来放电。
如果INP处的电压变得低于INM处的电压，S卩，当差分放大器 100输出下降沿时，恒流源IS1的整个电流流入MN1，并且没有电流 流入MN2。此外，电流从可变电流源IS2流出。因此，利用通过MN1 的恒流源IS1的电流来对相位补偿电容器C1充电，通过可变电流源IS2
18的电流使N晶体管差分对的源极处的寄生电容器被放电。
因此，在图1中所示的差分放大器100中，可变电流源IS2的电 流被用于在下降沿处使N晶体管差分对的源极处的寄生电容器放电。 从而可以防止被用于对相位补偿电容器C1充电的恒流源IS1的电流被 分割用于使N晶体管差分对的源极处的寄生电容器放电。结果，可以 抑制差分对100中的下降沿处的压摆率的减少，从而改进上升沿和下 降沿之间的输出波形的对称。
图2示出可变电流源IS2的具体示例。由具有被连接到MN1和 MN2的源极的源极、被连接到VSS的漏极以及被连接到输入端子INP 的栅极的P晶体管MP10来形成图2中所示的可变电流源IS2。
在使用图2中所示的可变电流源IS2的差分放大器100中，如果 INP和INM处的电压相等，则作为恒流源IS1的电流的一半的电流流 入MN1和MN2。因为MN2的源极电压低于INP处的电压，所以MP10 的栅极电压高于源极电压，使得没有电流流入MPIO。
此外，在上升沿处，如果INP的电压变得高于INM处的电压，那 么恒流源IS1的整个电流流入MN2，并且没有电流流入MN1。而且在 这样的情况下，因为MN2的源极电压低于INP处的电压，所以MPIO 的栅极电压高于源极电压，使得没有电流流入MPIO。
另一方面，在下降沿处，如果INP的电压变得低于INM处的电压， 那么恒流源IS1的整个电流流入MNl,并且没有电流流入MN2。在这 样的情况下，因为与INP相比较，MN2的源极电压更高，所以MPIO 的栅极电压低于源极电压，使得电流流入MPIO。
图3示出可变电流源IS2的另一示例。图3中所示的可变电流源 IS2包括P晶体管MP10和N晶体管MNll。 MP10的源极被连接到MN1和MN2的源极，漏极被连接到MNll的漏极，并且栅极被连接 到输入端子INP。 MN11的源极被连接到VSS，漏极被连接到MP10的 漏极，并且栅极被连接到恒压源端子BN2。
在使用图3中所示的可变电流源IS2的差分放大器100中，如果 INP和INM处的电压相等，那么作为恒流源IS1的电流的一半的电流 流入MN1和MN2。因为与INP相比较，MN2的源极电压更低，所以 MP10的栅极电压高于源极电压，使得MP10截止。
此外，在上升处，如果INP处的电压变得高于INM处的电压，则 恒流源IS1的整个电流流入MN2，并且没有电流流入MN1。同样在这 样的情况下，因为与INP相比较，MN2的源极电压更低，MP10的栅 极电压高于源极电压，使得MP10截止。
另一方面，在下降沿处，如果INP处的电压变得低于INM处的电 压，则恒流源IS1的整个电流流入MN1，并且没有电流流入MN2。在 这样的情况下，因为MN2的源极电压高于INP处的电压，所以MPIO 的栅极电压低于源极电压，使得MP10导通。因此，通过MN11偏置 的电流流入MPIO。
在图3中所示的可变电流源IS2中，MN11的电流被用于使N晶 体管差分对的源极处的寄生电容器放电。因为MN11的电流量是恒定 的，所以当VDD的电压不稳定时，可以提供比图2中所示的可变电流 源IS2更加恒定的电流量，从而使得容易控制。
上述的差分放大器100包括输入级中的N晶体管差分对，并且接 收等于或高于VDD电压的一半并且等于或低于VDD电压的电压。在 包括输入级中的P晶体管差分对并且接收等于或高于VSS的电压并且 等于或低于VDD的电压的一半的电压的P晶体管差分对中，还可以使 用根据本发明的示例性实施例的技术。在这种情况下，可以放置在上
20升沿处对P晶体管差分对的源极处的寄生电容器进行充电的可变电流 源。
下面参考附图来描述本发明的示例性实施例。 [第一示例性实施例]
图4示出根据本发明的第一示例性实施例的差分放大器200。差 分放大器200包括输入级210、中间级220以及输出级230。
输入级210包括N晶体管差分对(MN1和MN2)，其能够被输 入等于或高于VDD电压的一半并且等于或低于VDD电压的电压，并 且MN1和MN2的源极相互连接。N晶体管MN10被连接在N晶体管 差分对和VSS之间。MN10用作输入级的恒流源，具有被连接到VSS 的源极，被连接到MN1和MN2的源极的漏极，以及被连接到恒压源 端子BN1的栅极。此外，N晶体管MN11被连接在N晶体管差分对和 VSS之间。
通过将图3中所示的可变电流源IS2施加到图1中所示的输入级 110来构造差分放大器200中的输入级210,并且MN10用作恒流源IS1， 并且MP10和MN11用作可变电流源IS2。此外，差分放大器200中的 中间级220具有与图IO中所示的差分放大器的中间级的构造相同的构 造，并且输出级230具有与图10中所示的差分放大器的输出级的构造 相同的构造，并且因此不重复对这些级的详细描述。
在图4中所示的差分放大器200中，在上升沿处，恒流源IS1的 整个电流流入MN2并且没有电流流入MN1。此外，MP10截止。因此， 在差分放大器200和图10中所示的差分放大器之间上升沿的操作是相 同的。
另一方面，在下降沿，恒流源IS1的整个电流流入MN1并且没有电流流入MN2。此外，MP10导通，使得通过MN11所偏置的电流流 入MPIO。因此，如图10中所示的差分放大器那样，可以使在下降沿 处流入MN10的电流免于被分割用于使N晶体管差分对的源极处的寄 生电容器放电，从而改进上升沿和下降沿之间的输出波形的对称。
图5示出根据本发明的第二示例性实施例的差分放大器300。差 分放大器300包括输入级310、中间级320以及输出级330。
输入级310包括P晶体管差分对(MP1和MP2),其能够被输入 等于或高于VSS的电压并且等于或低于VDD的电压的一半的电压， 并且MP1和MP2的源极相互连接。MP1的栅极被连接到输入端子INM， 并且MP2的栅极被连接到输入端子INP。 P晶体管MP10被连接在P 晶体管差分对和VDD之间。MP10用作恒流源，具有被连接到VDD 的源极、被连接到MP1和MP2的源极的漏极以及被连接到恒压源端子 BP1的栅极。
在输入级310中，MN10和MP11形成可变电流源。MN10的源极 被连接到MP1和MP2的源极，漏极被连接到MP11的漏极，并且栅极 被连接到输入端子INM。 MP11的漏极被连接到MN10的漏极，源极被 连接到VDD，并且栅极被连接到恒压源端子BP2。
在中间级320中，N晶体管MN3和MN4的源极被连接到VSS。 MN3的栅极和漏极以及MN4的栅极被连接到MP1的漏极，并且MN4 的漏极被连接到MP2的漏极。
N晶体管MN7的源极被连接到VSS，栅极被连接到恒压源端子 BN3，并且漏极被连接到MN4和MP2的漏极。P晶体管MP8的源极 被连接到P晶体管MP7的漏极，栅极被连接到恒压源端子BP4，并且 漏极被连接到MN7的漏极。N晶体管MN8的源极被连接到MN7的漏极，栅极被连接到恒压源端子BN4，并且漏极被连接到MP7的漏极。
在输出级330中，P晶体管MP9的源极被连接到VDD，并且栅极 被连接到MP7的漏极。N晶体管MN9的源极被连接到VSS，并且栅 极被连接到MN7的漏极。MP9和MN9的漏极被连接以用作输出端子 OUT。
此外，相位补偿电容器C2的一端被连接到MN9的漏极。相位补 偿电容器C2的另一端被连接到MN7的漏极和MN9的栅极。
在差分放大器300中，在下降沿处，恒流源MP10的整个漏极电 流流入MP2，没有电流流入MPl,并且相位补偿电容器C2被充电， 使得输出端子OUT处的电压根据输入端子INP处的电压而减少。由于 MN10被截止，所以由MN10和MP11形成的可变电流源不影响输出波 形。
另一方面，在上升沿处，恒流源MP10的整个漏极电流流入MP1， 没有电流流入MP2，并且相位补偿电容器C2被放电，使得输出端子 OUT处的电压根据输入端子INP处的电压而增加。这时，如果不放置 由MN10和MP11形成的可变电流源，则流入MPIO的电流还用于对P 晶体管差分对的源极处的寄生电容器进行充电，这使上升沿和下降沿 之间的输出波形的对称劣化。
在根据示例性实施例中的差分放大器300中，因为在上升沿处可 变电流源的MN10导通，所以通过MPll偏置的电流流入MNIO，这用 于对P晶体管差分对的源极处的寄生电容器进行充电。从而可以在差 分放大器300中使在上升沿处流入MP10的电流免受被分割用于对P 晶体管差分对的源极处的寄生电容器进行充电，因而改进上升沿和下 降沿之间输出波形的对称。[第三示例性实施例]
图6示出根据本发明的第三示例性实施例的差分放大器400。差
分放大器400包括输入级210、中间级420以及输出级430。
输入级210与图4中所示的根据第一示例性实施例的差分放大器 200中的输入级210相同。
中间级420是折叠共源共栅构造中的中间级，并且它包括两个浮 置电流源(电流源符号和MN8/MP8)。
输入级210中的N晶体管MN1的漏极被连接到中间级420中的P 晶体管MP12的漏极和P晶体管MP14的源极，并且N晶体管MN2的 漏极被连接到中间级420中的P晶体管MP13的漏极和P晶体管MP15 的源极。
P晶体管MP12和MP13的源极和栅极被分别地相互连接，并且被 连接的源极被连接到VDD。
P晶体管MP14的源极被连接到MP12的漏极，并且P晶体管MP14 的漏极被连接到MP12和MP13的连接的栅极。P晶体管MP15的源极 被连接到MP13的漏极，并且P晶体管MP15的漏极被连接到P晶体 管MP8的源极和N晶体管MP8的漏极。MP14和MP15的栅极相互连 接并且进一步被连接到恒压源端子BP5。
N晶体管MN12和MN13的源极和栅极分别相互连接，并且被连 接的源极连接到VSS。 MN12和MN13的漏极分别连接到N晶体管 MN14和MN15的源极。MN14的漏极连接到MN12和MN13的被连接 的栅极。MN15的漏极被连接到MN8的源极和MP8的漏极。MN14和 MNi5的栅极相互连接并且进一步被连接到恒压源端子BN5。P晶体管MP8的栅极被连接到恒压源端子BP4，源极被连接到 MP15的漏极，并且漏极被连接到MN15的漏极。
N晶体管MN8的栅极被连接到恒压源端子BN4，源极被连接到 MN15的漏极，并且漏极被连接到MP15的漏极。
MP8和MN8用作浮置电流源。
输出级430是由偏置电压BP4和BN4、MN8和MP8所控制的AB 类输出级。
P晶体管MP9是具有连接到VDD的源极、被连接到MP8的源极 的栅极以及被连接到输出端子OUT的漏极的输出晶体管。
N晶体管MN9是具有连接到VSS的源极、被连接到MN8的源极 的栅极以及被连接到输出端子OUT的漏极的输出晶体管。
相位补偿电容器Cl的一端被连接到MP9的栅极，并且另一端被 连接到输出端子OUT。相位补偿电容器C2的一端被连接到MN9的栅 极，并且另一端被连接到输出端子OUT。
在下文中描述当在电压跟随器构造中连接图6中所示的差分放大 器时的操作。假定在本示例中形成输入级中的恒流源的N晶体管MN10 的漏极电流是21。
如果+输入端子和输出端子处的电压相等，那么流过输入级中的N 晶体管MN10的漏极电流的一半的电流I都流入MN1和MN2的漏极。
如果+输入端子处的电压变得高于输出端子处的电压，那么流过 MN10的漏极电流2I流入MN2，并且没有电流流入MN1。此外，如果
25中间级浮置电流源符号的电流是Im，那么流入MP12的电流等于浮置 电流源的电流Im，因为MN1的电流是零。由于MP12和MP13形成电 流镜，所以等于浮置电流源的电流Im的电流也流入MP13。因为2I的 电流流入MN2，如果MP13的电流Im不大于2I，则形成中间级的MP15、 MP8、 MN15以及MN8的电流变成零，并且输出级的偏置变得不确定。 从而必需的是大于输入级恒流源的电流21的电流必须流入中间级浮置 电流源。因此，中间级浮置电流源的电流被设置为31。
然后，流入MP12和MP13的电流是31，并且因为流过MP13的 除了电流31之外的电流21被分流进入MN2，所以流入MP15的电流是 I。
此外，流入MN12的电流是中间级浮置电流源的电流31。因为 MN12和MN13形成电流镜，所以流入MN13的电流是31，并且流入 MN15的电流是51，这与流入MP15的电流相同。
通过流过MN15的电流I与流过MN13的电流31之间的差21使相 位补偿电容器Cl和C2放电，MP9和MN9的栅极电压减少，输出负 载电容器被充电，并且输出端子OUT处的电压根据+输入端子INP处 的电压而变得更高。
另一方面，如果+输入端子处的电压变得低于输出端子处的电压， 则流过MP10的漏极电流21流入MN1，并且没有电流流入MN2。此外， 如果中间级浮置电流源符号的电流是31，则流入MP12的电流是51， 因为浮置电流源符号的电流31被添加至MN1的电流21。因为MP12 和MP13形成电流镜，所以电流5I也流入MP13。
此外，流入MN12的电流是中间级浮置电流源的电流31。因为 MN12和MN13形成电流镜，所以流入MN13的电流是31，并且流入 MN15的电流是51，这与流入MP15的电流相同。通过流过MN15的电流5I与流过MN13的电流3I之间的差2I使 相位补偿电容器Cl和C2放电，MP9和MN9的栅极电压减少，输出 负载电容器被充电，并且输出端子OUT处的电压根据+输入端子INP 处的电压而变得更低。
这样，输出端子OUT处的电压响应于+输入端子INP处的电压变 化而变化。
在差分放大器400中，与图4中所示的差分放大器200中的一样， 由MP10和MN11形成的可变电流源在下降沿处提供用于使输入级210 中的N晶体管差分对的源极处的寄生电容器放电的电流，从而改进上 升沿和下降沿之间的输出波形的对称。
图7示出根据本发明的第四示例性实施例的差分放大器500。差 分放大器500包括输入级310、中间级520以及输出级530。
输入级310与图5中所示的根据第二示例性实施例的差分放大器 300中的输入级310相同。
中间级520是折叠共源共栅构造中的中间级，并且它包括两个浮 置电流源(电流源符号和MN8/MP8)。
输入级310中的P晶体管MP1的漏极被连接到中间级520中的N 晶体管MN12的漏极和N晶体管MN14的源极，并且输入级310中的 P晶体管MP2的漏极被连接到中间级520中的N晶体管MN13的漏极 和N晶体管MN15的源极。
P晶体管MP12和MP13的源极和栅极分别相互连接，并且被连接
27的源极连接到VDD。
P晶体管MP14的源极被连接到MP12的漏极，并且P晶体管MP14 的漏极被连接到MP12和MP13的被连接的栅极。P晶体管MP15的源 极被连接到MP13的漏极，并且P晶体管MP15的漏极被连接到P晶 体管MP8的源极和N晶体管MN8的漏极。MP14和MP15的栅极相互 连接并且进一步连接到恒压源端子BP5。
N晶体管MN12和MN13的源极和栅极分别相互连接，并且被连 接的源极被连接到VSS。 MN12和MN13的漏极分别连接到N晶体管 MN14和MN15的源极。MN14的漏极被连接到MN12和MN13的被连 接的栅极。MN15的漏极被连接到MN8的源极和MP8的漏极。MN14 和MN15的栅极相互连接并且进一步连接到恒压源端子BN5。
P晶体管MP8的栅极被连接到恒压源端子BP4，源极被连接到 MP15的漏极，并且漏极被连接到MN15的漏极。
N晶体管MN8的栅极被连接到恒压源端子BN4，源极被连接到 MN15的漏极，并且漏极被连接到MP15的漏极。
MP8和MN8用作浮置电流源。
输出级530是由偏置电压BP4和BN4、 MN8和MP8控制的AB 类输出级。
P晶体管MP9是具有连接到VDD的源极、被连接到MP8的源极 的栅极以及被连接到输出端子OUT的漏极的输出晶体管。
N晶体管MN9是具有连接到VSS的源极、被连接到MN8的源极 的栅极以及被连接到输出端子OUT的漏极的输出晶体管。相位补偿电容器Cl的一端被连接到MP9的栅极，并且另一端被 连接到输出端子OUT。相位补偿电容器C2的一端被连接到MN9的栅 极，并且另一端被连接到输出端子OUT。
在下文中描述当在电压跟随器构造中连接图7中所示的差分放大 器时的操作。假定在本示例中形成输入级中的恒流源的P晶体管MP10 的漏极电流是21。
如果+输入端子和输出端子处的电压相等，则流过输入级中的P晶 体管MPIO的漏极电流的一半的电流I流入MP1和MP2的漏极。
如果+输入端子处的电压变得高于输出端子处的电压，则流过 MP10的漏极电流2I流入MP1，并且没有电流流入MP2。此外，如果 中间级浮置电流源符号的电流是31，则流入MN12的电流是51，因为 浮置电流源符号的电流31被添加到MPI的电流21。由于MN12和MN13 形成电流镜，所以电流5I也流入MN13。
此外，流入MP12的电流是中间级浮置电流源的电流3I。因为MP12 和MP13形成电流镜，所以流入MP13的电流是31，并且流入MP15 的电流是51，这与流入MN15的电流相同。
通过流过MP15的电流51与流过MP3的电流31之间的差21使相 位补偿电容器Cl和C2放电，MP9和MN9的栅极电压减少，输出负 载电容器被充电，并且输出端子OUT处的电压根据+输入端子INP处 的电压而变得更高。
另一方面，如果+输入端子处的电压变得低于输出端子处的电压， 流过MPIO的漏极电流2I流入MP2，并且没有电流流入MP1。此外， 如果中间级浮置电流源符号的电流是31，则流入MN12和MN13的电流是31，并且因为流过MN13的除了电流31之外的电流21被分散进入 MP2，所以流入MN15的电流是I。
此外，流入MP12的电流是中间级浮置电流源的电流3I。因为MP12 和MP13形成电流镜，所以流入MP13的电流是31，并且流入MP15 的电流是I，这与流入MN15的电流相同。
通过流过MP15的电流I与流过MP13的电流3I之间的差21使相 位补偿电容器Cl和C2放电，MP9和MN9的栅极电压减少，输出负 载电容器被充电，并且输出端子OUT处的电压根据+输入端子INP处 的电压而变得更低。
这样，输出端子OUT处的电压响应于输入端子INP处的电压变化 而变化。 _
在差分放大器500中，与图5中所示的差分放大器300中的一样， 由MN10和MP11形成的可变电流源在上升沿处提供用于对输入级310 中的P晶体管差分对的源极处的寄生电容器进行充电的电流，从而改 进上升沿和下降沿之间的输出波形的对称。
尽管在前述描述了本发明的示例性实施例，但是仅通过说明给出 上述示例性实施例，并且可以在不脱离本发明的范围的情况下进行各 种变化和修改。对本领域的技术人员来说显而易见的是，所有的这种 变化和修改意图用于包含在本发明的范围之内。
例如，在图4到图7中所示的各个差分放大器中，用于充电或者 放电输入级中差分对的源极处的寄生电容器的可变电流源具有与图3 中所示的可变电流源相对应的构造。可替选地，那些差分放大器的输 入级中的可变电流源具有与图2中所示的可变电流源相对应的构造。虽然根据若干示例性实施例描述了本发明，但是本领域的技术人 员将理解本发明可以在所附的权利要求的精神和范围内进行各种修改
的实践，并且本发明并不限于上述的示例。
本领域的技术人员能够根据需要组合上述四个示例性实施例。
此外，权利要求的范围不受到上述的示例性实施例的限制。
此外，应当注意的是，申请人意在涵盖所有权利要求要素的等同 形式，即使在后期的审査过程中对权利要求进行过修改亦是如此。
权利要求
1.一种差分放大器，包括输入电路，其通过第一输入端子和第二输入端子接收差分输入，以及后级处理电路，其输出根据所述输入电路接收到的差分输入的输出，其中，所述输入电路包括差分对，其由第一晶体管和第二晶体管形成，所述第一晶体管具有与所述第一输入端子相连接的栅极，所述第二晶体管具有与所述第二输入端子相连接的栅极，所述第一晶体管和所述第二晶体管具有相互连接的源极，恒流源，其连接到所述第一晶体管的源极和所述第二晶体管的源极，以及可变电流源，其连接到所述第一晶体管的源极和所述第二晶体管的源极，所述后级处理电路包括相位补偿电容器，并且通过经由所述恒流源对所述相位补偿电容器进行充电和放电，来输出响应于所述差分输入的变化的输出，以及如果所述差分输入的变化达到导致所述差分对的源极处的寄生电容器要被充电或放电的水平，则所述输入电路的所述可变电流源导通，并且提供用于对所述寄生电容器充电或者放电的电流。
2. 根据权利要求l所述的差分放大器，其中， 所述第一晶体管和所述第二晶体管是N沟道MOS晶体管， 当所述第二输入端子处的电压变得高于所述第一输入端子处的电压时，所述后级处理电路通过经由所述恒流源使所述相位补偿电容器 放电来输出上升沿，并且当所述第二输入端子处的电压变得低于所述 第一输入端子处的电压时，所述后级处理电路通过经由所述恒流源对 所述相位补偿电容器充电来输出下降沿，以及如果所述第二输入端子处的电压变得低于所述第一输入端子处的 电压，则所述可变电流源导通，并且提供用于使所述差分对的源极处 的寄生电容器放电的电流。
3. 根据权利要求2所述的差分放大器，其中， 所述可变电流源包括P沟道MOS晶体管，所述P沟道MOS晶体管具有与所述第二晶体管的源极相连接的源极、与所述第二输入端子 相连接的栅极、以及与较低电压电源相连接的漏极。
4. 根据权利要求2所述的差分放大器，其中，所述可变电流源包括具有P沟道MOS晶体管和N沟道MOS晶体 管，所述P沟道MOS晶体管和N沟道MOS晶体管具有相互连接的漏 极，所述P沟道MOS晶体管具有与所述第二晶体管的源极相连接的源 极和与所述第二输入端子相连接的栅极，以及所述N沟道MOS晶体管具有与较低电压电源相连接的源极和与 偏置电压相连接的栅极。
5. 根据权利要求l所述的差分放大器，其中， 所述第一晶体管和所述第二晶体管是P沟道MOS晶体管， 当所述第二输入端子处的电压变得高于所述第一输入端子处的电压时，所述后级处理电路通过经由所述恒流源对所述相位补偿电容器 进行放电来输出上升沿，并且当所述第二输入端子处的电压变得低于 所述第一输入端子处的电压时，所述后级处理电路通过经由所述恒流 源对所述相位补偿电容器进行充电来输出下降沿，以及如果所述第二输入端子处的电压变得高于所述第一输入端子处的 电压，则所述可变电流源导通，并且提供用于对所述差分对的源极处 的寄生电容器进行充电的电流。
6. 根据权利要求5所述的差分放大器，其中，所述可变电流源包括N沟道MOS晶体管，该N沟道MOS晶体管 具有与所述第二晶体管的源极相连接的源极、与所述第二输入端子相 连接的栅极、以及与较高电压电源相连接的漏极。
7.根据权利要求5所述的差分放大器，其中，所述可变电流源包括N沟道MOS晶体管和P沟道MOS晶体管， 该N沟道MOS晶体管和P沟道MOS晶体管具有相互连接的漏极，所述N沟道MOS晶体管具有与所述第二晶体管的源极相连接的 源极和与所述第二输入端子相连接的栅极，以及所述P沟道MOS晶体管具有与较高电压电源相连接的源极和与偏 置电压相连接的栅极。
全文摘要
本发明提供了一种差分放大器。差分放大器的输入级包括差分对，其由N沟道MOS晶体管MN1和N沟道MOS晶体管MN2形成，所述N沟道MOS晶体管MN1具有被连接到INM的栅极，所述N沟道MOS晶体管MN2具有被连接到INP的栅极，都具有相互连接的源极；恒流源，其被连接到MN1和MN2的源极；以及可变电流源，被连接到MN1和MN2的源极。具有中间级和输出级的后级处理电路包括相位补偿电容器，并且通过恒流源使相位补偿电容器充电和放电，输出响应于差分输入变化的输出。当变化达到导致差分对的源极处的寄生电容器要被放电的水平时，可变电流源导通，并且提供用于使寄生电容器放电的电流。
文档编号H03F3/45GK101645696SQ200910164989
公开日2010年2月10日 申请日期2009年8月5日 优先权日2008年8月5日
发明者岛谷淳 申请人:恩益禧电子股份有限公司