放大器电路和放大器布置的制作方法

本申请涉及一种放大器电路和具有此类放大器电路的放大器布置。本申请进一步涉及此类放大器电路的使用。

放大器电路和放大器布置(例如运算放大器)当前在广泛的应用领域中被使用。运算放大器当在集成电路中实现时通常包括一个或多个晶体管差分对。例如，单位增益频率、增益带宽积、转换速率、dc增益、噪声和电流消耗是在放大器中紧密相关的术语，并且是最重要的参数。例如，放大器应越快，需要的电流越多。

然而，尤其是在现在的用于移动装置中的小功率放大器的增长市场中，需要可以集成在半导体装置中且实现减少的电流消耗和增加的性能两者的放大器。

因此本申请的目的是提供一种改善的放大器概念，其在给定的速度要求下提供较少的功率消耗或者在给定的功率消耗下提供增加的速度性能或两者。

用独立权利要求的主题来达到此目的。在从属权利要求中提出了其它实施例和改进。

所述改善的放大器概念是基于取第一对和第二对差分输入晶体管的思想，一个充当差分级且另一个充当ab类级。基于电流的提升方案被用来增强ab类操作。此基于电流的提升方案是基于再使用流过主输入差分对的电流来加速控制ab类操作的节点的充电和放电。借助于具有不同阈值电压的晶体管来完成通过差分对的电流的分解。特别地，主差分对与包括另一差分对的两个电压源(优选地恒压源)交叉耦合。流过主差分对和另一差分对的每个晶体管的电流被充当压控电流源的晶体管的各三元组分解，使得针对主差分对和另一差分对两者形成第二差分级。

在每个三元组中，晶体管中的一个被连接到输出级的差分电流路径，并且一个晶体管被连接到作为电压源的一部分的各偏置电流源。每个三元组中的第三晶体管执行差分对之间的交叉耦合。根据改善的放大器概念的提升方案减少放大器的电流消耗，或者针对相同的电流消耗改善增益带宽积和转换速率或两者。

在根据改善的放大器概念的放大器电路的实施例中，放大器电路具有在输出级的差分电流路径中布置的差分输入端和差分输出端。放大器电路包括具有第一阈值电压且包括连接到差分输入端的控制端子的第一对匹配晶体管。放大器电路还包括具有第一阈值电压且包括连接到差分输入端的控制端子的第二对匹配晶体管。所述第二对匹配晶体管是将所述第一对匹配晶体管交叉耦合的电压源的一部分。例如，第一对和第二对匹配晶体管一起形成第一差分级。

在放大器电路中提供了具有不同于第一阈值电压的第二阈值电压的晶体管的第一对三元组。那些三元组中的每一个的晶体管被共同地连接到第一对匹配晶体管的各专用晶体管，使得各电流路径用专用晶体管来形成。同样地，放大器电路包括具有第二阈值电压的晶体管的第二对三元组。第二对三元组中的每个三元组的晶体管被共同地连接到第二对匹配晶体管的各专用晶体管，使得各电流路径用专用晶体管来形成。

例如，12个电流路径用第一对和第二对三元组的晶体管来形成。第一和第二对匹配晶体管中的每个晶体管是一个专用三元组的三个电流路径的一部分。换言之，通过第一和第二对匹配晶体管的四个晶体管中的每一个的电流被各晶体管三元组分解成三个电流。例如，三元组的晶体管一起形成第二差分级。

使用具有不同阈值电压的晶体管允许有正确的偏置点，即使当两个差分级的共模电压相同且两个差分级的输入信号相同时。

第一对和第二对三元组中的每个三元组的第一晶体管的控制端子被连接到在电流路径中连接的各专用晶体管的控制端子。此外，每个三元组的所述第一晶体管以公共匹配比与同一三元组的第二和第二晶体管匹配。例如，此类匹配比由几何结构比(例如，场效应晶体管的情况下的w/l比)给定。每个三元组的第二和第三晶体管的控制端子被共同地连接到该对的相应另一个三元组的第一晶体管的控制端子。例如，第一对三元组中的第一三元组的第二和第三晶体管的控制端子被连接到第一对三元组中的第二三元组的第一晶体管的控制端子等。

第一对三元组的第一晶体管被连接到输出级的差分电流路径、第二对三元组的第二晶体管以及第一对三元组的相应另一个三元组的各第二晶体管。

同样地，第二对三元组的第一晶体管被连接到作为电压源的一部分的第一对偏置晶体管、第一对三元组的第三晶体管、第二对三元组的相应另一个三元组的第三晶体管以及作为电压源的一部分的第二对偏置晶体管的控制端子。因此，执行第一对和第二对匹配晶体管之间的交叉耦合的电压源包括至少第一对偏置晶体管、第二对偏置晶体管和第二对匹配晶体管。例如，第一对偏置晶体管中的一个与第二对匹配晶体管中的一个和第二对偏置晶体管中的一个形成电流路径。另外，此电流路径还包括第二对三元组的第一晶体管中的一个。电压源或电压源所包括的晶体管分别地可以充当电平移位器。

此外，通过第二对偏置晶体管的电流被镜像到布置于输出级的差分电流路径中的一对匹配输出晶体管。

在晶体管连接的本描述中，假设每个晶体管具有被晶体管的控制端子处的信号控制的受控路径，电流可以流过该受控路径。在场效应晶体管的情况下，控制端子是栅极端子，并且受控路径在晶体管的漏极与源极之间形成。在双极晶体管的情况下，例如，控制端子是基极端子，并且受控路径在集电极与发射极之间形成。因此，如果晶体管被描述为被连接到任何节点，则这意味着连接晶体管的受控路径的一个端子被连接到所述节点。因此，用晶体管到节点的连接，如果没有另外叙述，可以形成从该节点通过晶体管的电流路径。

在放大器电路的特定实施方式中，第二对偏置晶体管中的每一个与第一对匹配晶体管中的一个晶体管和第二对匹配晶体管中的一个晶体管(其控制端子被连接到差分输入端的不同端子)形成各电流路径。例如，第一对匹配晶体管中的其控制端子被连接到差分输入端的正或不倒相输入端的晶体管的电流端子中的一个被连接到第二对匹配晶体管中的其控制端子被连接到差分输入端的负或倒相输入端的晶体管的电流端子中的一个。例如，这些晶体管的其它电流端子被连接到关联或专用三元组的晶体管。

与第二对偏置晶体管中的晶体管匹配的第一对和第二对晶体管中的晶体管之间的此类连接例如用于实现两对之间的交叉耦合。另外，此类交叉耦合导致可以在没有附加电流路径或电流镜像的情况下实现的两对之间的某个反馈，使得可以保持低的电流消耗。

例如，可以针对相同的增益带宽积减少放大器电路的电流消耗，或者可以针对相同的电流消耗实现增强的转换速率和增益带宽积。

例如，第一对偏置晶体管被公共偏压控制。

在特定实施方式中，第二对偏置晶体管中的晶体管和成对的匹配输出晶体管中的晶体管被设计成使得在其之间实现公共镜像比。优选地，通过匹配输出晶体管的电流高于通过第二对偏置晶体管中的晶体管的电流达到由公共镜像比定义的因数。

在某些实施方式中，输出级被实现为共源共栅放大级，其中，第二对偏置晶体管的控制端子被分别地连接到成对匹配输出晶体管的控制端子。因此，匹配输出晶体管中的每一个和第二对偏置晶体管中的晶体管被以电流镜像方式连接，被第二对三元组的第一晶体管控制。此类实施方式确保进一步减少电流消耗，因为不需要附加电流镜像。

例如，共源共栅放大级还包括至少一对共源共栅放大器晶体管，优选地互补类型的第一对和第二对。可以用规则偏置级来控制共源共栅放大器晶体管，向各对提供各共源共栅放大器控制电压。作为替换方案，所述至少一对共源共栅放大器晶体管被增益提升级控制。用后一种度量，可以增加放大器电路的总增益。

在其它实施方式中，还可以将输出级实现为伸缩级，其中，可以用附加电流镜像来执行第二偏置晶体管与匹配输出晶体管之间的镜像。然而，由于用三元组的交叉耦合和电流分解，仍可以保持低的电流消耗。

在某些实施方式中，将电压源实现为翻转电压跟随器单元。例如，每个翻转电压跟随器单元包括第一对和第二对偏置晶体管中的每一个中的第一晶体管和第二对匹配晶体管中的一个晶体管。

放大器电路可以由为金属氧化物半导体或其它场效应晶体管类型的晶体管组成。

替换地，还可以使用双极晶体管并构建通过使用例如金属氧化物半导体晶体管的三元组而形成的第二差分级来实现晶体管中的至少某些，例如第一对和第二对匹配晶体管的那些。

可以用许多不同方式中的至少一个来实现晶体管的不同阈值电压。

这样做的一个方式是用第一差分级的晶体管的栅极氧化物的第一厚度来定义第一阈值电压。第二阈值电压由第二差分级的晶体管的栅极氧化物的第二厚度定义，其中，第一厚度不同于第二厚度。

替换地或另外，可以使用晶体管的不同掺杂以便实现晶体管的不同阈值电压。

此外替换地或另外，阈值电压可以由晶体管的不同体电压定义。

还可以使用具有浮置栅极的双栅极晶体管来实现差分阈值电压。

可以使用根据如上所述的改善放大器概念的放大器电路作为单个放大级或者作为更复杂放大器布置(例如多级放大器)的一部分。

例如，根据改善的放大器概念的放大器布置包括用根据上述实施例中的一个的放大器电路实现的输入放大级以及在下游连接到输入放大级的输出放大级。

例如，此类放大器布置可以包括用于产生至少被提供给输入放大级的补偿信号的频率补偿块。可以根据以下各项中的至少一个来实现此类补偿块：米勒共源共栅放大器、混合式共源共栅放大器或嵌套米勒共源共栅放大器。

可以在连续时间电路中或开关电容器电路中使用根据改善的放大器概念的放大器电路，而不排除其它可能实施方式。

下面将参考附图针对多个实施例详细地描述本发明。相同的参考标号指定具有相同功能的元件或组件。就元件或组件在功能方面彼此相对应而言，将不会在每个以下附图中重复其描述。

在所述附图中：

图1示出了根据改善的放大器概念的放大器电路的实施例的示例性示意图，

图2示出了增益因数的示例性信号图，以及

图3示出了根据改善的放大器概念的放大器布置的示例性实施方式。

图1示出了根据改善的放大器概念的放大器电路。放大器电路被实现为具有输入级is和输出级os的全差分折叠式共源共栅放大器ab类放大级。ab类输入级is由与两个电压源(优选地恒压源)交叉耦合的两个匹配的输入晶体管m1、m2构成。本实施方式中的电压源由两个翻转电压跟随器单元fvf形成，其由第二对匹配晶体管m3、m4、第一对偏置晶体管mbp1、mbp2和第二对偏置晶体管mbn1、mbn2构成。特别地，晶体管m4、mbn2和mbp2组成第一翻转电压跟随器，而第二翻转电压跟随器由晶体管m3、mbn1和mbp1构成。电压源或电压源所包括的晶体管分别地可以充当电平移位器。

晶体管m1、m2、m3、m4具有第一阈值电压。第一对的第一晶体管m1与电压源耦合，因为其源极端子被连接到第二对匹配晶体管中的晶体管m4的源极端子以及偏置晶体管mbn2的漏极端子，形成节点s1。为了确立差分操作，晶体管m1的控制端子或栅极端子被连接到差分输入端的正输入端子inp，而晶体管m4的控制端子或栅极端子被连接到差分输入端的反或倒相输入端子inn。

以类似方式，第一对匹配晶体管的第二晶体管m2与第二电压源耦合，因为其源极端子被连接到第二对匹配晶体管的晶体管m3的源极端子和偏置晶体管mbn1的漏极端子，形成节点s2。

第一对和第二对匹配晶体管的晶体管m1、m2、m3和m4形成输入级is的第一差分级st1。输入级is的相应第二差分级st2由晶体管的第一对三元组lg1、lg2和晶体管的第二对三元组lg3、lg4形成。三元组lg1、lg2、lg3和lg4的所有晶体管具有不同于第一阈值电压的第二阈值电压。优选地，选择阈值电压，使得第一差分级st1的晶体管m1、m2、m3、m4具有高于第二差分级st2的晶体管的阈值电压。

第一三元组lg1包括第一晶体管m1_1、第二晶体管m1_2和第三晶体管m1_3，其源极连接被共同地连接到晶体管m1的漏极端子。以类似方式，第二三元组lg2包括第一晶体管m2_1、第二晶体管m2_2和第三晶体管m2_3，其源极端子被连接到晶体管m2的漏极端子。

以类似组成，第二对三元组的三元组lg3、lg4还相应地被连接到专用晶体管m3或者m4。特别地，三元组lg3的第一晶体管m3_1、第二晶体管m3_2和第三晶体管m3_3被共同地连接到晶体管m3的漏极端子，并且三元组lg4的第一晶体管m4_1、第二晶体管m4_2和第三晶体管m4_3被共同地连接到晶体管m4的漏极端子。

各第一晶体管m1_1、m2_1、m3_1和m4_1以公共匹配比n与同一三元组的相应第二和第三晶体管匹配。因此，每个三元组的第一晶体管承载n倍的分别地被施加相同电压的第二和第三晶体管的电流。每个三元组lg1、lg2、lg3、lg4的所述第一晶体管m1_1、m2_1、m3_1和m4_1的栅极端子被连接到与三元组被连接到的第一对和第二对匹配晶体管m1、m2、m3、m4的专用晶体管相同的差分输入端inp、inn的输入端子。例如，可以将晶体管m1的栅极端子连接到晶体管m1_1的栅极端子，可以将晶体管m2的栅极端子连接到晶体管m2_1的栅极端子等等。

例如，偏置晶体管mbp1、mbp2的源极端子被连接到第一电源端子，特别是正电源端子。可以将偏置晶体管mbn1、mbn2的源极端子连接到第二电源端子，例如负电源端子或接地端子。偏置晶体管mbp1、mbp2的栅极端子被公共偏压vbias控制。

在本示例中，放大器电路的输出级os被实现为共源共栅放大级。此类示例不排除输出级(例如伸缩级)的其它实施方式。输出级由差分电流路径形成，在差分电流路径的每个路径中具有连接在第一电源端子与节点d1、d2之间的一对共模反馈晶体管mp_cmfb1、mp_cmfb2。该对晶体管mp_cmfb1、mp_cmfb2在节点cmfb处被公共反馈电压控制。输出级os还包括被各共源共栅放大器控制电压cascp和cascn控制的第一对和第二对共源共栅放大器晶体管mcp1、mcp2和mcn1、mcn2。在此组成中，共源共栅放大器晶体管mcn1、mcp1的漏极端子被连接而形成放大器电路的差分输出端的负输出节点outn。同样地，共源共栅放大器晶体管mcn2、mcp2的漏极端子被一起连接而形成差分输出端的正输出节点outp。在共源共栅放大器晶体管mcn1、mcn2与第二电源端子之间的输出级的差分电流路径中布置有一对匹配输出晶体管mbn3、mbn4。

下面描述四个三元组lg1、lg2、lg3、lg4的晶体管的连接。例如，第一和第二三元组lg1、lg2的第一晶体管m1_1、m2_1被连接到输出级的差分电流路径，特别是分别地节点d1、d2。节点d1被进一步连接到第二三元组lg2和第四三元组lg4的第二晶体管m2_2和m4_2，其中，这些晶体管m2_2和m4_2被与晶体管m1_1相同的控制电压控制。以对称方式，输出级os中的节点d2被连接到第一三元组lg1和第三三元组lg2的第二晶体管m1_2和m3_2，这些晶体管m1_2和m3_2被与晶体管m2_1相同的控制电压控制。连接到节点d1、d2的后面提到的晶体管主要用于放大器电路的差分操作的目的。

第三三元组lg3的第一晶体管m3_1在其漏极端子处被连接到偏置晶体管mbp1，并且进一步连接到第二三元组lg2和第四三元组lg4的第三晶体管m2_3和m4_3。偏置晶体管mbp1提供偏流iab2。以对称方式，第四三元组lg4的第一晶体管m4_1在其漏极端子处被连接到偏置晶体管mbp2，并且进一步连接到第一三元组lg1的第三晶体管m1_3和第三三元组lg3的m3_3。偏置晶体管mbp2提供偏流iab1。另外，晶体管m4_1的漏极端子被连接到偏置晶体管mbn2的栅极端子。在此节点处存在电压vbn1，其也被提供给输出级os中的输出晶体管mbn2的栅极端子。

同样地，第三三元组lg3的第一晶体管m3_1的漏极端子被连接到偏置晶体管mbn1的栅极端子或控制终端以及输出晶体管mbn4的栅极端子。换言之，通过晶体管mbn1、mbn2的电流ibn1、ibn2被镜像到输出晶体管mbn4、mbn3以便产生电流ibn4和ibn3。用公共镜像比m来执行此镜像，使得输出级os中的晶体管mbn3、mbn4的电流能力比输入级is中的晶体管mbn1、mbn2的电流能力高m倍。因此，连接到偏置晶体管的后面提到的晶体管主要用于放大器电路的ab类操作的目的。此外，由这些晶体管形成各正反馈环路。

根据晶体管的各种连接的以上描述，一个三元组中的每个晶体管与第一差分级st1中的专用晶体管、即第一对和第二对匹配晶体管m1、m2、m3、m4的晶体管形成各电流路径。换言之，流过晶体管m1、m2、m3、m4中的每一个的电流分别地被三个各差分输入压控电流源分解。此外，通过晶体管m1、m4的电流i1、i4被组合成通过偏置晶体管mbn2的电流ibn2。同样地，通过晶体管m2、m3的电流i2、i3被组合成通过偏置晶体管mbn1的电流ibn1。表示为公式，可以将其写为

i1＝i1_1+i1_2+i1_3

i2＝i2_1+i2_2+i2_3

i3＝i3_1+i3_2+i3_3

i4＝i4_1+i4_2+i4_3

以及

ibn1＝i2+i3

ibn2＝i1+i4

进一步考虑图1中的电路，流过正输出端outp和负输出端outn的输出电流ioutp、ioutn是：

loutp＝icmfb-ibn4-i2_1-i1_2-i3_2

loutn＝icmfb-ibn3-i1_1-i2_2-i4_2

另外，假定

在连接节点vbn1和vbn2中应用基尔霍夫定律：

0＝ib-i4_1-i1_3-i3_3

0＝ib-13_1-i2_3-i4_3

在静止条件下，其中节点inp处的电压vinp等于节点inn处的电压vinn，并且ioutp＝ioutn＝0，并且选择

i1_1＝i2_1＝i3_1＝i4_1＝2·i

并且

i1_2＝i1_3＝i2_2＝i2_3＝i3_2＝i3_3＝i4_2＝i4_3＝i

这将得到

ibn1＝ibn2＝i2+i3＝8·i

ib＝4·i

假设偏置电流源mbp1、mbp2在静止条件下提供电流iab1＝iab2＝ib。

因此，

loutp＝icmfb-m·8·i-4·i

loutn＝icmfb-m·8·i-4·i

其中，假定icmfb为晶体管mp_cmfb1、mp_cmfb2提供的电流且假定m为mb3、mb4和mb1、mb2之间的几何结构比：

icmfb＝m·b·i+4·i

通过加速内部节点vbn1和vbn2的充电/放电来增强ab类操作，该内部节点vbn1和vbn2控制通过输出级os处的每个输入端对mbn1、mbn2和电流源mbn3、mbn4的电流。通过当通过将两个差分对中的压控电流源和电压源两者交叉耦合来施加差分输入时再使用流过主差分对m1、m2的电流而构建该加速。

当在差分输入端处施加正差分电压、即节点inp处的电压vinp大于节点inn处的电压vinn时，由于电流i4_2和i2_2将由于m4_2和m2_2被分别地连接到m4和m2(其栅极端子被连接到节点inn)的事实而减小的事实，漏电流i1将增加。电流i1_3和i3_3也由于m1_3和m3_3至节点inn的连接而减小。偏流iab1将完全流到节点vbn1。因此，电流ibn2将增加，并且节点vbn1处的电压将上升。这意味着电流ibn3的增加，增强节点outn的放电。

以相反方式，漏极电流12将由于电流i1_2和i3_2而减小。此电流减小将意味着节点vbn2处的电压的下降。电流ibn4将减小，增强输出节点outp的充电。

因此，考虑输入节点inp和inn处的小信号差分电压dvin，节点vx处的电压移位dvx为：

取后一种关系，并且假定gm1为晶体管m1m2、m3和m4的跨导且gm2为三元组lg1、lg2、lg3、lg4中的晶体管的跨导，通过每个支路的电流为：

这得到：

总差分输出电流ioutdiff为：

例如，取n＝2且假设gm1≈(n+2)·gm2，这得到：

同样地，取n＝4，并且假设gm1≈(n+2)·gm2，这得到：

可以例如通过在扫描公共匹配比n的值时计算最大增益来找到n的最佳值。例如，可以通过相对于跨导gm1观察差分输出电流或者相对于跨导gm1观察放大器电路的总跨导来定义最大增益。

例如，图2示出了用于匹配因数n的不同的值对比放大器的归一化增益的图。在本示例性配置中，可以针对值n＝6找到最大增益。然而，此值可以随放大器电路的变化参数而改变。

在图1的示例性实施方式中，放大器电路由场效应晶体管构成，其中，差分级由n沟道场效应晶体管以及第二对偏置晶体管mbn1、mbn2.形成。第一对偏置晶体管mpb1、mpb2由p沟道场效应晶体管等构成。在可能的补充实施方式中，可以用p沟道场效应晶体管来替换所有n沟道场效应晶体管，并且反之亦然。根据以上描述，特定实施方式将变得对于技术人员而言显而易见。

在其它替换实施方式中，可以用双极晶体管来替换被实现为场效应晶体管的所有或某些晶体管，只要确保第一差分级的晶体管(在这里为m1、m2、m3、m4)具有比第二差分级中的晶体管(在这里为三元组lg1、lg2、lg3、lg4中的晶体管)的阈值电压高的阈值电压即可。

控制第一对和第二对共源共栅放大器晶体管mcp1、mcp2和mcn1、mcn2的共源共栅放大器控制电压cascp和cascn可以由规则偏置电路产生。作为替换方案，还可以通过增益增强来产生共源共栅放大器控制电压cascp和cascn。例如，可以提供附加增益提升级，其在其输入侧处被连接到共源共栅放大器晶体管mcp1、mcp2和mcn1mcn2的源极端子，并且基于该源极端子而提供共源共栅放大器控制电压cascp和cascn。用此类措施，可以增加放大器电路的总增益。

在用基于电流提升方案的改善放大器概念的各种实施方式中，不需要附加的电流路径或额外电流镜像。因此，与此类常规实施方式相比减少了放大器电路的电流消耗。因此，可以用较少的电流消耗来实现相同的增益带宽积和/或转换速率。同样地，可以在不增加电流消耗的情况下实现放大器电路的增益带宽积和转换速率。

可以使用如例如图1中所示的放大器电路作为单个放大级或者作为多级放大器中的放大器。例如，可以使用放大器电路作为具有仅一个输出节点的单端运算放大器。在这种情况下，例如，节点cmfb将被连接到节点d1或节点outn，使得节点outp是单端输出端。

在如图1中所示的配置中，可以使用放大器电路作为差分运算放大器。可以在连续时间电路中或者在开关电容器电路中使用该放大器电路。

还可以在有源滤波器中、在连续时间积分器中、在模数转换器等中使用放大器电路。

在一个特定实施方式中，可以在优选地具有相应频率补偿的多级(例如二级)放大器中使用根据所述改善放大器概念的放大器电路。

例如，图3示出了具有用根据所述改善放大器概念(例如根据图1)的放大器电路实现的第一放大级器且具有在下游连接到第一级的第二放大级的此类实施方式。多级放大器布置的差动输出端outp2、outn2被连接到第二级的输出端。该布置包括频率补偿块，其在其输入侧处被连接到输出端子outp2、outn2和中间输出端子outn、outp并在其输出侧处被连接到第一放大级的节点d1、d2、dn3、dn4。可以根据各种可能的解决方案(例如米勒共源共栅放大器、混合式共源共栅放大器或嵌套米勒共源共栅放大器)来实现该频率补偿块。此外，可以提供用于确定二级放大器布置的特性的反馈电路。