折叠共源共栅放大器及模拟电路的制作方法

本发明涉及放大器技术领域，尤其是涉及一种折叠共源共栅放大器及模拟电路。

背景技术：

随着便携式电子设备的普及，市场对低功耗模拟电路的需求也越来越迫切。目前，一种工作在亚阈值区的电流回收型mos管折叠共源共栅放大器因其低功耗而得到广泛的应用，该传统电流回收型折叠共源共栅放大器的电路结构如图1所示，它包括电流分流回收的输入级、放大回收电流的中间级和轨到轨输出级。其中，上述输入级由四个pmos管m1a、m2a、m1b、m2b组成；上述中间级主要是由两个电流镜组成；上述输出级则主要是由四个pmos管(m7a、m7b、m8a、m8b)和两个nmos管(m5b、m6b)组成。正向输入信号通过输入管m1a将电压信号转换成向下的电流信号，同时负向输入信号通过输入管m2b将电压信号转换成向上的回收电流信号，该回收电流通过交叉连接的电流镜m3b、m3a、m5a被放大k倍，并与m1a管向下的电流一起通过m5b流向负向输出端。

传统电流回收型折叠共源共栅放大器存在以下不足：传统放大器输入级的输出电流主要受偏置电路产生的偏置电流的影响，因工作在亚阈值区，该偏置电流较小，因而导致该输出电流的大小也受到限制；其次，传统放大器只能线性放大电流，无法更大地放大电流。以上两点都限制了放大器的压摆率。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种折叠共源共栅放大器及模拟电路，以使放大器输入级的输出电流成平方倍增大，并且放大器的中间级再次将电流放大平方倍并传输给输出级，最终压摆率是输入电压的四次方倍的关系，从而大大提高放大器的压摆率。

第一方面，本发明实施例提供了一种折叠共源共栅放大器，包括：自适应偏置输入级，与自适应偏置输入级电连接的正反馈非线性放大中间级，与自适应偏置输入级和正反馈非线性放大中间级分别电连接的轨到轨输出级；自适应偏置输入级包括翻转电压跟随器、偏置电流镜、第一差分输入对和第二差分输入对，用于将输入电压信号转换成电流信号提供给正反馈非线性放大中间级；偏置电流镜的两个输出端分别通过第一连接点和第二连接点与翻转电压跟随器连接；翻转电压跟随器通过第三连接点与第一差分输入对连接，通过第四连接点与第二差分输入对连接；第一差分输入对的输入端连接正相输入电压vin+；第二差分输入对的输入端连接反相输入电压vin-；正反馈非线性放大中间级包括第一非线性电流镜和第二非线性电流镜，用于将电流信号放大后提供给轨到轨输出级；第一非线性电流镜通过第五连接点与第一差分输入对连接，通过第七连接点与第二分流管连接；第二非线性电流镜通过第六连接点与第二差分输入对连接，通过第八连接点与第一差分输入对连接；轨到轨输出级用于将放大后的电流信号转换成电压信号并输出；轨到轨输出级的两个输入端分别通过第五连接点、第六连接点与第一非线性电流镜、第二非线性电流镜相连；输出级的输出端连接到输出电压vo。

结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第一种可能的实施方式，其中，翻转电压跟随器包括第一翻转电压跟随器和第二翻转电压跟随器；第一翻转电压跟随器包括晶体管m9、m1c；第二翻转电压跟随器包括晶体管m10、m2c；晶体管m9的源极与第一电平信号vdd相连，漏极与第三连接点相连，栅极与第一连接点相连；晶体管m1c的源极与第三连接点相连，漏极与第一连接点相连，栅极与反相输入电压vin-相连；晶体管m10的源极、漏极、栅极分别与第一电平信号vdd、第四连接点、第二连接点相连；晶体管m2c的源极、漏极、栅极分别与第四连接点、第二连接点、正相输入电压vin+相连。

结合第一方面的第一种可能的实施方式，本发明实施例提供了第一方面的第二种可能的实施方式，其中，偏置电流镜包括晶体管m11、m12、m13和电流源；晶体管m11、m12、m13的源极都与第二电平信号vss相连；晶体管m11、m12、m13的栅极都与电流源的输出端相连；晶体管m11、m12、m13的漏极分别与第一连接点、第二连接点、电流源的输出端相连；电流源的输入端与第一电平信号vdd相连。

结合第一方面的第二种可能的实施方式，本发明实施例提供了第一方面的第三种可能的实施方式，其中，第一差分输入对包括晶体管m1a和m1b；第二差分输入对包括晶体管m2a和m2b；晶体管m1a的源极、漏极、栅极分别与第三连接点、第五连接点、正相输入电压vin+相连；晶体管m1b的源极、漏极、栅极分别与第三连接点、第八连接点、正相输入电压vin+相连；晶体管m2a的源极、漏极、栅极分别与第四连接点、第六连接点、反相输入电压vin-相连；晶体管m2b的源极、漏极、栅极分别与第四连接点、第七连接点、反相输入电压vin-相连。

结合第一方面的第三种可能的实施方式，本发明实施例提供了第一方面的第四种可能的实施方式，其中，第一非线性电流镜包括晶体管m3a、m3b、m5a；第二非线性电流镜包括晶体管m4a、m4b、m6a；晶体管m4a、m6a的栅极都与第一电压保持节点相连；第一电压保持节点提供固定电压v1；第一电压保持节点与第七连接点相连；晶体管m3a、m5a的栅极都与第二电压保持节点相连；第二电压保持节点提供固定电压v2；第二电压保持节点与第八连接点相连；晶体管m3a、m5a、m4a、m6a的源极都与第二电平信号vss相连；晶体管m3a的漏极与晶体管m3b的源极相连；晶体管m3b的漏极、栅极分别与第七连接点、第八连接点相连；晶体管m5a的漏极与第五连接点相连；晶体管m4a的漏极与晶体管m4b的源极相连；晶体管m4b的漏极、栅极分别与第八连接点、第七连接点相连；晶体管m6a的漏极与第六连接点相连。

结合第一方面的第四种可能的实施方式，本发明实施例提供了第一方面的第五种可能的实施方式，其中，轨到轨输出级包括晶体管m5b、m6b、m7a、m7b、m8a、m8b；晶体管m5b的源极、漏极、栅极分别与第五连接点、m8b的漏极、第二电压保持节点相连；晶体管m6b的源极、漏极、栅极分别与第六连接点、输出电压vo、第一电压保持节点相连；晶体管m7a、m7b、m8a、m8b的栅极彼此连接，并连接到晶体管m5b的漏极；晶体管m7a、m8a的源极都与第一电平信号vdd相连；晶体管m7a的漏极与晶体管m7b的源极相连；晶体管m8a的漏极与晶体管m8b的源极相连；晶体管m7b的漏极与输出电压vo相连。

结合第一方面的第五种可能的实施方式，本发明实施例提供了第一方面的第六种可能的实施方式，其中，晶体管m7a、m8a的尺寸分别是晶体管m7b、m8b尺寸的20倍。

结合第一方面的第五种可能的实施方式，本发明实施例提供了第一方面的第七种可能的实施方式，其中，晶体管m9、m10、m1c、m2c、m1a、m1b、m2a、m2b、m7a、m7b、m8a、m8b均为pmos管。

结合第一方面的第五种可能的实施方式，本发明实施例提供了第一方面的第八种可能的实施方式，其中，晶体管m11、m12、m13、m3a、m3b、m5a、m4a、m4b、m6a、m5b、m6b均为nmos管。

第二方面，本发明实施例还提供一种模拟电路，包括上述第一方面及其各可能实施方式之一提供的折叠共源共栅放大器。

本发明实施例带来了以下有益效果：

本发明实施例提供的折叠共源共栅放大器及模拟电路，通过在放大器的输入级组合使用翻转电压跟随器和偏置电流镜，使放大器输入级的输出电流与外部输入电压信号产生关联，从而使该输出电流以输入电压的平方倍增大；其次，通过在放大器的中间级使用非线性电流镜，放大器的中间级再次将电流放大平方倍并传输给输出级，最终压摆率是输入电压的四次方倍的关系，有效提高了放大器的压摆率。

本公开的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，或者，部分特征和优点可以从说明书推知或毫无疑义地确定，或者通过实施本公开的上述技术即可得知。

为使本公开的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明提供的传统的电流回收折叠共源共栅放大器的电路结构图；

图2为本发明实施例提供的折叠共源共栅放大器的电路结构图；

图3为本发明实施例提供的折叠共源共栅放大器与传统电流回收型折叠共源共栅放大器的频响仿真对比图；

图4为本发明实施例提供的折叠共源共栅放大器与传统电流回收型折叠共源共栅放大器的电流大信号瞬态仿真结果对比图。

图标：

100-翻转电压跟随器；110-偏置电流镜；120-第一差分输入对；130-第二差分输入对；140-第一非线性电流镜；150-第二非线性电流镜；160-轨到轨输出级。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

目前传统的电流回收折叠共源共栅放大器输入级的输出电流主要受偏置电路产生的偏置电流的影响，因工作在亚阈值区，该偏置电流较小，因而导致该输出电流的大小也受到限制；其次，传统放大器只能线性放大电流，无法更大地放大电流，以上两点都限制了放大器的压摆率。基于此，本发明实施例提供的一种折叠共源共栅放大器及模拟电路，可以使放大器输入级的输出电流与外部输入电压信号产生关联，使该输出电流以输入电压的平方倍增大；并且使放大器由原来的线性放大转变成非线性的四次方倍放大，从而极大提高了输出电流。

为便于对本实施例进行理解，首先对本发明实施例所公开的一种折叠共源共栅放大器进行详细介绍。

实施例1

本发明实施例提供了一种折叠共源共栅放大器，参见图2所示的本发明实施例提供的折叠共源共栅放大器的电路结构图，该折叠共源共栅放大器采用cmos工艺实现。

如图2所示，该折叠共源共栅放大器包括：自适应偏置输入级，与自适应偏置输入级电连接的正反馈非线性放大中间级，与自适应偏置输入级和正反馈非线性放大中间级分别电连接的轨到轨输出级160。

上述自适应偏置输入级包括翻转电压跟随器100、偏置电流镜110、第一差分输入对120和第二差分输入对130，用于将输入电压信号转换成电流信号提供给正反馈非线性放大中间级。偏置电流镜110的两个输出端分别通过第一连接点a和第二连接点b与翻转电压跟随器100连接；翻转电压跟随器100通过第三连接点n与第一差分输入对120连接，通过第四连接点m与第二差分输入对130连接；第一差分输入对120的输入端连接正相输入电压vin+；第二差分输入对130的输入端连接反相输入电压vin-。

其中，翻转电压跟随器100包括第一翻转电压跟随器和第二翻转电压跟随器；第一翻转电压跟随器包括晶体管m9、m1c；第二翻转电压跟随器包括晶体管m10、m2c；晶体管m9的源极与第一电平信号vdd相连，漏极与第三连接点n相连，栅极与第一连接点a相连；晶体管m1c的源极与第三连接点n相连，漏极与第一连接点a相连，栅极与反相输入电压vin-相连；晶体管m10的源极、漏极、栅极分别与第一电平信号vdd、第四连接点m、第二连接点b相连；晶体管m2c的源极、漏极、栅极分别与第四连接点m、第二连接点b、正相输入电压vin+相连。

并且，偏置电流镜110包括晶体管m11、m12、m13和电流源；晶体管m11、m12、m13的源极都与第二电平信号vss相连；晶体管m11、m12、m13的栅极都与电流源的输出端相连；晶体管m11、m12、m13的漏极分别与第一连接点a、第二连接点b、电流源的输出端相连；电流源的输入端与第一电平信号vdd相连。

此外，第一差分输入对120包括晶体管m1a和m1b；第二差分输入对130包括晶体管m2a和m2b；晶体管m1a的源极、漏极、栅极分别与第三连接点n、第五连接点p、正相输入电压vin+相连；晶体管m1b的源极、漏极、栅极分别与第三连接点n、第八连接点y、正相输入电压vin+相连；晶体管m2a的源极、漏极、栅极分别与第四连接点m、第六连接点q、反相输入电压vin-相连；晶体管m2b的源极、漏极、栅极分别与第四连接点m、第七连接点x、反相输入电压vin-相连。

如图1所示本发明提供的传统的电流回收折叠共源共栅放大器的电路结构图，晶体管m9的栅极连接偏置电压vbias，构成放大器输入级的偏置电路；偏置电压vbias经过晶体管m9后产生偏置电流ib，该偏置电流ib流入四个晶体管分别是：m1a、m1b、m2a、m2b，经分流后输入中间级的电流i小于偏置电流ib。因放大器工作于亚阈值区，该偏置电流ib较小，从而导致输出电流i更小，这极大限制了放大器的压摆率。而本发明实施例提供的折叠共源共栅放大器使用翻转电压跟随器100和偏置电流镜110的组合代替了传统放大器电路中的偏置电路，该组合的效果使输入中间级的电流i不再受偏置电流ib的限制，而与外部输入电压信号vin产生关联，当输入信号vin增大，输入中间级的电流i也相应的增大，从而可以提供放大器大的输入电流，大大提高压摆率。

此外，正反馈非线性放大中间级包括第一非线性电流镜140和第二非线性电流镜150，用于将电流信号放大后提供给轨到轨输出级160；第一非线性电流镜140通过第五连接点p与第一差分输入对120连接，通过第七连接点x与第二分流管连接；第二非线性电流镜150通过第六连接点q与第二差分输入对130连接，通过第八连接点y与第一差分输入对120连接。

第一非线性电流镜140包括晶体管m3a、m3b、m5a；第二非线性电流镜150包括晶体管m4a、m4b、m6a。

其中，晶体管m4a、m6a的栅极都与第一电压保持节点相连；第一电压保持节点提供固定电压v1；第一电压保持节点与第七连接点x相连；晶体管m3a、m5a的栅极都与第二电压保持节点相连；第二电压保持节点提供固定电压v2；第二电压保持节点与第八连接点y相连；晶体管m3a、m5a、m4a、m6a的源极都与第二电平信号vss相连；晶体管m3a的漏极与晶体管m3b的源极相连；晶体管m3b的漏极、栅极分别与第七连接点x、第八连接点y相连；晶体管m5a的漏极与第五连接点p相连；晶体管m4a的漏极与晶体管m4b的源极相连；晶体管m4b的漏极、栅极分别与第八连接点y、第七连接点x相连；晶体管m6a的漏极与第六连接点q相连。

上述非线性电流镜具有正反馈以及非线性的特点，在非线性电流镜以及翻转电压跟随器100的作用下，不仅充放电路径在转换期间进入强反型区，并且还提供了极高的输出电流，从而极大地提高了放大器的压摆率。

轨到轨输出级160用于将放大后的电流信号转换成电压信号并输出；轨到轨输出级160的两个输入端分别通过第五连接点p、第六连接点q与第一非线性电流镜140、第二非线性电流镜150相连；输出级的输出端连接到输出电压vo。

轨到轨输出级160包括晶体管m5b、m6b、m7a、m7b、m8a、m8b；晶体管m5b的源极、漏极、栅极分别与第五连接点p、m8b的漏极、第二电压保持节点相连；晶体管m6b的源极、漏极、栅极分别与第六连接点q、输出电压vo、第一电压保持节点相连；晶体管m7a、m7b、m8a、m8b的栅极彼此连接，并连接到晶体管m5b的漏极；晶体管m7a、m8a的源极都与第一电平信号vdd相连；晶体管m7a的漏极与晶体管m7b的源极相连；晶体管m8a的漏极与晶体管m8b的源极相连；晶体管m7b的漏极与输出电压vo相连。

其中，晶体管m7a与m7b、晶体管m8a与m8b分别组成了两对复合管，为了使这两对复合管饱和，顶层晶体管m7a、m8a的尺寸分别是底层晶体管m7b、m8b尺寸的20倍。

此外，在上述各模块中，晶体管m9、m10、m1c、m2c、m1a、m1b、m2a、m2b、m7a、m7b、m8a、m8b均为pmos管；晶体管m11、m12、m13、m3a、m3b、m5a、m4a、m4b、m6a、m5b、m6b均为nmos管。

本发明实施例提供的折叠共源共栅放大器，通过在放大器的输入级组合使用翻转电压跟随器100和偏置电流镜110，使放大器输入级的输出电流与外部输入电压信号产生关联，从而产生大的输入电流；其次，通过在放大器的中间级使用非线性电流镜，使放大器原来的线性放大转变成非线性的平方倍放大，因而极大提高了输出电流。

图3为本发明实施例提供的折叠共源共栅放大器与传统电流回收型折叠共源共栅放大器的频响仿真对比图，如图3所示，传统电流回收型折叠共源共栅放大器的增益带宽积gbw(gain–bandwidthproduct)值约为20khz，而本发明实施例提供的折叠共源共栅放大器的gbw值约为40khz，提高了近100％。此外，由于提高的跨导，该折叠共源共栅放大器的直流增益也提高了6db。

图4为本发明实施例提供的折叠共源共栅放大器与传统电流回收型折叠共源共栅放大器的电流大信号瞬态仿真结果对比图，如图4所示，本发明实施例提供的折叠共源共栅放大器的压摆率是传统电流回收型折叠共源共栅放大器的10倍。同时，该折叠共源共栅放大器的相位裕度没有明显下降，这证明了上述放大器在相同功耗下大大提高了压摆率。

实施例2

本发明实施例提供了一种模拟电路，包括上述实施例提供的折叠共源共栅放大器。该折叠共源共栅放大器用于在该模拟电路中采集信号并对信号进行处理。该模拟电路可以广泛应用于消费类电子产品、计算机、通信、汽车等领域。

本发明实施例提供的模拟电路，与上述实施例提供的折叠共源共栅放大器具有相同的技术特征，所以也能解决相同的技术问题，达到相同的技术效果。

另外，在本发明实施例的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

最后应说明的是：以上所述实施例，仅为本发明的具体实施方式，用以说明本发明的技术方案，而非对其限制，本发明的保护范围并不局限于此，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改或可轻易想到变化，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改、变化或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。