2.4.4 低压全差分放大器
低供电电压使得放大器的设计变得显著复杂很多。输入共模电压必须限制在一个非常紧的范围内，来确保输入差分对的尾电流源保持在饱和区。例如考虑之前讨论过的全差分折叠Cascode放大器，并假定一个普通NMOS晶体管作为尾电流源\(I_{bias}\)，输入共模电压必须大于\(V_{GS1}+V_{eff}\)来保证尾电流源在饱和区。假定\(V_{eff}\approx 200mV\)，\(V_{tn}\approx450mV\)，并且需要一个额外的\(50mV\)作为裕度来应对工艺和温度的变化，这就意味着输入共模电压至少要有\(950mV\)，而让一个显著的限制是供电电压只有\(1.2V\)。
下图所示的部分简化的放大器结构利用了两个差分对输入对中的n沟道晶体管和p沟道晶体管。因此输入共模范围得到了增大[Babanezhad, 1988;Hogervorst, 1992;Coban, 1994]，这是一个在低电源电压时非常重要的特性。但输入共模电压靠近其中一个电源电压时，其中一个差分对会关闭，而另一个差分对将会保持饱和。为了能够使得在这段时间里放大器增益保持相对固定，保持饱和的差分对的偏置电流需要相对动态增加。比如，如果输入共模电压范围接近于正电源电压，\(Q_3\)和\(Q_4\)将会关断，\(Q_6\)上会流经所有的\(I_2\)。这个电流将会流过电流镜\(M_1\)并增大仍然饱和的\(Q_1\)和\(Q_2\)组成的差分对的偏置电流。同样的情况出现在输入共模电压靠近负电压轨时。通过小心的设计，输入级的跨导可以保持在其典型值的15%的范围内，同时共模输入范围可以扩大到电源电压之差[Coban, 1994]。
另一个低压设计的挑战是很难在使用单级折叠Cascode结构的同时保持一个可观的输出摆幅。考虑到之前设计的折叠Cascode结构，由于输出节点必须要保持和电源和地都保持\(2V_{eff}\)的距离来使得\(Q_3\)到\(Q_{10}\)的晶体管都能够饱和。例如，如果使用\(1.2V\)的电源，而过驱动电压\(V_{eff}\approx 200mV\)，并且为NMOS和PMOS的Cascode晶体管都预留\(50mV\)的裕度，那么输出节点就只能够在\(450mV\)到\(750mV\)范围内波动。下图所示的放大器电路是一个两级放大器[Dessouky, 2001]，使用折叠Cascode作为第一级，共源放大器作为第二级。折叠放大器能够提供高增益，但是不用于驱动放大器输出，因此不需要适应全部的输出摆幅。\(V_1^+\)和\(V_1^-\)之间的信号摆幅会比输出摆幅小出一个第二级共源放大器的增益的因子。和传统两级放大器一样使用米勒补偿，使用\(C_c\)和\(R_c\)。这个结构可以在低电压下仍然提供很大的增益。
译者注：这里讨论了低压运放下轨到轨输入的技术，但是对于输出只是提到了用共源放大器可以比Cascode有更大的摆幅，但实际上用轨到轨输出技术可以获得更大的输出摆幅。具体可以参考这个链接。