模拟集成电路设计系列博客——2.4.3 全差分电流镜放大器

发布时间 2023-10-16 16:28:41作者: sasasatori

2.4.3 全差分电流镜放大器

全差分电流镜放大器的结构如下图所示,和全差分折叠Cascode放大器一样,这个设计也可以用互补设计的方法来实现,即使用p管作为输入晶体管,n沟道电流镜和p沟道偏置电流源。哪种设计更受欢迎主要取决于负载电容或者等效第二极点是否收到了带宽的限制,以及最大化低频增益或者带宽是否更加的重要。n沟道输入在前一种情况下更受欢迎,而p沟道设计在后一种情况中更受欢迎。其原因与折叠Cascode中的论述也是一样的。此外n沟道输入晶体管可以提供更小的热噪声(因为他们的跨导更大),而p沟道输入能够提供更小的放大器1/f噪声。

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如果想设计一个通用的全差分放大器,那么使用一个大的p沟道输入晶体管,电流增益为\(K=2\),并且使用了宽摆幅输出阻抗增强Cascode电流镜与电流源的设计会是一个好选择,与任何其他全差分设计相比。

全差分设计目前的一个限制是在一个方向上的单端摆动时输出的最大电流收到固定电流源的限制。可以将设计修改为具有双向驱动能力,如下图所示。这个放大器的结构类似于上面的图提出的结构,只是现在顶部的p沟道晶体管被替换成了有两路输出的电流镜,第一路输出的电流增益为\(K\)并且流到放大器的输出,和前面的一样。第二路输出的增益为1,并且流到一个新的n沟道电流镜中,这个新电流镜增益为\(K\),再次进行一次镜像之后流入放大器的反向输出中。假定差分输出现在正在正方向摆动,在这个例子下,差分输入将会是正的并且摆动电流\(KI_{bias}\)会流入\(V_{out+}\),由于额外的n沟道电流镜,从\(V_{out-}\)流出的电流也将是\(KI_{bias}\)。这个电路有着改进的摆率,但小信号响应速度更慢,因为p沟道晶体管多了额外的输出,并且有着额外的n沟道晶体管,但在多数应用中这种交换并不是什么问题。当然这个电路结构中也需要有共模反馈电路。

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另一个全差分电流镜放大器可选方案是使用两个单端输出的放大器,他们的输入并联,每个输出都是全差分电路的一端。一个实现的方法是使用电流减的子电路,如下图所示。这个设计有着与简单全差分电流镜放大器大很多的摆率,但是需要额外的电流镜和复杂度。这个设计的另一个优势是由输入晶体管引入的噪声电压以平方方式求和,而两个信号路径以线性方式求和。作为结果,这个设计在信噪比上提升了\(\sqrt{2}\)倍,或者说\(3dB\)。同时,在功耗上扩大了\(K\)倍,这个值相当的大。相比之前的使用固定电流源偏置输出级的设计,使用共模反馈的设计补偿起来更加困难。

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