轨到轨恒定跨导差分输入级

摘要

初级晶体管差分输入对(310)及次级晶体管差分输入对(338)能够并行地操作以提供负载电流。所述次级差分对(338)的电平移位前置级(384及387)对轨到轨输入信号进行向下电平移位。如此操作防止所述次级差分对(338)进入截止。当所述输入信号的共模分量接近正电压轨(363)时，尾电流分路装置(381)在所述初级差分对(310)接近截止时将尾电流提供到所述次级差分对(338)。因此，穿过与所述初级差分输入对(310)及所述次级差分输入对(338)相关联的第一差分输入晶体管(315及342)的电流的和对于第一负载(323)保持恒定。同样地，穿过与所述初级差分输入对(310)及所述次级差分输入对(338)相关联的第二差分输入晶体管(320及346)的电流的和对于第二负载(327)保持恒定。因此，复合差分输入级的两个臂向其相应负载呈现恒定跨导。

说明书

技术领域

本文中所描述的结构及方法涉及电子电路，包含差分输入级及电子比较器。

背景技术

图1是根据现有技术的传统差分输入级100的示意图。差分输入级100分别包含第 一差分输入晶体管110及第二差分输入晶体管120。差分输入级100还包含尾电流源130。 一些应用(例如比较器)专注于将此种级与共模输入电压一起使用。

在一些情况中，可允许输入电压从轨到轨地变化。举例来说，输入波形140及150 两者可同时接近正电压轨。在后一情况中，差分输入晶体管110及120两者接近截止条 件，且尾电流节点160变为正的。在尾电流源130的V(DS)减小时，尾电流源130开始 在线性区中操作且停止提供恒定尾电流源。因此，在输入信号的共模分量接近正电压轨 时，传统差分输入级100会呈现不一致跨导。

发明内容

本文中所描述的设备及方法提供初级晶体管差分输入对及次级晶体管差分输入对。

所述初级差分输入对及次级差分输入对能够并联地操作以提供负载电流。到所述次 级差分对的电平移位前置级对输入信号进行电平移位。如此操作防止所述次级差分对在 正共模信号偏移期间进入截止。当两个输入信号接近正电压轨时，尾电流分路装置在所 述初级差分对接近截止时将尾电流提供到所述次级差分对。因此，穿过与所述初级差分 输入对及所述次级差分输入对相关联的第一差分输入晶体管的电流的和对于第一负载 保持恒定。同样地，穿过与所述初级差分输入对及所述次级差分输入对相关联的第二差 分输入晶体管的电流的和对于第二负载保持恒定。因此，复合差分输入级的两个臂在所 述输入信号的共模分量的整个轨到轨范围中向其相应负载呈现恒定跨导。

虽然本文中所展示的实例性实施例对于某些级可用NMOS晶体管且对于其它级可 用PMOS晶体管来实施，但应理解，可做出替代形式使得一些或所有级可用互补逻辑来 实施。另外，本文中所描述的功能性可使用双极晶体管及/或除晶体管之外的切换及选通 逻辑来实现。本文中的实施例包含跨导的特性与沟道电流成正比。

附图说明

图1是根据现有技术的传统差分输入设备的示意图。

图2是根据本发明的各种实例性实施例的恒定跨导电子差分输入设备的框图。

图3是根据各种实例性实施例的恒定跨导电子差分输入设备的示意图。

图4A及4B图解说明根据各种实例性序列提供恒定跨导电子差分输入的方法的流程 图的部分。

具体实施方式

图2图解说明根据本发明的各种实例性实施例的恒定跨导电子差分输入设备200的 框图。差分输入设备200包含尾端连接的初级差分对210。初级差分对210在输入215 及220处接收第一输入信号及第二输入信号。初级差分对210分别响应于第一输入信号 及第二输入信号而将负载电流传递到第一负载225及第二负载230。

差分输入设备200还包含尾端连接的次级差分对235。次级差分对235分别在输入 240及245处接收第一输入信号及第二输入信号的经向下电平移位版本。在第一输入信 号及第二输入信号同时接近正电压轨时，初级差分对210、次级差分对235或其两者会 传导电流。经由初级差分对210及次级差分对235的并行传导路径操作以在第一输入信 号及第二输入信号的共模分量接近正电压轨时呈现恒定跨导。

差分输入设备200还包含分别通信地耦合到初级差分对210及次级差分对235的尾 电流源250。由初级差分对210及/或次级差分对235进行的传导操作以防止尾电流源 250处的线性区操作。

差分输入设备200进一步包含串联于尾电流源250与次级差分对235之间的尾电流 分路装置255。在第一输入信号及第二输入信号接近正电压轨时及在初级差分对210接 近截止条件时，尾电流分路装置255将尾电流供应到次级差分对235。耦合到尾电流分 路装置255的偏置元件257对尾电流分路装置255进行偏置并使尾电流分路装置255能 够在第一电平移位装置260进入传导状态时传导。

差分输入设备200还分别包含第一电平移位装置260及第二电平移位装置265。第 一电平移位装置260及第二电平移位装置265分别耦合到次级差分对235的第一输入240 及第二输入245。第一电平移位装置260及第二电平移位装置265将第一输入信号及第 二输入信号的经向下电平移位版本提供到次级差分对235。在一些实施例中，第一电平 移位装置260及第二电平移位装置265可为源极跟随器级。

图3图解说明根据各种实例性实施例的恒定跨导电子差分输入设备300。差分输入 设备300包含尾端连接的初级晶体管差分对310。初级差分对310的第一晶体管315及 第二晶体管320分别与第一负载323及第二负载327进行串联电流沟道耦合。第一晶体 管315及第二晶体管320分别在初级晶体管差分对310的第一栅极330及第二栅极333 处接收第一输入信号及第二输入信号。第一晶体管315及第二晶体管320分别响应于第 一输入信号及第二输入信号而将负载电流传递到第一负载323及第二负载327。

差分输入设备300还包含尾端连接的次级晶体管差分对338。次级差分对338的第 一晶体管342及第二晶体管346分别与第一负载323及第二负载327进行串联电流沟道 耦合。第一晶体管342及第二晶体管346分别在次级晶体管差分对338的第一栅极352 及第二栅极356处接收第一输入信号及第二输入信号的经向下电平移位版本。在初级晶 体管差分对310接近截止条件时，次级差分对338响应于差分输入信号的经向下电平移 位版本而传导电流。因此设备300在第一输入信号及第二输入信号的共模分量的所有偏 移中，甚至在共模分量接近正电压轨363时维持向第一负载323及第二负载327中的每 一者呈现的恒定跨导。

差分输入设备300进一步包含尾电流源晶体管360。尾电流源晶体管360通信地耦 合于正电压轨363与和初级差分对310及次级差分对338相关联的电流沟道366、370、 373及375之间。尾电流源晶体管360将尾电流提供到初级差分对310及次级差分对338。

差分输入设备300还包含耦合到尾电流源晶体管360的栅极379的偏置电压源378。 偏置电压源378将偏置电压提供到尾电流源晶体管360的栅极379并确立最大尾电流量 值。

差分输入设备300进一步包含尾电流分路晶体管381。尾电流分路晶体管381串联 沟道耦合于尾电流源晶体管电流沟道383与次级差分对的第一晶体管342及第二晶体管 346的电流沟道373及375之间。在初级差分对310接近截止条件时，尾电流分路晶体 管381将尾电流供应到次级差分对338。

差分输入设备300还包含第一源极跟随器晶体管384。第一源极跟随器晶体管384 输出耦合到次级差分对338的第一晶体管342的栅极352。第一源极跟随器晶体管384 在栅极385处接收第一输入信号并在次级差分对338的第一晶体管342的栅极352处产 生第一输入信号的经向下电平移位版本。

差分输入设备300进一步包含二极管连接的晶体管396。二极管连接的晶体管396 串联电流沟道耦合于正电压轨363与第一源极跟随器晶体管384之间且栅极耦合到尾电 流分路晶体管381的栅极397。当第一源极跟随器晶体管384进入传导状态时，二极管 连接的晶体管396通过将栅极397拉为低来启用尾电流分路晶体管381。经如此启用， 尾电流分路晶体管381准备好在初级差分对310接近截止时将尾电流供应到次级差分对 338。

差分输入设备300还包含第二源极跟随器晶体管387。第二源极跟随器晶体管387 输出耦合到次级差分对338的第二晶体管346的栅极356。第二源极跟随器晶体管387 在栅极389处接收第二输入信号且在次级差分对338的第二晶体管346的栅极356处产 生第二输入信号的经向下电平移位版本。

差分输入设备300进一步包含第一恒定电流源391。第一恒定电流源391串联耦合 于第一源极跟随器晶体管384的源极端子392与接地或负电压轨393之间。第一恒定电 流源391将电流负载提供到第一源极跟随器晶体管384。

差分输入设备300还包含第二恒定电流源394。第二恒定电流源394串联耦合于第 二源极跟随器晶体管387的源极端子395与接地或负电压轨393之间。第二恒定电流源 394将电流负载提供到第二源极跟随器晶体管387。

图4A及4B图解说明根据各种实例性序列提供恒定跨导电子差分输入的方法400 的流程图。方法400包含从初级晶体管差分对的第一晶体管、次级晶体管差分对的第一 晶体管或其两者将恒定电流提供到第一负载。方法400还包含从初级晶体管差分对的第 二晶体管、次级晶体管差分对的第二晶体管或其两者将恒定电流提供到第二负载。因此， 设备300在输入信号的共模分量的整个轨到轨范围中呈现恒定跨导。

方法400可在框410处以在弱反转模式中对与初级晶体管差分对及次级晶体管差分 对相关联的第一晶体管及第二晶体管进行偏置开始。

方法400可在框415处以使用串联于每一源极跟随器晶体管的源极端子与接地或负 电压轨之间的恒定电流源来对分别输出耦合到次级差分对的第一晶体管及第二晶体管 的栅极的第一源极跟随器晶体管及第二源极跟随器晶体管进行偏置而继续进行。

方法400还可包含在框420处，分别在第一源极跟随器晶体管及第二源极跟随器晶 体管的栅极处接收具有接近正电压轨的共模分量的第一输入信号及第二输入信号。

方法400可进一步包含在框425处，使电流传导穿过第一源极跟随器晶体管的电流 沟道，从而在第一源极跟随器晶体管的电流沟道的正端子处产生减小的电压电位。方法 400还可包含在框430处，在栅极耦合到第一源极跟随器晶体管的电流沟道的正端子的 电流分路晶体管的栅极处感测减小的电压电位。所述电流分路晶体管的电流沟道与次级 差分对的第一晶体管及第二晶体管的电流沟道串联耦合。在电流分路晶体管的栅极处感 测的减小的电位给电流分路晶体管提供传导偏置。

方法400在框435处以在初级差分对的第一晶体管及第二晶体管中的每一者的栅极 处接收具有接近正电压轨的共模分量的输入信号而继续。方法400还包含在框440处， 减小从尾电流源晶体管穿过初级差分对的第一晶体管及第二晶体管的电流沟道且分别 到达第一负载及第二负载的电流。减小的电流在与初级差分对相关联的尾节点处产生增 加的电压电位。

方法400进一步包含在框445处，在耦合到初级差分对的第一晶体管及第二晶体管 的电流沟道的正端子的电流分路晶体管的电流沟道的正端子处感测增加的电压电位。所 述增加的电压电位对先前经栅极启用的尾电流分路晶体管的电流沟道进行正向偏置以 便将电流提供到与次级晶体管差分对相关联的第一晶体管及第二晶体管。

方法400还包含在框450处，分别在次级差分对的第一晶体管及第二晶体管的栅极 处从第一源极跟随器晶体管及第二源极跟随器晶体管接收第一输入信号及第二输入信 号的经向下电平移位版本。初级差分对及次级差分对的第一晶体管分担第一共同负载， 而初级差分对及次级差分对的第二晶体管分担第二共同负载。

方法400进一步包含在框455处，在初级差分对接近截止时，使电流传导穿过次级 晶体管差分对。如此操作产生和初级差分对及次级差分对的与第一负载串联的第一晶体 管相关联的实质上恒定跨导和以及和初级差分对及次级差分对的与第二负载串联的第 二晶体管相关联的实质上恒定跨导和。

本文中所描述的设备及方法在除差分输入比较器之外的应用中可为有用的。恒定跨 导电子差分输入设备200及300以及提供恒定跨导电子差分输入级的方法400的实例打 算提供对各种实施例的结构及与各种方法相关联的序列的一般理解。其不打算用作对可 利用这些结构及序列的设备、系统及方法的所有元件及特征的完整说明。

各种实施例可并入到供在插座电力转换器中使用的半导体模拟及数字电路、用于计 算机中的电子电路、通信及信号处理电路、单处理器或多处理器模块、单个或多个嵌入 式处理器、多核心处理器、数据交换机及包含多层、多芯片模块的专用模块以及其它中。 此类设备及系统可进一步包含为多种电子系统内的子组件，例如电视、蜂窝式电话、个 人计算机(例如，膝上型计算机、桌上型计算机、手持式计算机、平板计算机等)、工作 站、收音机、视频播放器、音频播放器(例如，MP3(动画专家组，音频层3)播放器)、车 辆、医学装置(例如，心脏监测器、血压监测器等)、机顶盒及其它电子系统。

本文中所描述的设备及方法提供能够并联地操作以提供负载电流的初级晶体管差 分输入对及次级晶体管差分输入对。到所述次级差分对的电平移位前置级对轨到轨输入 信号进行向下电平移位以防止所述次级差分对进入截止。当两个输入信号同时接近正电 压轨时，尾电流分路装置在所述初级差分对接近截止时将尾电流提供到所述次级差分 对。因此，复合差分输入级的两个臂向其相应负载呈现恒定跨导。

所属领域的技术人员将了解，在所主张发明的范围内，可对所描述实施例做出修改， 且也可能存在许多其它实施例。