折疊式共源共柵運算放大器電路分析

集成電路發展趨勢

隨著物聯網移動終端的需求日益增長，對便攜式設備與長續航能力的追求促使低電壓和低功耗的芯片設計變得尤為重要。降低電路功耗而不犧牲其他性能指標是設計中的一大挑戰。因此，想盡辦法”壓榨“電路中未能完全利用的電流，從而提高電流效率成為一種低功耗的設計思路。

折疊式共源共柵運算放大器

圖1先看我們熟悉的折疊式共源共柵放大器，如圖1。其中M4、M5作為電流源均提供了ISS大小的電流。但M4、M5僅充當電流源的角色，大電流的特點雖使得M4、M5本身有很大的跨導，但無法作用到增益上，造成電流的”浪費“。

電流倍增技術

圖2

如圖2，該電路實現了電流倍增：M3-M6組成了兩對電流鏡，將電流倍增至K倍。如果單純通過這樣的電流鏡進行倍增后，再接上后級負載，等效跨導確實大了，但這不是多了兩路K倍的電流嗎？功耗反而增大了 ......貌似好像沒什么用哦？別急，妙的在后面。

圖3

如圖3，稍微改一下輸入差分對M1、M2，把他倆拆成四個晶體管分別為M11、M12、M21、M22?，F在，每個差分晶體管的電流均為ISS/4。再通過電流鏡將差分晶體管”耦合“起來，形成反饋?，F在，M11、M21通過電流鏡實現了倍增了K倍的小信號電流，因此M11、M21的等效跨導也倍增了K倍。

圖4

但往往實際上不會使用圖3的接法(可以想想為什么)，比較好的是圖4的接法。嘶......這有區別嗎？兄dei你是不是放錯圖了？看清楚咯，Vin1與Vin2接哪里去啦？終于看到了？沒錯，這是一種交叉耦合的方式。同樣，M11、M21的等效跨導倍增了K倍。假設差分晶體管均具有相同的尺寸，并且設其自身跨導為gm，那么整個電路的等效跨導：

Gm=gm+K·gm=(1+K)·gm

沒有采用電流復用技術的原電路的跨導僅僅為2gm，而采用電流復用技術后，通過調整不同的電流鏡比例，可以實現不同倍數的等效跨導。假設取K=3，那么電路的等效跨導與原來相比倍增了2倍，而電路總的電流卻沒有變化，仍然是2ISS。所以說，電流復用技術提高了電路的電流效率，狠狠地"壓榨"電流！

當然啦，這個電路最后有了增益帶寬積、轉換速率等等指標的提升，但功耗沒有變化，代價就是電路的復雜程度上升、版圖面積增加、對匹配的要求更高等等。