CN106788295A - 一种多级放大器 - Google Patents

Abstract

一种多级放大器，包括顺序级联的差分输入级、至少一个中间放大级和输出级；差分输入级包括：源极和栅极均耦接的第一和第二MOS管，二者栅极接收第一电压；源极和栅极均耦接的第三和第四MOS管，二者栅极接收第二电压，第三和第二MOS管的源极耦接并接收第一偏置电流；第一电流镜电路，其公共栅极耦接第三MOS管的漏极，其第一漏极耦接第一MOS管的漏极；第二电流镜电路，其公共栅极耦接第二MOS管的漏极，其第一漏极耦接第四MOS管的漏极；第一偏置电路，适于为第一和第二电流镜电路提供偏置电流；第一负载电路，适于为差分输入级提供负载。本发明方案多级放大器具有较高的增益和单位增益带宽。

Description

一种多级放大器

技术领域

本发明涉及模拟电路设计领域，特别涉及一种多级放大器。

背景技术

运算放大器(以下简称放大器)是模拟集成电路的一种基础器件。对放大器的应用需求一般为高增益、高带宽、高压摆率等。

例如，现有技术中典型的多级放大器可以包括差分输入级、至少一个中间放大级和输出级；其中，可选地，所述差分输入级可以采用共源共栅结构，可以包括四个MOS管，其所包含的电流镜负载可将差分信号转换为单端信号并输出；所述中间放大级可以是共源结构，对所述差分输入级输出的单端信号进行进一步地放大；所述输出级适于提高所述多级放大器的带负载能力。

一般而言，以上所述的多级放大器可以具有小于5MHz的单位增益带宽积(以下简称单位增益带宽)和小于10V/μs的压摆率。然而，随着工艺尺寸不断减小，放大器的供电电压不断降低，使得放大器的增益和输出摆幅降低，进而使得放大器的增益带宽降低。而现有技术中通常通过增加放大器的级数以解决上述问题，但是这会导致较大的电路规模和复杂的电路结构。

因此，现有技术面临着如何通过增加多级放大器的级数以外的方法来改善多级放大器的增益和单位增益带宽的技术问题。

发明内容

本发明解决的技术问题是如何提高多级放大器的增益及单位增益带宽。

为解决上述技术问题，本发明实施例提供一种多级放大器，包括顺序级联的差分输入级、至少一个中间放大级和输出级；其中，所述差分输入级包括：源极耦接在一起的第一MOS管和第二MOS管，所述第一MOS管的栅极耦接所述第二MOS管的栅极并接收第一电压；源极耦接在一起的第三MOS管和第四MOS管，所述第三MOS管的栅极耦接所述第四MOS管的栅极并接收第二电压，所述第三MOS管的源极耦接所述第二MOS管的源极并接收第一偏置电流；第一电流镜电路，其公共栅极耦接所述第三MOS管的漏极，其第一漏极耦接所述第一MOS管的漏极，其第二漏极耦接其公共栅极；第二电流镜电路，其公共栅极耦接所述第二MOS管的漏极，其公共源极耦接所述第一电流镜电路的公共源极，其第一漏极耦接所述第四MOS管的漏极，其第二漏极耦接其公共栅极；第一偏置电路，适于为所述第一电流镜电路和第二电流镜电路提供偏置电流；第一负载电路，其第一输入端耦接所述第四MOS管的漏极，其第二输入端耦接所述第一MOS管的漏极，其输出端耦接所述差分输入级的输出端，所述第一负载电路适于为所述差分输入级提供负载。

可选地，所述第一MOS管和第二MOS管的尺寸比为(1-a)：a；所述第三MOS管和第四MOS管的尺寸比为a：(1-a)，其中，0＜a＜1。

可选地，所述第一电流镜电路包括第五MOS管和第六MOS管，所述第五MOS管的源极耦接所述第六MOS管的源极和所述第一电流镜电路的公共源极，所述第五MOS管的栅极耦接所述第六MOS管的栅极和所述第一电流镜电路的公共栅极，所述第五MOS管的漏极耦接所述第一电流镜电路的第一漏极，所述第六MOS管的漏极耦接所述第一电流镜电路的第二漏极；所述第二电流镜电路包括：第七MOS管和第八MOS管，所述第七MOS管的源极耦接所述第八MOS管的源极和所述第二电流镜电路的公共源极，所述第七MOS管的栅极耦接所述第八MOS管的栅极和所述第二电流镜电路的公共栅极，所述第八MOS管的漏极耦接所述第二电流镜电路的第一漏极，所述第七MOS管的漏极耦接所述第二电流镜电路的第二漏极。

可选地，所述第五MOS管和第六MOS管的尺寸比为(1-a)：a；所述第七MOS管和第八MOS管的尺寸比为a：(1-a)。

可选地，所述第一MOS管、第二MOS管、第三MOS管和第四MOS管为PMOS管；所述第五MOS管、第六MOS管、第七MOS管和第八MOS管为NMOS管；所述第一偏置电路包括：第九MOS管，其漏极耦接所述第六MOS管的栅极，其源极耦接所述第六MOS管的漏极；第十MOS管，其漏极耦接所述第七MOS管的栅极，其源极耦接所述第七MOS管的漏极，其栅极耦接所述第九MOS管的栅极并接收第一偏置电压。

可选地，所述差分输入级还包括：第十一MOS管，其漏极耦接所述第三MOS管的漏极；第十二MOS管，其栅极耦接所述第九MOS管的栅极并接收第二偏置电压，其漏极耦接所述第二MOS管的漏极；第十三MOS管，其栅极耦接所述第十二MOS管的源极，其源极耦接所述第一电流镜电路的公共源极并接地，其漏极耦接所述第十一MOS管的源极；第十四MOS管，其栅极耦接所述第十一MOS管的源极，其源极耦接所述第二电流镜电路的公共源极并接地，其漏极耦接所述第十二MOS管的源极。

可选地，所述第十三MOS管和所述第六MOS管的尺寸比为(1-b)：b，所述第十四MOS管和所述第七MOS管的尺寸比为(1-b)：b，其中，0.5＜b＜1。

可选地，所述第一负载电路包括：第十五MOS管，其源极耦接电源；第十六MOS管，其源极耦接电源，其栅极耦接所述第十五MOS管的栅极；第十七MOS管，其漏极耦接所述第十五MOS管的漏极，其源极耦接所述第十五MOS管的栅极；第十八MOS管，其漏极耦接所述第十六MOS管的漏极，其栅极耦接所述第十七MOS管的栅极并接收第三偏置电压；第十九MOS管，其漏极耦接所述第十七MOS管的源极，其源极耦接所述第一负载电路的第一输入端；第二十MOS管，其漏极耦接所述第十八MOS管的源极和所述第一负载电路的输出端，其源极耦接所述第一负载电路的第二输入端，其栅极耦接所述第十九MOS管的栅极并接受第四偏置电压。

可选地，所述多级放大器还包括：压控电流源，其控制端接收第五偏置电压，其第一端耦接电源，其第二端输出所述第一偏置电流。

可选地，所述中间放大级包括：放大电路，其第一端耦接电源，其第二端耦接第二负载电路，其输入端耦接所述差分输入级的输出端和所述中间放大级的输入端，适于对所述差分输入级的输出端输出的信号进行放大；所述第二负载电路，适于为所述放大电路提供负载，其输出端耦接所述中间放大级的输出端。

可选地，所述放大电路包括：第二十一MOS管，其源极耦接所述放大电路的第一端，其栅极接收所述放大电路的输入端，其漏极耦接所述放大电路的第二端。

可选地，所述第二负载电路包括第三电流镜电路，其第二漏极耦接所述第二十一MOS管的漏极和所述第三电流镜的公共栅极，其公共源极接地，其第一漏极直接后者间接地耦接电源。

可选地，所述第二负载电路还包括：第二十二MOS管，其栅极接收第六偏置电压，其漏极耦接所述第三电流镜电路的第一漏极，其源极耦接电源。

可选地，所述输出级包括：第二十三MOS管，其栅极接收第七偏置电压，其源极耦接电源，其漏极耦接所述输出级的输出端和所述多级放大器的输出端；第二十四MOS管，其栅极耦接所述第三电流镜电路的第一漏极，其漏极耦接所述第二十三MOS管的漏极，其源极接地。

可选地，所述多级放大器还包括：正反馈米勒补偿电路，适于在所述差分输入级和输出级之间建立正反馈的米勒补偿通路，使得所述输出级工作在AB状态。

可选地，所述正反馈米勒补偿电路包括：第一电容，其第一端耦接所述第二十三MOS管的栅极和所述差分输入级的输出端，其第二端耦接所述输出级的输出端；第二电容，其第一端耦接所述第一电容的第一端，其第二端耦接所述第二十四MOS管的栅极。

与现有技术相比，本发明实施例的技术方案具有以下有益效果：

本发明实施例提供一种多级放大器，包括顺序级联的差分输入级、至少一个中间放大级和输出级；差分输入级可以包括：源极和栅极均耦接的第一和第二MOS管，二者栅极接收第一电压；源极和栅极均耦接的第三和第四MOS管，二者栅极接收第二电压，第三和第二MOS管的源极耦接并接收第一偏置电流；第一电流镜电路，其公共栅极耦接第三MOS管的漏极，其第一漏极耦接第一MOS管的漏极；第二电流镜电路，其公共栅极耦接第二MOS管的漏极，其第一漏极耦接第四MOS管的漏极；第一偏置电路，适于为第一和第二电流镜电路提供偏置电流；第一负载电路，适于为差分输入级提供负载。在本发明实施例中，由所述第一电压的作用而输出的电流将根据第一MOS管和第二MOS管的尺寸比拆分成两部分，将其中一部分电流被所述第二电流镜电路根据其内部MOS管的尺寸(也即宽长比)进行有比例地电流镜像并输出，加上所述第四MOS管的漏极输出的电流，使得在所述第一负载电路的第一输入端处形成了同极性的电压的叠加效果。同理，在所述第一负载电路的第二输入端处也形成了同极性的电压的叠加效果。由此，所述差分输入级的跨导增大，所述多级放大器的增益和单位增益带宽均得到增强，并且这样的方案并没有明显增加电路规模和复杂度。

进一步而言，本实施例多级放大器还包括交叉耦合的第十三MOS管和第十四MOS管，分别对所述第二MOS管和第三MOS管的漏极输出的电压具有增强作用，可以使得所述差分输入级的跨导得到进一步增强，改善了多级放大器的增益和单位增益带宽。

进一步而言，相比于现有技术，本实施例中的差分输入级的第一负载电路增加了共栅层叠结构(也即第十七MOS管、第十八MOS管形成的共栅层叠结构)以形成共源共栅结构的负载电路，可以进一步地改善差分输入级的增益。

进一步而言，本实施例还包括正反馈米勒补偿电路，所述输出级中第二十三MOS管的栅极与所述差分输入级的输出端耦接，从而在所述差分输入级和输出级之间建立正反馈的米勒补偿通路，使得所述输出级工作在AB状态，既可以改善多级放大器的输出信号的交越失真，具有较高带载能力，还可以有效地提高多级放大器的压摆率。

附图说明

图1是现有技术中的一种多级放大器的电路图。

图2是本发明实施例一种多级放大器的示意性结构框图。

图3是本发明实施例一种多级放大器的电路图。

图4是本发明实施例与图1所示的现有技术中的多级放大器的增益和单位增益带宽的对比仿真图。

图5是本发明实施例与图1所示的现有技术中的多级放大器的压摆率的对比仿真图。

具体实施方式

如背景技术部分所述，现有技术中通常采用增加放大器的级数以解决放大器的增益和单位增益带宽较低的技术问题。

具体地，本申请发明人对现有技术中的一种多级放大器进行了分析。

如图1所示，多级放大器100可以包括差分输入级、至少一个中间放大级和输出级。所述多级放大器100仅以包括单个中间放大级为例。

在差分输入级中，MOS管M0组成的压控电流源适于对外提供偏置电流，以保证所述差分输入级的正常工作；MOS管M1、M2、M3、M4组成了折叠式差分输入的共源共栅结构，MOS管M5至M8为差分入级的负载，其中，MOS管M7和M8组成电流镜负载；所述差分输入级对差模信号第一电压Vin+和第二电压Vin-进行放大，具体地，将所述差模信号转化为差模电流；再将所述差模电流再次转化为差模电压，并且，所述电流镜负载将放大后的差模信号转化为单端输出。在中间放大级中，MOS管M10为共源放大结构，对所述差分输入级输出的单端信号进一步放大，MOS管M11、M9和M12是MOS管M10的负载，MOS管M9和M12组成电流镜负载。所述输出级可以包括M13和M14，形成了AB类推挽放大电路，可以抑制所述中间放大级输出的信号的交越失真，以驱动负载电容CL。

所述多级放大器100还包括电容C1和C2，电容C1和C2为米勒补偿电容，可以通过增加电路的极点数量改善相位裕度，进而改善电路的频率特性，增强电路稳定性。其中，电压Vb0、Vb1、Vb2、Vb3和Vb4为由偏置电路(图未示)提供的偏置电压。

尽管现有技术中的多级放大器100已经具有相对可接受的增益和单位增益带宽的性能，然而，若要配合现代工艺尺寸、供电电压的变化趋势，只能在所述多级放大器100的基础上，进一步地提高多级放大器的增益和增益带宽，而现有技术采用增加多级放大器的级数的方式是十分不可取的。

针对以上所述的技术问题，本发明实施例在现有技术中的基础上提出一种多级放大器，增加多级放大器中差分输入级的跨导，在不增加多级放大器级数、限制了电路规模和电路复杂度的同时，提高了多级放大器的增益，进而增加其单位增益带宽。

为使本发明的上述目的、特征和有益效果能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施例做详细的说明。

图2是本发明实施例一种多级放大器的示意性结构框图。

如图2所示，本发明实施例提供一种多级放大器200，包括顺序级联的差分输入级21、至少一个中间放大级22和输出级23。

所述差分输入级21可以包括：第一MOS管M1、第二MOS管M2、第三MOS管M3、第四MOS管M4、第一电流镜电路(图中未标示)、第二电流镜电路(图中未标示)、第一偏置电路211和第一负载电路212。

其中，所述第一MOS管M1和第二MOS管M2的源极耦接在一起，所述第一MOS管M1的栅极耦接所述第二MOS管M2的栅极并接收第一电压Vin+。

所述第三MOS管M3和第四MOS管M4的源极耦接在一起，所述第三MOS管M3的栅极耦接所述第四MOS管M4的栅极并接收第二电压Vin-，所述第三MOS管M3的源极耦接所述第二MOS管M2的源极并接收第一偏置电流。其中，所述第一电压Vin+和第二电压Vin-形成差模信号并作为所述差分输入级21的输入信号，同时作为所述多级放大器200的输入信号。

第一电流镜电路和第二电流镜电路包括如下端口：公共栅极、公共源极、第一漏极和第二漏极。

进一步而言，所述第一电流镜电路的公共栅极耦接所述第三MOS管M3的漏极，所述第一电流镜电路的第一漏极耦接所述第一MOS管M1的漏极，所述第一电流镜电路的第二漏极耦接其公共栅极。

所述第二电流镜电路的公共栅极耦接所述第二MOS管M2的漏极，所述第二电流镜电路的公共源极耦接所述第一电流镜电路的公共源极，所述第二电流镜电路的第一漏极耦接所述第四MOS管M4的漏极，所述第二电流镜电路的第二漏极耦接其公共栅极。

所述第一偏置电路211适于为所述第一电流镜电路和第二电流镜电路提供偏置电流，使得所述差分输入级21具有稳定的静态工作点。

所述第一负载电路212的第一输入端耦接所述第四MOS管M4的漏极，所述第一负载电路212的第二输入端耦接所述第一MOS管M1的漏极，所述第一负载电路212的输出端耦接所述差分输入级21的输出端，所述第一负载电路212适于为所述差分输入级21提供负载。

本发明实施例多级放大器200中的所述差分输入级21为折叠式共源共栅结构，具有较大的共模输入范围和较大的摆幅。相比于图1所示的多级放大器100而言，所述第一MOS管M1和第二MOS管M2可以在功能上等效于多级放大器100中的MOS管M1，所述第三MOS管M3和第四MOS管M4可以在功能上等效于多级放大器100中的MOS管M2，所述第一电流镜电路可以在功能上等效于多级放大器100中的MOS管M3，所述第二电流镜电路可以在功能上等效于多级放大器100中的MOS管M4。

在本发明实施例中，由所述第一电压Vin+的作用而输出的电流将根据所述第一MOS管M1和第二MOS管M2的尺寸比拆分成两部分，其中一部分电流被所述第二电流镜电路根据其内部MOS管的尺寸(也即宽长比)进行有比例地电流镜像并输出，加上所述第四MOS管M4的漏极输出的电流，使得在所述第一负载电路212的第一输入端处形成了同极性的电压的叠加效果。同理，在所述第三MOS管M3、第四MOS管M4和第一电流镜的作用下，在所述第一负载电路212的第二输入端处形成了同极性的电压的叠加效果。由此，可以通过配置所述差分输入级21中各个MOS管的尺寸，使得输入至所述第一负载电路212的电流增大，所述差分输入级21的跨导因此增大，在不改变所述中间放大级22和输出级23电路结构的情况下，所述多级放大器200的增益得到增强，由于单位增益带宽与增益的正比例关系，所述多级放大器200的单位增益带宽也得到增强，并且，没有明显增加电路规模和复杂度。

进一步从电路极性的角度进行分析，假设差模信号中所述第一电压Vin+的极性为正(+)，第二电压Vin-的极性为负(-)，则所述第一MOS管M1和第二MOS管M2的漏极输出的电压极性为负(-)，所述第三MOS管M3和第四MOS管M4的漏极输出的电压极性为正(+)，以致所述第二电流镜的公共栅极的电压极性为负(-)，所述第一电流镜的公共栅极的电压极性为正(+)，此时，所述第一电流镜的第一漏极输出的电压极性为负(-)，所述第二电流镜的第一漏极输出的电压极性为正(+)。因此，在所述第一负载电路212的第一输入端处形成了两个极性为正(+)的电压的叠加效果，并且，在所述第一负载电路212的第二输入端处也形成了两个极性为负(-)的电压的叠加效果。

图3以包括单个中间放大级为例，示出了一种多级放大器200的电路图。下面综合图2和图3对所述多级放大器200的具体实施方式进行详细说明。

进一步而言，在具体实施例中，所述第一MOS管M1和第二MOS管M2的尺寸比可以为(1-a)：a；所述第三MOS管M3和第四MOS管M4的尺寸比可以为a：(1-a)，其中，0＜a＜1。

需要说明的是，本文中出现的两个MOS管的尺寸比指的是两个MOS管的宽长比的比。

通过尺寸关系的设置，所述第一MOS管M1和第二MOS管M2可以完全等效于多级放大器100中的MOS管M1(参见图1)，所述第三MOS管M3和第四MOS管M4可以完全等效于多级放大器100中的MOS管M2(参见图1)。

具体地，如图2所示，所述第一电流镜电路可以包括第五MOS管M5和第六MOS管M6，所述第五MOS管M5的源极耦接所述第六MOS管M6的源极和所述第一电流镜电路的公共源极，所述第五MOS管M5的栅极耦接所述第六MOS管M6的栅极和所述第一电流镜电路的公共栅极，所述第五MOS管M5的漏极耦接所述第一电流镜电路的第一漏极，所述第六MOS管M6的漏极耦接所述第一电流镜电路的第二漏极。

所述第二电流镜电路可以包括：第七MOS管M7和第八MOS管M8，所述第七MOS管M7的源极耦接所述第八MOS管M8的源极和所述第二电流镜电路的公共源极，所述第七MOS管M7的栅极耦接所述第八MOS管M8的栅极和所述第二电流镜电路的公共栅极，所述第八MOS管M8的漏极耦接所述第二电流镜电路的第一漏极，所述第七MOS管M7的漏极耦接所述第二电流镜电路的第二漏极。

在具体实施中，所述第五MOS管M5和第六MOS管M6的尺寸比可以为(1-a)：a；所述第七MOS管M7和第八MOS管M8的尺寸比可以为a：(1-a)。

若假设所述第一MOS管M1和第二MOS管M2的漏极输出的电流之和为I，则所述第一MOS管M1的漏极输出的电流为I×(1-a)，所述第二MOS管M2的漏极输出的电流为I×a，那么，所述第八MOS管M8的漏极输出的电流为I×(1-a)，则输入至所述第一负载电路212的第一输入端的电流为2I×(1-a)；同理，输入至所述第一负载电路212的第二输入端的电流也为2I×(1-a)。此时，如果所述a小于0.5，则相比于现有技术，本实施例多级放大器200的差分输入级21的跨导将得到增强。

需要说明的是，本发明实施例并不限制所述第一MOS管M1和第二MOS管M2、第三MOS管M3和第四MOS管M4、第五MOS管M5和第六MOS管M6，以及所述第七MOS管M7和第八MOS管M8的尺寸比。在具体应用中，可以对以上所述的各个MOS管的尺寸进行灵活配置，本实施例不进行一一举例。

在具体实施中，所述第一MOS管M1、第二MOS管M2、第三MOS管M3和第四MOS管M4可以为PMOS管；所述第五MOS管M5、第六MOS管M6、第七MOS管M7和第八MOS管M8可以为NMOS管。

在具体实施中，如图3所示，所述第一偏置电路211可以包括：第九MOS管M9，其漏极耦接所述第六MOS管M6的栅极，其源极耦接所述第六MOS管M6的漏极；第十MOS管M10，其漏极耦接所述第七MOS管M7的栅极，其源极耦接所述第七MOS管M7的漏极，其栅极耦接所述第九MOS管M9的栅极并接收第一偏置电压Vb1。

在本发明另一具体实施中，如图3所示，所述差分输入级21可以包括所述第一MOS管M1、第二MOS管M2、第三MOS管M3、第四MOS管M4、第一电流镜电路、第二电流镜电路、第一偏置电路211、第一负载电路212，以及第十一MOS管M11、第十二MOS管M12、第十三MOS管M13和第十四MOS管M14。

所述第十一MOS管M11的漏极耦接所述第三MOS管M3的漏极。

所述第十二MOS管M12的栅极耦接所述第九MOS管M9的栅极并接收第二偏置电压Vb2，所述第十二MOS管M12的漏极耦接所述第二MOS管M2的漏极；所述第二偏置电压Vb2与所述第一偏置电压Vb1可以为同一电压。

所述第十三MOS管M13的栅极耦接所述第十二MOS管M12的源极，所述第十三MOS管M13的源极耦接所述第一电流镜电路的公共源极并接地，所述第十三MOS管M13的漏极耦接所述第十一MOS管M11的源极。

所述第十四MOS管M14的栅极耦接所述第十一MOS管M11的源极，所述第十四MOS管M14的源极耦接所述第二电流镜电路的公共源极并接地，所述第十四MOS管M14的漏极耦接所述第十二MOS管M12的源极。

其中，所述第十一MOS管M11和第十二MOS管M12分别适于为所述第十三MOS管M13和第十四MOS管M14提供偏置电流，并始终处于导通状态。

其中，所述第一MOS管M1、第二MOS管M2、第三MOS管M3、第四MOS管M4、第一电流镜电路、第二电流镜电路、第一偏置电路211和第一负载电路212的更多信息请参照前述实施例的相关描述，此处不再赘述。

在具体实施中，所述第十三MOS管M13和所述第六MOS管M6的尺寸比可以为(1-b)：b，所述第十四MOS管M14和所述第七MOS管M7的尺寸比可以为(1-b)：b，其中，0.5＜b＜1。

进一步而言，在前文对电路极性分析的基础上继续进行分析。所述第二MOS管M2的漏极输出的电压极性为负(-)，所述第三MOS管M3的漏极输出的电压极性为正(+)，并依旧假设所述第二MOS管M2的漏极输出的电流为I×a，那么，所述第七MOS管M7和第十四MOS管M14对所述第二MOS管M2的漏极输出的电流按照b：(1-b)进行拆分；那么，所述第十三MOS管M13的栅极的极性为负(-)，其漏极输出的电压极性为正(+)，此极性为正(+)的电压将与极性同为正(+)的第三MOS管M3的漏极输出的电压产生叠加效果，并作用于所述第一电流镜电路上，可以使得输入至所述第一负载电路212的第二输入端处的电流得到进一步地增强，同理，输入至所述第一负载电路212的第一输入端处的电流得到进一步地增强，此处不再赘述。因此，所述差分输入级21的跨导得到进一步增强，改善了多级放大器200的增益和单位增益带宽。

此时，本发明实施例多级放大器200的增益G_novel与现有技术中的多级放大器100(参照图1)的增益G_typical之间相比而言，具有以下关系：

从公式(1)可得，若合理配置a和b的大小，可使得本发明实施例多级放大器200的增益相比于现有技术中的多级放大器100得到显著提高。

同时，由于单位增益带宽GBM＝G/C，其中，G表示带宽，C表示多级放大器200的输出端的二端口处其等效电容的大小。因此，当增益显著提高时，多级放大器200的单位增益带宽也具有显著提高。

在本发明的所有实施例中，所述第一负载电路212可以包括但不限于第十五MOS管M15、第十六MOS管M16、第十七MOS管M17、第十八MOS管M18、第十九MOS管M19和第二十MOS管M20。

其中，所述第十五MOS管M15的源极耦接电源Vdd。所述第十六MOS管M16的源极耦接电源Vdd，其栅极耦接所述第十五MOS管M15的栅极。所述第十七MOS管M17的漏极耦接所述第十五MOS管M15的漏极，其源极耦接所述第十五MOS管M15的栅极。所述第十八MOS管M18的漏极耦接所述第十六MOS管M16的漏极，其栅极耦接所述第十七MOS管M17的栅极并接收第三偏置电压Vb3。所述第十九MOS管M19的漏极耦接所述第十七MOS管M17的源极，其源极耦接所述第一负载电路212的第一输入端。所述第二十MOS管M20的漏极耦接所述第十八MOS管M18的源极和所述第一负载电路212的输出端，其源极耦接所述第一负载电路212的第二输入端，其栅极耦接所述第十九MOS管M19的栅极并接受第四偏置电压Vb4。

需要说明的是，所述第一负载电路212可以包括也可以采用现有技术中的MOS管M5至M8(参见图1)实现，本实施例不进行特殊限制。然而，相比于现有技术所增加的共栅层叠结构(所述第十七MOS管M17、第十八MOS管M18)，使得所述第一负载电路212形成了共源共栅结构，可以进一步地改善差分输入级21的增益。

在具体实施中，所述多级放大器200还包括但不限定于压控电流源(图中未标示)，其控制端接收第五偏置电压Vb5，其第一端耦接电源Vdd，其第二端输出所述第一偏置电流。具体地，所述压控电流源可以为MOS管M0。本发明实施例还可以采用其他电路，例如压控电流源，产生所述第一偏置电流，本实施例不进行特殊限制。

在本发明的所有实施例中，所述中间放大级22可以包括放大电路(图中未标示)和第二负载电路(图中未标示)。

所述放大电路的第一端耦接电源Vdd，其第二端耦接第二负载电路，其输入端耦接所述差分输入级21的输出端和所述中间放大级22的输入端，适于对所述差分输入级21的输出端输出的信号进行放大。

所述第二负载电路适于为所述放大电路提供负载，其输出端耦接所述中间放大级22的输出端。

具体地，所述放大电路可以包括形成共源结构的第二十一MOS管M21，其源极耦接所述放大电路的第一端，其栅极接收所述放大电路的输入端，其漏极耦接所述放大电路的第二端。

具体地，所述第二负载电路包括第三电流镜电路(图中未标示，但可参见MOS管CM31和CM32)，所述第三电流镜电路的第二漏极耦接所述第二十一MOS管M21的漏极和所述第三电流镜的公共栅极，其公共源极接地，其第一漏极直接后者间接地耦接电源Vdd。

具体地，所述第二负载电路还可以包括第二十二MOS管M22，其栅极接收第六偏置电压Vb6，其漏极耦接所述第三电流镜电路的第一漏极，其源极耦接电源Vdd。

需要说明的是，在具体应用中，可以按照实际需求调整所述中间放大级22的级数，本实施例不进行特殊限制，但是，处于对电路规模和复杂度的考虑，所述中间放大级22的级数不宜过高。

在本发明的所有实施例中，所述输出级23可以包括第二十三MOS管M23和第二十四MOS管M24。其中，所述第二十三MOS管M23的栅极接收第七偏置电压Vb7，其源极耦接电源Vdd，其漏极耦接所述输出级23的输出端和所述多级放大器的输出端。所述第二十四MOS管M24的栅极耦接所述第三电流镜电路的第一漏极，其漏极耦接所述第二十三MOS管M23的漏极，其源极接地。

需要说明的是，本发明实施例中的第一至第七偏置电压均可以由常规的偏置电压产生电路或是其他适当的方式提供为了简化，图3中未示出。

在本发明又一具体实施例中，所述多级放大器200还可以包括：正反馈米勒补偿电路(图中未标示)，适于在所述多级放大器的差分输入级21和所述输出级23之间建立正反馈的米勒补偿通路，使得所述输出级23工作在AB状态，既可以改善多级放大器200的输出信号的交越失真，具有较高带载能力，还可以有效地提高多级放大器200的压摆率。

在具体实施中，所述正反馈米勒补偿电路可以包括第一电容C1和第二电容C2。其中，所述第一电容C1的第一端耦接所述第二十三MOS管M23的栅极和所述差分输入级21的输出端，其第二端耦接所述输出级23的输出端。所述第二电容C2的第一端耦接所述第一电容C1的第一端，其第二端耦接所述第二十四MOS管M24的栅极，使得所述输出级23中第二十三MOS管M23的栅极与所述差分输入级21的输出端耦接，形成所述正反馈的米勒补偿通路。

图4是本发明实施例与图1所示的现有技术中的多级放大器的增益和单位增益带宽的对比仿真图。从图4中可得，相比于现有技术，本发明实施例多级放大器200的增益从75dB增加至131dB，单位增益带宽从4.8MHz增加至14.6MHz。

图5是本发明实施例与图1所示的现有技术中的多级放大器的压摆率的对比仿真图。从图5中可得，相比于现有技术，本发明实施例多级放大器200的压摆率从7.1V/μs增加至14.2V/μs。

虽然本发明披露如上，但本发明并非限定于此。任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各种更动与修改，因此本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。

Claims (16)

1.一种多级放大器，其特征在于，包括顺序级联的差分输入级、至少一个中间放大级和输出级；其中，所述差分输入级包括：

源极耦接在一起的第一MOS管和第二MOS管，所述第一MOS管的栅极耦接所述第二MOS管的栅极并接收第一电压；

源极耦接在一起的第三MOS管和第四MOS管，所述第三MOS管的栅极耦接所述第四MOS管的栅极并接收第二电压，所述第三MOS管的源极耦接所述第二MOS管的源极并接收第一偏置电流；

第一电流镜电路，其公共栅极耦接所述第三MOS管的漏极，其第一漏极耦接所述第一MOS管的漏极，其第二漏极耦接其公共栅极；

第二电流镜电路，其公共栅极耦接所述第二MOS管的漏极，其公共源极耦接所述第一电流镜电路的公共源极，其第一漏极耦接所述第四MOS管的漏极，其第二漏极耦接其公共栅极；

第一偏置电路，适于为所述第一电流镜电路和第二电流镜电路提供偏置电流；

第一负载电路，其第一输入端耦接所述第四MOS管的漏极，其第二输入端耦接所述第一MOS管的漏极，其输出端耦接所述差分输入级的输出端，所述第一负载电路适于为所述差分输入级提供负载。

2.根据权利要求1所述的多级放大器，其特征在于，所述第一MOS管和第二MOS管的尺寸比为(1-a)：a；所述第三MOS管和第四MOS管的尺寸比为a：(1-a)，其中，0＜a＜1。

3.根据权利要求2所述的多级放大器，其特征在于，所述第一电流镜电路包括第五MOS管和第六MOS管，所述第五MOS管的源极耦接所述第六MOS管的源极和所述第一电流镜电路的公共源极，所述第五MOS管的栅极耦接所述第六MOS管的栅极和所述第一电流镜电路的公共栅极，所述第五MOS管的漏极耦接所述第一电流镜电路的第一漏极，所述第六MOS管的漏极耦接所述第一电流镜电路的第二漏极；

所述第二电流镜电路包括：第七MOS管和第八MOS管，所述第七MOS管的源极耦接所述第八MOS管的源极和所述第二电流镜电路的公共源极，所述第七MOS管的栅极耦接所述第八MOS管的栅极和所述第二电流镜电路的公共栅极，所述第八MOS管的漏极耦接所述第二电流镜电路的第一漏极，所述第七MOS管的漏极耦接所述第二电流镜电路的第二漏极。

4.根据权利要求3所述的多级放大器，其特征在于，所述第五MOS管和第六MOS管的尺寸比为(1-a)：a；所述第七MOS管和第八MOS管的尺寸比为a：(1-a)。

5.根据权利要求3所述的多级放大器，其特征在于，所述第一MOS管、第二MOS管、第三MOS管和第四MOS管为PMOS管；所述第五MOS管、第六MOS管、第七MOS管和第八MOS管为NMOS管；

所述第一偏置电路包括：

第九MOS管，其漏极耦接所述第六MOS管的栅极，其源极耦接所述第六MOS管的漏极；

第十MOS管，其漏极耦接所述第七MOS管的栅极，其源极耦接所述第七MOS管的漏极，其栅极耦接所述第九MOS管的栅极并接收第一偏置电压。

6.根据权利要求5所述的多级放大器，其特征在于，所述差分输入级还包括：

第十一MOS管，其漏极耦接所述第三MOS管的漏极；

第十二MOS管，其栅极耦接所述第九MOS管的栅极并接收第二偏置电压，其漏极耦接所述第二MOS管的漏极；

第十三MOS管，其栅极耦接所述第十二MOS管的源极，其源极耦接所述第一电流镜电路的公共源极并接地，其漏极耦接所述第十一MOS管的源极；

第十四MOS管，其栅极耦接所述第十一MOS管的源极，其源极耦接所述第二电流镜电路的公共源极并接地，其漏极耦接所述第十二MOS管的源极。

7.根据权利要求6所述的多级放大器，其特征在于，所述第十三MOS管和所述第六MOS管的尺寸比为(1-b)：b，所述第十四MOS管和所述第七MOS管的尺寸比为(1-b)：b，其中，0.5＜b＜1。

8.根据权利要求1至7任一项所述的多级放大器，其特征在于，所述第一负载电路包括：

第十五MOS管，其源极耦接电源；

第十六MOS管，其源极耦接电源，其栅极耦接所述第十五MOS管的栅极；

第十七MOS管，其漏极耦接所述第十五MOS管的漏极，其源极耦接所述第十五MOS管的栅极；

第十八MOS管，其漏极耦接所述第十六MOS管的漏极，其栅极耦接所述第十七MOS管的栅极并接收第三偏置电压；

第十九MOS管，其漏极耦接所述第十七MOS管的源极，其源极耦接所述第一负载电路的第一输入端；

第二十MOS管，其漏极耦接所述第十八MOS管的源极和所述第一负载电路的输出端，其源极耦接所述第一负载电路的第二输入端，其栅极耦接所述第十九MOS管的栅极并接受第四偏置电压。

9.根据权利要求1至7任一项所述的多级放大器，其特征在于，还包括：压控电流源，其控制端接收第五偏置电压，其第一端耦接电源，其第二端输出所述第一偏置电流。

10.根据权利要求1至7任一项所述的多级放大器，其特征在于，所述中间放大级包括：

放大电路，其第一端耦接电源，其第二端耦接第二负载电路，其输入端耦接所述差分输入级的输出端和所述中间放大级的输入端，适于对所述差分输入级的输出端输出的信号进行放大；

所述第二负载电路，适于为所述放大电路提供负载，其输出端耦接所述中间放大级的输出端。

11.根据权利要求10所述的多级放大器，其特征在于，所述放大电路包括：第二十一MOS管，其源极耦接所述放大电路的第一端，其栅极接收所述放大电路的输入端，其漏极耦接所述放大电路的第二端。

12.根据权利要求11所述的多级放大器，其特征在于，所述第二负载电路包括第三电流镜电路，其第二漏极耦接所述第二十一MOS管的漏极和所述第三电流镜的公共栅极，其公共源极接地，其第一漏极直接后者间接地耦接电源。

13.根据权利要求12所述的多级放大器，其特征在于，所述第二负载电路还包括：

第二十二MOS管，其栅极接收第六偏置电压，其漏极耦接所述第三电流镜电路的第一漏极，其源极耦接电源。

14.根据权利要求13所述的多级放大器，其特征在于，所述输出级包括：

第二十三MOS管，其栅极接收第七偏置电压，其源极耦接电源，其漏极耦接所述输出级的输出端和所述多级放大器的输出端；

第二十四MOS管，其栅极耦接所述第三电流镜电路的第一漏极，其漏极耦接所述第二十三MOS管的漏极，其源极接地。

15.根据权利要求14所述的多级放大器，其特征在于，还包括：正反馈米勒补偿电路，适于在所述差分输入级和输出级之间建立正反馈的米勒补偿通路，使得所述输出级工作在AB状态。

16.根据权利要求15所述的多级放大器，其特征在于，所述正反馈米勒补偿电路包括：

第一电容，其第一端耦接所述第二十三MOS管的栅极和所述差分输入级的输出端，其第二端耦接所述输出级的输出端；

第二电容，其第一端耦接所述第一电容的第一端，其第二端耦接所述第二十四MOS管的栅极。