折叠式共源共栅运算放大器电路分析

集成电路发展趋势

随着物联网移动终端的需求日益增长，对便携式设备与长续航能力的追求促使低电压和低功耗的芯片设计变得尤为重要。降低电路功耗而不牺牲其他性能指标是设计中的一大挑战。因此，想尽办法”压榨“电路中未能完全利用的电流，从而提高电流效率成为一种低功耗的设计思路。

折叠式共源共栅运算放大器

图1先看我们熟悉的折叠式共源共栅放大器，如图1。其中M4、M5作为电流源均提供了ISS大小的电流。但M4、M5仅充当电流源的角色，大电流的特点虽使得M4、M5本身有很大的跨导，但无法作用到增益上，造成电流的”浪费“。

电流倍增技术

图2

如图2，该电路实现了电流倍增：M3-M6组成了两对电流镜，将电流倍增至K倍。如果单纯通过这样的电流镜进行倍增后，再接上后级负载，等效跨导确实大了，但这不是多了两路K倍的电流吗？功耗反而增大了 ......貌似好像没什么用哦？别急，妙的在后面。

图3

如图3，稍微改一下输入差分对M1、M2，把他俩拆成四个晶体管分别为M11、M12、M21、M22。现在，每个差分晶体管的电流均为ISS/4。再通过电流镜将差分晶体管”耦合“起来，形成反馈。现在，M11、M21通过电流镜实现了倍增了K倍的小信号电流，因此M11、M21的等效跨导也倍增了K倍。

图4

但往往实际上不会使用图3的接法(可以想想为什么)，比较好的是图4的接法。嘶......这有区别吗？兄dei你是不是放错图了？看清楚咯，Vin1与Vin2接哪里去啦？终于看到了？没错，这是一种交叉耦合的方式。同样，M11、M21的等效跨导倍增了K倍。假设差分晶体管均具有相同的尺寸，并且设其自身跨导为gm，那么整个电路的等效跨导：

Gm=gm+K·gm=(1+K)·gm

没有采用电流复用技术的原电路的跨导仅仅为2gm，而采用电流复用技术后，通过调整不同的电流镜比例，可以实现不同倍数的等效跨导。假设取K=3，那么电路的等效跨导与原来相比倍增了2倍，而电路总的电流却没有变化，仍然是2ISS。所以说，电流复用技术提高了电路的电流效率，狠狠地"压榨"电流！

当然啦，这个电路最后有了增益带宽积、转换速率等等指标的提升，但功耗没有变化，代价就是电路的复杂程度上升、版图面积增加、对匹配的要求更高等等。