专利名称：基于cmos精确电压放大器的对数放大器的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种基于CMOS精确电压放大器的对数放大器。
技术背景图1是对数放大器的基本结构。其中A是电压放大器(在图1中，有N个电压放 大器串联，在本例中N = 4)，Gm是电流发生器(电压电流转换)，Σ I则用于将输出电流相 加。假设放大器饱和时，放大器的输入信号为Ε，则此时放大器输出将不再随输入信号 增大而增大，恒为ΑΕ，如图2。在这种情况下，由图3可知，当输入信号从Ε/Α3变化到AE的 时候，所有放大器输出信号的和由大约AE变化到了大约5ΑΕ。即输入信号成倍增加时，输出 信号线性增大。这是对数放大器的基本原理。在实际电路应用中，因为电压难以进行加法 运算，所以需要电流发生器将电压转换为电流，然后再把电流相加得到最终的输出信号。对数放大器的性能主要由它的动态量程范围和增益决定。由图3可知这两项属性 都由Α、Ε决定。由图3中的电路为例，输入动态量程范围Ε/Α3到ΑΕ，增益:Α4。精确的控 制A和E就成为当下对数放大器设计中的一个重要课题。如图4所示，传统的电压放大器通常有两种结构来得到恒定的增益。图4a的电路 增益为R2/R1，但是必须满足GmRl >> 1。也就是说Gm或者Rl要足够大，这样的放大器无 法由低功耗或小面积的电路来实现。图4b的电路可实现恒定增益为(W1L2/W2L1)"2，并对 功耗和面积没有要求，但其线性度无法控制。
发明内容为了解决上述技术问题，本实用新型提供了一种基于CMOS精确电压放大器的对 数放大器。本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是一种基于CMOS精确电压放大 器的对数放大器，由CMOS跨导电路和负载电路并联而成，所述CMOS跨导电路包括输入差分 对Ml和M2，电流源M3、M4和M7、M8，以及与M1、M2构成负反馈回路的M5、M6，所述负载电路 由M9、MlO和连接在M9和MlO栅极上的R2组成。本实用新型可实现对于对数放大器的增益和动态量程的精确控制，从而使得对数 放大器的性能不再受工艺、温度、电压变化的影响。
以下结合附图和实施例对本实用新型进一步说明。图1是对数放大器的基本结构。图2是电压放大器的输入输出特性。图3是对数放大器的基本原理。图4是基于现有技术的电压放大器示意图。
3[0014]图5是本实用新型的电压放大器示意图。
具体实施方式
如图5所示的一种基于CMOS精确电压放大器的对数放大器，由左半部分的CMOS 跨导电路和右半部分的负载电路并联而成，所述CMOS跨导电路包括输入差分对Ml和M2，电 流源M3、M4和M7、M8，以及与M1、M2构成负反馈回路的M5、M6，所述负载电路由M9、M10、和 两个R2构成，而其负载电阻R2没有直接接地，而是接在了 M9和MlO的栅极上。这样做的 好处是直流电流不经过R2，输出点的DC电压与R2无关。对于差分电路而言“π4”是虚地， 故AC信号视Μ9和MlO为开路，所有小信号电流都会流过R2。因此该电路的功能与R2接地 相同。当有输入信号Vi = (Vip-Vin)加在放大器输入端时，Μ5和Μ6构成的负反馈 电路将保证输入差分对Ml和Μ2工作在饱和区。此时Ml和Μ2的电流不变，那么Vi’ = (Vip，-Vin，)将等于Vi。所以流过Rl的电流ΔΙ = Vi，/Rl = Vi/Rl。Δ I流入M5和M6 中，并通过电流镜转移到R2上。如果电流镜产生的增益为1，那么整个放大器的增益就等 于2R2/R1。显而易见该放大器的增益只与电阻的比值的有关，与工艺、温度、电压没有关 系。并且只要Ml和M2工作在饱和区，Vi，= (Vip，-Vin，)将恒等于Vi = (Vip-Vin)， 没有GmRl >> 1的限制(对比图4a的电路)，这样就不需要将电流或者电阻做的很大，节 省了功耗和面积。从图5中还可以看到，Il和12是电流源电流。当电路工作在线性区时，Il和12 应保持恒定不变。输入信号产生的Δ I应该全部来自于13，那么当13 = 0，即M5关闭的 时候，电路进入非线性区。由图5易知，此时Vi = (I1-I2)*R1。当放大器完全饱和时，Ml、 M5和M7都关闭了，此时流过Rl的电流为II，经过电流镜的转移，得到的差分输出电压为 I1*2R2。这就是该放大器的最大输出饱和电压。该放大器的最大输出饱和电压是一个I*R的形式，看起来不是一个恒定值。但考 虑I通常是由Bandgap产生的，具有Vref/Rref的形式。放大器的最大输出饱和电压依然 可以写成Vref*R/Rref的形式。而Vref通常是由Bandgap产生的一个恒定电压。显而易 见该放大器的最大输出饱和电压只随电阻的比值变化，与工艺、温度、电压没有关系。当然 这有一个前提=Rref与放大器中的R是同一类型，并且相互匹配。回到图3，显然易见A是电压放大器增益等于2R2/R1。AE是电压放大器最大输出 饱和电压等于I1*2R2。饱和输入电压E应当等于I1*R1。这样对数放大器的基本性能参数 输入动态量程范围(E/A3到AE)，增益(A4)都可以确定下来了。并且这些参数都是可以精 确控制的，与工艺、温度、电压无关。以上仅是本实用新型的较佳实施例而已，并非对本实用新型作任何形式上的限 制，凡是依据本实用新型的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰， 均仍属于本实用新型技术方案的范围内。
权利要求一种基于CMOS精确电压放大器的对数放大器，其特征是所述基于CMOS精确电压放大器的对数放大器由CMOS跨导电路和负载电路并联而成，所述CMOS跨导电路包括输入差分对M1和M2，电流源M3、M4和M7、M8，以及与M1、M2构成负反馈回路的M5、M6，所述负载电路由M9、M10和连接在M9和M10栅极上的R2组成。
专利摘要本实用新型涉及一种基于CMOS精确电压放大器的对数放大器。一种基于CMOS精确电压放大器的对数放大器，由CMOS跨导电路和负载电路并联而成，所述CMOS跨导电路包括输入差分对M1和M2，电流源M3、M4和M7、M8，以及与M1、M2构成负反馈回路的M5、M6，所述负载电路由M9、M10和连接在M9和M10栅极上的R2组成。本实用新型可实现对于对数放大器的增益和动态量程的精确控制，从而使得对数放大器的性能不再受工艺、温度、电压变化的影响。
文档编号H03F3/45GK201682459SQ20102011152
公开日2010年12月22日 申请日期2010年2月10日 优先权日2010年2月10日
发明者孙礼中, 李晓波 申请人:苏州科山微电子科技有限公司