一种应用信号衰减技术的跨导放大器及方法与流程

本发明涉及放大器技术领域，特别涉及一种应用信号衰减技术的跨导放大器及方法。

背景技术：

跨导运算放大器(OTA)是很多模拟电路设计的一个基本的模块，像是乘法器、连续时间滤波器、压控振荡器，连续时间sigma-delta转换器等等，都包含跨导放大器。这是一个输入模拟值为电压，输出值为电流的模拟器件，输入电压与输出电流的比值称为跨导。跨导放大器最重要的指标就是线性度，它意味着电压转换成电流的失真程度，这个值越小，这个跨导放大器的性能越好，尤其对于sigma-delta模数转换器这种高分辨率的转换器，它们需要一个高的线性度去满足信噪比的实际要求。

带宽是也运算放大器的重要指标，决定着其的动态特性，然而带宽往往又由跨导电容比直接决定，跨导在电路运行中不是一个稳定的常量，会随着温度的升降、输入电压的变化等一系列参数的变化而改变，所以需要一个补偿电路来固定跨导，使其相对稳定为一个固定的值，以便于电路的设计及应用。另一方面，过大的电源电压会导致整体电路功耗上升，不能满足现在集成电路设计的应用要求。

技术实现要素：

本发明提供一种应用信号衰减技术的跨导放大器及方法，所要解决的技术问题是：如何降低输入电压和输出电压之间的影响，提高线性度、增益、放大精度。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种应用信号衰减技术的跨导放大器，包括差分输入级、信号衰减电路、偏置电流源、第一电流镜、第二电流镜和第三电流镜；

所述差分输入级与所述信号衰减电路连接，用于输入电压Vin+和电压Vin-，生成差分输入电流；

所述信号衰减电路与所述差分输入级连接，用于接入电源电压VDD，对差分输入电流进行信号衰减，生成电流衰减信号；

所述偏置电流源分别与所述差分输入级、信号衰减电路、第一电流镜和第二电流镜连接，用于接入电源电压VDD，根据电流衰减信号进行导通向所述第一电流镜和第二电流镜输出偏置电流；

所述第一电流镜和第二电流镜均与所述第三电流镜连接，所述第一电流镜和第二电流镜均用于对偏置电流进行复制，分别生成复制电流传输至第三电流镜；

所述第三电流镜，用于增大单位增益带宽，对复制电流进行增益放大，输出放大信号I_out。

本发明的有益效果是：差分输入级能增加对噪声的抗干扰能力，还能增大电压摆幅；信号衰减电路能提高线性度；第一电流镜和第二电流镜采用低压共源共栅结构，具有非常低的输入电阻和非常高的输出电阻，在起到精准复制电流作用，同时还可以尽可能的减小该模块对电压余度的消耗；第三电流镜能提高压摆率，增大单位增益带宽，高开环增益。

在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。

进一步，所述差分输入级包括N型MOS管M1～M2和MOS管M5，所述MOS管M1的栅极和MOS管M2的栅极分别接入差分输入电压Vin+和电压Vin-，所述MOS管M1和MOS管M2的源极均与MOS管M5的漏极连接；所述MOS管M5的栅极接地，其源极接入低电平VSS；所述MOS管M1和MOS管M2的漏极均与信号衰减电路连接。

采用上述进一步方案的有益效果是：MOS管M1和MOS管M2能提升对噪声的抗干扰能力，还能增大电压摆幅。

进一步，所述MOS管M1和MOS管M2的尺寸相同，所述MOS管M1的跨导与所述MOS管M2的跨导相等，即g_m1＝g_m2。

采用上述进一步方案的有益效果是：能增大电压摆幅。

进一步，所述信号衰减电路包括P型MOS管M3～M4，所述MOS管M3和MOS管M4的漏极分别与所述MOS管M1和MOS管M2的漏极连接，所述MOS管M3的漏极还与其栅极连接，所述MOS管M4的漏极还与其栅极连接，所述MOS管M3和MOS管M4的源极均与电源电压VDD连接。

采用上述进一步方案的有益效果是：MOS管M3和MOS管M4能对差分输入电流进行信号衰减，能控制偏置电流源，改善输出信号的线性度。

进一步，所述偏置电流源包括MOS管M6～M8，所述MOS管M6的漏极与电源电压VDD连接，所述MOS管M6的栅极接地，所述MOS管M6的源极分别与MOS管M7的漏极和MOS管M8的漏极连接；MOS管M7的栅极和MOS管M8的栅极分别与MOS管M1的漏极和MOS管M2的漏极连接；所述MOS管M7和MOS管M8的源极分别与所述第一电流镜和第二电流镜连接。

采用上述进一步方案的有益效果是：MOS管M6、MOS管M7和MOS管M8能为第一电流镜和第二电流镜提供偏置电流，降低输入电压对输出电压的影响，改善输出信号的线性度。

进一步，所述第一电流镜包括N型MOS管M9～M13，所述MOS管M9的漏极接入电源电压VDD，其栅极接地，其源极与所述MOS管M11的漏极连接；所述MOS管M10和MOS管M11的栅极均接入偏置电压VB1，所述MOS管M10和MOS管M11的源极分别与所述MOS管M12和MOS管M13的漏极连接，所述MOS管M10的漏极与第三电流镜连接，所述MOS管M11还与所述MOS管M7的源极连接；所述MOS管M12和MOS管M13的源极均接入低电平VSS，所述MOS管M12和MOS管M13的栅极均与所述M9的源极连接。

进一步，所述第二电流镜包括N型MOS管M14～M18，所述MOS管M14的漏极接入电源电压VDD，其栅极接地，其源极与所述MOS管M15的漏极连接；所述MOS管M15和MOS管M16的栅极均接入偏置电压VB1，所述MOS管M15和MOS管M16的源极分别与所述MOS管M17和MOS管M18的漏极连接，所述MOS管M16的漏极与所述第三电流镜连接，所述MOS管M15还与所述MOS管M8的源极连接；所述MOS管M17和MOS管M18的源极均接入低电平VSS；所述MOS管M17和MOS管M18的栅极均与所述M16的漏极连接。

采用上述进一步方案的有益效果是：N型MOS管M9～M13和N型MOS管M14～M18构成低压共源共栅结构，具有非常低的输入电阻和非常高的输出电阻，在起到精准复制电流作用的同时还可以尽可能的减小对电压余度的消耗。

进一步，所述MOS管M10、MOS管M11、MOS管M15和MOS管M16的栅极接入的偏置电压VB1均为100mV。

采用上述进一步方案的有益效果是：偏置电压VB1能克服MOS管失配以及工艺角的影响，消除输出增益的误差，实现无误差放大。

进一步，所述第三电流镜包括P型MOS管M19、MOS管M20、MOS管M22、MOS管M23、MOS管M25、MOS管M27和N型MOS管M21、MOS管M24、MOS管M26，所述MOS管M19和MOS管M22的源极均与电源电压VDD连接；所述MOS管M19的栅极与MOS管M22的栅极连接，所述MOS管M19的漏极分别与所述MOS管M20的源极和MOS管M10的漏极连接；所述MOS管M22的漏极与所述MOS管M23的源极连接；所述MOS管M20的栅极与所述MOS管M23的栅极连接，所述MOS管M22的漏极分别与所述MOS管M21的漏极和MOS管M19的漏极连接，所述MOS管M21的源极接入低电平VSS，其栅极接地；所述MOS管M23的漏极分别与所述MOS管M24的漏极和所述MOS管M25的栅极连接，所述MOS管M24的源极接入低电平VSS，其栅极接地；所述MOS管M25的源极接入高电平VDD，其漏极分别与所述MOS管M26的漏极和MOS管M27的栅极连接；所述MOS管M26的栅极接地，其源极接入接入低电平VSS；所述MOS管M27的源极与和MOS管M22的漏极连接，所述MOS管M27的漏极分别与MOS管M16的漏极和输出端连接。

采用上述进一步方案的有益效果是：P型MOS管M19、MOS管M20、MOS管M22、MOS管M23、MOS管M25、MOS管M27和N型MOS管M21、MOS管M24、MOS管M26构成共源共栅结构，提高压摆率，增大单位增益带宽，高开环增益。

本发明解决上述技术问题的另一技术方案如下：一种应用信号衰减技术的跨导放大器的运作方法，包括以下步骤：

步骤S1.差分输入级输入电压Vin+和电压Vin-，生成差分输入电流；

步骤S2.信号衰减电路接入电源电压VDD，对差分输入电流进行信号衰减，生成电流衰减信号；

步骤S3.偏置电流源接入电源电压VDD，根据电流衰减信号进行导通向所述第一电流镜和第二电流镜输出偏置电流；

步骤S4.第一电流镜和第二电流镜均对偏置电流进行复制，分别生成复制电流传输至第三电流镜；

步骤S5。第三电流镜增大单位增益带宽，对复制电流进行增益放大，输出放大信号I_out。

本发明的有益效果是：差分输入级能增加对噪声的抗干扰能力，还能增大电压摆幅；信号衰减电路能提高线性度；第一电流镜和第二电流镜采用低压共源共栅结构，具有非常低的输入电阻和非常高的输出电阻，在起到精准复制电流作用，同时还可以尽可能的减小该模块对电压余度的消耗；第三电流镜能提高压摆率，增大单位增益带宽，高开环增益。

附图说明

图1为本发明一种应用信号衰减技术的跨导放大器的电路原理图；

图2为本发明一种应用信号衰减技术的跨导放大器的输入级小信号模型原理图；

图3为本发明一种应用信号衰减技术的跨导放大器的小信号模型原理图；

图4为本发明一种应用信号衰减技术的跨导放大器的交流小信号幅频图；

图5为本发明一种应用信号衰减技术的跨导放大器的交流小信号相频图；

图6为本发明一种应用信号衰减技术的跨导放大器运行方法的流程图。

附图中，各标号所代表的部件列表如下：

1、差分输入级，2、信号衰减电路，3、偏置电流源，4、第一电流镜，5、第二电流镜，6、第三电流镜。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

如图1所示，一种应用信号衰减技术的跨导放大器，包括差分输入级1、信号衰减电路2、偏置电流源3、第一电流镜4、第二电流镜5和第三电流镜6；

所述差分输入级1与所述信号衰减电路2连接，用于输入电压Vin+和电压Vin-，生成差分输入电流；

所述信号衰减电路2与所述差分输入级1连接，用于接入电源电压VDD，对差分输入电流进行信号衰减，生成电流衰减信号；

所述偏置电流源3分别与所述差分输入级1、信号衰减电路2、第一电流镜4和第二电流镜5连接，用于接入电源电压VDD，根据电流衰减信号进行导通向所述第一电流镜4和第二电流镜5输出偏置电流；

所述第一电流镜4和第二电流镜5均与所述第三电流镜6连接，所述第一电流镜4和第二电流镜5均用于对偏置电流进行复制，分别生成复制电流传输至第三电流镜6；

所述第三电流镜6，用于增大单位增益带宽，对复制电流进行增益放大，输出放大信号I_out；

差分输入级1能增加对噪声的抗干扰能力，还能增大电压摆幅；信号衰减电路2能提高线性度；第一电流镜4和第二电流镜5采用低压共源共栅结构，具有非常低的输入电阻和非常高的输出电阻，在起到精准复制电流作用，同时还可以尽可能的减小该模块对电压余度的消耗；第三电流镜6能提高压摆率，增大单位增益带宽，高开环增益。

上述实施例中，所述差分输入级1包括N型MOS管M1～M2和MOS管M5，所述MOS管M1的栅极和MOS管M2的栅极分别接入差分输入电压Vin+和电压Vin-，所述MOS管M1和MOS管M2的源极均与MOS管M5的漏极连接；所述MOS管M5的栅极接地，其源极接入低电平VSS；所述MOS管M1和MOS管M2的漏极均与信号衰减电路2连接；所述MOS管M1和MOS管M2的尺寸相同，所述MOS管M1的跨导与所述MOS管M2的跨导相等，即g_m1＝g_m2；MOS管M1和MOS管M2能提升对噪声的抗干扰能力，还能增大电压摆幅。

上述实施例中，所述信号衰减电路2包括P型MOS管M3～M4，所述MOS管M3和MOS管M4的漏极分别与所述MOS管M1和MOS管M2的漏极连接，所述MOS管M3的漏极还与其栅极连接，所述MOS管M4的漏极还与其栅极连接，所述MOS管M3和MOS管M4的源极均与电源电压VDD连接；MOS管M3和MOS管M4能对差分输入电流进行信号衰减，能控制偏置电流源，改善输出信号的线性度。

上述实施例中，所述偏置电流源3包括MOS管M6～M8，所述MOS管M6的漏极与电源电压VDD连接，所述MOS管M6的栅极接地，所述MOS管M6的源极分别与MOS管M7的漏极和MOS管M8的漏极连接；MOS管M7的栅极和MOS管M8的栅极分别与MOS管M1的漏极和MOS管M2的漏极连接；所述MOS管M7和MOS管M8的源极分别与所述第一电流镜4和第二电流镜5连接；MOS管M6、MOS管M7和MOS管M8能为第一电流镜4和第二电流镜5提供偏置电流，降低输入电压对输出电压的影响，改善输出信号的线性度。

上述实施例中，所述第一电流镜4包括N型MOS管M9～M13，所述MOS管M9的漏极接入电源电压VDD，其栅极接地，其源极与所述MOS管M11的漏极连接；所述MOS管M10和MOS管M11的栅极均接入偏置电压VB1，所述MOS管M10和MOS管M11的源极分别与所述MOS管M12和MOS管M13的漏极连接，所述MOS管M10的漏极与第三电流镜6连接，所述MOS管M11还与所述MOS管M7的源极连接；所述MOS管M12和MOS管M13的源极均接入低电平VSS，所述MOS管M12和MOS管M13的栅极均与所述M9的源极连接；所述第二电流镜5包括N型MOS管M14～M18，所述MOS管M14的漏极接入电源电压VDD，其栅极接地，其源极与所述MOS管M15的漏极连接；所述MOS管M15和MOS管M16的栅极均接入偏置电压VB1，所述MOS管M15和MOS管M16的源极分别与所述MOS管M17和MOS管M18的漏极连接，所述MOS管M16的漏极与所述第三电流镜6连接，所述MOS管M15还与所述MOS管M8的源极连接；所述MOS管M17和MOS管M18的源极均接入低电平VSS；所述MOS管M17和MOS管M18的栅极均与所述M16的漏极连接；N型MOS管M9～M13和N型MOS管M14～M18构成低压共源共栅结构，具有非常低的输入电阻和非常高的输出电阻，在起到精准复制电流作用的同时还可以尽可能的减小对电压余度的消耗；所述MOS管M10、MOS管M11、MOS管M15和MOS管M16的栅极接入的偏置电压VB1均为100mV；偏置电压VB1能克服MOS管失配以及工艺角的影响，消除输出增益的误差，实现无误差放大；

上述实施例中，所述第三电流镜6包括P型MOS管M19、MOS管M20、MOS管M22、MOS管M23、MOS管M25、MOS管M27和N型MOS管M21、MOS管M24、MOS管M26，所述MOS管M19和MOS管M22的源极均与电源电压VDD连接；所述MOS管M19的栅极与MOS管M22的栅极连接，所述MOS管M19的漏极分别与所述MOS管M20的源极和MOS管M10的漏极连接；所述MOS管M22的漏极与所述MOS管M23的源极连接；所述MOS管M20的栅极与所述MOS管M23的栅极连接，所述MOS管M22的漏极分别与所述MOS管M21的漏极和MOS管M19的漏极连接，所述MOS管M21的源极接入低电平VSS，其栅极接地；所述MOS管M23的漏极分别与所述MOS管M24的漏极和所述MOS管M25的栅极连接，所述MOS管M24的源极接入低电平VSS，其栅极接地；所述MOS管M25的源极接入高电平VDD，其漏极分别与所述MOS管M26的漏极和MOS管M27的栅极连接；所述MOS管M26的栅极接地，其源极接入接入低电平VSS；所述MOS管M27的源极与和MOS管M22的漏极连接，所述MOS管M27的漏极分别与MOS管M16的漏极和输出端连接；

P型MOS管M19、MOS管M20、MOS管M22、MOS管M23、MOS管M25、MOS管M27和N型MOS管M21、MOS管M24、MOS管M26构成共源共栅结构，提高压摆率，增大单位增益带宽，高开环增益。

MOS管M3和MOS管M4工作在饱和区，然后连接所产生的电压V_G3.4为:

V_G3.4＝V_dd-V_SG3.4

同时，

V_SG3.4＝V_SD3.4＝V_{SD3.4_sat}+|V_TH|

上式中V_G3.4分别为MOS管M3、M4的栅极电压，V_DD为电源电压，V_SG3.4为MOS管M3、M4的源级与栅极之间的电压，V_TH为MOS管的阈值电压；

β_p是晶体管的跨导。

MOS管M9、MOS管M10、MOS管M11、MOS管M12、MOS管M13和MOS管M14、MOS管M15、MOS管M16、MOS管M17、MOS管M18分别组成了第一电流镜4和第二电流镜5，第一电流镜4和第二电流镜5作为翻转电压跟随器，达到一个低的输入阻抗、搞输出阻抗的目的，他们的输入输出电阻如下：

R_out＝r₁₀r₁₂g_m12

其中g_m为MOS管的跨导，r_o为对应MOS管的输出电阻。

MOS管M19、MOS管M20、MOS管M21、MOS管M22、MOS管M23、MOS管M24、MOS管M25、MOS管M26和MOS管M27构成了第三电流镜6，其中输入级作为一个翻转电压跟随器，输出级则以共源共栅晶体管的形式来实现，因此，这个电流镜具有一个大摆率、大的单位增益带宽一个高的开环增益等优点。第三电流镜6具有一个很低的输入阻抗，很高的输出阻抗的优点，它的输入输出电阻如下式所示：

R_out＝g_m25r_o25g_m27g_m23r₀₂₃r_o22。

MOS管M3和MOS管M4工作工作在饱和区，这个差分输入对的电压如下式所示：

I_ds1和I_ds2是两个干路电流可以表述为：

二极管形式连接的P型MOS管的差分栅极电压可以描述为：

在上式中高阶的因子可以忽略，所以上式等于

其中

m为衰减因子，

现在这个差分电压输入到一个通用跨导放大器其输出电流可以表示为：

代入ΔV_g，这个输出电流可以写成：

忽略高阶因子，跨导和三阶谐波失真为：

上述等式显示该运算放大器的跨导G_m与的值成反比，三阶谐波失真HD₃与m的值成反比，所以增加m的值可以减小三阶谐波失真并增加线性度。

输入级的小信号衰减如图2所示，差分输入级Vin+和Vin-如下式所示：

基于上式，差分输入电压可以描述为：

式中

F₁＝r_o5(1+g_m3r_o3)+r_o3

F₃＝r_o5(1+g_m3r_o3)

F₂＝r_o5(1+g_m4r_o4)+r_o4

F₄＝r_o5(1+g_m4r_o4)

考虑到g_mir_oi远远大于1，且MOS管M1和MOS管M2的长宽比还相等，所以该差分输入的电压可以描述为：

图3是整个电路的小信号模型，由图可知：

由上式可知，差分输入电压可以描述为：

式中

V_ds13＝E₁I_ds1

V_ds17＝E₂I_ds2

其中

将上式代入V_d13和V_d17，并通过近似1+g_mir_oi＝g_mir_oi，MOS管M1和MOS管M2的长宽比也是相同的，E₁和E₂也相等，所以说输出电流可以描述为：

本专利所得交流小信号幅频结果如图4所示，图4中横坐标为频率，单位为Hz，纵坐标为增益，单位为dB；图5为本专利多的交流小信号的相频曲线，图5中横坐标为频率，单位为Hz，纵坐标为相位，单位为deg。

图4和图5可以看到本专利的相位裕度为70.5°，可以保证电路系统的稳定，且直流增益为72.7dB，单位增益带宽为207.3MHz。

实施例2：

一种应用信号衰减技术的跨导放大器的运作方法，包括以下步骤：

步骤S1.差分输入级1输入电压Vin+和电压Vin-，生成差分输入电流；

步骤S2.信号衰减电路2接入电源电压VDD，对差分输入电流进行信号衰减，生成电流衰减信号；

步骤S3.偏置电流源3接入电源电压VDD，根据电流衰减信号进行导通向所述第一电流镜4和第二电流镜5输出偏置电流；

步骤S4.第一电流镜4和第二电流镜5均对偏置电流进行复制，分别生成复制电流传输至第三电流镜6；

步骤S5。第三电流镜6增大单位增益带宽，对复制电流进行增益放大，输出放大信号I_out。

差分输入级1能增加对噪声的抗干扰能力，还能增大电压摆幅；信号衰减电路2能提高线性度；第一电流镜4和第二电流镜5采用低压共源共栅结构，具有非常低的输入电阻和非常高的输出电阻，在起到精准复制电流作用，同时还可以尽可能的减小该模块对电压余度的消耗；第三电流镜6能提高压摆率，增大单位增益带宽，高开环增益。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。