多反馈环路仪表折叠式栅-阴放大器的制作方法

本公开大体涉及音频电路并涉及平衡的仪表折叠式栅-阴放大器(cascodeamplifier)。

背景技术：

图1示出了具有差分输入101和差分输出102的现有技术仪表放大器100。仪表放大器100包括差分输入级103，其中负信号接收晶体管104和正信号接收晶体管105形成输入对。晶体管104的基极接收反相输入。晶体管105的基极接收非反相输入。两个放大器106、107分别连接到晶体管104、105的输出。差分输入信号(-in和+in)被施加到输入差分级103的晶体管104、105的基极。两个放大器104、105的输出(-out和+out)通过晶体管108、109、110连接到输入差分级103的晶体管104、105的发射极。

图2示出了具有差分输入(input1和input2)和差分输出(output1和output2)的另一现有技术仪表放大器200。晶体管204的基极通过电阻器208接收第一输入。晶体管205的基极通过电阻器209接收第二输入。两个放大器206、207分别连接到晶体管204、205的输出。两个放大器206、207的输出通过电阻器210、211连接到差分输入的晶体管204、205的基极。第三电阻器212连接晶体管204、205的发射极。

仪表放大器100、200具有大输入电容的缺点。密勒(miller)效应考虑由于基极端子和集电极端子之间的电容的放大导致的输入器件的输入电容的增大。结电容取决于施加的电压。在输入信号处的输入电容的变化引入额外的失真。放大器100、200的每个晶体管104、105和204、205可以用折叠式栅-阴电路替换，参见(例如)美国专利号3,473,134。折叠式栅-阴电路可具有更低的输入电容、更高的增益并在输入端子和输出端子之间不存在dc电压差，并且会更易于稳定。在图3和图4中示出了折叠式栅-阴电路300、400的改进拓扑结构的示例。

仪表放大器电路(具有输入级和输出级)是平衡的并且优选地在它的输出信号中展现零共模分量。具有差分输出的仪表放大器可关于浮动负载或关于接地连接的负载进行操作。如果具有接地连接的负载不包括两个相同的半部分，则输出级供应不等同的电流、生成不等同的失真并且产生共模分量。图1-4中示出的电路100、200、300、400中的反馈网络与接地无关并且不感测共模信号。

技术实现要素：

描述了一种仪表放大器，其被配置用于提供高共模抑制和低失真。仪表放大器可以包括输入差分晶体管对，该输入差分晶体管对包括第一输入晶体管和第二输入晶体管，并且被配置来接收在第一反馈输入和第二反馈输入处的差分输入电压并输出电流模式信号。仪表放大器可以包括折叠式栅-阴放大级，该折叠式栅-阴放大级被配置来接收从所述输入差分晶体管对提供的输出电流模式信号，该折叠式栅-阴放大级包括第一输出端子和第二输出端子。仪表放大器可以包括多个反馈路径或网络，例如，包括第一电阻器反馈网络的第一外部增益设置电路和包括第二电阻器反馈网络的第二外部增益设置电路。

在一个示例中，第一电阻器反馈网络可包括第一电阻器、第二电阻器和第三电阻器。第一电阻器连接在所述输入差分晶体管对的第一反馈输入和第二反馈输入之间。第二电阻器连接在折叠式栅-阴级的第一输出端子和所述输入差分晶体管对的第二反馈输入之间。第三电阻器连接在折叠式栅-阴放大级的第二输出端子和所述输入差分晶体管对的第一反馈输入之间。

在一个示例中，第二电阻器反馈网络包括第四电阻器、第五电阻器、第六电阻器和第七电阻器。第四电阻器连接在第一信号输入和所述输入差分晶体管对的第一输入晶体管的栅极端子之间。第五电阻器连接在折叠式栅-阴放大级的第一输出端子和所述输入差分晶体管对的第一输入晶体管的栅极端子之间。第六电阻器连接在第二输入和所述输入差分晶体管对的第二输入晶体管的栅极端子之间。第七电阻器连接在折叠式栅-阴级的第二输出端子和所述输入差分对的第二输入晶体管的栅极端子之间。

在一个示例中，仪表放大器还可包括第一输出缓冲器和第二输出缓冲器，该第一输出缓冲器和该第二输出缓冲器被配置来接收来自折叠式栅-阴放大级的差分输出信号并且向第一外部增益设置电路和第二外部增益设置电路提供输出电压。

在一个示例中，仪表放大器还可包括电流缓冲器级，该电流缓冲器级包括一对晶体管，该晶体管对中的每个晶体管被配置为折叠式栅-阴放大级的对应晶体管的电流源，该电流缓冲器级被配置来向折叠式栅-阴级的输入端子提供输出电压总和的部分。

在一个示例中，非独立电流源连接到电流缓冲器级。非独立电流源被配置来向折叠式栅-阴级的输入端子提供消除电流。

在一个示例中，仪表放大器还包括第一输出缓冲器和第二输出缓冲器，该第一和第二输出缓冲器被配置来接收来自折叠式栅-阴放大级的差分信号。

在一个示例中，第三外部增益设置电路被提供并且包括第三电阻器反馈网络。第三电阻器反馈网络包括连接在第一输出缓冲器的输出端子和所述输入差分晶体管对的第二反馈输入之间的第八电阻器，和连接在第二输出缓冲器的输出端子和所述输入差分晶体管对的第一反馈输入之间的第九电阻器。

在一个示例中，第四外部增益设置电路被提供并且包括连接在第一输出缓冲器的输出端子和所述输入差分晶体管对的第一输入晶体管的栅极端子之间的第十电阻器，和连接在第二输出缓冲器的输出端子和所述输入差分晶体管对的第二输入晶体管的栅极端子之间的第十一电阻器。

描述了一种仪表放大器，并且其可包括：输入差分级，该输入差分级被配置来接收在第一和第二输入处的差分输入电压并输出电流模式信号，该输入差分级包括第一输入晶体管和第二输入晶体管；折叠式栅-阴放大级，该折叠式栅-阴放大级被配置来接收来自输入差分级的输出电流模式信号；以及作为增益设置电路操作的多个反馈网络，其中多个反馈网络的第一电阻器反馈网络向第一输入晶体管和第二输入晶体管提供反馈，其中多个反馈网络的第二电阻器反馈网络向第一输入晶体管和第二输入晶体管的输入提供反馈。

在一个示例中，第一电阻器反馈网络包括：连接在第一输入晶体管和第二输入晶体管的第一反馈输入和第二反馈输入之间的第一电阻器；连接在折叠式栅-阴级的第一输出端子和输入差分级的第二反馈输入之间的第二电阻器；以及连接在折叠式栅-阴放大级的第二输出端子和输入差分级的第一反馈输入之间的第三电阻器。

在一个示例中，第二个电阻器反馈网络包括：连接在第一信号输入和输入差分级的第一输入晶体管的栅极端子之间的第一电阻器；连接在折叠式栅-阴放大级的第一输出端子和输入差分级的第一输入晶体管的栅极端子之间的第二电阻器；连接在第二输入和输入差分级的第二输入晶体管的栅极端子之间的第三电阻器；以及连接在折叠式栅-阴级的第二输出端子和输入差分级的第二输入晶体管的栅极端子之间的第四电阻器。

在一个示例中，仪表放大器还包括输出缓冲器，该输出缓冲器被配置来接收来自折叠式栅-阴放大级的差分输出信号并且向第一电阻器反馈网络和第二电阻器反馈网络提供输出电压。

在一个示例中，仪表放大器还包括：电流缓冲器级，该电流缓冲器级包括一对晶体管，该晶体管对中的每个晶体管被配置为折叠式栅-阴放大级的对应晶体管的电流源，该电流缓冲器级被配置来向折叠式栅-阴放大级的输入端子提供来自放大器的输出信号总和的部分；以及非独立电流源，该非独立电流源连接到电流缓冲器级，该非独立电流源被配置来向折叠式栅-阴放大级的输入端子提供消除电流。

在一个示例中，仪表放大器还包括第一输出缓冲器和第二输出缓冲器，该第一和第二输出缓冲器被配置来接收来自折叠式栅-阴放大级的差分信号；并且其中多个反馈网络包括第三电阻器反馈网络。

在一个示例中，第三电阻器反馈网络包括：连接在第一输出缓冲器的输出端子和输入差分级的第二输入之间的第一电阻器；以及连接在第二输出缓冲器的输出端子和输入差分级的第一输入之间的第二电阻器。

在一个示例中，多个反馈网络包括第四电阻器反馈网络，该第四电阻器反馈网络包括：连接在第一输出缓冲器的输出端子和输入差分级的第一输入晶体管的栅极端子之间的第三电阻器；以及连接在第二输出缓冲器的输出端子和输入差分级的第二输入晶体管的栅极端子之间的第四电阻器。

在一个示例中，仪表放大器还包括：电流缓冲器级，该电流缓冲器级包括一对晶体管，该晶体管对中的每个晶体管被配置为折叠式栅-阴放大级的对应晶体管的电流源，该电流缓冲器级被配置来向折叠式栅-阴级的输入端子提供输出信号总和的部分；以及非独立电流源，该非独立电流源连接到电流缓冲器级，该非独立电流源被配置来向折叠式栅-阴级的输入端子提供消除电流。

发明内容部分中各实施方案的其他变型和组合在本公开的范围内。

附图说明

图1示出了现有技术电路。

图2示出了现有技术电路。

图3示出了现有技术电路。

图4示出了现有技术电路。

图5示出了根据一个实施方案的多反馈环路仪表折叠式栅-阴放大器。

图6示出了根据一个实施方案的多反馈环路仪表折叠式栅-阴放大器。

图7示出了根据一个实施方案的多反馈环路仪表折叠式栅-阴放大器。

图8示出了根据一个实施方案的多反馈环路仪表折叠式栅-阴放大器。

图9示出了根据一个实施方案的多反馈环路仪表折叠式栅-阴放大器。

具体实施方式

根据要求，本文中公开了本发明的详细实施方案；但是应理解，所公开的实施方案仅示例性说明本发明，本发明可体现为不同和替代形式。附图不一定按比例绘制；一些特征可能会被放大或最小化以示出特定部件的细节。因此，本文中公开的具体结构细节和功能细节不应被解释为是限制性的，而是仅仅作为教导本领域技术人员以不同方式采用本发明的代表性基础。

本文中描述了仪表放大器电路，并且其可用于(例如，在音频放大器、信号处理器及类似物中)处理音频信号。电路可包括多个反馈环路和差分折叠式栅-阴输入级。电路可操作来提供仪表放大器中的单个增益块的提高的共模抑制比。在一些示例中，所述电路可具有差分折叠式栅-阴放大级，其允许经放大信号的高精度和低失真，而不降低所述共模抑制比。本公开的以上和其他优点由差分折叠式栅-阴放大器电路(其可包括非独立电流源和电流跟随器)以一种形式来实行。

图5示出了具有多个反馈环路的仪表放大器电路500的示例实施方案，该多个反馈环路例如去往和来自连接到差分输入级的折叠式栅-阴放大级。差分输入级包括第一晶体管505和第二晶体管506。第一和第二晶体管505、506可以形成输入差分晶体管对。在一个示例中，晶体管505、506是场效应晶体管。在一个示例中，晶体管505、506是结型场效应晶体管(jfet)。每个晶体管505、506的漏极分别连接到电阻器503、504。电阻器503连接到第一晶体管505的漏极和第一电源(例如，音频处理系统内的固定电压)。电阻器504连接到第二晶体管506的漏极和电源。电阻器503、504充当晶体管505、506的负载。晶体管505的栅极通过电阻器501连接到第一输入。晶体管506的栅极通过电阻器502连接到第二输入。输入级的每个晶体管505、506的源极分别连接到恒定电流源508、509。在一个示例中，晶体管505的源极连接到恒定电流源508。在一个示例中，晶体管506的源极连接到恒定电流源509。电流源508、509设置通过输入级(例如，通过晶体管505、506)的电流。电阻器507，可以是反馈网络的部分，用于改变输入级(例如，在晶体管505、506处)的电导。

折叠式栅-阴放大级连接到差分输入级并且可包括第一放大晶体管514和第二放大晶体管515。第一输入晶体管505的漏极连接到第二放大晶体管515的发射极。第二输入晶体管506的漏极连接到第一放大晶体管514的发射极。第一放大晶体管514和第二放大晶体管515的基极连接到参考端，该参考端子提供参考信号来控制晶体管的操作。第一放大晶体管514和第二放大晶体管515两者的集电极分别通过电阻器516、517连接到第二电源(例如，音频处理系统内的固定电压)。电阻器516、517充当放大级的负载。电阻器503、504充当设置到放大级的电流的电流设置器件。电路500的差分输出来自第一放大晶体管514和第二放大晶体管515的集电极。

来自折叠式栅-阴放大级的输出信号(例如，通过电阻器网络)被馈送回到差分输入级。来自折叠式栅-阴晶体管515的集电极和输出级520的信号通过电阻器511被馈送回到第二输入晶体管506的源极并且通过电阻器510被馈送回到第一输入晶体管505的栅极。来自输出级520的信号通过电阻器524被馈送回到晶体管506的源极并且通过电阻器526被馈送回到晶体管505的栅极。来自栅-阴器件514的输出信号通过电阻器513被馈送回到晶体管505的源极并且通过电阻器512被馈送回到晶体管506的栅极，并且来自输出级523的信号通过电阻器525被馈送回到晶体管505的源极并且通过电阻器527被馈送回到晶体管506的栅极。晶体管505、506的源极通过电阻器507连接。

电阻器507、511和513可以形成到差分输入级或第一外部增益设置电路的第一反馈网络。电阻器501、502、510和512可以形成第二外部增益设置电路。电阻器510和512可以形成到差分输入级的第二反馈网络。

图6示出了具有多个反馈环路的仪表放大器电路500a的示例实施方案。与前述实施方案的相同元件使用相同的参考编号。仪表放大器电路500a与电路500(图5)类似，具有额外的反馈环路和输出缓冲器。仪表放大器电路500a包括从输出到差分输入级的第三反馈网络和第四反馈网络。将来自折叠式栅-阴晶体管515的集电极的信号输入到输出级的输出缓冲器520中。输出缓冲器520可以是单个输入运算放大器，以保护电路500a免受输出(output1)处的变化或信号影响并加载输出(output1)处的变化或信号。来自第二折叠式栅-阴晶体管515的集电极的信号通过电阻器511被馈送回到第二输入晶体管506的源极。来自输出级520的输出信号通过电阻器524被馈送回到第二输入晶体管506的源极。来自第一折叠式栅-阴晶体管514的集电极的信号通过电阻器513被馈送回到第一输入晶体管505的源极。来自输出级523的输出信号通过电阻器525被馈送回到第一输入晶体管505的源极。电阻器524和525可以形成第三反馈网络。来自输出级520的信号通过电阻器526被馈送回到第一输入晶体管505的栅极。来自第二输出级523的输出信号通过电阻器527被馈送回到第二输入晶体管506的栅极。晶体管505、506的源极通过电阻器507连接。电阻器524和525可以形成第四反馈网络。

图7示出了具有多个反馈环路的仪表放大器电路500b的示例实施方案。与前述实施方案相同的元件使用相同的参考编号。仪表放大器电路500b与仪表放大器电路500类似，并且包括电流跟随器电路和向差分输入级提供额外的反馈的非独立电流源。更具体来说，额外的反馈环路被提供通过求和网络522、非独立电流源521和两个电流跟随器518、519。在一个示例中，电流跟随器518、519是共基双极性器件。晶体管518、519的基极连接到电压参考。电压参考可不同于功率电平1和2，并且对放大级器件514、515的电压参考可以是不同的。第五晶体管518的集电极连接到第三晶体管514的发射极。第六晶体管519的集电极连接到第四晶体管515的发射极。晶体管518、519的发射极馈送自非独立电流源521的倒相输出。电流跟随器518、519和非独立电流源521被设计来补偿在output1和output2处的输出信号的不对称性。求和电路522对output1和output2求和并且发送和信号来控制非独立电流源521。

图8示出了具有多个反馈环路的仪表放大器电路500c的示例实施方案。与前述实施方案的相同元件使用相同的参考编号。仪表放大器电路500c与仪表放大器电路500b和500c类似，包括电流跟随器电路、非独立电流源和输出缓冲器电路。来自折叠式栅-阴放大级的输出信号仅馈送到输出缓冲器级。更具体来说，放大级的晶体管514、518的集电极分别馈送到缓冲器500、523的单个输入。来自缓冲器520、523的输出是仪表放大器电路500c的输出(output1和output2)。来自第一缓冲器520的输出通过电阻器511被馈送回到第二输入晶体管506的源极。来自第一缓冲器520的输出通过电阻器510被馈送回到第一输入晶体管505的栅极。来自第二缓冲器523的输出通过电阻器513被馈送回到第一输入晶体管505的源极。来自第二缓冲器523的输出通过电阻器512被馈送回到第二输入晶体管506的栅极。电流跟随器电路的第五晶体管518的集电极连接到第三晶体管514的发射极。电流跟随器电路的第六晶体管519的集电极连接到第四晶体管515的发射极。晶体管518、519的发射极馈送自非独立电流源521的倒相输出。电流跟随器晶体管518、519和非独立电流源521被设计来补偿在output1和output2处的输出信号的不对称性。求和电路522对来自输出缓冲器520、523的output1和output2求和，并且提供和信号来控制非独立电流源521。

图9示出了仪表放大器电路500d的示意图。差分输入信号由输入901提供。差分输入信号可以是音频信号。音频信号可以是表示在人类听力范围中或正好超出人类听力范围的声音的模拟信号。差分输入级903接收来自输入901的输入信号。差分输入级903向放大级905输出信号。放大级905放大信号并且向输出缓冲器907输出放大的信号。输出缓冲器907输出来自仪表放大器电路500d的信号并且可向电路500d提供保护免受输出处的负载影响。至少第一外部增益设置级909和第二增益设置级911电连接在输出缓冲器907和差分输入级903之间。第一外部增益设置级909和第二增益设置级911提供从输出到输入级903的离散反馈网络。非独立电流源913可被提供来另外控制放大的信号的失真。电路500d可操作来提供仪表放大器中的单个增益块的提高的共模抑制比。在一些示例中，电路500d可具有差分折叠式栅-阴放大级，其允许经放大信号的高精度和低失真，而不降低输入级处的共模抑制比。

在操作中，差分输入级的第一晶体管505和第二晶体管506具有栅-阴(共基)配置并且它们的漏极端子分别连接到放大(电平移动)晶体管514、515的发射极。使用折叠式栅-阴输入级被认为能够解决一些现有电路设计的输入电容问题。目前描述的仪表放大器电路500、500a、500b、500c通过将来自放大器(输出级)的输出经由电阻器网络连接回到输入差分级的第一和第二晶体管的源极来获得负反馈。在一个示例中，第一网络(例如，电阻器507和电阻器513和511)向差分输入级提供反馈信号。在一个示例中，第二网络将来自放大器(输出级)的输出(例如，通过电阻器510和电阻器512)导回到差分输入级的第一和第二晶体管的栅极。额外的反馈环路被提供通过求和网络522、非独立电流源521和两个电流跟随器518、519。

本文中描述的本电路可具有在有差分折叠式栅-阴输入级的仪表放大器中的多反馈环路。本电路可操作来提供单个增益块仪表放大器的提高的共模抑制比。本电路可具有差分折叠式栅-阴放大级，其允许经放大信号的高精度和低失真，而不降低所述共模抑制比。本公开的以上和其他优点由差分折叠式栅-阴放大器电路(其可包括额外的非独立电流源和电流跟随器)以一种形式来实行。

本公开描述了由电阻器形成的反馈网络，使用多个电阻元件替代单个所示的电阻器将在本公开的范围内。

本公开使用术语级来表示电路中的各个处理级。所述级可包括多个离散电气部件以提供所描述的级的信号处理。

虽然上文描述了示例性实施方案，但并不意图为这些实施方案描述本发明的所有可能形式。而是，本说明书中所使用的词语为描述性而非限制性词语，并且应理解，可在不脱离本发明的精神和范围的情况下做出各种改变。另外，可以组合各种实施的实施方案的特征以形成本发明的另外实施方案。