专利名称：小信号电容放大电路装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及ー种用于连接运算放大器的小信号电容放大电路装置。
背景技术：
集成运算放大器(Integrated Operational Amplifier)简称集成运放,是由多级直接耦合放大电路组成的高増益模拟集成电路。它的增益高(可达6(Tl80dB)，输入电阻大(几十千欧至百万兆欧)，共模抑制比高(6(Tl70dB)，失调与飘移小，而且还具有输入电压为零时输出电压亦为零的特点，适用于正，负两种极性信号的输入和输出。一个标准的运算放大器包括非反相输入端、反相输入端、输出端、正电源端和负电源端。如果在运算放大器的输出端接一个较大的电容，该电容实际上与运算放大器的输·出电阻为并联关系，在利用小信号模型计算该运算放大器的零极点时，由于运算放大器的输出电阻常常非常高，因此可以提供ー个频率较低的极点，如果在该电容支路上串联ー个电阻，还可以提供一个频率值较低的零点。如果该运算放大器处于ー个多阶反馈环路中(例如有电压反馈环路的开关电源)，该环路的稳定性在相当程度上依赖于上述零极点时，希望零极点能够被设置地越低越好，即电容越大越好。但是由于现有的主流集成电路制造エ艺中，集成的电容器难以提供高的电容值，而大电容意味着更大的芯片面积，甚至不得不利用外桂。因此，尽早获得具有较低零极点的小信号电容放大电路，逐渐成为业界需要解决的问题。
实用新型内容本实用新型的目的在于提供ー种小信号电容放大电路装置，在小信号模型中，能够将较小的电容倍增成较大的电容，从而得到较低的零极点。为实现上述目的，本实用新型的技术方案如下ー种小信号电容放大电路装置，用于连接运算放大器，包括电容电流采样电路、电容电流放大电路、电流镜电路、一个偏置电压源43和一个电容3，该电容电流采样电路的输入端与该电容3的低电位31连接，输出端与该电容电流放大电路输入端相连，该电容电流放大电路输出端与电容3的高电位32连接；偏置电压源43为该电流镜电路供电，该电流镜电路的输入端、输出端分别与该电容3的低电位31、高电位32连接；该电流镜电路的控制端与ー个外接电源的正电源端42连接，该电容电流放大电路输入端以及电容电流采样电路输出端与该外接电源的负电源端41连接，该电容3的高电位32与该运算放大器输出端5连接。本实用新型提供的小信号电容放大电路装置，能够将较小的电容倍增成较大的电容，从而得到较低的零极点；该小信号电容放大电路装置，稳定性好，不需要大电容的引入。
图I为本实用新型的第一具体实施例的ー种小信号电容放大电路的电路原理图；图2为图I简化后的小信号模型；[0014]图3本实用新型的第二具体实施例的ー种小信号电容放大电路的电路原理图；图4为本实用新型的第三具体实施例的ー种小信号电容放大电路的电路原理图；图5为本实用新型的第四具体实施例的ー种小信号电容放大电路的电路原理图；图6示出根据本实用新型的第五具体实施例的ー种小信号电容放大电路的电路原理图。
具体实施方式
以下结合附图，对本实用新型的具体实施方式
作进ー步的详细说明。图I示出根据本实用新型的第一具体实施例的ー种小信号电容放大电路的电路原理图。具体地，本电路原理图包括5个部分，电容电流采样电路，电容电流放大电路、电流镜电路，小电容3，偏置电压源43。其中，电容电流采样电路具体为NMOS管1，电容电流放大 电路具体为NMOS管21，电流镜电路具体包括两个PMOS管22、23，小电容3的高电位为32，低电位为31 ;运算放大器(附图未示出)的输出端5与小电容3的高电位32相连接，外接电源(附图未示出)的正电源端为42，负电源端为41。PMOS管22的栅极与PMOS管23共同和偏置电压43相连接，PMOS管23的栅极、衬底同PMOS管22的栅极、衬底共同和外接电源的正电源端42相连接，并作为该电流镜电路的控制端；PM0S管23的漏极同小电容3的高电位32相连接作为电流镜电路的输出，PMOS管22的漏极同小电容3的低电位31相连接作为电流镜电路的输入，即PMOS管22和23成电流镜连接关系。根据本实施例，电容电流采样电路为NMOS管1，电容电流放大电路为NMOS管21，NMOS管I漏极与小电容3低电位31相连接作为电容电流采样电路的输入，NMOS管I源极、衬底以及NMOS管21源极、衬底共同与外接电源负电源端41相连接，既作为电容电流采样电路的输出也作为电容电流放大电路的输入；NM0S管I栅极以及漏极同NMOS管21的栅极相连接；NM0S管21的漏极同小电容3的高电位32连接作为电容电流放大电路的输出，即NMOS管I与NMOS管21也成电流镜连接关系。其中，NMOS管21的宽长比与NMOS管I的宽长比之比设置为M，PM0S管23的宽长比与22的宽长比之比也为M，M大于I。这样ー来，可以实现小电容的倍増。具体地，本领域技术人员理解，在N型半导体中，自由电子的浓度大于空穴的浓度，在P型半导体中，空穴的浓度大于自由电子的浓度。采用不同的掺杂エ艺，将P型半导体与N型半导体制作在同一块硅片上，在它们的交界面上就形成PN结。PN结具有单向导电性，即PN结外加正向电压时处于导通状态,外加反向电压时处于截止状态。在本实用新型中，采用了 NMOS管和PMOS管，而且都是增强型管，因为在栅源之间的电压为零时，漏极电流也为零。在NMOS管中，衬底为P型硅片，利用扩散エ艺制作两个高掺杂的N区，并引出两个电扱，分别为源极和漏扱，半导体上制作ー层SiO2绝缘层，再在SiO2之上制作ー层金属铝，引出电极，作为栅扱。当栅极与源极之间的电压发生变化时，将改变衬底靠近绝缘层处感应电荷的多少，从而控制漏极电流的大小。在具体应用中，上述电路与运算放大器相连接，本领域技术人员理解，运算放大器的高电位为同相输入端，低电位为反相输入端，这里同相和反相是指输入电压和输出电压之间的相位关系。运算放大器在工作中有线性放大区域和饱和区域两部分，在线性区，输出电压的斜率曲线表示电压放大倍数，在非线性区，输出电压只有两个可能的情況，+U或者-U。当同向输入端的电压大于反向输入端的电压时，运放的输出电压为正值，当反向输入端的电压大于同向输入端的电压时，运放的输出为负值。具体地，在本电路图中，PMOS管23、22的开启电压，即栅源之间的电压，小于零，以-4V为例。由于栅极的电位是由偏置电压源43决定，源极的电位是由外接电源的正电源端42决定，所以，只要偏置电压43与42端电位的差值小于4V，PMOS管23、22即能导通。电容电流采样电路以及电容电流放大电路均由NMOS管构成，具体为NMOS管I和NMOS管21，其开启电压，即栅源之间的电压大于零，以+4V为例。NMOS管I的栅极、漏极与PMOS管22的漏极相连，所以，PMOS管22导通之后，NMOS管I的栅源之间的电压为42端的电位减去PMOS管22的栅漏之间的电压，只要所得差值大于+4V，NMOS管I就能导通。由于NMOS管21与NMOS管I成电流镜连接关系，NMOS管21的栅源电压等于NMOS管I的栅源电压，所以，NMOS管21与NMOS管I同时导通。具体地，改变运算放大器的输入端电压值，使得运算放大器的输出电压从Vl有向 V2变化的趋势，其中，V2大于VI，即32端的电压从Vl向V2变化，此时小电容3的高电位32端的正电荷数量开始增加，増加的正电荷从外接电源的正电源端42和PMOS管23的漏极中抽取。为了保证小电容3两端的电荷平衡，电容3的低电位31端的负电荷也必须相应增カロ，从宏观上来说，表现为流过NMOS管I源漏极之间的电流增加。由于NMOS管I与NMOS管21之间存在着I : M(NM0S管I宽长比相对于NMOS管21宽长比之比)的电流镜连接，因此，流经NMOS管I源漏极的电流以M倍的关系流到NMOS管21中。因此，使得増加的上拉电流中有相当的电流并没有流到小电容3，而是通过21流向了地，结果导致向电容充电的电流被减小了。这时，电容两端电压的上升速度，类似于一个未减小的电流向一个更大的电容充电。在小信号模型中，该小电容实际上是被放大了。根据简单的计算以及实际电路的仿真结果，可以得到该小信号电容为原来的(1+M)倍。图2为图I简化后的小信号模型，本领域技术人员理解，其中，6为运算放大器输出级的交流等效电阻，7为小电容3的低电位31端到地的交流等效电阻，8为小电容3的高电位32端到地的等效电阻，C33为小信号电容放大后的等效电容。以R6、R7、R8、C33分别代表6、7、8的电阻值和33的电容值。可以得到该运算放大器的输出端提供了一个极点和一个零点其中，极点为1/[(册I R7)*C33]零点为1バR8*C33)上式中，R6| I R7表示R6、R7并联后的等效电阻，极点和零点的单位为赫兹。图3示出根据本实用新型的第二具体实施例的ー种小信号电容放大电路的电路原理图。本电路原理图可以看成是图I所示电路原理图的ー个变化例。在本变化例中,运算放大器(附图未示出)的输出端5与小电容3的高电位32相连接，外接电源的正电源端为42，负电源端为41。其中，电容电流采样电路和电容电流放大电路分别由PMOS管22和PMOS管23构成，PMOS管22和PMOS管23的源极以及衬底连接在一起，并与外接电源的正电源端42连接，PMOS管23变化为栅极不再同偏置电压43连接，只与PMOS管22的栅极连接，PMOS管23的漏极与电容3的高电位32连接，作为电容电流放大电路的输出端，PMOS管22变化为栅极同漏极连接，并与电容3的低电位31连接，作为电容电流采样电路输入端；电流镜电路则具体包括NMOS管I和NMOS管21，NMOS管I栅极与NMOS管21的栅极相连接，漏极与小电容的低电位31端连接，NMOS管21栅极除了同NMOS管I的栅极连接，还同偏置电压43连接，NMOS管I、NMOS管21源极、衬底连接在一起，并与外接电源的负电源端41连接，作为电流镜电路的控制端。在本变化例中，PMOS管23的宽长比与PMOS管22的宽长比之比设置为M，NM0S管21的宽长比与NMOS管I的宽长比之比也设置为M，M大于I。本领域技术人员理解，在小信号模型中，本原理图的交流等效电路和上述图2相同，所得的零极点也相同，在此不再赘述。图4示出根据本实用新型的第三具体实施例的ー种小信号电容放大电路的电路原理图。本电路原理图也可以看成是图I所示电路原理图的ー个进ー步改进的实施例。在本实施例中，可以在电容3的高电位32与PMOS管23漏极同第二 NMOS管21漏极连接的节点之间(近电容3的高电位32侧)串接有电阻R11，也可以在电容3的低电位31与PMOS 管22的漏极同第一 NMOS管I漏极连接的节点之间(近电容3的低电位31侧)串接有电阻R12，还可以在第一 NMOS管I漏极与PMOS管22的漏极同第一 NMOS管I漏极连接的节点之间(近第一 NMOS管I漏极侧)串接有电阻R13 ;上述3个电阻R11、R12、R13可以单独设置，也可以与任意其他电阻一起设置于电路中。本领域技术人员理解，设置上述电阻后，在图2中相当于电阻R8在増加，以R表示所有接入的电阻器件的小信号电阻总和，根据零极点公式，零点公式变化为1/[ (R8+R) *C33]，极点没有变。由此可见，只要增加的R值足够大，零点就能再次变得更低。图5示出根据本实用新型的第四具体实施例的ー种小信号电容放大电路的电路原理图。本电路原理图也可以看成是图3所示电路原理图的ー个进ー步改进的实施例。在本变化例中，可以在电容3的高电位32与PMOS管23漏极同第二 NMOS管21漏极连接的节点之间(近电容3的高电位32侧)串接有电阻R21，也可以在电容3的低电位31与PMOS管22的漏极同第一 NMOS管I漏极连接的节点之间(近电容3的低电位31侧)串接有电阻R22，还可以在第一 NMOS管漏极与PMOS管22的漏极同第一 NMOS管I漏极连接的节点之间(近PMOS管22漏极侧)串接有电阻R23 ;上述3个电阻R21、R22、R23可以单独设置，也可以与任意其他电阻一起设置于电路中。本领域技术人员理解，设置上述电阻后，在图2中相当于电阻R8在増加，以R表示所有接入的电阻器件的小信号电阻总和，根据零极点公式，零点公式变化为1/[(R8+R)*C33]，极点没有变。图六示出根据本实用新型的第五具体实施例的ー种小信号电容放大电路的电路原理图。本电路原理图也可以看成是图I所示电路原理图的另一个变化例。在本变化例中，电流镜电路采用了共源共栅结构。其中，电容电流采样电路变化为由NMOS管I、NMOS管24、电阻26组成的电路，NMOS管I的源极以及衬底、NMOS管24的衬底共同与外接电源负电源端41连接，NMOS管24的漏极通过电阻26与电容3的低电位31端连接，NMOS管I的漏极与NMOS管24的源极连接，NMOS管I的栅极同NMOS管24的漏极相连接，NMOS管24的栅极同电容3的低电位31端相连。其中，电容电流放大电路变化为由NMOS管25、NMOS管21组成，NMOS管25的衬底、NMOS管21的衬底、源极共同与外接电源负电源端41连接，NMOS管21的栅极同NMOS管I的栅极相连，NMOS管21的漏极与NMOS管25的源极相连，NMOS管25的栅极与NMOS管24的栅极相连，NMOS管25的漏极与32端连接。[0037]本领域技术人员理解，采用共源共栅结构的电流镜不仅可以提高电流镜的复制精度，提高电流镜输出端的输出电压摆幅，而且在本实用新型中，这样的结构还提高了 31端和32端与地之间的交流等效电阻，即相当于提高了图2中的R7、R8的阻值，根据上述零极点公式，电路的极点和零点都被减小了，这样就提高了电路的频率补偿性能。本说明书只为简要说明本电路的原理性架构，本领域内其他明显等同的变换方式也在本实用新型的保护范围之内，例如电容电流采样电路、电容电流放大电路以及电流镜电路(NM0S管1、21、PM0S管22、23等)可以采用晶体管PNP或NPN，各个实施例中的电流镜电路，包括PMOS对、NMOS对都可以采用共源共栅结构，共源共栅结构并不局限于本说明书给出的例子，也可以采用其他共知的共源共栅电流镜结构以提高电流复制的精度和输出电阻。在实施例三和四中，加入的电阻器件还可以是电阻方式连接的MOS管，因为MOS管的小信号电阻常常可以以较小的面积实现较大的阻值。以上的仅为本实用新型的优选实施例，实施例并非用以限制本实用新型的专利保护范围，因此凡是运用本实用新型的说明书及附图内容所作的等同结构变化，同理均应包 含在本实用新型的保护范围内。
权利要求1.一种小信号电容放大电路装置，用于连接运算放大器，包括电容电流采样电路、电容电流放大电路、电流镜电路、一个偏置电压源(43)和一个电容(3)，其特征在于，所述电容电流采样电路的输入端与所述电容⑶的低电位(31)连接，输出端与所述电容电流放大电路输入端相连，该电容电流放大电路输出端与该电容(3)的高电位(32)连接；所述偏置电压源(43)为所述电流镜电路供电，该电流镜电路的输入端、输出端分别与该电容(3)的低电位(31)、高电位(32)连接；该电流镜电路的控制端与一个外接电源的正电源端(42)连接，所述电容电流放大电路输入端以及所述电容电流采样电路输出端与该外接电源的负电源端(41)连接，该电容(3)的高电位(32)与所述运算放大器的输出端(5)连接。
2.如权利要求I所述的小信号电容放大电路装置，其特征在于，所述电流镜电路具体包括两个PMOS管(22、23)，该两个PMOS管(22、23)的栅极连接在一起，并与偏置电压源(43)连接，该两个PMOS管(22、23)的源极、衬底连接在一起，并与所述外接电源的正电源端(42)连接，该PMOS管(23)的漏极同电容(3)的高电位(32)连接，该PMOS管(22)的漏极同该电容(3)的低电位(31)连接。
3.如权利要求2所述的小信号电容放大电路装置，其特征在于，所述电容电流采样电路为第一 NMOS管(I)，电容电流放大电路为第二 NMOS管(21)，该第一 NMOS管⑴和第NMOS管(21)源极以及衬底连接在一起，并与所述外接电源的负电源端(41)连接，该第一匪OS管(I)和第二 NMOS管(21)栅极连接在一起，并与该第一 NMOS管(I)的漏极共同连接至电容⑶的低电位(31)，该第二 NMOS管(21)漏极同电容(3)的高电位(32)连接；所述第二 NMOS管(21)宽长比与第一 NMOS管(I)宽长比之比以及PMOS管(23)宽长比与PMOS管(22)宽长比之比均为M，其中M大于I。
4.如权利要求3所述的小信号电容放大电路装置，其特征在于，在电容(3)的高电位(32)侧串接有电阻R11。
5.如权利要求3所述的小信号电容放大电路装置，其特征在于，在电容(3)的低电位(31)侧串接有电阻R12。
6.如权利要求3所述的小信号电容放大电路装置,其特征在于,在第一NMOS管⑴的漏极侧串接有电阻R13。
7.如权利要求I所述的小信号电容放大电路装置，其特征在于，所述电流镜电路具体包括第一 NMOS管(I)和第二 NMOS管(21)，该两个NMOS管(1、21)的栅极连接在一起，并与偏置电压源(43)连接，该两个NMOS管(1、21)的源极、衬底连接在一起，并与所述外接电源的负电源端(41)连接，该NMOS管(21)的漏极同电容(3)的高电位(32)连接，该NMOS管(I)的漏极同该电容⑶的低电位(31)连接。
8.如权利要求7所述的小信号电容放大电路装置，其特征在于，所述电容电流采样电路为PMOS管(22)，电容电流放大电路为PMOS管(23)，该PMOS管(22)和PMOS管(23)源极以及衬底连接在一起，并与所述外接电源的正电源端(42)连接，该PMOS管(22)和PMOS管(23)栅极连接在一起，并与该PMOS管(22)的漏极共同连接至电容(3)的低电位(31)，该PMOS管(23)漏极同电容(3)的高电位(32)连接；所述第二 NMOS管(21)宽长比与第一NMOS管(I)宽长比之比以及PMOS管(23)宽长比与PMOS管(22)宽长比之比均为M，其中M大于I。
9.如权利要求8所述的小信号电容放大电路装置，其特征在于，在电容(3)的高电位侧串接有电阻R21。
10.如权利要求8所述的小信号电容放大电路装置，其特征在于，在电容(3)的低电位侧串接有电阻R22。
11.如权利要求8所述的小信号电容放大电路装置，其特征在于，在PMOS管(22)的漏极侧串接有电阻R23。
12.如权利要求2所述的小信号电容放大电路装置，其特征在于，所述电容电流采样电路具体包括NMOS管(I)、NMOS管(24)和电阻(26)，所述电容电流放大电路具体包括NMOS管(21)和NMOS管(25) ^NMOS管⑴的源极以及衬底、该NMOS管(24)的衬底均与所述外接电源的负电源端(41)连接，该NMOS管(24)的漏极通过电阻(26)与电容(3)的低电位(31)连接，该NMOS管⑴漏极与该NMOS管(24)的源极连接，栅极同该NMOS管(24)漏极连接，该NMOS管(24)的栅极同电容(3)的低电位(31)连接J_NM0S管(25)的衬底、NMOS管(21)的源极以及衬底均与所述外接电源的负电源端(41)连接，NMOS管(21)栅极同NMOS管(I)栅极相连，NMOS管(21)漏极与NMOS管(25)源极相连，该NMOS管(25)栅极与NMOS管(24)栅极相连，漏极与电容(3)的高电位(32)连接。
专利摘要一种小信号电容放大电路装置，用于连接运算放大器，包括电容电流采样电路、电容电流放大电路、电流镜电路、一个偏置电压源和一个电容，该电容电流采样电路的输入端与该电容的低电位连接，输出端与该电容电流放大电路输入端相连，该电容电流放大电路输出端与电容的高电位连接；偏置电压源为该电流镜电路供电，该电流镜电路的输入端、输出端分别与该电容的低电位、高电位连接；该电流镜电路的控制端与一个外接电源的正电源端连接，该电容电流放大电路输入端以及电容电流采样电路输出端与该外接电源的负电源端连接，该电容的高电位与该运算放大器输出端连接。本实用新型能够将较小的电容倍增成较大的电容，并得到较低的零极点。
文档编号H03F3/45GK202535312SQ20112057309
公开日2012年11月14日 申请日期2011年12月31日 优先权日2011年12月31日
发明者温作晓, 罗言刚 申请人:彩优微电子(昆山)有限公司