一种低功耗的增益高且宽带宽的放大器结构的制作方法

本发明涉及放大器，尤其涉及一种低功耗的增益高且宽带宽的放大器结构。

背景技术：

放大器广泛地应用于很多领域，是使用最频繁的有源器件之一。放大器的主要性能指标有直流增益值、带宽、功耗和稳定性等，这些指标间存在折衷关系。

传统的放大器结构通过增加放大器的级联数来增大直流增益值，如图1所示的是传统的三级级联的放大器结构的框图，其通过三级级联的运放OP1、OP2和OP3来增大直流增益，其输入电压为Vin，输出电压为Vout。H1(S)、H2(S)和H3(S)分别是运放OP1、OP2和OP3的传递函数，假设OP1、OP2和OP3都是单极点运放，即：

式中，A1、A2和A3分别是运放OP1、OP2和OP3的直流增益，ω1、ω2和ω3分别是运放OP1、OP2和OP3的主极点，则此三级级联运放的传递函数为：

由式(2)可知，传统的三级级联的放大器结构的直流增益为A1*A2*A3，比两级运放增益值要大，但是它有三个极点，频率响应特性会更差，而且为了满足稳定性要求，需要牺牲带宽来进行频率补偿。

因此，传统的放大器结构虽然能通过增加放大器的级联数来增大直流增益值，但同时也会牺牲带宽，性能受影响。另外，通过增加偏置电流，虽然可以实现大的带宽，但是功耗相应增加。

因此，本领域的技术人员致力于开发一种低功耗的增益高且宽带宽的放大器结构，使放大器结构同时具备低功耗、高增益以及宽带宽的优点。

技术实现要素：

为实现上述目的，本发明提供了一种低功耗的增益高且宽带宽的放大器结构，包括三个或更多个级联的放大器，其特征在于，在所述级联的放大器中任意相邻的两个放大器的两端并联一个放大器。

可选地，所述低功耗的增益高且宽带宽的放大器结构具有依次级联的第一放大器、第二放大器和第三放大器，在所述第一放大器和所述第二放大器两端并联第四放大器，所述第四放大器的输入端与所述第一放大器的输入端相连，所述第四放大器的输出端与所述第二放大器的输出端相连。

可选地，所述低功耗的增益高且宽带宽的放大器结构具有依次级联的第一放大器、第二放大器和第三放大器，在所述第二放大器和所述第三放大器两端并联第四放大器，所述第四放大器的输入端与所述第二放大器的输入端相连，所述第四放大器的输出端与所述第三放大器的输出端相连。

进一步地，所述第一放大器、所述第二放大器、所述第三放大器和所述第四放大器是运算放大器。

进一步地，所述低功耗的增益高且宽带宽的放大器结构的传递函数为：

其中，A1、A2、A3和A4分别是所述第一放大器、所述第二放大器、所述第三放大器和所述第四放大器的直流增益，ω1、ω2和ω3分别是所述第一放大器、所述第二放大器和所述第三放大器的主极点，Vin是所述低功耗的增益高且宽带宽的放大器结构的输入电压，Vout是所述低功耗的增益高且宽带宽的放大器结构的输出电压。

进一步地，所述低功耗的增益高且宽带宽的放大器结构用于构造全差分放大器，所述全差分放大器的半边电路包括NMOS管N1、NMOS管N2、NMOS管N3、NMOS管N4、NMOS管N5、PMOS管P1、PMOS管P2、PMOS管P3、第一电容C1、第二电容C2、第一电流源、第二电流源和第三电流源；所述NMOS管N1和所述NMOS管N3的栅极接受所述输入电压，所述NMOS管N1的漏极与所述第一电流源的输出端相连，所述NMOS管N1的源极接地；所述NMOS管N2的栅极与所述第一电流源的输出端相连，所述NMOS管N2的漏极与所述第二电流源的输出端相连，所述NMOS管N2的源极接地；所述PMOS管P1的漏极与所述第二电流源的输出端相连，所述PMOS管P1的源极与所述PMOS管P3的栅极相连；所述PMOS管P3的源极连接到电源电压，所述PMOS管P3的漏极与所述NMOS管N5的漏极相连；所述NMOS管N3的源极接地，所述NMOS管N4的漏极与所述NMOS管N4的漏极及所述PMOS管P2的漏极皆相连；所述NMOS管N4的源极及所述PMOS管P2的源极皆与所述第三电流源的输入端相连，所述第三电流源的输出端接地；所述NMOS管N5的栅极与所述第三电流源的输入端相连，所述NMOS管N5的源极接地；所述第一电容C1连接在所述PMOS管P3的栅极和漏极之间，所述第二电容C2连接在所述NMOS管N5的栅极和漏极之间，所述PMOS管P3的漏极输出所述输出电压。

进一步地，所述第一电流源和所述第三电流源的输出电流相等，所述第二电流源的输出电流是所述第一电流源和所述第三电流源的输出电流的3倍。

进一步地，所述PMOS管P1的栅极电压、所述PMOS管P2的栅极电压和所述NMOS管N4的栅极电压可调。

进一步地，所述全差分放大器用作D类功放的前置预放大器。

在本发明的较佳实施方式中，提供了一种低功耗的增益高且宽带宽的放大器结构，通过在其中两个级联放大器的两端并联一个放大器，实现了将增加增益级的慢路径和增大带宽的快路径进行并联，从而实现了对放大器结构的直流增益和带宽的提高，大大改善其频率响应和稳定性，提高了其在音频范围内的增益值。本发明的低功耗的增益高且宽带宽的放大器结构用于构造全差分放大器，在本发明的较佳实施方式中，提供了该全差分放大器的半边电路的一种电路结构，其由若干个NMOS管、PMOS管、电容和电流源构成，其中运用了AB类输出级结构来减小输出级功耗。该全差分放大器用作D类功放的前置预放大器，能够在D类音频功放里减小音频功放的谐波失真(THD)和减小静态电流，从而改善了音频范围内的性能，如减小了前放的增益误差、减小了谐波失真、底噪等。

以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。

附图说明

图1是现有技术的三级级联的放大器结构的框图。

图2是在一个较佳的实施例中，本发明的低功耗的增益高且宽带宽的放大器结构的框图。

图3是应用图2所示的低功耗的增益高且宽带宽的放大器结构构造的全差分放大器的半边电路。

具体实施方式

本发明的低功耗的增益高且宽带宽的放大器结构，包括三个或更多个级联的放大器，通过在该级联的放大器中任意相邻的两个放大器的两端并联一个放大器，增加一条快速通道，达到改善带宽的目的。

在一个较佳的实施例中，如图2所示，本发明的低功耗的增益高且宽带宽的放大器结构具有依次级联的第一放大器OP1、第二放大器OP2和第三放大器OP3，在第一放大器OP1和第二放大器OP2两端并联第四放大器OP4，第四放大器OP4的输入端与第一放大器OP1的输入端相连，第四放大器OP4的输出端与第二放大器OP2的输出端相连。本发明的低功耗的增益高且宽带宽的放大器结构输入电压为Vin，输出电压为Vout。由此，既可以从Vin经由第一放大器OP1、第二放大器OP2和第三放大器OP3到Vout，又可以从Vin经由第四放大器OP4和第三放大器OP3到Vout，即第一放大器OP1和第二放大器OP2构成增加增益级的慢路径，第四放大器OP4构成增大带宽的快路径，两条路径并联，能够实现直流增益和带宽的提高。

可以理解，第四放大器OP4也可以类似地并联在第二放大器OP2和第三放大器OP3的两端，实现的效果是一样的。并且，类似的结构可以用在具有更多个级联的放大器的放大器结构中，在此不赘述。以下仅以图2所示的结构进行分析。

第一放大器OP1、第二放大器OP2、第三放大器OP3和第四放大器OP4都是运算放大器，H1(S)、H2(S)、H3(S)和H4(S)分别是它们的传递函数，假设它们都是单极点运放，A1、A2、A3和A4分别是它们的直流增益，ω1、ω2和ω3分别是运放OP1、OP2和OP3的主极点，则此放大器结构的传递函数为：

由(3)式可知，多了一个左半平面的零点：

产生的左半平面零点能对极点进行补偿，在得到更大带宽的同时满足稳定性的要求，改善频率响应。同时，本发明的低功耗的增益高且宽带宽的放大器结构直流增益为A1*A2*A3+A3*A4，也相对地得到了提高。

本发明的低功耗的增益高且宽带宽的放大器结构用于构造全差分放大器，如图3所示，该全差分放大器的半边电路包括NMOS管N1、NMOS管N2、NMOS管N3、NMOS管N4、NMOS管N5、PMOS管P1、PMOS管P2、PMOS管P3、第一电容C1、第二电容C2、第一电流源、第二电流源和第三电流源。其中，NMOS管N1和NMOS管N3的栅极接受输入电压Vin，NMOS管N1的漏极与第一电流源的输出端相连，NMOS管N1的源极接地；NMOS管N2的栅极与第一电流源的输出端相连，NMOS管N2的漏极与第二电流源的输出端相连，NMOS管N2的源极接地；PMOS管P1的漏极与第二电流源的输出端相连，PMOS管P1的源极与PMOS管P3的栅极相连；PMOS管P3的源极连接到电源电压VDD，PMOS管P3的漏极与NMOS管N5的漏极相连；NMOS管N3的源极接地，NMOS管N3的漏极与NMOS管N4的漏极及PMOS管P2的漏极皆相连；NMOS管N4的源极及PMOS管P2的源极皆与第三电流源的输入端相连，第三电流源的输出端接地；NMOS管N5的栅极与第三电流源的输入端相连，NMOS管N5的源极接地；第一电容C1连接在PMOS管P3的栅极和漏极之间，第二电容C2连接在NMOS管N5的栅极和漏极之间，PMOS管P3的漏极输出输出电压Vout。

其中，第一电流源和第三电流源的输出电流相等，为IB；第二电流源的输出电流是第一电流源和第三电流源的输出电流的3倍，即3*IB。

并且，PMOS管P1的栅极电压VBP1、PMOS管P2的栅极电压VBP2和NMOS管N4的栅极电压VBN4为电路的偏置电压，它们是可调的。

由图3可见，从VIN到VOUT有两条支路：第一条支路是从VIN通过NMOS管N1、NMOS管N2、PMOS管P1进行两级放大，再通过PMOS管P3和NMOS管N5到VOUT，此为慢通路；第二条支路是从VIN通过NMOS管N3再通过PMOS管P3和NMOS管N5到VOUT，为快通路。另外，该电路采用了AB类输出级结构，通过控制偏置电压VBN2和偏置电压VBP2，可以调节P3和N5的静态电流，能实现无交越失真、小的静态电流和大的摆率的目的。

通过上述半边电路构造的全差分放大器尤其适合用作D类功放的前置预放大器。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思做出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域的技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。