一种具稳定操作点的宽频带线性放大器的制作方法

本实用新型一种放大器，特别涉及一种具稳定操作点的宽频带线性放大器。

背景技术：

宽频带多频道通讯统需要具有高度线性的宽频带放大器，以避免由于大量潜在载子交互作用所引起的第二与第三谐波的影响，因此，为了使放大器具有最大的线性，必须最小化该第二与第三谐波的影响。基本上，可利用自动增益控制以便藉由降低较大输入信号的增益而获取较佳的线性度。

不幸地，典型的积体电路放大器输出电流是单向的，亦即，输出电流从电源供应端流到接地端，现有的放大器通常引导电流流向电阻性负载或引导电流从电阻性负载离开，因而会相当大程度地改变放大器的直流DC操作点。这些操作点的偏移会导致放大器的线性劣化，并限制了放大器的增益范围。如果太多电流被引导到电阻性负载，则输出电压可能明显地降低，并引起放大器饱和，结果，不但会导致不良的线性，并且也会使放大器信号响应与频宽退化。如果太少电流被引导到电阻性负载，则输出电压可能明显地增加，结果，可能导致灾难性的装置故障。

图1位现有的宽频带线性放大器的电路图，其包括电阻性负载RL、NMOS电晶体M1、M2和M3、偏压电压VB、以及差动增益控制电压VAGC，其中，该电阻性负载RL连接在电源电压VDD与输出端OUT的间，该NMOS电晶体M1的汲极、闸极与源极分别连接至电源电压VDD、差动增益控制电压VAGC的负端、以及内部节点NA，该NMOS电晶体M2的汲极、闸极与源极分别连接至输出端OUT、差动增益控制电压VAGC的正端、以及内部节点NA，而该NMOS电晶体M3的汲极、闸极与源极则分别连接至内部节点NA、偏压电压VB、以及输入端IN。

对MOS电晶体放大器而言，放大器的线性是MOS电晶体偏压条件的函数，尤其是MOS电晶体的汲极对源极电压Vds的函数。而放大器的非线性则由MOS电晶体的寄生电容、本质电阻与过度驱动放大器所引起。当MOS电晶体的汲极对源极电压Vds变得太小时，会使MOS电晶体脱离饱和区，则过度驱动放大器便发生，进而使放大器线性与/或频宽退化。

宽频带放大器中，对于放大器整个操作范围而言，为了使NMOS电晶体M1、M2和M3均能于饱和区中操作，所有三个NMOS电晶体M1、M2和M3皆须施加偏压。NMOS电晶体于饱和区中操作时，汲极对源极电压Vds大于闸极对源极电压Vgs减去电晶体的临限电压VT，亦即Vds>Vgs－VT……1

为了便于说明起见，以下的推导过程，均将金氧半电晶体以OrCAD Pspice中的最简单模型来描述，且不考虑通道长度调变效应。

NMOS电晶体Mjj＝1,2,3于饱和区中操作时，其汲极电流Idj可写成Idj＝[KP.Wj/2.Lj].Vgs－VTj2………2

方程式2中的Wj和Lj分别表示该NMOS电晶体Mj的有效通道宽度及有效通道长度，KP表示OrCAD Pspice中的一金氧半电晶体模型参数，而VTj则表示该NMOS电晶体Mj的临限电压。

输出端OUT的直流操作点电压VO可写成VO＝VDD－ID2.RL……3

于方程式3中，VDD表示电源电压，RL表示电阻性负载的电阻值，并且为了便于分辨起见，将直流分析时的NMOS电晶体M2的汲极电流以ID2表示。

接下来，考虑宽频带放大器的小信号分析即交流分析，NMOS电晶体Mjj＝1,2,3于小信号分析时，其汲极电流变化△Idj可写成△Idj＝gmj.△Vgsj……4

于方程式4中，△Vgsj表示NMOS电晶体Mj的闸极对源极电压Vgs变化，而gmj则表示NMOS电晶体Mj的互导，其亦可表示成gmj＝[2.KP.Wj/Lj.IDj]1/2……5

方程式5中的Wj和Lj分别表示该NMOS电晶体Mj的有效通道宽度及有效通道长度，而IDj则表示直流分析时的NMOS电晶体Mj的汲极电流。

于小信号分析时，可将电源电压VDD、差动增益控制电压VAGC以及偏压VB视为接地，并且因为不考虑通道长度调变效应，因而可忽略MOS电晶体小信号模型的输出电阻，结果，于输出端OUT的小信号输出电压Vout可写成Vout＝－gm2.Vna.RL……6其中，Vna表示内部节点NA的小信号电压，又对于该内部节点NA，由克希荷夫电流定律可知－gm1.Vna－gm2.Vna＝－gm3.Vin……7其中，Vin表示输入端IN的小信号输入电压，由方程式6与7可知，小信号输出电压Vout可改写成Vout＝gm2.gm3.RL/gm1+gm2.Vin……8注意，方程式8只有在输出端OUT的电压保持在使NMOS电晶体M2操作于饱和区时，亦即，VAGC+－VT2由方程式8可知，藉由变化差动增益控制电压VAGC以及偏压VB，可以显著地变化增益，改变这些参考电压的任一，也会反映于输出端操作点上，而影响放大器的线性关，例如，增加差动增益控制电压VAGC或偏压电压VB会增加NMOS电晶体M2和M3的互导，因而会使宽频带放大器的增益gain增加，但增加差动增益控制电压VAGC或偏压VB也会降低所有NMOS电晶体M1、M2和M3或其中的一的汲极对源极电压Vds，当汲极对源极电压Vds变小时，易使NMOS电晶体脱离饱和区，而导致不良的放大器线性。

影响放大器操作点的因素，除了差动增益控制电压VAGC以及偏压电压VB的外，VIN的直流成份也会影响放大器的操作点。例如，VIN的直流成份大于零时，会降低NMOS电晶体M2和M3的汲极电流，因而会增加输出端OUT的操作点电压；而当VIN的直流成份小于零时，则会增加NMOS电晶体M2和M3的汲极电流，因而会降低输出端OUT的操作点电压。如果输出端OUT的操作点电压低于VAGC+－VT2，则会使NMOS电晶体M2脱离饱和区，而导致不良的放大器线性；反的，如果输出端OUT的操作点电压过高，则会限制输出端OUT的电压信号的摆幅，因而易导致放大器输出端OUT的电压信号失真。

技术实现要素：

为了解决所述问题，本实用新型提供一种具稳定操作点的宽频带线性放大器，有效地防止宽频带放大器输入电压信号V的直流成份对宽频带线性放大器输出端的直流操作点的影响。本实用新型所提出的具稳定操作点的宽频带线性放大器不但能有效地防止宽频带线性放大器输入电压信号V的直流成份对宽频带线性放大器输出端操作点的影响，并且也能确保宽频带线性放大器的线性及输出电压摆幅。

本实用新型为实现所述目的而采取的技术方案为：

一种具稳定操作点的宽频带线性放大器,包括:第一放大器,其于输入端接收该宽频带线性放大器的输入电压信号,并于输出端提供该宽频带线性放大器的输出电压信号,同时利用电源电压来提供输出端的直流操作点电压；第二放大器,其除了将该第二放大器的输入端连接至接地以外,余均与该第一放大器具有完全相同的电路构造；以及操作点稳定电路,其用以将该第二放大器的输出端的直流操作点电压,经由该操作点稳定电路而直接提供至该第一放大器的输出端,以便稳定该第一放大器输出端的直流操作点电压。

作为进一步改进，该操作点稳定电路包括:运算放大器,该运算放大器具有反相输入端、非反相输入端和输出端,该非反相输入端用以接收第二放大器输出端的直流操作点电压；以及第一电阻器,该第一电阻器连接在该运算放大器的输出端与反相输入端的间。

作为进一步改进，该第一放大器包括:第一NMOS电晶体,其源极与第二NMOS电晶体的源极以及第三NMOS电晶体的汲极连接在一起,闸极连接至差动增益控制电压的负端,而汲极则连接至该电源电压；第二NMOS电晶体,其源极与第一NMOS电晶体的源极以及第三NMOS电晶体的汲极连接在一起,闸极连接至差动增益控制电压的正端,而汲极则连接至该宽频带线性放大器的输出端,同时也连接至该运算放大器的反相输入端；第三NMOS电晶体,其源极连接至该宽频带线性放大器的输入端,用以接收一输入电压信号,闸极连接至偏压电压,而汲极则与第一NMOS电晶体的源极以及第二NMOS电晶体的源极连接在一起；以及第二电阻器,该第二电阻器连接在该电源电压与该宽频带线性放大器的输出端的间。

作为进一步改进，该第二放大器包括:第四NMOS电晶体,其源极与第五NMOS电晶体的源极以及第六NMOS电晶体的汲极连接在一起,闸极连接至差动增益控制电压的负端,而汲极则连接至该电源电压；第五NMOS电晶体,其源极与第四NMOS电晶体的源极以及第六NMOS电晶体的汲极连接在一起,闸极连接至差动增益控制电压的正端,而汲极则连接至该第二放大器的输出端,同时也连接至该运算放大器的非反相输入端；第六NMOS电晶体,其源极连接至接地,闸极连接至偏压电压,而汲极则与第四NMOS电晶体的源极以及第五NMOS电晶体的源极连接在一起；以及第三电阻器,该第三电阻器连接在该电源电压与该第二放大器的输出端的间。

本实用新型有效地防止宽频带放大器输入电压信号V的直流成份对宽频带线性放大器输出端的直流操作点的影响。本实用新型所提出的具稳定操作点的宽频带线性放大器不但能有效地防止宽频带线性放大器输入电压信号V的直流成份对宽频带线性放大器输出端操作点的影响，并且也能确保宽频带线性放大器的线性及输出电压摆幅。

附图说明

图1为本实用新型现有放大器的结构示意图。

图2为本实用新型放大器的电路示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型的具体实施方式做一个详细的说明。

如图2所示，一种新颖的具稳定操作点的宽频带线性放大器，其由第一放大器1、第二放大器2以及操作点稳定电路3所组成，其中，该第一放大器1的输入端IN用以接收宽频带线性放大器的输入电压信号VIN，并于该第一放大器的输出端OUT提供一宽频带线性放大器的输出电压信号VOUT，该第二放大器2除了将第二放大器的输入端IN2连接至接地以外，其余均与该第一放大器具有完全相同的电路构造，而该操作点稳定电路3则用以将第二放大器输出端OUT2的直流操作点电压，经由该操作点稳定电路而直接提供至该第一放大器的输出端OUT，以便稳定该第一放大器输出端OUT的直流操作点电压。

该操作点稳定电路3包括：运算放大器OP，该运算放大器具有反相输入端、非反相输入端和输出端，该非反相输入端用以接收第二放大器输出端OUT2的直流操作点电压VOP；以及第一电阻器RF，该第一电阻器RF连接在该运算放大器OP的输出端与反相输入端的间。

该第一放大器1包括一第一NMOS电晶体M1，其源极与第二NMOS电晶体M2的源极以及第三NMOS电晶体M3的汲极连接在一起，闸极连接至差动增益控制电压的负端VAGC－，而汲极则连接至该电源电压VDD；第二NMOS电晶体M2，其源极与第一NMOS电晶体M1的源极以及第三NMOS电晶体M3的汲极连接在一起，闸极连接至差动增益控制电压的正端VAGC+，而汲极则连接至该第一放大器的输出端OUT，同时也连接至该运算放大器OP的反相输入端；第三NMOS电晶体M3，其源极连接至该第一放大器的输入端IN，用以接收该宽频带线性放大器的输入电压信号VIN，闸极连接至偏压电压VB，而汲极则与第一NMOS电晶体M1的源极以及第二NMOS电晶体M2的源极连接在一起；以及第二电阻器RL，该第二电阻器RL连接在该电源电压VDD与该第一放大器的输出端OUT间。

该第二放大器2包括第四NMOS电晶体M4，其源极与第五NMOS电晶体M5的源极以及第六NMOS电晶体M6的汲极连接在一起，闸极连接至差动增益控制电压的负端VAGC－，而汲极则连接至该电源电压VDD；一第五NMOS电晶体M5，其源极与第四NMOS电晶体M4的源极以及第六NMOS电晶体M6的汲极连接在一起，闸极连接至差动增益控制电压的正端VAGC+，而汲极则连接至该第二放大器的输出端OUT2，同时也连接至该运算放大器OP的非反相输入端；第六NMOS电晶体M6，其源极连接至接地，闸极连接至偏压电压VB，而汲极则与第四NMOS电晶体M4的源极以及第五NMOS电晶体M5的源极连接在一起；以及第三电阻器RL2，该第三电阻器RL2连接在该电源电压VDD与该第二放大器的输出端OUT2的间。

工作原理如下：一当宽频带放大器的输入电压信号VIN的直流成份等于零时此时由于第一放大器1的各构件与第二放大器2的各构件具有完全相同的操作电压与电流，因此流经第二电阻器RL的电流IRL会等到流经第二NMOS电晶体M2的汲极电流ID2，并且几乎没有电流流经第三电阻器RL2，而宽频带放大器的输出端操作点电压即第一放大器1的输出端OUT的操作点电压则会等于第二放大器2的输出端OUT2所提供的电压VOP。

二当宽频带放大器的输入电压信号VIN的直流成份大于零时此时流经第二NMOS电晶体M2的汲极电流ID2会较该输入电压信号VIN的直流成份等于零时的第二NMOS电晶体M2的汲极电流还小，但由于运算放大器OP的虚接地virtualground缘故，会使宽频带放大器的输出端操作点电压即第一放大器1的输出端OUT的操作点电压仍等于第二放大器2的输出端OUT2所提供的电压VOP，因此，流经第二电阻器RL的电流IRL仍会等到输入电压信号VIN的直流成份等于零时的第二电阻器RL的电流，结果，会有多余的电流流经第一电阻器RF，亦即IRF＝IRL－ID2 9

三当宽频带放大器的输入电压信号VIN的直流成份小于零时此时流经第二NMOS电晶体M2的汲极电流ID2会较该输入电压信号VIN的直流成份等于零时的第二NMOS电晶体M2的汲极电流还大，但由于运算放大器OP的虚接地virtualground缘故，会使宽频带放大器的输出端操作点电压即第一放大器1的输出端OUT的操作点电压仍等于第二放大器2的输出端OUT2所提供的电压VOP，因此，流经第二电阻器RL的电流IRL仍会等到输入电压信号VIN的直流成份等于零时的第二电阻器RL的电流，结果，必须经由第一电阻器RF来提供该不足的电流，亦即－IRF＝ID2－IRL10

宽频带放大器的输出端操作点电压与宽频带放大器的输入电压信号VIN的直流成份关的OrCAD PSpice模拟结果，如第三图所示，由该模拟结果可知，本实用新型所提出的具稳定操作点的宽频带线性放大器确实可有效地防止宽频带放大器输入电压信号VIN的直流成份对输出端操作点的影响。该结果以level 3模型且使用0.25微米MOS制程参数加以模拟其NMOS电晶体的零基底偏压临限电压值VTO为0.5V，其中，NMOS电晶体M1、M2和M3的通道宽长比分别为W/L＝0.25μm/0.25μm、W/L＝4.0.25μm/0.25μm和W/L＝8.0.25μm/0.25μm，NMOS电晶体M4、M5和M6的通道宽长比分别为W/L＝0.25μm/0.25μm、W/L＝4.0.25μm/0.25μm和W/L＝8.0.25μm/0.25μm，电源电压VDD、差动增益控制电压VAGC+和VAGC－以及偏压电压VB依序分别为12V、3V、2V以及1.5V，电阻器RL和电阻器RL2的电阻值均为80K欧姆，至于电阻器RF的电阻值则为1.1Meg欧姆。