一种可处理双极性信号的前置放大器

1.本实用新型属于电子学技术领域，涉及一种可处理双极性信号的前置放大器。


背景技术：

2.在我们的日常生产生活和科学研究中，经常出现需要接收来自信号源的微弱电压信号的情况，这时就需要先利用前置放大器进行一级预放大处理，提高电路的信噪比，在保证低噪声的前提下再送给后级电路进行下一步的信号处理。比如，常见的音响放大器，通过麦克风拾取的声音信号通常比较弱，需要先放大到一定电平之后才能传递给后一级电路；另外在科学研究方面，高能物理实验的读出系统以及其他核辐射测量中，探测器输出的信号往往比较小，需要先经过放大之后再进行测量，所以探测器的输出信号往往都是通过前置放大器的处理之后，再传送给下一级电路。因此，前置放大电路是电子学中微弱信号处理中的一个必要组成部分。
3.随着集成电路制造工艺不断的更新迭代，其电路的工作电压也在不断降低，例如，在130nm等先进工艺节点下已经降低到1.2v及以下，而过低的电源电压对电路的动态范围提出极大挑战，因此，受限于电源电压，前置放大电路只会针对某一特定极性信号进行定向的优化设计，比如针对负极性输入信号调整电路工作点使其适应更大的输入动态范围以及进行噪声性能的优化和漏电流的补偿结构设计等，而这也导致前置放大电路难以兼顾两种极性输入信号的预放大，因为输入信号的过幅摆动会导致放大电路的直流工作点发生变化，进而失去饱和放大的特性，这就导致了现有前置放大电路应用范围的局限性，即只能单一应用于正极性输入信号或负极性输入信号的情况，存在较大的应用局限性。另外，如果对于前置放大电路各方面的性能指标需求保持不变，只是输入信号由正摆幅改为负摆幅，那么很大程度上核心电路结构是相似的甚至保持一致的，只是电路的反馈结构进行相应的调整和优化，那么基于此前提条件，为了适应处理两种极性的输入信号而设计两个核心电路结构相似，反馈结构略微不同的前置放大电路，会造成设计资源和人力成本的极大浪费。


技术实现要素：

4.针对现有技术中存在的技术问题，本实用新型的目的在于提供一种可处理双极性信号的前放电路，是一种用于微弱信号读出的前置放大器电路，其在保证前置放大器电路低噪声性能的前提下，同时可以实现兼容处理正负两种极性输入信号的放大功能，用于微弱信号测量。
5.本实用新型的技术方案为：
6.一种可处理双极性信号的前置放大器，其特征在于，包括核心放大电路和反馈电路；其中该核心放大电路包括一共源共栅放大器1作为输入级、源跟随器3作为第二级、偏置电路4、第一偏置电流源2、第二偏置电流源5和第三偏置电流源6；该输入级并联接入该第一偏置电流源2，用于增大输入级的工作电流，提高电压增益；该输入级与该第二级之间连接一反馈电容，用于调节前置放大器的闭环增益；该偏置电路4与该输入级连接，为共源共栅
放大器1的共栅管提供偏置电压，保证其工作在放大区；第二偏置电流源5和第三偏置电流源6分别与该偏置电路4连接，第三偏置电流源6用于为共源共栅放大器1提供偏置电流，第二偏置电流源5用于为偏置电路4提供偏置电流，偏置电路4用于为共源共栅放大器1提供偏置电压；
7.该反馈电路包括等效反馈电阻支路7和等效反馈电感支路8；其中该等效反馈电阻支路7分别与该源跟随器3、偏置电路4连接，用于对该反馈电容的积分电压进行电荷泄放，使得前置放大器的输出回到基线；该等效反馈电感支路8用于吸收回流前置放大器的输入漏电流，使其不流经等效反馈电阻支路7。
8.进一步的，所述等效反馈电阻支路7包括晶体管m10、m11，所述等效反馈电感支路8包括晶体管m13、m15；晶体管m10的栅极g10与一参考电压源v
ref
连接、源极s10与晶体管m11的源极连接、漏极d10与晶体管m13的漏极d13连接，晶体管m11的漏极d11分别与晶体管m15的栅极g15、晶体管m13的栅极g13连接；晶体管m13的源极s13与晶体管m15的漏极d15、源极s15以及晶体管m14的源极s14连接；晶体管m14的漏极d14与晶体管m11的漏极d11连接，晶体管m14的栅极g14与一参考电压源v
kn
连接；晶体管m12的栅极g12与一参考电压源v
kp
连接、漏极d12与晶体管m10的源极s10连接，晶体管m12的源极s12、该源跟随器3、偏置电路4分别与外部电源vdd连接；漏极d10、漏极d13分别与信号输入端连接。
9.进一步的，所述等效反馈电感支路8的反馈电感l
f
＝2c1/(gm2gm4)；其中gm2为晶体管m11的跨导，gm4为晶体管m13的跨导，c1为m15的等效电容。
10.进一步的，所述晶体管m13的跨导满足(c1/gm4)>(2c0/gm2)；c0为所述反馈电容的电容值。
11.进一步的，该共源共栅放大器1包括晶体管m1、m2，该第一偏置电流源2包括晶体管m7，该源跟随器3包括晶体管m8、m9，该偏置电路4包括晶体管m3、m4，该第二偏置电流源5包括晶体管m5，该第三偏置电流源6包括晶体管m6；其中，晶体管m1的栅极g1用于接收输入信号，该栅极g1经所述反馈电容与晶体管m9的栅极g9连接，晶体管m1的漏极d1分别与晶体管m3的栅极g3、晶体管m2的源极s2、晶体管m7的漏极d7连接；晶体管m1的源极s1、晶体管m3的源极s3、晶体管m8的源极s8分别与晶体管m12的源极s12连接，用于接收电压vdd；晶体管m2的栅极g2分别与晶体管m3的漏极d3、晶体管m4的漏极d4、晶体管m4的栅极g4连接；晶体管m4的源极s4与晶体管m5的漏极d5连接，晶体管m5的栅极g5、晶体管m6的栅极g6、晶体管m7的栅极g7均与一参考电压源v
n
连接，晶体管m5的源极s5、晶体管m6的源极s6、晶体管m7的源极s7分别与晶体管m9的漏极d9连接；晶体管m6的漏极d6分别与晶体管m2的漏极d2、晶体管m9的栅极g9连接；晶体管m9的源极s9与晶体管m8的漏极d8、晶体管m11的栅极g11连接，晶体管m9的源极s9作为信号输出端；晶体管m8的栅极g8与一参考电压源v
p
连接。
12.进一步的，晶体管m1、m2、m3、m8、m9、m10、m11、m12分别为pmos晶体管，晶体管m4、m5、m6、m7、m13、m14、m15分别为nmos晶体管。
13.进一步的，晶体管m5、m6、m7的栅长相等。
14.进一步的，晶体管m10、m11为差分对管。
15.进一步的，所述反馈电容的电容值在ff量级。
16.与现有技术相比，本实用新型的积极效果为：
17.本实用新型提供的前放电路既可以处理正极性信号，也可以处理负极性信号，即
当从正极性信号的应用领域换为负极性信号的应用领域时，该电路仍可以正常工作，完成对输入信号的低噪声放大，并且产生符合预期的输出电压信号。
18.本实用新型使用一种电路结构实现了对正负两种极性信号的处理放大，极大扩展了前置放大电路的应用范围。
附图说明
19.图1是前置放大电路的整体结构原理图。
20.图2是本实用新型前置放大器的核心电路。
21.图3是前放电路的反馈结构。
22.其中，1
‑
共源共栅放大器，2
‑
第一偏置电流源，3
‑
源跟随器，4
‑
偏置电路，5
‑
第二偏置电流源，6
‑
第三偏置电流源，7
‑
等效反馈电阻支路，8
‑
等效反馈电感支路。
具体实施方式
23.下面结合附图对本实用新型进行进一步详细描述。
24.本实用新型的前置放大电路的整体结构原理图如图1所示，主要包括核心放大电路和反馈电路两部分，其中核心放大电路的本质是跨导放大，即实现电压到电流信号的放大作用，而反馈电路是本实用新型中最关键的部分，得益于反馈电路中的差分反馈结构，即两条信号支路同时对输入输出信号进行调节，包括对电路直流工作点的优化以及漏电流的补偿，使得本实用新型中的核心放大电路能够实现对正负双极性信号的放大。共源共栅电路的共栅偏置可由其他偏置电路实现；采用折叠共源共栅或其他单级放大器结构均能实现核心的放大电路；改变电路中某些晶体管的类型也可实现。
25.本实用新型的具体电路实现如图2所示，图2中所示为前置放大器的核心电路部分，其中m1、m2、m3、m8、m9分别为pmos晶体管，m4～m7为nmos晶体管。该电路的工作电源电压是1.2v(即vdd＝1.2v，由外部电源提供)，首先输入级是一个共源共栅结构的放大电路，输入管为pmos晶体管，主要为了降低输入级的噪声，提高电路的信噪比；之后该输入级并联接入一个电流源电路，用于增大输入级的工作电流，提高电压增益；第二级是一个pmos晶体管实现的源跟随器，主要为了提高该放大电路的驱动能力，同时减少后一级电路对该电路的负载影响，起到缓冲隔离的作用；第一级输入管和第二级输入管之间的反馈电容c0，用于调节前置放大器的闭环增益，可依据输入信号的动态范围进行相应调整，其电容值一般在ff量级(即10
‑
15
f，f为电容单位法拉)。
26.图2中所示最左侧为偏置电路，主要为第一级放大电路(即输入级)的共栅管提供偏置电压，保证其工作在放大区；电路底部用于提供偏置电流的三个电流源，即第一偏置电流源、第二偏置电流源、第三偏置电流源，其均用nmos类型的晶体管进行实现，并且三个晶体管m5、m6和m7的栅长相等，这是为了更好的进行电流镜匹配，减小失配电流。vn和vp都由外部电压源提供，其中vn＝325mv，用于给m5、m6、m7管提供偏置电压；vp＝785mv，用于给m8提供偏置电压。
27.反馈电路如图3所示，采用了一个差分反馈电路，其中m10、m11、m12分别为pmos晶体管，m13、m14、m15分别为nmos晶体管；该电路中的m10和m11为差分对管，其中m10管子用于设置电路的直流工作参考电压，通过该参考电压的调整，可针对正负极性输入信号进行相
应的直流工作点移位，从而使得电路的动态范围仍然能够保证单极性优化；其中输入节点经由m10管和m11管到输出节点的支路可等效为一个反馈电阻r
f
＝2/gm1，用于对放大器的反馈电容的积分电压进行电荷泄放，使得放大器的输出可以快速回到基线，其中gm1为m10管的跨导。因此该前放电路的输出脉冲宽度主要取决于反馈结构的差分偏置电流，即m12管的工作电流，通过栅极电压vkp来调节管子工作电流的大小；vkp＝880mv，由外部电压源提供。该支路可针对正负极性信号进行电路直流工作点的优化调节，即通过m1管的栅极电压vref来改变电路工作点，使得两种极性的摆动输入信号均得到较好的处理放大；vref＝600mv，由外部电压源提供。
28.该反馈结构的另一支路用于漏电流补偿，其中m15管等效为一个积分电容c1，流经m11管的电流在电容c1上积分得到的电压信号进一步控制m13管的电流，这样一来，该支路可等效为一个输入与输出之间的反馈电感l
f
＝2c1/(gm2gm4)，因此电路的输入漏电流可被该支路进行吸收回流而不流经等效反馈电阻支路，而且不论是正极性还是负极性的漏电流都可以被该支路吸收，使得该电路能够兼容处理正负两种极性信号的漏电流信号，保证电荷灵敏前放核心电路的正常工作。另外，为了确保电路的正常稳定工作，m13管的跨导需要满足(c1/gm4)>(2c0/gm2)，其中c1为m15的等效电容，c0为前放电路器核心电路的反馈电容，gm2和gm4分别为m11管和m13管的跨导。
29.图3中的in和out端口与图2中的in和out端口分别相连，即图2和图3中的输入信号为同一个节点，输出信号也为同一节点。m1管的栅极用于接收输入信号，并且与m10的漏极、m13的漏极相连，用于接收输入信号；m11的栅极、m8的漏极与m9的源极连接，m9的源极作为信号输出端，vss表示地电位，vdd表示电源电压(由外部电源供电)，输入信号即对应图2和图3中的in端，输出信号即对应图2和图3中的out端。
30.综上所述，以上为本实用新型的部分实施方案而已，并非用于限定本实用新型的保护范围。凡在本实用新型的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。