一种可提高跨阻放大器带宽的方法

本发明提出了一种可提高跨阻放大器带宽的方法，属于信号处理领域，涉及高带宽跨阻放大器的设计。

背景技术：

1、在很多应用中，可以将需要测试的信号特征建模成电流源模型，如高速的光敏元件产生的信号，信号分子通过纳米孔道产生的信号等，这些信号通常只能作为单端输入。为将应用中产生的电流信号转换成便于采集的电压信号，采用跨阻放大器进行信号的读取。跨阻放大器完成电流到电压转换，具有宽带宽和良好的高频响应特性，这使得它适用于处理高频信号和快速变化的信号。跨阻放大器可以通过选择合适的反馈电阻来调节跨阻增益，根据需求选择合适的放大倍数，以满足特定的信号处理要求。跨阻放大器的输入阻抗通常较低，可以有效地接收和放大微弱的电流信号，这对于处理低噪声和高阻抗源非常有益。输入阻抗的降低可以减少信号源与电路之间的匹配问题。由于跨阻放大器的差分输入结构，它具有较好的共模抑制比，能够有效抑制共模干扰。

2、当跨阻放大器要达到的跨阻增益很大时，很难直接在片内实现，在集成电路内部实现高性能前端放大器是不断探索的过程。当使用全差分运算放大器时，如果采用片外电阻作为反馈电阻，片外电阻的精度在0.01％-5％左右，当反馈电阻阻值过大时，绝对偏差就会增加，当全差分运算放大器两边的反馈电阻阻值差距过大时，会对电路性能产生影响。通过电阻等效的方式将反馈电阻做在片内，能使正输入端和负输入端的反馈电阻具有较好的一致性。在此基础上，我们提出了一种利用跨阻放大器外部输入端的不对称性来提高电路带宽的方法。

技术实现思路

1、针对现有的应用场景，本技术基于跨阻放大器，提出了一种与之对应的提高放大器带宽的方案。

2、一种可提高跨阻放大器带宽的方法，如附图1所示，其特征在于，包括全差分运算放大器(a)，电阻r11、r21、r31组成的t型电阻和反馈电容cf1(b1)，电阻r12、r22、r32组成的t型电阻和反馈电容cf2(b2)，由电流源iin、电阻rs、电容cs并联组成的信号源(c)，调节电容cr(d)；其中全差分运算放大器a具有两个差分输入端正端和负端，一个共模输入端vcm和两个差分输出端von和vop；b1中的电阻r11一端与全差分运算放大器(a)差分输入端的负端相连，电阻r21一端与全差分运算放大器(a)差分输出端vop相连，电阻r31一端与全差分运算放大器(a)共模输入端vcm相连，电阻r11、r21、r31的另一端连接在一起，构成t型电阻，反馈电容cf1一端与差分输入端的负端相连，另一端与差分输出端vop相连；b2中的电阻r12一端与全差分运算放大器(a)差分输入端的正端相连，电阻r22一端与全差分运算放大器(a)差分输出端von相连，电阻r31一端与全差分运算放大器(a)共模输入端vcm相连，电阻r12、r22、r32的另一端连接在一起，构成t型电阻，反馈电容cf2一端与差分输入端的正端相连，另一端与差分输出端von相连；信号源(c)中电流源iin、电阻rs、电容cs并联，一端与全差分运算放大器(a)差分输入端的负端相连，另一端接地；调节电容cr(d)的一端与全差分运算放大器(a)差分输入端的正端相连，另一端接地。

3、进一步地，所述的一种可提高跨阻放大器带宽的方法，其特征在于，b1、b2中t型电阻和反馈电容集成在芯片内，可以保证电阻的一致性，分别由r11、r21、r31、cf1和r12、r22、r32、cf2组成，其中r11与r12阻值相等，r21与r22阻值相等，r31与r32阻值相等，cf1和cf2容值相等，进行y-δ变换后分别等效到全差分运算放大器(a)差分输入端的负端与全差分运算放大器(a)共模输入端vcm之间的电阻r11′，全差分运算放大器(a)差分输入端的负端与全差分运算放大器(a)差分输出端vop之间的电阻rf1，全差分运算放大器(a)差分输出端vop与全差分运算放大器(a)共模输入端vcm之间的电阻r31′，全差分运算放大器(a)差分输入端的正端与全差分运算放大器(a)共模输入端vcm之间的电阻r12′，全差分运算放大器(a)差分输入端的正端与全差分运算放大器(a)差分输出端von之间的电阻rf2，全差分运算放大器(a)差分输出端von与全差分运算放大器(a)共模输入端vcm之间的电阻r32′，等效后的电路如附图2所示，等效后的电阻大小为

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10、对电路的带宽进行分析，共模电平vcm即为小信号地，因此，r11′代表b1中t型电阻等效到全差分运算放大器(a)差分输入端的负端的电阻，r12′代表b2中t型电阻等效到全差分运算放大器(a)差分输入端的正端的电阻rf1、rf2即为跨阻放大器的低频跨阻增益，r31′为电路在全差分运算放大器(a)差分输出端vop的等效负载电阻，r32′为电路在全差分运算放大器(a)差分输出端von的等效负载电阻，通过调节r11′的大小使r11′＜0.1*rs，，从而使系统的负端的输入电阻限定在r11′。

11、进一步地，所述的一种可提高跨阻放大器带宽的方法，其特征在于，信号源(c)模型中包含电流源iin，电阻rs，电容cs，如附图3所示，信号源模型中各个参数的大小需要根据实际应用来确定，电阻rs越大越好，至少要rs＞10*r11′。

12、进一步地，所述的一种可提高跨阻放大器带宽的方法，其特征在于，全差分运算放大器(a)低频增益为a0，b1中t型电阻等效到全差分运算放大器(a)差分输入端的负端与全差分运算放大器(a)共模输入端vcm之间的电阻r11′大于10倍的等效到全差分运算放大器(a)差分输入端的负端的阻抗rf1/a0，即r11′＞10*rf1/a0，同理，r12′＞10*rf2/a0，且具备足够的带负载能力，能够驱动一定的负载电容和至少r31′、r32′大小的电阻，且在闭环中可以保证电路的稳定性。

13、假设全差分运算放大器是一个二阶系统，传递函数表达式如式(7)

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15、其中a0为低频增益，ω0为主极点，ω1为次极点。

16、当运放有足够的带负载能力时，可以忽略r31′，系统的环路增益lg可以由c，a，b1部分表达式为

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18、环路增益反映了电路的稳定性状态，令式(8)中的s＝jω，一种使电路稳定的环路增益幅频特性曲线图如附图4所示，经过分析，需要满足电路稳定性限定条件

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21、同理，可以推得

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23、进一步地，所述的一种可提高跨阻放大器带宽的方法，其特征在于，调节电容cr(d)为芯片外部添加的电容，在已知信号源(c)中的电容大小情况下，通过控制调节电容cr(d)的值，使调节电容cr大于信号源(c)中的电容cs，在电路中产生一对零极点对从而提高带宽。由于r11与r12阻值相等，r21与r22阻值相等，r31与r32阻值相等，所以等效后的r11′与r12′阻值相等，设该阻值为r1′，rf1与rf2阻值相等，设该阻值为rf，r31′与r32′阻值相等，设该阻值为r3′，cf1与cf2容值相等，设容值为cf，对电路进行求解，可得出包含vop、von和iin的表达式

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25、这个等式左边包含了vop、von，其可以表示成a1(vop-von)+a2(vop+von)/2，其中a1反映了iin到输出差模的增益，a2反映了iin到输出共模的增益

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27、当闭环带宽远小于运放开环带宽ω0时，a(s)值可以近似成低频增益a0，可忽略不计，求得iin到输出差模的增益，即跨阻增益ar

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29、从表达式可以看出增加了一对零极点对

30、零点：

31、极点：

32、选择合适的零极点大小，cr＞cs，可以在原来的基础上提高带宽，同时也要满足条件

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34、当调节电容cr容值与cs容值相等时，iin到输出差模的增益，即跨阻增益ar为

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36、令式(14)和式(17)中的s＝jω，幅频特性曲线如附图5所示，上半曲线反映了调节电容cr容值与cs容值相等，未引入零极点对时跨阻放大器的带宽，下半曲线反映了cr容值大于cs容值，引入零极点对之后跨阻放大器的带宽，带宽有所提升。