專利名稱：基于cmos精確電壓放大器的對(duì)數(shù)放大器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種基于CMOS精確電壓放大器的對(duì)數(shù)放大器。
技術(shù)背景圖1是對(duì)數(shù)放大器的基本結(jié)構(gòu)。其中A是電壓放大器(在圖1中，有N個(gè)電壓放 大器串聯(lián)，在本例中N = 4)，Gm是電流發(fā)生器(電壓電流轉(zhuǎn)換)，Σ I則用于將輸出電流相 加。假設(shè)放大器飽和時(shí)，放大器的輸入信號(hào)為Ε，則此時(shí)放大器輸出將不再隨輸入信號(hào) 增大而增大，恒為ΑΕ，如圖2。在這種情況下，由圖3可知，當(dāng)輸入信號(hào)從Ε/Α3變化到AE的 時(shí)候，所有放大器輸出信號(hào)的和由大約AE變化到了大約5ΑΕ。即輸入信號(hào)成倍增加時(shí)，輸出 信號(hào)線性增大。這是對(duì)數(shù)放大器的基本原理。在實(shí)際電路應(yīng)用中，因?yàn)殡妷弘y以進(jìn)行加法 運(yùn)算，所以需要電流發(fā)生器將電壓轉(zhuǎn)換為電流，然后再把電流相加得到最終的輸出信號(hào)。對(duì)數(shù)放大器的性能主要由它的動(dòng)態(tài)量程范圍和增益決定。由圖3可知這兩項(xiàng)屬性 都由Α、Ε決定。由圖3中的電路為例，輸入動(dòng)態(tài)量程范圍Ε/Α3到ΑΕ，增益:Α4。精確的控 制A和E就成為當(dāng)下對(duì)數(shù)放大器設(shè)計(jì)中的一個(gè)重要課題。如圖4所示，傳統(tǒng)的電壓放大器通常有兩種結(jié)構(gòu)來得到恒定的增益。圖4a的電路 增益為R2/R1，但是必須滿足GmRl >> 1。也就是說Gm或者Rl要足夠大，這樣的放大器無 法由低功耗或小面積的電路來實(shí)現(xiàn)。圖4b的電路可實(shí)現(xiàn)恒定增益為(W1L2/W2L1)"2，并對(duì) 功耗和面積沒有要求，但其線性度無法控制。
發(fā)明內(nèi)容為了解決上述技術(shù)問題，本實(shí)用新型提供了一種基于CMOS精確電壓放大器的對(duì) 數(shù)放大器。本實(shí)用新型解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是一種基于CMOS精確電壓放大 器的對(duì)數(shù)放大器，由CMOS跨導(dǎo)電路和負(fù)載電路并聯(lián)而成，所述CMOS跨導(dǎo)電路包括輸入差分 對(duì)Ml和M2，電流源M3、M4和M7、M8，以及與M1、M2構(gòu)成負(fù)反饋回路的M5、M6，所述負(fù)載電路 由M9、MlO和連接在M9和MlO柵極上的R2組成。本實(shí)用新型可實(shí)現(xiàn)對(duì)于對(duì)數(shù)放大器的增益和動(dòng)態(tài)量程的精確控制，從而使得對(duì)數(shù) 放大器的性能不再受工藝、溫度、電壓變化的影響。


以下結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本實(shí)用新型進(jìn)一步說明。圖1是對(duì)數(shù)放大器的基本結(jié)構(gòu)。圖2是電壓放大器的輸入輸出特性。圖3是對(duì)數(shù)放大器的基本原理。圖4是基于現(xiàn)有技術(shù)的電壓放大器示意圖。
3[0014]圖5是本實(shí)用新型的電壓放大器示意圖。
具體實(shí)施方式
如圖5所示的一種基于CMOS精確電壓放大器的對(duì)數(shù)放大器，由左半部分的CMOS 跨導(dǎo)電路和右半部分的負(fù)載電路并聯(lián)而成，所述CMOS跨導(dǎo)電路包括輸入差分對(duì)Ml和M2，電 流源M3、M4和M7、M8，以及與M1、M2構(gòu)成負(fù)反饋回路的M5、M6，所述負(fù)載電路由M9、M10、和 兩個(gè)R2構(gòu)成，而其負(fù)載電阻R2沒有直接接地，而是接在了 M9和MlO的柵極上。這樣做的 好處是直流電流不經(jīng)過R2，輸出點(diǎn)的DC電壓與R2無關(guān)。對(duì)于差分電路而言“π4”是虛地， 故AC信號(hào)視Μ9和MlO為開路，所有小信號(hào)電流都會(huì)流過R2。因此該電路的功能與R2接地 相同。當(dāng)有輸入信號(hào)Vi = (Vip-Vin)加在放大器輸入端時(shí)，Μ5和Μ6構(gòu)成的負(fù)反饋 電路將保證輸入差分對(duì)Ml和Μ2工作在飽和區(qū)。此時(shí)Ml和Μ2的電流不變，那么Vi’ = (Vip，-Vin，)將等于Vi。所以流過Rl的電流ΔΙ = Vi，/Rl = Vi/Rl。Δ I流入M5和M6 中，并通過電流鏡轉(zhuǎn)移到R2上。如果電流鏡產(chǎn)生的增益為1，那么整個(gè)放大器的增益就等 于2R2/R1。顯而易見該放大器的增益只與電阻的比值的有關(guān)，與工藝、溫度、電壓沒有關(guān) 系。并且只要Ml和M2工作在飽和區(qū)，Vi，= (Vip，-Vin，)將恒等于Vi = (Vip-Vin)， 沒有GmRl >> 1的限制(對(duì)比圖4a的電路)，這樣就不需要將電流或者電阻做的很大，節(jié) 省了功耗和面積。從圖5中還可以看到，Il和12是電流源電流。當(dāng)電路工作在線性區(qū)時(shí)，Il和12 應(yīng)保持恒定不變。輸入信號(hào)產(chǎn)生的Δ I應(yīng)該全部來自于13，那么當(dāng)13 = 0，即M5關(guān)閉的 時(shí)候，電路進(jìn)入非線性區(qū)。由圖5易知，此時(shí)Vi = (I1-I2)*R1。當(dāng)放大器完全飽和時(shí)，Ml、 M5和M7都關(guān)閉了，此時(shí)流過Rl的電流為II，經(jīng)過電流鏡的轉(zhuǎn)移，得到的差分輸出電壓為 I1*2R2。這就是該放大器的最大輸出飽和電壓。該放大器的最大輸出飽和電壓是一個(gè)I*R的形式，看起來不是一個(gè)恒定值。但考 慮I通常是由Bandgap產(chǎn)生的，具有Vref/Rref的形式。放大器的最大輸出飽和電壓依然 可以寫成Vref*R/Rref的形式。而Vref通常是由Bandgap產(chǎn)生的一個(gè)恒定電壓。顯而易 見該放大器的最大輸出飽和電壓只隨電阻的比值變化，與工藝、溫度、電壓沒有關(guān)系。當(dāng)然 這有一個(gè)前提=Rref與放大器中的R是同一類型，并且相互匹配?；氐綀D3，顯然易見A是電壓放大器增益等于2R2/R1。AE是電壓放大器最大輸出 飽和電壓等于I1*2R2。飽和輸入電壓E應(yīng)當(dāng)?shù)扔贗1*R1。這樣對(duì)數(shù)放大器的基本性能參數(shù) 輸入動(dòng)態(tài)量程范圍(E/A3到AE)，增益(A4)都可以確定下來了。并且這些參數(shù)都是可以精 確控制的，與工藝、溫度、電壓無關(guān)。以上僅是本實(shí)用新型的較佳實(shí)施例而已，并非對(duì)本實(shí)用新型作任何形式上的限 制，凡是依據(jù)本實(shí)用新型的技術(shù)實(shí)質(zhì)對(duì)以上實(shí)施例所作的任何簡(jiǎn)單修改、等同變化與修飾， 均仍屬于本實(shí)用新型技術(shù)方案的范圍內(nèi)。
權(quán)利要求一種基于CMOS精確電壓放大器的對(duì)數(shù)放大器，其特征是所述基于CMOS精確電壓放大器的對(duì)數(shù)放大器由CMOS跨導(dǎo)電路和負(fù)載電路并聯(lián)而成，所述CMOS跨導(dǎo)電路包括輸入差分對(duì)M1和M2，電流源M3、M4和M7、M8，以及與M1、M2構(gòu)成負(fù)反饋回路的M5、M6，所述負(fù)載電路由M9、M10和連接在M9和M10柵極上的R2組成。
專利摘要本實(shí)用新型涉及一種基于CMOS精確電壓放大器的對(duì)數(shù)放大器。一種基于CMOS精確電壓放大器的對(duì)數(shù)放大器，由CMOS跨導(dǎo)電路和負(fù)載電路并聯(lián)而成，所述CMOS跨導(dǎo)電路包括輸入差分對(duì)M1和M2，電流源M3、M4和M7、M8，以及與M1、M2構(gòu)成負(fù)反饋回路的M5、M6，所述負(fù)載電路由M9、M10和連接在M9和M10柵極上的R2組成。本實(shí)用新型可實(shí)現(xiàn)對(duì)于對(duì)數(shù)放大器的增益和動(dòng)態(tài)量程的精確控制，從而使得對(duì)數(shù)放大器的性能不再受工藝、溫度、電壓變化的影響。
文檔編號(hào)H03F3/45GK201682459SQ20102011152
公開日2010年12月22日 申請(qǐng)日期2010年2月10日 優(yōu)先權(quán)日2010年2月10日
發(fā)明者孫禮中, 李曉波 申請(qǐng)人:蘇州科山微電子科技有限公司