[實用新型]基于CMOS精確電壓放大器的對數(shù)放大器

無效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201020111521.1
• 申請日: 2010-02-10
• 公開（公告）號: CN201682459U
• 公開（公告）日: 2010-12-22
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 李曉波;孫禮中
• 申請（專利權(quán)）人: 蘇州科山微電子科技有限公司
• 主分類號: H03F3/45
• 分類號: H03F3/45
• 代理公司: 南京眾聯(lián)專利代理有限公司 32206
• 代理人: 趙楓

技術(shù)領(lǐng)域：

本實用新型涉及一種基于CMOS精確電壓放大器的對數(shù)放大器。

背景技術(shù)：

圖1是對數(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)，∑I則用于將輸出電流相加。

假設(shè)放大器飽和時，放大器的輸入信號為E，則此時放大器輸出將不再隨輸入信號增大而增大，恒為AE，如圖2。在這種情況下，由圖3可知，當(dāng)輸入信號從E/A³變化到AE的時候，所有放大器輸出信號的和由大約AE變化到了大約5AE。即輸入信號成倍增加時，輸出信號線性增大。這是對數(shù)放大器的基本原理。在實際電路應(yīng)用中，因為電壓難以進行加法運算，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。

對數(shù)放大器的性能主要由它的動態(tài)量程范圍和增益決定。由圖3可知這兩項屬性都由A、E決定。由圖3中的電路為例，輸入動態(tài)量程范圍：E/A³到AE，增益：A⁴。精確的控制A和E就成為當(dāng)下對數(shù)放大器設(shè)計中的一個重要課題。

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GmR1＞＞1。也就是說Gm或者R1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現(xiàn)。圖4b的電路可實現(xiàn)恒定增益為(W1L2/W2L1)^1/2，并對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，本實用新型提供了一種基于CMOS精確電壓放大器的對數(shù)放大器。

本實用新型解決其技術(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數(shù)放大器，由CMOS跨導(dǎo)電路和負載電路并聯(lián)而成，所述CMOS跨導(dǎo)電路包括輸入差分對M1和M2，電流源M3、M4和M7、M8，以及與M1、M2構(gòu)成負反饋回路的M5、M6，所述負載電路由M9、M10和連接在M9和M10柵極上的R2組成。

本實用新型可實現(xiàn)對于對數(shù)放大器的增益和動態(tài)量程的精確控制，從而使得對數(shù)放大器的性能不再受工藝、溫度、電壓變化的影響。

附圖說明：

下面結(jié)合附圖和實施例對本實用新型進一步說明。

圖1是對數(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。

圖5是本實用新型的電壓放大器示意圖。

具體實施方式：

如圖5所示的一種基于CMOS精確電壓放大器的對數(shù)放大器，由左半部分的CMOS跨導(dǎo)電路和右半部分的負載電路并聯(lián)而成，所述CMOS跨導(dǎo)電路包括輸入差分對M1和M2，電流源M3、M4和M7、M8，以及與M1、M2構(gòu)成負反饋回路的M5、M6，所述負載電路由M9、M10、和兩個R2構(gòu)成，而其負載電阻R2沒有直接接地，而是接在了M9和M10的柵極上。這樣做的好處是直流電流不經(jīng)過R2，輸出點的DC電壓與R2無關(guān)。對于差分電路而言“n4”是虛地，故AC信號視M9和M10為開路，所有小信號電流都會流過R2。因此該電路的功能與R2接地相同。

當(dāng)有輸入信號Vi＝(Vip-Vin)加在放大器輸入端時，M5和M6構(gòu)成的負反饋電路將保證輸入差分對M1和M2工作在飽和區(qū)。此時M1和M2的電流不變，那么Vi’＝(Vip’-Vin’)將等于Vi。所以流過R1的電流ΔI＝Vi’/R1＝Vi/R1。ΔI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M1和M2工作在飽和區(qū)，Vi’＝(Vip’-Vin’)將恒等于Vi＝(Vip-Vin)，沒有GmR1＞＞1的限制(對比圖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，I1和I2是電流源電流。當(dāng)電路工作在線性區(qū)時，I1和I2應(yīng)保持恒定不變。輸入信號產(chǎn)生的ΔI應(yīng)該全部來自于I3，那么當(dāng)I3＝0，即M5關(guān)閉的時候，電路進入非線性區(qū)。由圖5易知，此時Vi＝(I1-I2)*R1。當(dāng)放大器完全飽和時，M1、M5和M7都關(guān)閉了，此時流過R1的電流為I1，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。