[發明專利]具有高增益的電平轉換電路

無效

• 申請號: 201210567900.5
• 申請日: 2012-12-24
• 公開（公告）號: CN103066935A
• 公開（公告）日: 2013-04-24
• 發明（設計）人: 包興坤
• 申請（專利權）人: 蘇州硅智源微電子有限公司
• 主分類號: H03F3/45
• 分類號: H03F3/45;H03F19/00
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術領域

本發明涉及到集成電路放大器性能的提高。更特別的是，本發明涉及到一個放大器的電平轉換級的提高。

背景技術

在典型的電壓放大器中，幾個NPN共發射極通常串聯來得到一個高的電壓增益。在離散的放大器中，大額電容器可用于把來自一個增益階段的交流信號和下一個在放大器中沒有影響直流偏置的電平相結合。然而，在集成放大器中，大額電容器通常是不可利用的，因為它們需要大量的芯片面積。因此，為了確保有足夠的低頻響應，集成放大器的增益級通常是直流耦合。然而，在一個NPN共發射極增益級的輸出直流電平比它的輸入直流電平高。因此，在一個如此增益級的級聯上，該直流電平遞增，并且它在最后一級的輸出上比第一級輸入要高出相當多。因此輸出的直流電平接近真實的電源電壓，這樣減少了放大器輸出電壓可能的擺動范圍。

用互補的NPN和PNP增益級可以避免直流電平的增加，但是通常不使用這種方法，因為單片PNP三極管的增益與頻率特性比較差。

克服直流電平增益增加的一個更好的方式是在每一對增益級中插入一個電平轉換級。插入如此一個電平轉換級的目的是使直流電平減小，并且在同樣的時間里可以給交流信號提供統一的增益緩沖區去執行。為了實現一個緩沖區所扮演的角色，同時為了擁有一個相對高的輸入阻抗和一個相對低的輸出阻抗，一個電平轉換級是必要的。

各式的電路都提及到電平轉換級。一個普及常用的電平轉換電路是LM118運算放大器，采用一個微分的PNP跨導級來驅動一個差分的電流鏡。電平轉換級放在差分輸入級和一個主增益級之間。在這樣的設計中，電平轉換級的PNP三極管的有害的影響可以通過前饋補償的使用得到減少。

在放大電路中，前饋補償可以繞過緩慢的PNP電平轉換級，在高頻階段把差動輸入信號轉換到單端信號提供的電平轉換級是可行的。這已經在LM118里得到實現，比如，用一個旁路電容可以消除提供給電平轉換級的高頻信號的一半，并且它擴展了運算放大器的有用帶寬。但這個旁路電容可能會導致設置時間的問題。

申請人已經發明了一種改良的方法：從差動輸入級提供一個單端信號給隨后沒有旁路電容的電平轉換級(或是其他類型的第二級電路)。這里通過直接耦合成功的只有輸入級的耦合到電平轉換級的一個端子，給輸入產生一個參考信號到電平轉換級的另一端來追蹤直接耦合的信號的無控直流組成部分。

用在LM118常規的電平轉換級的類型有不足，因為它減少了放大器共模輸入電壓范圍的上限，導致這個值明顯低于正電源電壓。這是因為，有一些限制需要電平轉換級的輸入直流電平要比放大器的正電源電壓低至少一個伏特。這種不利在放大器設計時或在低電源電壓工作時會特別明顯。

電平轉換電路的LM118類型也有不足，差分PNP三極管和電流鏡相結合，會引入一個相位延遲，對于給定的帶寬，會削弱放大器的穩定性。在LM118里，一半的高頻信號在進入電平轉移級會被旁路電容消除，另一半的高頻信號在同一時間會被反饋到電平轉換級，它一直圍繞著這一級進行反饋。該高頻信號通過電平轉換級出現在電平轉換級的輸出會異相端伴隨著前饋高頻信號。通過電平轉換級的產生相位轉移的一個主要原因是信號通過電流鏡的PNP三極管的需要進行差分運算。這個相位轉移導致信號通過電平轉換級來干預前饋信號，產生上述對于穩定性的干擾。然而，電平轉換電路不需要高頻信號去通過電流鏡將會有相對較少的相位平移，為了用在電平轉換級前是單端的前饋補償放大器，我們將提供一個更合適的電平轉換電路。

在其他已知的運算放大電路中，LM101A和LM741，電平轉換和差分到單端的轉換在輸入級已經被實現了。該輸入級包括一對差分的NPN三極管，其發射級耦合到一對電平轉移的PNP三極管，從而驅動電流鏡電路。該PNP三極管通常由電流源驅動連接到每個PNP三極管基極。被每個PNP三極管傳導的電流都是差分的，這樣在每一個差動輸入的變化會讓PNP三極管傳導的電流產生變化，也會導致電流鏡每端傳導的電流產生變化。不利的是，PNP三極管的差分運算和電流鏡在高頻信號上會產生顯著的相位延遲，類似于LM118的電平轉換級。

鑒于上述情況，最好給電平轉換級提供一個不需要它的輸入電壓明顯比正電源電壓低的電路，從而避免該電平轉換級將限制共模輸入電壓的范圍和放大電路的在低壓情況下運算的可能性。

它最好還提供一個不需要單端高頻信號來通過電流鏡的電平轉換級，從而避免在電平轉換級上多余的相位延遲。

發明內容

本發明的一個目的是提供一個改進的不會限制共模輸入電壓范圍以及集成電路差分放大器的低壓運算的電平轉換級電路。