CN101771387B

CN101771387B - 一种基于cmos精确电压放大器的对数放大器

Info

Publication number: CN101771387B
Application number: CN2010101082250A
Authority: CN
Inventors: 李晓波; 孙礼中
Original assignee: SUZHOU COSINE MICROELECTRONICS TECHNOLOGY Co Ltd
Current assignee: SUZHOU COSINE MICROELECTRONICS TECHNOLOGY Co Ltd
Priority date: 2010-02-10
Filing date: 2010-02-10
Publication date: 2012-06-27
Anticipated expiration: 2030-02-10
Also published as: CN101771387A

Abstract

本发明涉及一种基于CMOS精确电压放大器的对数放大器。一种基于CMOS精确电压放大器的对数放大器，由CMOS跨导电路和负载电路并联而成，所述CMOS跨导电路包括输入差分对M1和M2，电流源M3、M4和M7、M8，以及与M1、M2构成负反馈回路的M5、M6，所述负载电路由M9、M10和连接在M9和M10栅极上的R2组成。本发明可实现对于对数放大器的增益和动态量程的精确控制，从而使得对数放大器的性能不再受工艺、温度、电压变化的影响。

Description

一种基于CMOS精确电压放大器的对数放大器

技术领域：

本发明涉及一种基于CMOS精确电压放大器的对数放大器。

背景技术：

图1是对数放大器的基本结构。其中A是电压放大器(在图1中，有N个电压放大器串联，在本例中N＝4)，Gm是电流发生器(电压电流转换)，∑I则用于将输出电流相加。

假设放大器饱和时，放大器的输入信号为E，则此时放大器输出将不再随输入信号增大而增大，恒为AE，如图2。在这种情况下，由图3可知，当输入信号从E/A³变化到AE的时候，所有放大器输出信号的和由大约AE变化到了大约5AE。即输入信号成倍增加时，输出信号线性增大。这是对数放大器的基本原理。在实际电路应用中，因为电压难以进行加法运算，所以需要电流发生器将电压转换为电流，然后再把电流相加得到最终的输出信号。

对数放大器的性能主要由它的动态量程范围和增益决定。由图3可知这两项属性都由A、E决定。由图3中的电路为例，输入动态量程范围：E/A³到AE，增益：A⁴。精确的控制A和E就成为当下对数放大器设计中的一个重要课题。

如图4所示，传统的电压放大器通常有两种结构来得到恒定的增益。图4a的电路增益为R2/R1，但是必须满足GmR1＞＞1。也就是说Gm或者R1要足够大，这样的放大器无法由低功耗或小面积的电路来实现。图4b的电路可实现恒定增益为(W1L2/W2L1)^1/2，并对功耗和面积没有要求，但其线性度无法控制。

发明内容：

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种基于CMOS精确电压放大器的对数放大器。

本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：一种基于CMOS精确电压放大器的对数放大器，其特征是：所述CMOS精确电压放大器由CMOS跨导电路，偏置电路和负载电路联接而成，所述CMOS跨导电路包括输入差分对M1和M2，电流源M3、M4和M7、M8，以及与M1、M2构成负反馈回路的M5、M6；所述偏置电路由M0，M11和M12组成；所述负载电路由M13至M18，以及M9、M10和分别连接在M9和M10栅极与漏极之间的两个R2组成；其中M0～M18为场效应晶体管，R1和R2都是电阻；

所述偏置电路为：M0的源极接电源，其栅极与其漏极相连，并连接M3、M4、和M11的栅极；M12的源极接地，其栅极与其漏极相连，并连接M7和M8的栅极；M11源极接电源，漏极连接M12的栅极；

所述偏置电路M0的漏极接收输入偏置电流ib，并通过与M3、M4、M7、M8的共栅连接向所述CMOS跨导电路提供偏置电流；

所述CMOS跨导电路：R1的一端与M1的源极、M3的漏极和M5的漏极相连；R1另一端与M2的源极以及M4和M6的漏极相连；M1栅极接差分输入信号的正极vinp，M1漏极与M5栅极、M7漏极和M14栅极相连；M2栅极接差分输入信号负极vinn，M2漏极与M6栅极、M8漏极和M16栅极相连；M5～M8的源极接地；M3和M4的漏极接电源；

所述负载电路：M14栅极连接M5栅极，M16栅极连接M6栅极；M13栅极与其漏极相连，并连接M14漏极和M17栅极；M15栅极与其漏极相连，并连接M16漏极和M18栅极；M17漏极连接输出端负极outn以及M9漏极和一个R2的一端，此R2的另一端连M9的栅极；M18漏极连接输出端正极outp以及M10漏极和另一个R2的一端，此R2的另一端连M10的栅极；M9栅极与M10栅极相连；M14、M16、M9和M10的源极接地；M13、M15、M17、M18源极接电源；

所述负载电路通过M14与M5、M16与M6的共栅连接，接收所述CMOS 跨导电路产生的信号电流，再通过M13与M17，M15与M18的共栅连接将信号电流传送到两个R2上产生差分信号输出电压；M9与M10为本级输出端也就是下一级输入端提供偏置电压。

本实用新型可实现对于对数放大器的增益和动态量程的精确控制，从而使得对数放大器的性能不再受工艺、温度、电压变化的影响。

附图说明：

下面结合附图和实施例对本实用新型进一步说明。

图1是对数放大器的基本结构。

图2是电压放大器的输入输出特性。

图3是对数放大器的基本原理。

图4是基于现有技术的电压放大器示意图。

图5是本实用新型的电压放大器示意图。

具体实施方式：

如图5所示的一种基于CMOS精确电压放大器的对数放大器，其特征是：所述CMOS精确电压放大器由CMOS跨导电路，偏置电路和负载电路联接而成，所述CMOS跨导电路包括输入差分对M1和M2，电流源M3、M4和M7、M8，以及与M1、M2构成负反馈回路的M5、M6；所述偏置电路由M0，M11和M12组成；所述负载电路由M13至M18，以及M9、M10和分别连接在M9和M10栅极与漏极之间的两个R2组成；其中M0～M18为场效应晶体管，R1和R2都是电阻。这样做的好处是直流电流不经过R2，输出点的DC电压与R2无关。对于差分电路而言“n4”是虚地，位于M9和M10的栅极上，故AC信号视M9和M10为开路，所有小信号电流都会流过R2。因此该电路的功能与R2接地相同。

当有输入信号Vi＝(Vip-Vin)加在放大器输入端时，M5和M6构成的负反馈电路将保证输入差分对M1和M2工作在饱和区。此时M1和M2的电流不变，那么Vi’＝(Vip’-Vin’)将等于Vi。所以流过R1的电流ΔI＝Vi’/R1＝Vi/R1。ΔI流入M5和M6中，并通过电流镜转移到R2上。如果电流镜产生的增益为1，那么整个放大器的增益就等于：2R2/R1。显而易见该放大器的增益只与电阻的比值的有关，与工艺、温度、电压没有关系。

并且只要M1和M2工作在饱和区，Vi’＝(Vip’-Vin’)将恒等于Vi＝(Vip-Vin)，没有GmR1＞＞1的限制(对比图4a的电路)，这样就不需要将电流或者电阻做的很大，节省了功耗和面积。

从图5中还可以看到，I1和I2是电流源电流。当电路工作在线性区时，I1和I2应保持恒定不变。输入信号产生的ΔI应该全部来自于I3，那么当I3＝0，即M5关闭的时候，电路进入非线性区。由图5易知，此时Vi＝(I1-I2)*R1。当放大器完全饱和时，M1、M5和M7都关闭了，此时流过R1的电流为I1，经过电流镜的转移，得到的差分输出电压为I1*2R2。这就是该放大器的最大输出饱和电压。

该放大器的最大输出饱和电压是一个I*R的形式，看起来不是一个恒定值。但考虑I通常是由Bandgap产生的，具有Vref/Rref的形式。放大器的最大输出饱和电压依然可以写成Vref*R/Rref的形式。而Vref通常是由Bandgap产生的一个恒定电压。显而易见该放大器的最大输出饱和电压只随电阻的比值变化，与工艺、温度、电压没有关系。当然这有一个前提：Rref与放大器中的R是同一类型，并且相互匹配。

回到图3，显然易见A是电压放大器增益等于2R2/R1。AE是电压放大器最大输出饱和电压等于I1*2R2。饱和输入电压E应当等于I1*R1。这样对数放大器的基本性能参数：输入动态量程范围(E/A³到AE)，增益(A⁴)都可以确定下来了。并且这些参数都是可以精确控制的，与工艺、温度、电压无关。

以上仅是本实用新型的较佳实施例而已，并非对本实用新型作任何形式上的限制，凡是依据本实用新型的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本实用新型技术方案的范围内。

Claims

1.一种基于CMOS精确电压放大器的对数放大器，其特征是：所述CMOS精确电压放大器由CMOS跨导电路，偏置电路和负载电路联接而成，所述CMOS跨导电路包括输入差分对M1和M2，电流源M3、M4和M7、M8，以及与M1、M2构成负反馈回路的M5、M6；所述偏置电路由M0，M11和M12组成；所述负载电路由M13至M18，以及M9、M10和分别连接在M9和M10栅极与漏极之间的两个R2组成；其中M0～M18为场效应晶体管，R1和R2都是电阻；

所述负载电路通过M14与M5、M16与M6的共栅连接，接收所述CMOS跨导电路产生的信号电流，再通过M13与M17，M15与M18的共栅连接将信号电流传送到两个R2上产生差分信号输出电压；M9与M10为本级输出端也就是下一级输入端提供偏置电压。