CN102545806B - 差动放大器 - Google Patents

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Abstract

本发明揭露一种采用晶体管的全向差动放大器，其具有可变增益的功能，能通过单纯地调整电阻比值，放大信号数倍甚至上千倍。设计上加入由NMOS与电流源构成的区域反馈电路，来增加输入控制中PMOS或NMOS晶体管的跨导值Gm，以大幅降低半导体制造元件的漂移特性对此放大器电路造成放大倍率的不确定性。另外，电路的体积微小化与其良好的放大线性度，使此技术的应用层面，可涵盖电源、通信与微机电的领域。

Description

差动放大器
技术领域
本发明为差动放大器，尤其是一种全向差动放大器。
背景技术
通常使用运算放大器时，会将其输出端与其反相输入端(inverting input node)连接，形成负反馈(negative feedback)组态。原因是运算放大器的电压增益非常大，范围从数百至数万倍不等，使用负反馈才能保证电路的稳定运作。
运算放大器11作为模拟系统和混合信号系统中的一个重要电路单元，广泛应用于数字/模拟转换器(ADC converter)、有源滤波器(一种含有运算放大器的滤波器，优点为体积小、效率高、频率特性好)、波形产生器(产生一定频率、振幅的波形)和视频放大器等各种电路中。伴随着每一代CMOS工艺的发展，电源电压(voltage source)和晶体管沟道(transistor channel)长度的持续减小，不断为运算放大器的设计提出了复杂的课题。在A/D转换器中，运算放大器是最关键的部件。比如，有限增益、带宽(bandwidth)和有限转换速率(slew rate)等运算放大器的非理想特性都会造成积分器中的电荷转移不完全，从而引起A/D转换器的非线性(nonlinearity)。与单端输出的运算放大器相比，全差动运算放大器如图1所示，能提供更大的输出电压摆幅，并具有不易受共模(commonmode)噪声影响、更高的线性度、减少偶次谐波(even hormonics)干扰以及偏置电路更简单等优点。然而，图1的全差动运算放大器虽有上述优点，但其低频宽的特性与需要一个共模反馈(common mode feedback)电路12，使得其应用范围并未被广泛采用。
差动放大器也叫差分放大器，是一种将两个输入端电压的差以固定增益放大的电子放大器，有时简称为“差放”。差动放大器通常被用作功率放大器和发射极耦合逻辑电路(ECL,Emitter Coupled Logic)的输入级。差动放大器具有下列三项特点：(1)高输入阻抗，低输出阻抗。(2)输出信号大小与两输入信号的差值成比例。(3)频率响应较一般放大器宽广。晶体管差动放大器20，如图2所示，为使用晶体管而不用运算放大器的简单方法，其特性为不易受晶体管栅极与源极间电压的影响，及拥有放大倍率为Gain≈R22/(R21+1/Gm)，其中Gm为输入端PMOS的跨导值(transconductance)，由于跨导值Gm并非定值且随制造的不同而变动。如果我们需要该放大倍率不会随着跨导值Gm的改变与不确定性而变动，则应该选择电阻R21>>1/Gm，若Gm的值无法大幅提高，则电阻R21势必选择较大的值，此限制条件进一步影响其适用于不同电路设计的需求。
由图2得知，当我们将电阻值R21与电阻值R22增加相同的K倍，则全部的该放大倍率受跨导值Gm的影响比较小。然而，为了保持Vop与Von在相同的操作点与操作动态范围，通过电阻4*R32的电流必须减少为1/K倍，所以，(1-1/K)I的电流降低效应必须加到Vop与Von，如图3所示为晶体管差动放大器加入电流源30，其中在此例子上K＝4。
本发明申请人鉴于现有技术中的不足，经过悉心试验与研究，并本着锲而不舍的精神，终构思出本发明差动放大器的技术，能有效在低成本考虑下，克服现有技术的不足，以下为本发明的简要说明。
发明内容
本发明揭露一种采用晶体管的全向差动放大器，其具有可变增益的功能，能通过单纯地调整电阻比值，放大信号数倍甚至上千倍。设计上加入由NMOS晶体管与电流源(current source)构成的区域反馈电路，来增加输入控制中PMOS或NMOS晶体管的跨导值Gm，以大幅降低半导体制造元件的漂移特性对此放大器电路造成的放大倍率的不确定性。
根据上述构想，本发明提出一种差动放大器，包括：放大模块，具有电阻比值，接收输入电压，并根据所述电阻比值而将所述输入电压放大为输出电压；以及反馈模块，耦合于所述放大模块并根据所述输入电压与反馈信号所产生的负向电压位准调整所述输出电压。
PMOS因逻辑摆幅大，充电放电过程长，加之器件跨导Gm小，所以工作速度更低，在NMOS电路出现之后，多数已为NMOS电路所取代。只是因PMOS电路工艺简单，价格便宜，有些中规模和小规模数字控制电路仍采用PMOS电路技术。
本发明提出一种差动放大器的控制方法，其中所述放大器具有电阻比值，且包括具有跨导值的PMOS与耦合于所述PMOS的NMOS，包括：使所述PMOS接收输入电压并根据所述电阻比值而将所述输入电压放大为输出电压；以及使所述NMOS将所述输出电压的负向位准提供给所述PMOS，并据以变动所述跨导值。
本发明提出一种差动放大器，包括：放大模块，接收输入电压，并产生输出电压；以及反馈模块，接收所述输出电压的反馈信号，以调整所述输出电压至预定值。
本发明提出一种差动放大器控制方法，包括：根据输入信号，产生输出信号；根据所述输出信号，产生反馈信号；以及根据所述反馈信号，调整所述输出信号至预定值。
本发明为一种设计上加入由NMOS晶体管与电流源构成的区域反馈电路，来增加输入控制中PMOS或NMOS晶体管的跨导值Gm，以大幅降低半导体元件的漂移特性对此放大器电路造成的放大倍率的不确定性。该放大倍率为电阻比值R42/(R41/2)，其中须注意的是该电阻比值分母大小为第一电阻R41的一半，且范围介于单数倍至上千倍。
本发明为一种全向差动放大器，在现今信号处理电路的进步一日千里的条件下，具有可变增益及适用于高速信号处理的放大器能产生革命性的演进。集成电路已逐渐取代传统主动元件与被动元件的架构，大功率的机电系统也有赖于人机接口的控制方式，如何进行稳定性的信号放大，同时提升产业利用率，如何对迈入已发展国家应具备的机电基础设备开发，具有举足轻重的影响力。
为让本发明的上述内容能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合附图，作详细说明。
附图说明
图1为已知的全差动运算放大器的示意图；
图2为已知的晶体管差动放大器的示意图；
图3为已知的晶体管差动放大器加入电流降低效应到Vop与Von的示意图；
图4为本发明的高速全差动可变增益放大器的示意图。
主要元件符号说明
10：全差动运算放大器                 11：运算放大器
12：共模反馈电路(CMFB)               20：晶体管差动放大器
22：第一PMOS                         23：第二NMOS
30：差动放大器加入电流源             32：第二PMOS
33：第一NMOS                         40：高速全差动可变增益放大器
R41：第一电阻                        R42：第二电阻
R42’：第三电阻                      I41：第一电流源
I42：第二电流源                      I41’：第三电流源
I42’：第四电流源                    Vip：第一输入信号
Vin：第二输入信号                    Vop：第一输出信号
Von：第二输出信号
具体实施方式
本发明将可由以下的实施例说明而得到充分了解，使得熟知本技术领域的人员可以据以此完成本发明，然而本发明的实施并非可由下列实施例而被限制其实施型态；也就是，本发明的范围不受已提出的实施例的限制，而应以本发明提出的权利要求书为准。
一个完全差动的放大器常用于将单端信号转换为差动信号，这种放大器设计有三个必须特别考虑的地方：(1)单端信号源的阻抗必须匹配(match)差动放大器的单端阻抗；(2)放大器的输入必须保持在共模电压限值范围内；(3)必须将输入信号电压转换至位于期望的输出共模电压中央的信号。
差动放大电路又叫差分电路，不仅能有效的放大直流信号，而且能有效的减小由于电源波动和晶体管随温度变化而引起的零点漂移(zero drift)，因而获得广泛的应用。特别是大量的应用于集成运放(元件参数的一致性和对称性好)电路，它常被用作多级放大器的前置级，其中，集成电路是把整个电路的各个元件以及相互之间的联接同时制造在一块半导体上，组成一个不可分的整体，特点为体积小、重量轻、功耗低、可靠性高及价格低。差动放大电路也称差分放大电路，是一种对零点漂移具有很强抑制能力的基本放大电路，其中“零点漂移”现象为当直流放大电路输入端不加信号时，由于温度、电源电压的变化或其它干扰而引起的各级工作点电位的缓慢变化，都会经过各级放大使末级输出电压偏离零值而上下移动。典型差动放大器，它是一种特殊的直接耦合(direct coupled)放大电路，其要求电路两边的元件完全对称，即两管型号相同、特性相同、各对应电阻值与各对应电流源相等。
根据上述构想，本发明提出一种如图4所揭示的高速全差动可变增益放大器40，主要包括放大模块与反馈模块，其中包括第二电流源I42与第二NMOS23被耦合至该放大模块，以形成区域反馈回路，如图4所示，并根据该输入电压与反馈信号所产生的负向电压位准以调整该输出电压。该差动放大器，包括：第一PMOS22，包括第一栅极、第一源极与第一漏极，其中该第一源极连接于第一电阻R41的第一端，该第一栅极用于接收第一输入信号Vip，而该第一漏极连接于第二NMOS23的第二栅极与第二电流源I42；以及第一NMOS33，包括该第三栅极、第三源极与第二漏极，其中该第三漏极连接于第二PMOS32的第四源极与该第一电阻R41的第二端，而该第二源极用于输出第一输出信号Vop并连接于第三电阻R42。
上述的差动放大器，还包括：该第二PMOS32，包括第四栅极、该第四源极与第四漏极，其中该第四源极连接于该第一电阻R41的该第二端，第四栅极用于接收第二输入信号Vin，该第四漏极连接于该第一NMOS33的该第二栅极与相同于该第二电流源的第四电流源I42；以及第二NMOS23，包括第二栅极、第二源极与第二漏极，其中该第二漏极连接于该第一PMOS22的该第一源极与该第一电阻R41的该第一端，该第二源极用于输出第二输出信号Von并连接于第二电阻R42。
该反馈回路会产生增加PMOS22、23晶体管中的等效跨导值Gm的效果，从而降低该跨导值Gm对该放大倍率的影响，使该放大倍率几乎趋近于电阻比值R42/(R41/2)，其中须注意的是该电阻比值分母大小为该第一电阻R41的一半。另外，其可在输入端用第三NMOS与第四NMOS分别取代上述该第一PMOS22与该第二PMOS32而有相同的放大功能。
直接耦合晶体管电路中，常用差动放大器来控制工作点因温度效应产生的漂移问题。另外在电子医学方面、物理测量方面，都不断地借助于差动放大器。
虽然本发明已揭露了如上的较佳实施例，然其并非用以限定本发明。本发明所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的变更和润饰。因此，本发明的保护范围当以权利要求书的界定为准。
实施例：
1、一种差动放大器，包括：
放大模块，具有电阻比值，接收输入电压，并根据该电阻比值而将该输入电压放大为输出电压；以及
反馈模块，耦合于该放大模块并根据该输入电压与反馈信号所产生的负向电压位准以调整该输出电压。
2、如第1实施例所述的差动放大器，其包括：
第一PMOS，包括第一栅极、第一源极与第一漏极，其中该第一源极连接于第一电阻的第一端，该第一栅极用于接收第一输入信号，而该第一漏极连接于第二NMOS的第二栅极与第二电流源；以及
第一NMOS，包括该第二栅极、第二源极与第二漏极，其中该第二漏极连接于第二PMOS的第三源极与该第一电阻的第二端，而该第二源极用于输出第一输出信号并连接于第三电阻。
3、如第2实施例所述的差动放大器，还包括：
该第二PMOS，包括第三栅极、该第三源极与第三漏极，其中该第三源极连接于该第一电阻的该第二端，第三栅极用于接收第二输入信号，该第三漏极连接于该第一NMOS的该第二栅极与相同于该第二电流源的第四电流源；以及
第二NMOS，包括第四栅极、第四源极与第四漏极，其中该第四漏极连接于该第一PMOS的该第一源极与该第一电阻的该第一端，该第四源极用于输出第二输出信号并连接于第二电阻。
4、如第2或3实施例所述的差动放大器，其中该第二电流源与该第二NMOS构成该反馈模块，相同结构发生于该第四电流源与该第一NMOS。
5、如第2或3实施例所述的差动放大器，其中该第二电流源与该第四电流源，可保持该第二输出信号与该第一输出信号在相同的操作点与相同的操作动态范围，其中该操作动态范围为电路能接受输入信号以产生输出信号的工作范围。
6、如第5实施例所述的差动放大器，其中该第二电阻或该第三电阻与该第一电阻的一半的比值定义为放大倍率。
7、如第6实施例所述的差动放大器，其中该放大倍率会在该操作点与该动态范围作线性变化。
8、如第2或3实施例所述的差动放大器，其可在输入端用第三NMOS与第四NMOS分别取代上述该第一PMOS与该第二PMOS而有相同的放大功能。
9、一种差动放大器的控制方法，其中该放大器具有电阻比值，且包括具有跨导值的PMOS与耦合于该PMOS的NMOS，包括：
使该PMOS接收输入电压并根据该电阻比值而将该输入电压放大为输出电压；以及
使该NMOS将该输出电压的负向位准提供给该PMOS，并据以变动该跨导值。
10、如第9实施例所述的方法，其中第二电流源与第四电流源，可保持第二输出信号与第一输出信号在相同的操作点与相同的操作动态范围，其中该操作动态范围为电路能接受输入信号以产生输出信号的工作范围。
11、如第10实施例所述的方法，其中第二电阻或第三电阻与第一电阻的一半的比值定义为放大倍率。
12、如第11实施例所述的方法，其中该放大倍率会在该操作点与该动态范围作线性变化。
13、如第9实施例所述的方法，其可在输入端用第三NMOS与第四NMOS分别取代第一PMOS与第二PMOS而有相同的放大功能。
14、一种差动放大器，包括：
放大模块，接收输入电压，并产生输出电压；以及
反馈模块，接收该输出电压的反馈信号，以调整该输出电压至预定值。
15、如第14实施例所述的差动放大器，其中第二电流源与第四电流源，可保持第二输出信号与第一输出信号在相同的操作点与相同的操作动态范围，其中该操作动态范围为电路能接受输入信号以产生输出信号的工作范围。
16、如第15实施例所述的差动放大器，其中第二电阻或第三电阻与第一电阻一半的比值定义为放大倍率。
17、如第16实施例所述的差动放大器，其中该放大倍率会在该操作点与该动态范围作线性变化。
18、如第14实施例所述的差动放大器，其可在输入端用第三NMOS与第四NMOS分别取代第一PMOS与第二PMOS而有相同的放大功能。
19、一种差动放大器控制方法，包括：
根据输入信号，产生输出信号；
根据该输出信号，产生反馈信号；以及
根据该反馈信号，调整该输出信号至预定值。
20、如第19实施例所述的方法，其中第二电流源与第四电流源，可保持第二输出信号与第一输出信号在相同的操作点与相同的操作动态范围，其中该操作动态范围为电路能接受输入信号以产生输出信号的工作范围。
21、如第20实施例所述的方法，其中第二电阻或第三电阻与第一电阻一半的比值定义为放大倍率。
22、如第21实施例所述的方法，其中该放大倍率会在该操作点与该动态范围作线性变化。
23、如第19实施例所述的方法，其可在输入端用第三NMOS与第四NMOS分别取代第一PMOS与第二PMOS而有相同的放大功能。
以上所述者，仅为本发明的较佳实施例，当不能以此限定本发明，本发明的保护范围当以权利要求书的范围及其均等领域而定，即凡是依本发明权利要求书的范围所作的均等变化与修饰，皆应属于本发明专利涵盖的范围内。

Claims (8)

1.一种差动放大器，包括：
放大模块，具有电阻比值，接收输入电压，并根据所述电阻比值而将所述输入电压放大为输出电压；
反馈模块，耦合于所述放大模块并根据所述输入电压与反馈信号所产生的负向电压位准以调整所述输出电压；
第一PMOS，包括第一栅极、第一源极与第一漏极，其中所述第一源极连接于第一电阻的第一端，所述第一栅极用于接收第一输入信号，而所述第一漏极连接于第二NMOS的第二栅极与第二电流源；
第一NMOS，包括第三栅极、第三源极与第三漏极，其中所述第三漏极连接于第二PMOS的第四源极与所述第一电阻的第二端，而所述第三源极用于输出第一输出信号并连接于第三电阻，其中所述放大模块还包括所述第一PMOS、所述第一电阻、所述第三电阻与所述第一NMOS，所述反馈模块包括所述第二NMOS与第二电阻；
所述第二PMOS，包括第四栅极、所述第四源极与第四漏极，其中所述第四源极连接于所述第一电阻的所述第二端，所述第四栅极用于接收第二输入信号，所述第四漏极连接于所述第一NMOS的所述第三栅极与相同于所述第二电流源的第四电流源；以及
所述第二NMOS，包括所述第二栅极、第二源极与第二漏极，其中所述第二漏极连接于所述第一PMOS的所述第一源极与所述第一电阻的所述第一端，所述第二源极用于输出第二输出信号并连接于所述第二电阻。
2.如权利要求1所述的差动放大器，其中所述第二电流源与所述第二NMOS包含在所述反馈模块之中，相同结构发生于所述第四电流源与所述第一NMOS。
3.如权利要求1所述的差动放大器，其中所述第二电流源与所述第四电流源，保持所述第二输出信号与所述第一输出信号在相同的操作点与相同的操作动态范围，其中所述操作动态范围为电路能接受输入信号以产生输出信号的工作范围。
4.如权利要求3所述的差动放大器，其中所述第二电阻或所述第三电阻与所述第一电阻的一半的比值定义为放大倍率，而所述放大倍率在所述操作点与所述动态范围作线性变化。
5.如权利要求1所述的差动放大器，其在输入端用第三NMOS与第四NMOS分别取代所述第一PMOS与所述第二PMOS而有相同的放大功能。
6.一种差动放大器的控制方法，其中所述放大器具有电阻比值，且包括第一电阻、第二电阻、第三电阻和具有跨导值的第一与第二PMOS与耦合于所述第一与第二PMOS的第一与第二NMOS，其中所述第一PMOS的第一源极连接于所述第一电阻的第一端与所述第二NMOS的第二漏极，所述第一PMOS的第一漏极连接于所述第二NMOS的第二栅极与第二电流源，所述第二PMOS的第四源极连接于所述第一电阻的第二端与所述第一NMOS的第三漏极，所述第二PMOS的第四漏极连接于所述第一NMOS的第三栅极与第四电流源，所述第一NMOS的第三源极连接于所述第三电阻，所述第二NMOS的第二源极连接于所述第二电阻，包括：
使所述第一与第二PMOS接收输入电压并根据所述电阻比值而将所述输入电压放大为输出电压，其中所述第二电阻或所述第三电阻与所述第一电阻的一半的比值定义为放大倍率，而所述放大倍率在操作点与动态范围作线性变化；以及
使所述第一与第二NMOS将所述输出电压的负向位准提供给所述第一与第二PMOS，并据以变动所述跨导值。
7.一种差动放大器，包括：
放大模块，接收输入电压，并产生输出电压，所述放大模块更包括第一PMOS、第二PMOS、第一电阻、第二电阻、第三电阻、第一NMOS与第二NMOS，其中所述第一PMOS的第一源极连接于所述第一电阻的第一端与所述第二NMOS的第二漏极，所述第一PMOS的第一漏极连接于所述第二NMOS的第二栅极与第二电流源，所述第二PMOS的第四源极连接于所述第一电阻的第二端与所述第一NMOS的第三漏极，所述第二PMOS的第四漏极连接于所述第一NMOS的第三栅极与第四电流源，所述第一NMOS的第三源极连接于所述第三电阻，所述第二NMOS的第二源极连接于所述第二电阻，所述第二电阻或所述第三电阻与所述第一电阻的一半的比值定义为放大倍率；以及
反馈模块，接收所述输出电压的反馈信号，以调整所述输出电压至预定值。
8.一种差动放大器控制方法，所述差动放大器具有第一电阻、第二电阻、第三电阻、第一与第二PMOS以及第一与第二NMOS，其中所述第一PMOS的第一源极连接于所述第一电阻的第一端与所述第二NMOS的第二漏极，所述第一PMOS的第一漏极连接于所述第二NMOS的第二栅极与第二电流源，所述第二PMOS的第四源极连接于所述第一电阻的第二端与所述第一NMOS的第三漏极，所述第二PMOS的第四漏极连接于所述第一NMOS的第三栅极与第四电流源，所述第一NMOS的第三源极连接于所述第三电阻，所述第二NMOS的第二源极连接于所述第二电阻，所述方法包括：
根据输入信号，产生放大输出信号，其中所述第二电阻或所述第三电阻与所述第一电阻的一半的比值定义为放大倍率；
根据所述输出信号，产生反馈信号；以及
根据所述反馈信号，调整所述输出信号至预定值。
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