CN102931932B - 一种互补偏置差分放大器 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种互补偏置差分放大器，包括：一对差分输入三极管，分别是第一三极管和第二三极管；一尾电流源，该尾电流源包括一对晶体管，分别是第一晶体管和第二晶体管；一对电容，分别为第一电容和第二电容；其中的尾电流源采用互补偏置形式，包括对称的两个晶体管，这两个晶体管不但与差分输出的三极管相连接，而且这两个晶体管的基极同时连接直流电压和差分放大器的输出端。这样该尾电流源不但由直流电压供电，而且由差分输出的交流信号进行供电。因此，同现有技术中的差分放大器相比，本发明提供的互补偏置差分放大器中的尾电流源可以增加该差分放大器的输出电流，进而增加输出电压。

Description

一种互补偏置差分放大器
技术领域
本发明涉及集成电路技术领域，特别涉及一种互补偏置差分放大器。
背景技术
差分放大器是一种在模拟集成电路中被广泛应用的电路器件，它具有抑制干扰、简化偏置电路等优点。差分放大器是构成集成运算放大器和集成跨导放大器的基础，也是整个模拟集成电路的基础。
下面结合附图详细介绍现有技术中的一款差分放大器。
参见图1，该图为现有技术中的一种差分放大器示意图。
差分放大器就其功能来说，就是放大两个输入信号之差。即，将两个差分输入端PI和NI输入的信号之差进行放大后输出，两个差分输出端分别是PO和NO。
差分放大器采用对称结构，如图1所示，包括两个电阻，分别是第一电阻R1和第二电阻R2，两个三极管，分别是Q1和Q2；一个尾电流源，现有技术中尾电流源是由晶体管组成，即Q0。需要说明的是，Q0可以为一个晶体管，也可以为m个晶体管并联组成。
Q0的基极连接直流电源。Q1的基极连接第一差分输入端PI，Q2的基极连接第二差分输入端NI。
Q0的发射极接地，集电极连接Q1的发射极和Q2的发射极。
Q1的集电极通过第一电阻R1连接电源，Q2的集电极通过第二电阻R2连接电源。
Q1的集电极作为该差分放大器的第一输出端NO，Q2的集电极作为该差分放大器的第二输出端PO。
在传统差分放大器中，加在Q0的基极的电压VB为直流量，设VB＝V0，则差分放大器尾电流源的电流大小为：
其中，IS为集电极反向饱和电流；VT为热电压。
图1中的VB为一个固定值，并且通常情况下，为了满足晶体管Q0工作于正向放大区，晶体管Q0的基极电压小于集电极电压，因此VB的电压较小，导致了晶体管的集电极电流较小。
因此，传统的差分放大器具有电流较小的缺点。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种互补偏置差分放大器，能够提高差分放大器的输出电流和输出电压。
本发明提供一种互补偏置差分放大器，包括：一对差分输入三极管，分别是第一三极管和第二三极管；一尾电流源，该尾电流源包括一对晶体管，分别是第一晶体管和第二晶体管；一对电容，分别为第一电容和第二电容；
所述第一三极管的集电极通过第一电阻连接电源，所述第二三极管的集电极通过第二电阻连接所述电源；
所述第一三极管的基极连接第一差分输入信号，所述第二三极管的基极连接第二差分输入信号；
所述第一三极管的发射极连接所述第一晶体管的集电极，所述第一晶体管的发射极接地；
所述第二三极管的发射极连接所述第二晶体管的集电极，所述第二晶体管的发射极接地；
所述第一三极管的发射极和第二三极管的发射极相连接；
所述第一晶体管的基极连接直流电压，并通过所述第一电容连接差分放大器的第一差分输出端，所述第一三极管的集电极连接该第一差分输出端；
所述第二晶体管的基极连接所述直流电压，并通过所述第二电容连接差分放大器的第二差分输出端，所述第二三极管的集电极连接该第二差分输出端。
优选地，所述第一三极管的发射区面积和第二三极管的发射区面积相同。
优选地，所述第一晶体管的发射区面积和第二晶体管的发射区面积相同。
优选地，所述第一晶体管和第二晶体管工作于放大区。
优选地，所述第一电容和第二电容的容值相同。
优选地，所述第一晶体管为并联在一起的N个相同的晶体管；所述第二晶体管为并联在一起的N个相同的晶体管。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
本发明提供的互补偏置差分放大器，其中的尾电流源采用互补偏置形式，包括对称的两个晶体管，这两个晶体管不但与差分输出的三极管相连接，而且这两个晶体管的基极同时连接直流电压和差分放大器的输出端。这样该尾电流源不但由直流电压供电，而且由差分输出的交流信号进行供电。因此，同现有技术中的差分放大器相比，本发明提供的互补偏置差分放大器中的尾电流源可以增加该差分放大器的输出电流，进而增加输出电压。
附图说明
图1是现有技术中的一种差分放大器示意图；
图2是本发明提供的互补偏置差分放大器实施例一电路图；
图3是本发明提供的互补偏置差分放大器实施例二电路图。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。
参见图2，该图为本发明提供的互补偏置差分放大器实施例一电路图。
本发明提供一种互补偏置差分放大器，包括：一对差分输入三极管，分别是第一三极管Q1和第二三极管Q2；一尾电流源，该尾电流源包括一对晶体管，分别是第一晶体管Qa和第二晶体管Qb；一对电容，分别为第一电容C1和第二电容C2；
所述第一三极管Q1的集电极通过第一电阻R1连接电源，所述第二三极管Q2的集电极通过第二电阻R2连接所述电源；
所述第一三极管Q1的基极连接第一差分输入信号PI，所述第二三极管Q2的基极连接第二差分输入信号NI；
所述第一三极管Q1的发射极连接所述第一晶体管Qa的集电极，所述第一晶体管Qa的发射极接地；
所述第二三极管Q2的发射极连接所述第二晶体管Qb的集电极，所述第二晶体管Qb的发射极接地；
所述第一三极管Q1的发射极和第二三极管Q2的发射极相连接；
所述第一晶体管Qa的基极连接直流电压VB，并通过所述第一电容C1连接差分放大器的第一差分输出端NO，所述第一三极管Q1的集电极连接该第一差分输出端NO；
所述第二晶体管Qb的基极连接所述直流电压，并通过所述第二电容C2连接差分放大器的第二差分输出端PO，所述第二三极管Q2的集电极连接该第二差分输出端PO。
第一电容C1和第二电容C2的作用是为了隔离差分放大器输出的直流信号，以免对尾电流源工作点的影响。同时使差分放大器输出端的一部分交流信号反馈至尾电流源。
本发明提供的互补偏置差分放大器，其中的尾电流源采用互补偏置形式，包括对称的两个晶体管，这两个晶体管不但与差分输出的三极管相连接，而且这两个晶体管的基极同时连接直流电压和差分放大器的输出端。这样该尾电流源不但由直流电压供电，而且由差分输出的交流信号进行供电。因此，同现有技术中的差分放大器相比，本发明提供的互补偏置差分放大器中的尾电流源可以增加该差分放大器的输出电流，进而增加输出电压。
本发明提供的互补偏置差分放大器，优选地，所述第一三极管Q1的发射区面积和第二三极管Q2的发射区面积相同。
所述第一晶体管Qa的发射区面积和第二晶体管Qb的发射区面积相同。
所述第一晶体管Qa和第二晶体管Qb工作于放大区。
所述第一电容C1和第二电容C2的容值相同。
以上各个器件相同，从而可以保证该差分放大器为对称结构。
需要说明的是，所述第一晶体管和第二晶体管均可以分别由一个晶体管来实现。可以理解的是，所述第一晶体管和第二晶体管也可以分别由多个并联的晶体管来实现，即，所述第一晶体管为并联在一起的N个相同的晶体管；所述第二晶体管为并联在一起的N个相同的晶体管。如图3所示。
参见图3，该图为本发明提供的互补偏置差分放大器实施例二电路图。
所述第一晶体管为并联在一起的N个相同的晶体管；所述第二晶体管为并联在一起的N个相同的晶体管。
如图3所示，Qa由两个晶体管并联组成，Qb由两个晶体管并联组成。即N为2。可以理解的是，N也可以为其他数值，本发明实施例中不具体限定N的具体数值。
为了本领域技术人员能够更好地理解和实施本发明提供的技术方案，下面详细分析本发明提供的互补偏置差分放大器的工作原理。
与公式(1)相同的原理，图2中的第一晶体管Qa的集电极的电流可以表示为：
第二晶体管Qb的集电极的电流可以表示为：
其中，N代表并联的晶体管的个数。则m表示尾电流源中并联的晶体管的总数，与现有技术相比，本发明提供的差分放大器，尾电流源中将m个并联晶体管平分为二，互相对称，形成互补偏置电流源。
IS为集电极反向饱和电流；VT为热电压。VBP表示Qa的基极的电压，包括直流分量和交流分量；VBN表示Qb的基极电压，包括直流分量和交流分量。即Qa和Qb的基极电压除了V0的直流分量外，还有电容(C1和C2)反馈回来的交流分量。
由此，尾电流源的一对晶体管(Qa和Qb)的集电极的总电流为：
设VBP＝V0+A cos(ωt+φ)，VBN＝V0-A cos(ωt+φ)，即在Qa和Qb的基极，除了加一直流分量(V0)外，另外再加一交流分量(A cos(ωt+φ))且Qa和Qb的基极的交流分量方向相反。交流分量由差分放大器输出端口经过电容(C1或C2)产生，并且方向相反。
因此，将VBP＝V0+A cos(ωt+φ)、VBN＝V0-A cos(ωt+φ)和公式(1)带入公式(4)可以得出图2中尾电流源的晶体管集电极的总电流又可表示为：
利用下面的泰勒展开公式(6)：
根据公式(6)，则公式(5)可以表示为：
iC,com＝iC,con·(1+A2cos2(ωt+φ)+A4cos 4(ωt+φ)+...) (7)
从上面的公式可以看出，因此，iC,com＞iC,con。
综上所述，本发明实施例提供的互补偏置差分放大器的输出电流大于现有技术中的差分放大器的输出电流，从而输出电压也大于现有技术中的差分放大器的输出电压。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制。虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。

Claims (5)

1.一种互补偏置差分放大器，其特征在于，包括：一对差分输入三极管，分别是第一三极管和第二三极管；一尾电流源，该尾电流源包括一对晶体管，分别是第一晶体管和第二晶体管；一对电容，分别为第一电容和第二电容；
所述第一三极管的集电极通过第一电阻连接电源，所述第二三极管的集电极通过第二电阻连接所述电源；
所述第一三极管的基极连接第一差分输入信号，所述第二三极管的基极连接第二差分输入信号；
所述第一三极管的发射极连接所述第一晶体管的集电极，所述第一晶体管的发射极接地；
所述第二三极管的发射极连接所述第二晶体管的集电极，所述第二晶体管的发射极接地；
所述第一三极管的发射极和第二三极管的发射极相连接；
所述第一晶体管的基极连接直流电压，并通过所述第一电容连接差分放大器的第一差分输出端，所述第一三极管的集电极连接该第一差分输出端；
所述第二晶体管的基极连接所述直流电压，并通过所述第二电容连接差分放大器的第二差分输出端，所述第二三极管的集电极连接该第二差分输出端。
2.根据权利要求1所述的互补偏置差分放大器，其特征在于，所述第一三极管的发射区面积和第二三极管的发射区面积相同。
3.根据权利要求1所述的互补偏置差分放大器，其特征在于，所述第一晶体管的发射区面积和第二晶体管的发射区面积相同。
4.根据权利要求1所述的互补偏置差分放大器，其特征在于，所述第一电容和第二电容的容值相同。
5.根据权利要求3所述的互补偏置差分放大器，其特征在于，所述第一晶体管为并联在一起的N个相同的晶体管；所述第二晶体管为并联在一起的N个相同的晶体管。
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