CN103036510A - 放大器 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种放大器，该放大器包括电流产生电路、电流镜像电路及放大电路，电流产生电路分别与外部电源及电流镜像电路连接，电流镜像电路分别与外部电源及放大电路连接，放大电路与外部信号输入端及信号输出端连接，且放大电路包括第三场效应管、第四场效应管及两个负载电阻，第三场效应管、第四场效应管均分别和电流镜像电路、外部信号输入端、信号输出端及一个负载电阻连接，且第二场效应管、第三场效应管及第四场效应管具有完全相同的参数特征。本发明的放大器结构简单，而且具有稳定而精确的增益值，其增益不会随温度及工艺角的变化，保证了经放大器放大后信号的稳定性。

Description

放大器

技术领域

本发明涉及集成电路领域，更具体地涉及一种放大器。

背景技术

运算放大器主要是对电信号进行运算与放大，因此在各电子器件中被广泛地应用。众所周知地，运算放大器的内部包括有多个场效应管，而且场效应管的载流子迁移率、阈值电压等参数会随温度及工艺角的变化而不同，这将导致运算放大器的增益也随着发生变化，即运算放大器的增益存在不稳定的隐患。在现有技术中，多采用增加负反馈网络来减小工艺参数对增益的影响，但此种方式需要在电路中添加额外的器件，不仅使整个放大器结构复杂，而且不能完全避免工艺参数对增益的影响。

因此，有必要提供一种结构简单，可以使放大器的增益不受迁移率、阈值电压、温度等工艺参数影响的放大器来克服上述缺陷。

发明内容

本发明的目的是提供一种放大器，所述放大器结构简单，而且具有稳定而精确的增益值，其增益不会随温度及工艺角的变化，保证了经放大器放大后信号的稳定性。

为实现上述目的，本发明提供了一种放大器，该放大器包括电流产生电路、电流镜像电路及放大电路，所述电流产生电路包括第一场效应管、第二场效应管及第一电阻，所述第一场效应管分别与外部电源、所述第二场效应管及所述电流镜像电路连接，所述第一电阻分别与所述外部电源及所述第二场效应管连接，所述第二场效应管还与所述电流镜像电路连接，以将所述电流产生电路产生的电流输入至所述电流镜像电路，所述电流镜像电路还分别与外部电源及所述放大电路连接，所述电流镜像电路将所述电流产生电路输出的电流镜像放大2倍并输入至所述放大电路，所述放大电路与外部信号输入端及信号输出端连接，且所述放大电路包括第三场效应管、第四场效应管及两个负载电阻，所述第三场效应管、第四场效应管均分别和所述电流镜像电路、外部信号输入端、信号输出端及一个负载电阻连接，所述第三场效应管和第四场效应管对外部信号输入端输入的信号进行放大，并通过所述信号输出端输出放大后的信号，且所述第二场效应管、第三场效应管及第四场效应管具有完全相同的参数特征。

较佳地，所述电流镜像电路包括第五场效应管、第六场效应管、第七场效应管、第八场效应管及第九场效应管，所述第七场效应管的源极、所述第八场效应管源极及所述第九场效应管的源极接地，所述第七场效应管的漏极与所述第一场效应管的漏极和栅极连接，所述第八场效应管的栅极和漏极、第七场效应管的栅极及第九场效应管的栅极与所述第二场效应管的漏极连接，所述第九场效应管的漏极与所述第五场效应管的栅极和漏极及第六场效应管的栅极共同连接，所述第五场效应管、所述第六场效应管的源极均与所述外部电源连接，所述第六场效应管的漏极分别与所述第三场效应管的源极及所述第四场效应管的源极连接。

较佳地，所述第七场效应管与第八场效应管具有相同的宽长比，所述第九场效应管的宽长比为所述第八场效应管宽长比的2倍，所述第五场效应管与第六场效应管的宽长比相等。

较佳地，所述第七场效应管与第八场效应管具有相同的宽长比，所述第九场效应管的宽长比与所述第八场效应管宽长比相等，所述第六场效应管的宽长比为所述第五场效应管宽长比的2倍。

较佳地，所述第一场效应管的源极与所述外部电源连接，其栅极和漏极与所述第二场效应管的栅极共同连接，并与所述第七场效应管的漏极连接，所述第一电阻一端与外部电源连接，另一端与第二场效应管的源极连接，所述第二场效应管的漏极与所述第八场效应管的漏极连接。

较佳地，所述第二场效应管的宽长比为所述第一场效应管宽长比的N倍，N为整数，且N≥2。

较佳地，所述第三场效应管和第四场效应管的源极均与所述第六场效应管的漏极连接，所述第三场效应管的栅极与外部信号输入端的正向输入端连接，其漏极与一负载电阻的一端及信号输出端的正向输出端连接，所述第四场效应管的栅极与外部信号输入端的反向输入端连接，其漏极与另一负载电阻及信号输出端的反向输出端连接，且两所述负载电阻的另一端均接地。

与现有技术相比，本发明的所述放大器由于所述电流镜像电路将所述电流产生电路输出的电流镜像为2倍并输入至所述放大电路，且所述第二场效应管与所述放大电路的第三场效应管及第四场效应管具有完全相同的参数特征，使得流过所述第二场效应管、第三场效应管及第四场效应管的电流值完全相同，三个场效应管的跨导也相同，从而由所述第三场效应管或第四场效应管的跨导与其漏极的负载电阻之积而得到的放大电路的增益为一个与场效应管跨导无关的量，因此本发明的放大器的增益是稳定而精的，增益不会随温度及工艺角的变化，保证了经放大器放大后信号的稳定性。

通过以下的描述并结合附图，本发明将变得更加清晰，这些附图用于解释本发明。

附图说明

图1为本发明放大器的结构框图。

图2为本发明放大器的电路原理图。

具体实施方式

现在参考附图描述本发明的实施例，附图中类似的元件标号代表类似的元件。如上所述，本发明提供了一种放大器，所述放大器结构简单，而且具有稳定而精确的增益值，其增益不会随温度及工艺角的变化，保证了经放大器放大后信号的稳定性。

请参考图1，图1为本发明放大器的结构框图。如图所示，本发明的放大器包括电流产生电路、电流镜像电路及放大电路；所述电流产生电路分别与外部电源及电流镜像电路连接，以产生所述放大器正常工作所需的电流，且将产生的电流传送至所述电流镜像电路；所述电流镜像电路分别与外部电源及放大电路连接，所述电流镜像电路将所述电流产生电路产生的电流镜像为相应倍数的电流而输送至所述放大电路，以为所述放大电路提供正常的工作电流；所述放大电路还分别与外部信号输入端及信号输出端连接，所述放大电路对外部信号输入端输入的信号设定要求进行放大，且通过所述信号输出端输出放大后的信号。

具体地，请再结合参考图2，图2为本发明放大器的电路原理图。

所述电流产生电路包括第一场效应管M1、第二场效应管M2及第一电阻R0；所述第一场效应管M1的源极与外部电源VCC连接，其栅极、漏极及所述第二场效应管M2的栅极共同连接，并与所述第电流镜像电路连接；所述第一电阻R0一端与外部电源VCC连接，另一端与所述第二场效应管M2的源极连接，且所述第二场效应管M2的漏极与所述电流镜像电路连接；从而所述第一场效应管M1、第二场效应管M2及第一电阻R0配合通过外部电源VCC提供的电压而产电流I0；另外，在本发明的优选实施例中，所述第二场效应管M2的宽长比为所述第一场效应管M1宽长比的N倍，N为整数，且N≥2，使得

$I0=\frac{\mathrm{Vsg}1-\mathrm{Vsg}2}{R0}=\frac{(\sqrt{N}-1)(\mathrm{Vsg}2-|\mathrm{Vthp}\left|\right)}{R0}---\left(1\right)$

其中Vsg1为第一场效应管M1的源栅电压，Vsg2为第二场效应管M2的源栅电压，Vthp为第二场效应管M2的阈值电压。

又因为第二场效应管M2的跨到gm2为

$\mathrm{gm}2=\frac{2*I0}{\mathrm{Vsg}2-\left|\mathrm{Vthp}\right|}---\left(2\right)$

结合式（1）可得出，

$\mathrm{gm}2=\frac{2*(\sqrt{N}-1)}{R0}---\left(3\right)$

所述电流镜像电路包括第五场效应管M5、第六场效应管M6、第七场效应管M7、第八场效应管M8及第九场效应管M9；所述第七场效应管M7、第八场效应管M8及第九场效应管M9的源极均接地，所述第七场效应管M7的漏极与所述第一场效应管M1的漏极连接，所述第八场效应管M8的栅极、漏极、第七场效应管M7的栅极及第九场效应管M9的栅极共同连接，且所述第八场效应管M8的栅极、漏极与所述第二场效应管M2的漏极连接,从而所述电流产生电路产生的电流I0从所述第八场效应管M8的栅极、漏极输入至所述电流镜像电路；所述第九场效应管M9的漏极与所述第五场效应管M5的栅极、漏极及第六场效应管M6的栅极共同连接，所述第五场效应管M5、第六场效应管M6的源极均与外部电源VCC连接，所述第六场效应管M6的漏极与所述放大电路连接；从而通过所述电流镜像电路，所述第九场效应管M9将所述第八场效应管M8上的电流I0镜像为I1，并使所述第五场效应管M5上的电流也为I1；且所述第六场效应管M6将所述第五场效应管M5上的电流I1镜像为电流I2；其中，电流I0与电流I1的镜像比例由所述第八场效应管M8的宽长比与第九场效应管M9的宽长比的比例确定，相应地，电流I1与电流I2的镜像比例由所述第五场效应管M5的宽长比与第六场效应管M6的宽长比的比例确定，且在本发明中，经过所述电流镜像电路的镜像作用后，其输出电流为输入电流的2倍，即I2=2*I0，且图2中所示箭头为各电流的方向。其中，在本发明的一个实施例中，所述第七场效应管M7与第八场效应管M8具有相同的宽长比，所述第九场效应管M9的宽长比为所述第八场效应管M8宽长比的2倍，从而使得I1=2*I0；且所述第五场效应管M5与第六场效应管M6的宽长比相等，从而I2=I1=2*I0。另外，在本发明的另一个实施例中，所述第七场效应管M7与第八场效应管M8具有相同的宽长比，所述第九场效应管M7的宽长比与所述第八场效应管M8宽长比相等，即I1=2*I0，且所述第六场效应管M6的宽长比为所述第五场效应管M5宽长比的2倍，即I2=2*I1=2*I0。

所述放大电路包括第三场效应管M3、第四场效应管M4及两个负载电阻R1、R2，且所述第二场效应管M2与第三场效应管M3及第四场效应管M4具有完全相同的参数特征；所述第三场效应管M3和第四场效应管M4的源极均与所述第六场效应管M6的漏极连接，从而所述电流镜像电路输出的电流I2通过所述第三场效应管M3和第四场效应管M4的源极而输入至所述放大电路；第三场效应管M3的栅极与外部信号输入端的正向输入端VIN连接，通过所述正向输入端VIN将外部正向信号输入至所述第三场效应管M3进行放大，所述第三场效应管M3漏极与负载电阻R1的一端及信号输出端的正向输出端VOUTN连接，从而经所述第三场效应管M3放大后的正向信号通过所述正向输出端VOUTN输出，所述负载电阻R1的另一端接地；第四场效应管M4的栅极与外部信号输入端的反向输入端VIP连接，通过所述反向输入端VIP将外部反向信号输入至所述第四场效应管M4进行放大，所述第四场效应管M4漏极与负载电阻R2的一端及信号输出端的反向输出端VOUTP连接，从而经所述第四场效应管M4放大后的反向信号通过所述反向输出端VOUTP输出，所述负载电阻R2的另一端接地。在本发明的优选实施方式中，由于所述第二场效应管M2与第三场效应管M3及第四场效应管M4具有完全相同的参数特征，所述第三场效应管M3和第四场效应管M4，从而所述电流I2将平分地输入第三场效应管M3及第四场效应管M4，使得所述第三场效应管M3及第四场效应管M4上流过电流值相等，且与所述第二场效应管M2上流经的电流相等，即与I0相等，也即所述第三场效应管M3的跨导gm3与第四场效应管M4的跨导gm4与第二场效应管M2的跨导gm2相等，gm2=gm3=gm4；从而结合上述（1）至（3）式可得出所述放大电路的增益A为

$A=\mathrm{gm}3*R1=\mathrm{gm}4*R2=\mathrm{gm}2*\mathrm{RL}=2*(\sqrt{N}-1)\frac{\mathrm{RL}}{R0}---\left(4\right)$

其中，RL为负载电阻R1、R2的电阻值。

由（4）式可见，本发明放大器的增益与N，RL与R0的比值相关，其中N是一个与温度及工艺角的变化无关的常量；而负载电阻R1、R2及第一电阻R0的阻值虽会随温度及工艺角的变化而发生变化，但RL与R0的比值不会随温度及工艺角变化，且电阻的比值通常很精确；所以本发明的放大器的增益A是一个与工艺无关的值，其增益不会随温度及工艺角的变化，保证了经放大器放大后信号的稳定性。

以上结合最佳实施例对本发明进行了描述，但本发明并不局限于以上揭示的实施例，而应当涵盖各种根据本发明的本质进行的修改、等效组合。

Claims (7)

1.一种放大器，其特征在于，包括电流产生电路、电流镜像电路及放大电路，所述电流产生电路包括第一场效应管、第二场效应管及第一电阻，所述第一场效应管分别与外部电源、所述第二场效应管及所述电流镜像电路连接，所述第一电阻分别与所述外部电源及所述第二场效应管连接，所述第二场效应管还与所述电流镜像电路连接，以将所述电流产生电路产生的电流输入至所述电流镜像电路，所述电流镜像电路还分别与外部电源及所述放大电路连接，所述电流镜像电路将所述电流产生电路输出的电流镜像放大2倍并输入至所述放大电路，所述放大电路与外部信号输入端及信号输出端连接，且所述放大电路包括第三场效应管、第四场效应管及两个负载电阻，所述第三场效应管、第四场效应管均分别和所述电流镜像电路、外部信号输入端、信号输出端及一个负载电阻连接，所述第三场效应管和第四场效应管对外部信号输入端输入的信号进行放大，并通过所述信号输出端输出放大后的信号，且所述第二场效应管、第三场效应管及第四场效应管具有完全相同的参数特征。

2.如权利要求1所述的放大器，其特征在于，所述电流镜像电路包括第五场效应管、第六场效应管、第七场效应管、第八场效应管及第九场效应管，所述第七场效应管的源极、所述第八场效应管源极及所述第九场效应管的源极接地，所述第七场效应管的漏极与所述第一场效应管的漏极和栅极连接，所述第八场效应管的栅极和漏极、第七场效应管的栅极及第九场效应管的栅极与所述第二场效应管的漏极连接，所述第九场效应管的漏极与所述第五场效应管的栅极和漏极及第六场效应管的栅极共同连接，所述第五场效应管、所述第六场效应管的源极均与所述外部电源连接，所述第六场效应管的漏极分别与所述第三场效应管的源极及所述第四场效应管的源极连接。

3.如权利要求2所述的放大器，其特征在于，所述第七场效应管与第八场效应管具有相同的宽长比，所述第九场效应管的宽长比为所述第八场效应管宽长比的2倍，所述第五场效应管与第六场效应管的宽长比相等。

4.如权利要求2所述的放大器，其特征在于，所述第七场效应管与第八场效应管具有相同的宽长比，所述第九场效应管的宽长比与所述第八场效应管宽长比相等，所述第六场效应管的宽长比为所述第五场效应管宽长比的2倍。

5.如权利要求2所述的放大器，其特征在于，所述第一场效应管的源极与所述外部电源连接，其栅极和漏极与所述第二场效应管的栅极共同连接，并与所述第七场效应管的漏极连接，所述第一电阻一端与外部电源连接，另一端与第二场效应管的源极连接，所述第二场效应管的漏极与所述第八场效应管的漏极连接。

6.如权利要求5所述的放大器，其特征在于，所述第二场效应管的宽长比为所述第一场效应管宽长比的N倍，N为整数，且N≥2。

7.如权利要求2所述的放大器，其特征在于，所述第三场效应管和第四场效应管的源极均与所述第六场效应管的漏极连接，所述第三场效应管的栅极与外部信号输入端的正向输入端连接，其漏极与一负载电阻的一端及信号输出端的正向输出端连接，所述第四场效应管的栅极与外部信号输入端的反向输入端连接，其漏极与另一负载电阻及信号输出端的反向输出端连接，且两所述负载电阻的另一端均接地。

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