CN103338015A - 一种提高增益的放大器及其设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种提高增益的放大器及其设计方法，该放大器结构由一个基本的差分对结构改进而成，在此基础上增加了两个负阻单元，其中第一个负阻单元加在主放大管的源极，用来增大主放大管的跨导，第二个负阻单元和负载管并联，用来增大输出电阻，通过增大跨导和输出电阻的方法，提高电路的增益。本发明通过匹配负阻单元与原MOS管的尺寸，可以使得放大器的增益提高一个确定的倍数。本发明提高了增益，具有结构简单，增益可精确控制的特点。经过验证，通过匹配晶体管的尺寸，可以提高电路增益10倍以上。

Description

一种提高增益的放大器及其设计方法

技术领域

本发明涉及无线通信技术领域，特别涉及一种提高增益的放大器及其设计方法。

背景技术

在无线通信系统和光纤通信系统的接收端常常需要对接收到的微弱信号进行小信号放大，光接收端的主放大器电路和无线接收机的中频放大器往往需要高达50～60dB的增益，因此提高单级电路的增益、减小总电路的级数，成为研究的重点。随着工艺的进步和电源的不断降低，单级电路的增益往往小于10dB，因此如何在低电源电压的情况下，提高电路的增益已经成为电路设计的迫切需求。而本发明能够解决上述问题。

发明内容

本发明目的为一种提高增益的放大器及其设计方法，该放大器是由一个基本的差分对结构改进而成，在此基础上增加了两个负阻单元，其中第一个负阻单元加在主放大管的源极，用来增大主放大管的跨导，第二个负阻单元和负载管并联，用来增大输出电阻。通过增大跨导和输出电阻的方法，提高电路的增益。本发明通过匹配负阻单元与原MOS管的尺寸，可以使得放大器的增益提高一个确定的倍数。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

该提高增益的放大器电路的连接方法是：

本发明提供一种提高增益的放大器设计方法，所述方法的主放大管为M1、M1n，M1的漏端连接到M3的栅端、M3的漏端、M4的漏端、M4n的栅端和输出端Vout+，M1的栅端连接到Vin+，M1的源端连接到M2的漏端和M2n的栅端；差分的主放大管M1n的漏端连接到M3n的栅端、M3n的漏端、M4n的漏端、M4的栅端和输出端Vout-，M1n的栅端连接到Vin-，M1n的源端连接到M2n的漏端和M2的栅端；

M2和M2n构成了第一个负阻单元，M2的漏端连接到M2n的栅端和M1的源端，M2的栅端连接到M2n的漏端和M1n的源端，M2的源端连接到M5的漏端；对应的差分管M2n的漏端连接到M2的栅端和M1n的源端，M2n的栅端连接到M2的漏端和M1的源端，M2n的源端连接到M5的漏端；

负载管M3的漏端接M3的栅端、M4的漏端、M4n的栅端，M1的漏端和Vout+，M3的栅端和漏端的接法同样，M3的源端接电源VDD；差分的负载管M3n的漏端接M3n的栅端、M4n的漏端、M4的栅端，M1n的漏端和Vout-，M3n的栅端和漏端的接法同样，M3n的源端接电源VDD；

M4和M4n构成了第二个负阻单元，M4的漏端连接到M3的栅端、M3的漏端、M4n的栅端和Vout+，M4的栅端连接到M4n的漏端、M3n的漏端和栅端、M1n的漏端和Vout-，M4的源端接VDD；对应的差分管M4n的漏端连接到M3n的栅端、M3n的漏端、M4的栅端和Vout-，M4n的栅端连接到M4的漏端、M3的漏端和栅端、M1的漏端和Vout+，M4n的源端接VDD；

尾电流源M5的漏端接M2和M2n的源端，M5的栅端接偏置电压Vbias，M5的源端接地。

该提高增益放大器的工作原理是：

普通的有源负载形式的差分放大器电路是由附图1中的M1、M3和M5晶体管构成，电路增益的表达式为：

$A_v=g_{m1}\·R_L=\frac{g_{m1}}{g_{m3}}$

其中g_m1为M1管的跨导，R_L为M3管的输出电阻。

本发明在主放管M1和M1n的源端加上了M2和M2n构成的负阻单元，负阻单元对主放管构成了反馈，且负阻单元的阻抗为-1/g_m2，放大器的跨导变为：

$g_m=\frac{g_{m1}}{1+g_{m1}\·(-\frac{1}{g_{m2}})}=\frac{g_{m1}}{1-\frac{g_{m1}}{g_{m2}}}---\left(1\right)$

本发明还在负载管M3和M3n的源端加上了M4和M4n构成的负阻单元，这样总的负载电阻R_L变为：

$R_L=\frac{1}{g_{m3}-g_{m4}}---\left(2\right)$

则本发明的放大器电路的增益为：

$A_v=\frac{g_{m1}}{1-\frac{g_{m1}}{g_{m2}}}\·\frac{1}{g_{m3}-g_{m4}}---\left(3\right)$

由于M1管和M2管流过的直流电流相等，如果M2管的宽长比是M1管的p²倍(p>1)，则g_m2=p×g_m1，或g_m1=(1/p)g_m2；由于M4管和M3管的V_GS相等，如果M4的宽长比是M3的q倍(q<1)，则g_m4=q×g_m3，则本发明的放大器电路的增益为：

$A_v=\frac{g_{m1}}{1-\frac{g_{m1}}{g_{m2}}}\&CenterDot;\frac{1}{g_{m3}-g_{m4}}=\frac{1}{(1-\frac{1}{p})(1-q)}\&CenterDot;\frac{g_{m1}}{g_{m3}}---\left(4\right)$

当M2管的宽长比是M1管的2倍，

，则1-(1/p)=0.3；当M4管的宽长比是M3管的0.7倍，q=0.7，则

，放大器的增益约提高了10倍。

有益效果：

A)本发明的放大器电路可以提高电路的增益。

B）本发明通过匹配负阻单元与原MOS管的尺寸，可以使得放大器的增益提高一个确定的倍数。

C）本发明放大器电路具有结构简单，易于调节的特点。

D）本发明精确提高增益放大器电路，经过验证，通过匹配晶体管尺寸，就可以提高电路增益10倍以上。

附图说明：

图1是本发明提高增益的放大器设计流程图。

图2是本发明提高增益的放大器结构示意图。

具体实现方式：

下面结合说明书附图对本技术方案作进一步说明。

如图1所示，一种提高增益的放大器电路设计方法，通过改进一个基本的差分对结构来获得高的增益。在差分对基础上增加了两个负阻单元，其中第一个负阻单元加在主放大管的源极，用来增大主放大管的跨导，第二个负阻单元和负载管并联，用来增大输出电阻，通过增大跨导和输出电阻的方法，提高电路的增益。该方案中，通过匹配负阻单元与原MOS管的尺寸，可以使得放大器的增益提高一个确定的倍数。该方案相比于其他的提高增益技术，具有结构简单，增益可精确控制的特点。该精确提高增益放大器电路，经过验证，通过匹配晶体管的尺寸，就可以提高电路增益10倍以上。

该提高增益的放大器电路的连接方法是：

主放大管为M1、M1n，M1的漏端连接到M3的栅端、M3的漏端、M4的漏端、M4n的栅端和输出端Vout+，M1的栅端连接到Vin+，M1的源端连接到M2的漏端和M2n的栅端；差分的主放大管M1n的漏端连接到M3n的栅端、M3n的漏端、M4n的漏端、M4的栅端和输出端Vout-，M1n的栅端连接到Vin-，M1n的源端连接到M2n的漏端和M2的栅端；

M2和M2n构成了第一个负阻单元，M2的漏端连接到M2n的栅端和M1的源端，M2的栅端连接到M2n的漏端和M1n的源端，M2的源端连接到M5的漏端；对应的差分管M2n的漏端连接到M2的栅端和M1n的源端，M2n的栅端连接到M2的漏端和M1的源端，M2n的源端连接到M5的漏端；

负载管M3的漏端接M3的栅端、M4的漏端、M4n的栅端，M1的漏端和Vout+，M3的栅端和漏端的接法同样，M3的源端接电源VDD；差分的负载管M3n的漏端接M3n的栅端、M4n的漏端、M4的栅端，M1n的漏端和Vout-，M3n的栅端和漏端的接法同样，M3n的源端接电源VDD；

M4和M4n构成了第二个负阻单元，M4的漏端连接到M3的栅端、M3的漏端、M4n的栅端和Vout+，M4的栅端连接到M4n的漏端、M3n的漏端和栅端、M1n的漏端和Vout-，M4的源端接VDD；对应的差分管M4n的漏端连接到M3n的栅端、M3n的漏端、M4的栅端和Vout-，M4n的栅端连接到M4的漏端、M3的漏端和栅端、M1的漏端和Vout+，M4n的源端接VDD；

尾电流源M5的漏端接M2和M2n的源端，M5的栅端接偏置电压Vbias，M5的源端接地。

如图2所示，本发明的放大器是由一个基本的差分对结构改进而成，在此基础上增加了两个负阻单元，其中第一个负阻单元加在主放大管的源极，用来增大主放大管的跨导，第二个负阻单元和负载管并联，用来增大输出电阻。通过增大跨导和输出电阻的方法，提高电路的增益。本发明通过匹配负阻单元与原MOS管的尺寸，可以使得放大器的增益提高一个确定的倍数。

本发明技术方案具有高增益、低功耗和结构简单的特点，经过验证，通过匹配晶体管的尺寸，就可以提高电路增益10倍以上。该精确提高增益的放大器电路可以应用于无线通信和光纤通信系统中，构成无线通信系统中的中频放大器和光纤通信系统中的主放大器，提高单级电路的增益、减小总电路的级数，实现高达50～60dB的增益。

Claims (3)

1.一种提高增益的放大器设计方法，其特征在于，所述方法为：

主放大管为M1、M1n，M1的漏端连接到M3的栅端、M3的漏端、M4的漏端、M4n的栅端和输出端Vout+，M1的栅端连接到Vin+，M1的源端连接到M2的漏端和M2n的栅端；差分的主放大管M1n的漏端连接到M3n的栅端、M3n的漏端、M4n的漏端、M4的栅端和输出端Vout-，M1n的栅端连接到Vin-，M1n的源端连接到M2n的漏端和M2的栅端；

M2和M2n构成了第一个负阻单元，M2的漏端连接到M2n的栅端和M1的源端，M2的栅端连接到M2n的漏端和M1n的源端，M2的源端连接到M5的漏端；对应的差分管M2n的漏端连接到M2的栅端和M1n的源端，M2n的栅端连接到M2的漏端和M1的源端，M2n的源端连接到M5的漏端；

负载管M3的漏端接M3的栅端、M4的漏端、M4n的栅端，M1的漏端和Vout+，M3的栅端和漏端的接法同样，M3的源端接电源VDD；差分的负载管M3n的漏端接M3n的栅端、M4n的漏端、M4的栅端，M1n的漏端和Vout-，M3n的栅端和漏端的接法同样，M3n的源端接电源VDD；

M4和M4n构成了第二个负阻单元，M4的漏端连接到M3的栅端、M3的漏端、M4n的栅端和Vout+，M4的栅端连接到M4n的漏端、M3n的漏端和栅端、M1n的漏端和Vout-，M4的源端接VDD；对应的差分管M4n的漏端连接到M3n的栅端、M3n的漏端、M4的栅端和Vout-，M4n的栅端连接到M4的漏端、M3的漏端和栅端、M1的漏端和Vout+，M4n的源端接VDD；

尾电流源M5的漏端接M2和M2n的源端，M5的栅端接偏置电压Vbias，M5的源端接地。

2.根据权利要求1所述的一种提高增益的放大器设计方法，其特征在于：

所述方法增加了两个负阻单元，其中第一个负阻单元加在主放大管的源极；第二个负阻单元和负载管并联。

3.一种提高增益的放大器，其特征在于：所述结构采用全差分的结构，由一个基本的差分对结构改进而成，在此基础上增加了两个负阻单元；其中第一个负阻单元加在主放大管的源极，增大主放大管的跨导；第二个负阻单元和负载管并联，增大输出电阻,匹配负阻单元与原MOS管的尺寸。

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