CN103414441A - 输出共模电压稳定的开环放大器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种输出共模电压稳定的开环放大器，它包括一个主放大器单元和一个辅助放大器单元。与常规的输出共模电压稳定的负反馈放大器相比，本发明电路的主放大器在开环结构下差分输出共模电压稳定；主放大器差分输出端未采用共模反馈电路，减小了输出负载，提高了放大器的工作转换速度，在主放大器的动态指标SFDR超过70dB的情况下，模拟输入信号频率可以超过1GHz。本发明电路应用于动态性能要求较高的低压CMOS工艺电路中的超高速采样/保持电路领域。

Description

输出共模电压稳定的开环放大器

技术领域

本发明涉及一种输出共模电压稳定的开环放大器，特别涉及一种在开环状态下输出共模电压稳定的放大器。它直接应用的领域是集成电路中对动态性能要求较高的低压CMOS工艺电路中的超高速采样/保持电路领域。

背景技术

目前，随着A/D转换器采样速率突破GSPS数量级，要求前端的采样/保持电路的工作频率也随之提升，不仅要求采样速率超过GSPS，同时要保证动态性能达到ADC要求，这就为采样/保持电路中放大器提出更高要求。

常规的输出共模电压稳定的负反馈放大器如图1所示。此负反馈放大器中，NMOS管M1、M2、M3、M4、M5与电阻R1、R2、R3、R4一起构成增益为“1”左右的差分放大器，电容C1、C2与运算放大器Amp1一起构成输出共模反馈控制电路；差分输入信号Vin+、Vin-经过增益为“1”差分放大器后得到差分输出信号Vo-、Vo+，而Vo-、Vo+的共模电压跟随Amp1正输入端电压Vcom的变化。常规的输出共模电压稳定的负反馈放大器的输出共模电压稳定，但也存在转换速度不高的问题：由于电容C1、C2的存在，加大了差分输出端的负载电容，会影响放大器的转换速度，特别在输入信号频率超过1GHz情况下，严重影响了差分输出信号的线性度，它很难应用在转换速度较高的采样/保持电路中。

发明内容

为克服上述常规输出共模电压稳定的负反馈放大器工作转换速度不高的问题，本发明提出了一种输出共模电压稳定的开环放大器，既能良好地控制放大器的输出共模电压，又不影响放大器的工作转换速度。

为实现上述目的，本发明解决上述技术问题所采取的技术方案，它含有：

一个主放大器单元，包括：

NMOS晶体管M₁～M₅和电阻R₁～R₄，其中，M₁的栅极接主放大器单元的正输入端V_in+，M₁的漏极与R₃的一端相接，并一起连接到负输出端V_o-，M₁的源极与R₁的一端相接，M₂的栅极接主放大器单元的负输入端V_in-，M₂的漏极与R₄的一端相接，并一起连接到正输出端V_o+，M₂的源极与R₂的一端相接，M₃的栅极接偏置电压V_bias2，M₃的漏极接电源V_cc，M₃的源极与R₃的另一端相接，M₄的栅极接偏置电压V_bias2，M₄的漏极接电源V_cc，M₄的源极与R₄的另一端相接，M₅的栅极接偏置电压V_bias1，M₅的漏极与R₁和R₂的另一端连接在一起，M₅的源极接地；

一个辅助放大器单元，包括：

NMOS晶体管m₁～m₅、电阻r₁～r₄和运算放大器Amp₁，其中，m₁的栅极、漏极接在一起，并与m₂的栅极、m2的漏极、r3的一端、r4的一端、Amp₁的负输入端相接，m₁的源级与r₁的一端相接，m₂的源级与r₂的一端相接，m₃的栅极接偏置电压V_bias2，m₃的漏极接电源V_cc，m₃的源极与r₃的另一端相接，m₄的栅极接偏置电压V_bias2，m₄的漏极接电源V_cc，m₄的源极与r₄的另一端相接，m₅的栅极接偏置电压V_bias1，m₅的漏极与电阻r₁、r₂的另一端连接在一起，m₅的源极接地，Amp₁的正输入端接共模电压V_com，Amp₁的输出端接偏置电压V_bias2。

有益效果：

本发明的一种工作速度较高的输出共模电压稳定的开环放大器，包括一个主放大器单元和一个辅助放大器单元，与常规的输出共模电压稳定的负反馈放大器相比，它具有以下特点：

1）由于在辅助放大器单元中采用了负反馈结构，且辅助放大器单元与主放大器单元结构相同，对应管子尺寸镜像，因此本发明的放大器在开环状态下输出共模电压是稳定的；

2）本发明电路中，由于主放大器单元的差分输出端不接共模反馈电路，减少了负载，提高了主放大器的工作转换速度，在主放大器的动态指标SFDR超过70dB的情况下，模拟输入信号频率可以超过1GHz。

附图说明

图1是常规的输出共模电压稳定的负反馈放大器的电路图；

图2是本发明的工作速度较高的输出共模电压稳定的开环放大器的电路图。

具体实施方式

本发明的具体实施方式不仅限于下面的描述，现结合附图加以进一步说明。

本发明具体实施的工作速度较高的输出共模电压稳定的开环放大器的电路图如图2所示。它由一个主放大器单元和一个辅助放大器单元组成。

主放大器单元包括：NMOS管M₁～M₅和电阻R₁～R₄，此单元作为主放大器电路，输入信号经放大后输出。辅助放大器单元包括：NMOS管m₁～m₅、电阻r₁～r₄和运算放大器Amp₁，此单元作为辅助放大器电路，为主放大器单元中的负载管M₃和M₄的栅极提供偏置电压V_bias2，此偏置电压由辅助放大器单元与运算放大器Amp1构成的负反馈环路产生，使Amp₁的负输入端电压跟随正输入端电压V_com变化，由于辅助放大器单元完全镜像主放大器单元，辅助放大器单元的NMOS管尺寸为对应主放大器单元的NMOS管尺寸的5%～10%，相应辅助放大器单元的电阻值为对应主放大器单元的电阻值的20～10倍（假定NMOS尺寸的镜像比例为X，电阻值的镜像比例为Y，那么X*Y=1）。

图2中的具体连接关系、作用关系与本说明书的发明内容部分相同，此处不再重复。它的工作原理如下：

运算放大器Amp₁与辅助放大器单元中的m₃、r₃（m₄、r₄）构成一个负反馈环路，由于m₃作为射随管，几乎没放大作用，因此负反馈环路的增益基本等于Amp₁的增益，那么a点电压为：

$\mathrm{Va}=\frac{A}{1+A}\mathrm{Vcom}---\left(1\right)$

在（1）式中，A为Amp₁的直流增益，当A＞1000时，Va≈Vcom。

辅助放大器单元电路在结构上与主放大器单元电路基本一致，其NMOS管尺寸关系为：

$\frac{W_{m1}}{W_{M1}}=\frac{W_{m3}}{W_{M3}}=\frac{W_{m5}}{W_{M5}}=X---\left(2\right)$

式（2）中的比值X一般为5%～10%，其中，W为NMOS管的等效栅极宽度，M₁～M₅、m₁～m₅的栅极长度相同，m₁和m₂的栅极宽度相同，m₃和m₄的栅极宽度相同，M₁和M₂的栅极宽度相同，M₃和M₄的宽度尺寸相同。

主放大器单元与辅助放大器单元电阻的阻值关系为：

$\frac{r_{r1}}{r_{R1}}=\frac{r_{r3}}{r_{R3}}=Y---\left(3\right)$

式（3）中的比值Y一般为10～20，其中r₁和r₂的阻值相同，r₃和r₄的阻值相同，R₁和R₂的阻值相同，R₃和R₄的阻值相同。

辅助放大器单元电路在结构上与主放大器单元电路基本一致，且电路工作点相同，且X、Y关系为：

X*Y=1  （4）

因此，主放大器单元电路与辅助放大器单元电路在差分输入相同的状态下对应部位的电压是一样的，也就是V_o+=V_o-=V_a，而主放大器的差分输出共模电压V_o为：

$\mathrm{Vo}=\frac{(\mathrm{Vo}+)+(\mathrm{Vo}-)}{2}---\left(5\right)$

因此，主放大器的差分输出共模电压V_o就等于辅助放大器中的V_a，而V_a=V_com，那么V_o=V_com，也就是主放大器的差分输出共模电压等于外围输入共模电压，而外围输入共模电压一般为基准输出电压，不随温度变化，所以主放大器的差分输出共模电压不随温度变化，此时主放大器完全处于开环状态，因此本发明的开环放大器的输出共模电压是稳定的。

本发明输出共模电压稳定的开环放大器中的主放大器采用开环结构，在差分输出端不接共模反馈电路，因此减少了负载，提高了放大器的工作转换速度，在放大器的动态指标SFDR超过70dB的情况下，模拟输入信号频率可以超过1GHz。

本发明电路使用性广，可以应用于所有的采用0.18μm CMOS工艺的电路中，所以管子尺寸在此不加以说明。

Claims (1)

1.一种输出共模电压稳定的开环放大器，其特征在于包括：

一个主放大器单元，包括：

NMOS晶体管M₁～M₅和电阻R₁～R₄，其中，M₁的栅极接主放大器单元的正输入端V_in+，M₁的漏极与R₃的一端相接，并一起连接到负输出端V_o-，M₁的源极与R₁的一端相接，M₂的栅极接主放大器单元的负输入端V_in-，M₂的漏极与R₄的一端相接，并一起连接到正输出端V_o+，M₂的源极与R₂的一端相接，M₃的栅极接偏置电压V_bias2，M₃的漏极接电源V_cc，M₃的源极与R₃的另一端相接，M₄的栅极接偏置电压V_bias2，M₄的漏极接电源V_cc，M₄的源极与R₄的另一端相接，M₅的栅极接偏置电压V_bias1，M₅的漏极与R₁和R₂的另一端连接在一起，M₅的源极接地；

一个辅助放大器单元，包括：

NMOS晶体管m₁～m₅、电阻r₁～r₄和运算放大器Amp₁，其中，m₁的栅极、漏极接在一起，并与m₂的栅极、m2的漏极、r3的一端、r4的一端、Amp₁的负输入端相接，m₁的源级与r₁的一端相接，m₂的源级与r₂的一端相接，m₃的栅极接偏置电压V_bias2，m₃的漏极接电源V_cc，m₃的源极与r₃的另一端相接，m₄的栅极接偏置电压V_bias2，m₄的漏极接电源V_cc，m₄的源极与r₄的另一端相接，m₅的栅极接偏置电压V_bias1，m₅的漏极与电阻r₁、r₂的另一端连接在一起，m₅的源极接地，Amp₁的正输入端接共模电压V_com，Amp₁的输出端接偏置电压V_bias2。

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