CN103441737B - 跨阻前置放大器电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种跨阻前置放大器电路，用于解决现有前置放大器电路输出电压摆幅小的技术问题。技术方案是包括RGC跨阻放大器、增益调节电路、积分器和NMOS晶体管MN9。RGC跨阻放大器的输出电流通过二极管连接的PMOS晶体管MP5转换成电压信号，PMOS晶体管MP5与增益调节电路中的PMOS管MP61～MP66构成电流镜调节流入积分器的偏置电流。所述NMOS晶体管MN9与NMOS晶体管MN4构成电流镜结构，设定NMOS晶体管MN9和NMOS晶体管MN4的宽长比，使增益调节电路输出电流中直流偏置电流减小，输出电流再经过NMOS晶体管MN8和NMOS晶体管MN7构成的电流镜放大使得偏置电流满足积分器输出电压偏置的要求，小信号被再次放大，增大了输出电压摆幅。

Description

跨阻前置放大器电路

技术领域

本发明涉及一种前置放大器电路，特别是涉及一种跨阻前置放大器电路。

背景技术

在半导体辐射探测器系统中，电流模式的前端读出电路被普遍采用。

参照图1。文献“高武.正电子发射断层成像系统前端读出芯片设计技术研究，西安：西北工业大学博士论文，2011”公开了一种前置放大器，该电路由RGC跨阻放大器、增益调节电路以及积分器构成。RGC跨阻放大器的输出电流通过二极管连接的PMOS晶体管MP5转换成电压信号，PMOS晶体管MP5与增益调节电路中的PMOS管MP61～MP66构成电流镜来调节流入积分器的偏置电流。为了保证NMOS晶体管MN7不工作在线性区，实现电流镜的精确电流复制功能，积分器允许流过的偏置电流较小。为了读出探测器的微弱小信号，要求RGC跨阻放大器具备高带宽和低输入阻抗，要求其偏置电流较大。由于电流镜处理信号时，放大小信号电流的同时也同比例放大偏置电流，经过积分器后电压摆幅很小，不利于后续的数字化处理。

文献所公开中的RGC跨阻放大器增益为：

$\mathrm{Av}=\frac{{\∂I}_{\mathrm{out}}}{{\∂I}_{\mathrm{in}}}=-\frac{g_{m1}(1+g_{m2}{R}_1)r_{\mathrm{ds}1}{r}_{\mathrm{ds}3}}{{1/g}_{m5}+r_{\mathrm{ds}1}{+g}_{m1}(1+g_{m2}{R}_1)r_{\mathrm{ds}1}{r}_{\mathrm{ds}3}}\≈-1$

式中，g_m1，g_r2，g_m5分别是NMOS晶体管MN1，NMOS晶体管MN2，PMOS晶体管MP5的跨导。r_ds1，r_ds3分别是NMOS晶体管MN1，NMOS晶体管MN3的等效电阻。如果I_out＝I_adj，则NMOS晶体管MN7管的漏电流

$I_{D7}=I_{\mathrm{out}}\frac{{(W/L)}_7}{{(W/L)}_8}$

RGC跨阻放大器输出到积分器传输函数为：

$\frac{{\∂V}_{\mathrm{shpr}}}{{\∂I}_{\mathrm{out}}}=\frac{{(W/L)}_7}{{(W/L)}_8}\frac{R_2}{(1+R_2{C}_{2}s)}$

RGC跨阻放大器增益约为-1，故R₂C₂确定后，输出电压摆幅主要由决定。积分器电路中电阻和电容根据实际情况设定合理参数，如果I_D7为20uA，I_out约为200uA，那么则前置放大器的输出V_shpr摆幅很小，导致文献所公开中的电路无法满足下一级成形器的输入要求。

发明内容

为了克服现有前置放大器电路输出电压摆幅小的不足，本发明提供一种跨阻前置放大器电路。该电路在背景技术前置放大器电路的基础上，增加了NMOS晶体管MN9。NMOS晶体管MN9与NMOS晶体管MN4构成电流镜结构，通过设定两个NMOS晶体管的宽长比，可使增益调节电路输出电流中直流偏置电流减小而不影响其小信号。直流偏置电流被减小了，而小信号不变，则等效于小信号被放大，而直流偏置电流并未同比例放大。此时的输出电流再经过NMOS晶体管MN8和NMOS晶体管MN7构成的电流镜放大使得偏置电流满足积分器输出电压偏置的要求，小信号被再次放大，输出电压摆幅进一步得到改善。可以增大前置放大器电路输出电压的摆幅。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种跨阻前置放大器电路，包括RGC跨阻放大器、增益调节电路和积分器。RGC跨阻放大器的输出电流通过二极管连接的PMOS晶体管MP5转换成电压信号，PMOS晶体管MP5与增益调节电路中的PMOS管MP61～MP66构成电流镜来调节流入积分器的偏置电流，其特点是还包括NMOS晶体管MN9。所述NMOS晶体管MN9与NMOS晶体管MN4构成电流镜结构，设定NMOS晶体管MN9和NMOS晶体管MN4的宽长比，使增益调节电路输出电流中直流偏置电流减小，输出电流再经过NMOS晶体管MN8和NMOS晶体管MN7构成的电流镜放大使得偏置电流满足积分器输出电压偏置的要求，小信号被再次放大。

本发明的有益效果是：该电路在背景技术前置放大器电路的基础上，增加了NMOS晶体管MN9。NMOS晶体管MN9与NMOS晶体管MN4构成电流镜结构，通过设定两个NMOS晶体管的宽长比，可使增益调节电路输出电流中直流偏置电流减小而不影响其小信号。直流偏置电流被减小了，而小信号不变，则等效于小信号被放大，而直流偏置电流并未同比例放大。此时的输出电流再经过NMOS晶体管MN8和NMOS晶体管MN7构成的电流镜放大使得偏置电流满足积分器输出电压偏置的要求，小信号被再次放大，输出电压摆幅进一步得到改善。增大了前置放大器电路输出电压的摆幅。经测试，在同样的偏置电流200uA和输入信号4uA，积分器要求偏置电流为20uA的情况下，背景技术前置放大器电路的小信号放大倍数为1/10，而本发明跨阻前置放大器电路由于旁路掉190uA直流偏置电流，再通过NMOS晶体管MN7放大2倍满足积分器要求，前置放大器的小信号放大倍数为2，相比于背景技术前置放大器电路，本发明跨阻前置放大器电路放大倍数是其20倍，极大改善了其输出特性。

下面结合附图和实施例对本发明作详细说明。

附图说明

图1是背景技术前置放大器电路的电路图。

图2是本发明跨阻前置放大器电路的电路图。

图3是本发明跨阻前置放大器电路与背景技术前置放大器电路的输出结果比较曲线。

具体实施方式

参照图2。本发明跨阻前置放大器电路包括RGC跨阻放大器、增益调节电路和积分器。RGC跨阻放大器的输出电流通过二极管连接的PMOS晶体管MP5转换成电压信号，PMOS晶体管MP5与增益调节电路中的PMOS管MP61～MP66构成电流镜来调节流入积分器的偏置电流。还包括NMOS晶体管MN9。所述NMOS晶体管MN9与NMOS晶体管MN4构成电流镜结构，设定NMOS晶体管MN9和NMOS晶体管MN4的宽长比，使增益调节电路输出电流中直流偏置电流减小，输出电流再经过NMOS晶体管MN8和NMOS晶体管MN7构成的电流镜放大使得偏置电流满足积分器输出电压偏置的要求，小信号被再次放大。

本发明的跨阻放大器电路采用与背景技术相同结构，增加NMOS管MN9，用做电流旁路，将PMOS晶体管MP6的大部分直流偏置电流旁路到地端。这里NMOS晶体管MN9与NMOS晶体管MN4构成电流镜，通过调节两管宽长比的比值来控制NMOS晶体管MN9的电流大小。以i_DS6、i_DS9、i_DS8分别表示PMOS晶体管MP6、NMOS晶体管MN9、NMOS晶体管MN8管的漏源电流，i_ds6、i_ds9、i_ds8分别表示其小信号电流，i_ds9为0，I_DS6、I_DS9、I_DS8分别表示其直流偏置，有

i_DS6＝I_DS6+i_ds6，

i_DS6＝i_DS9+i_DS8，

I_DS8＝I_DS6-I_DS9，

i_ds8＝i_ds6-i_ds9＝i_ds6。

可以看到，NMOS晶体管MN8的直流偏置电流相对于PMOS晶体管MP6减小，而小信号不变，等效于直流偏置电流不变而只放大了小信号。通过控制NMOS晶体管MN9电流的大小来保证NMOS晶体管MN8工作在饱和区，同时调节NMOS晶体管MN7管与NMOS晶体管MN8管的宽长比来实现电流的放大，将偏置电流放大到合适的值。

图2为本发明的跨阻放大器电路，其增益调节电路到积分器输出的传输函数为：

$\frac{{\∂V}_{\mathrm{shpr}}}{{\∂I}_{\mathrm{out}}}=\frac{{(W/L)}_7}{{(W/L)}_8}\frac{R_2}{(1+R_2{C}_{2}s)}$

与图1具有相同的传输函数，但由于直流偏置经过NMOS晶体管MN9的电流旁路，此处NMOS晶体管MN7和NMOS晶体管MN8的宽敞比可以很大，摆幅相比背景技术有很明显的改善。

与对比文件的跨阻放大器电路相比，本发明的电路增加了NMOS晶体管MN9。该晶体管与NMOS晶体管MN4构成电流镜结构，通过适当设定两管的宽长比，可使增益调节电路输出电流中直流偏置电流减小而不影响其小信号。直流偏置电流被减小了，而小信号不变，则等效于小信号被放大，而直流偏置电流并未同比例放大。此时的输出电流再经过NMOS晶体管MN8、NMOS晶体管MN7构成的电流镜放大使得偏置电流满足积分器输出电压偏置的要求，小信号被再次放大，输出电压摆幅进一步得到改善。通过设定合适的电路参数，在4uA输入信号下，两种电路结构的输出信号如图3所示。

本设计中，在同样的偏置电流200uA和输入信号4uA，积分器要求偏置电流为20uA的情况下，文献1中前置放大器的小信号放大倍数为1/10，而本发明可旁路掉190uA直流偏置电流，再通过NMOS晶体管MN7放大2倍满足积分器要求，前置放大器的小信号放大倍数为2，相比于文献1，本发明放大倍数是其20倍，极大改善了其输出特性。

Claims (1)

1.一种跨阻前置放大器电路，包括RGC跨阻放大器、增益调节电路和积分器；RGC跨阻放大器的输出电流通过二极管连接的PMOS晶体管MP5转换成电压信号，PMOS晶体管MP5与增益调节电路中的PMOS管MP61～MP66构成电流镜来调节流入积分器的偏置电流，其特征在于还包括NMOS晶体管MN9；所述NMOS晶体管MN9与NMOS晶体管MN4构成电流镜结构，NMOS晶体管MN9的源端接地，NMOS晶体管MN9的栅端与NMOS晶体管MN4栅端相连，NMOS晶体管MN9的漏端与NMOS晶体管MN8的漏端相连；NMOS晶体管MN4的源端接地，NMOS晶体管MN4的栅端与漏端相接；NMOS晶体管MN8与NMOS晶体管MN7构成电流镜结构，NMOS晶体管MN8的源端接地，NMOS晶体管MN8的栅端与漏端相连；NMOS晶体管MN7的源端接地，NMOS晶体管MN7的栅端与NMOS晶体管MN8栅端相连，NMOS晶体管MN7的漏端连接到积分电路；设定NMOS晶体管MN9和NMOS晶体管MN4的宽长比，使增益调节电路输出电流中直流偏置电流减小，而小信号不变，则等效于小信号被放大，而直流偏置电流并未同比例放大，输出电流再经过NMOS晶体管MN8和NMOS晶体管MN7构成的电流镜放大使得偏置电流满足积分器输出电压偏置的要求，小信号被再次放大。