CN103595352B - 应用于音频放大器输入级的低失真电平位移缓冲电路结构 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种应用于音频放大器输入级的低失真电平位移缓冲电路结构，属于电路结构技术领域。该电路结构中，流过N1和N2的电流I由参考电压Vx和电阻R1的值确定而和输入信号的幅度无关，消除了由于P2的沟道长度调制效应导致的信号失真，当输出信号在合理范围内波动时，流过P3的电流不变，保证输出信号良好的线性度；同时，由于P2由多个P型MOS场效应管并联构成，每个P型MOS场效应管的跨导gm2很小，并且由于反馈的引入，P2的特性接近于理想电流源，所以P2所产生的噪声大为减小，从而使本发明的应用于音频放大器输入级的低失真电平位移缓冲电路结构满足对于低噪声和良好线性度的要求，且其结构简单，成本较为低廉。

Description

应用于音频放大器输入级的低失真电平位移缓冲电路结构
技术领域
本发明涉及电路结构技术领域，特别涉及放大器输入级电路结构领域，具体是指一种应用于音频放大器输入级的低失真电平位移缓冲电路结构。
背景技术
在CMOS集成电路工艺中源跟随器由于其本身具有极高的输入阻抗所以很适合用作电压缓冲级使得整个放大器获得更高的电压增益。但是源跟随器本身会引入显著的噪声，由于体效应或者沟道长度调制效应导致的非线性，由于电平移动导致输出电压摆幅的减小等等这些缺点限制了其在放大器中的使用。
所以目前在放大器中源跟随器最普遍的应用是作为缓冲级完成电平位移的功能，特别是在放大器的输入级。因为在很多实际的应用场合音频放大器的输入端被要求偏置在地电平或者和地电平接近的较低的电压水平，这就要求在音频放大器的输入端和音频放大器之间加入一个源跟随器来先将输入信号的电平抬高。但是如前所述，由于源跟随器本身会引入显著的噪声和非线性所以限制了其在很多领域中的应用。
发明内容
本发明的目的是克服了上述现有技术中的缺点，提供一种基于CMOS集成电路工艺，采用源跟随器实现音频信号的电平位移，同时满足放大器对于低噪声和良好线性度的要求，且结构简单，成本低廉的应用于音频放大器输入级的低失真电平位移缓冲电路结构。
为了实现上述的目的，本发明的应用于音频放大器输入级的低失真电平位移缓冲电路结构具有如下构成：
该电路结构包括参考电流源、第一N型MOS场效应管（N1）、第二N型MOS场效应管（N2）、第一P型MOS场效应管（P1）、第二P型MOS场效应管（P2）电路模块、第三P型MOS场效应管（P3）、电阻（R1）和运算放大器；所述的第一N型MOS场效应管（N1）的栅极和漏极短接并连接到所述的参考电流源的一端，所述的参考电流源的另一端连接电源；所述的第一N型MOS场效应管（N1）的源极和衬底接地；所述的第二N型MOS场效应管（N2）的栅极连接所述的第一N型MOS场效应管（N1）的栅极；所述的第二N型MOS场效应管（N2）的漏极连接所述的第一P型MOS场效应管（P1）的相互短接的栅极和漏极；所述的第二N型MOS场效应管（N2）的源极和衬底接地；所述的第一P型MOS场效应管（P1）的源极和衬底连接所述的电源；所述的第二P型MOS场效应管（P2）的栅极连接所述的第一P型MOS场效应管（P1）的栅极；所述的第二P型MOS场效应管（P2）的源极和衬底连接所述的电源；所述的第二P型MOS场效应管（P2）的漏极连接所述的第三P型MOS场效应管（P3）的源极和衬底，并为该电路结构的输出节点（Vout）；所述的第三P型MOS场效应管（P3）的栅极为该电路结构的输入节点（Vin）；所述的第三P型MOS场效应管（P3）的漏极连接所述的运算放大器的反向输入端，并通过所述的电阻（R1）接地；所述的运算放大器的正向输入端连接外部参考电压（Vx）；所述的运算放大器的输出端连接所述的第一N型MOS场效应管（N1）和第二N型MOS场效应管（N2）的栅极。
该应用于音频放大器输入级的低失真电平位移缓冲电路结构中，所述的第一N型MOS场效应管（N1）与所述的第二N型MOS场效应管（N2）的沟道宽长比相同。
该应用于音频放大器输入级的低失真电平位移缓冲电路结构中，所述的第一P型MOS场效应管（P1）与所述的第二P型MOS场效应管（P2）电路模块的沟道宽长比相同。
该应用于音频放大器输入级的低失真电平位移缓冲电路结构中，所述的第二P型MOS场效应管（P2）电路模块由多个相同的P型MOS场效应管相互并联组成。
该应用于音频放大器输入级的低失真电平位移缓冲电路结构中，所述的多个相同的P型MOS场效应管的数量为20至50。
采用了该发明的应用于音频放大器输入级的低失真电平位移缓冲电路结构，其流过N1和N2的电流I由参考电压Vx和电阻R1的值确定而和输入信号的幅度无关，因而消除了由于P2的沟道长度调制效应导致的信号失真，当输出信号在合理范围内波动时，流过P3的电流始终不变，充分保证输出信号良好的线性度；同时，由于P2由多个P型MOS场效应管并联构成，每个P型MOS场效应管的跨导gm2很小，并且由于反馈的引入，P2的特性接近于理想电流源，所以P2所产生的噪声大大减小，由此提供一种同时满足放大器对于低噪声和良好线性度的要求，且结构简单，成本低廉的应用于音频放大器输入级的低失真电平位移缓冲电路结构。
附图说明
图1为本发明的应用于音频放大器输入级的低失真电平位移缓冲电路结构的电路图。
具体实施方式
为了能够更清楚地理解本发明的技术页面，特举以下实施例详细说明。
请参阅图1所示，为本发明的应用于音频放大器输入级的低失真电平位移缓冲电路结构的电路图。
在一种实施方式中，该应用于音频放大器输入级的低失真电平位移缓冲电路结构包括参考电流源、第一N型MOS场效应管（N1）、第二N型MOS场效应管（N2）、第一P型MOS场效应管（P1）、第二P型MOS场效应管（P2）电路模块、第三P型MOS场效应管（P3）、电阻（R1）和运算放大器。
其中，所述的第一N型MOS场效应管（N1）的栅极和漏极短接并连接到所述的参考电流源的一端，所述的参考电流源的另一端连接电源；所述的第一N型MOS场效应管（N1）的源极和衬底接地；所述的第二N型MOS场效应管（N2）的栅极连接所述的第一N型MOS场效应管（N1）的栅极；所述的第二N型MOS场效应管（N2）的漏极连接所述的第一P型MOS场效应管（P1）的相互短接的栅极和漏极；所述的第二N型MOS场效应管（N2）的源极和衬底接地；所述的第一P型MOS场效应管（P1）的源极和衬底连接所述的电源；所述的第二P型MOS场效应管（P2）的栅极连接所述的第一P型MOS场效应管（P1）的栅极；所述的第二P型MOS场效应管（P2）的源极和衬底连接所述的电源；所述的第二P型MOS场效应管（P2）的漏极连接所述的第三P型MOS场效应管（P3）的源极和衬底，并为该电路结构的输出节点（Vout）；所述的第三P型MOS场效应管（P3）的栅极为该电路结构的输入节点（Vin）；所述的第三P型MOS场效应管（P3）的漏极连接所述的运算放大器的反向输入端，并通过所述的电阻（R1）接地；所述的运算放大器的正向输入端连接外部参考电压（Vx）；所述的运算放大器的输出端连接所述的第一N型MOS场效应管（N1）和第二N型MOS场效应管（N2）的栅极。
在一种较优选的实施方式中，所述的第一N型MOS场效应管（N1）与所述的第二N型MOS场效应管（N2）的沟道宽长比相同。所述的第一P型MOS场效应管（P1）与所述的第二P型MOS场效应管（P2）电路模块的沟道宽长比也相同。
在一种更优选的实施方式中，所述的第二P型MOS场效应管（P2）电路模块由20至50个相同的P型MOS场效应管相互并联组成。
在本发明的应用中，N型MOS场效应管N1和N2拥有相同的沟道宽长比，构成镜像电流源，流过N1和N2的电流标记为I。P型MOS场效应管P1和P2同样拥有相同的沟道宽长比，但其中P2由n个相同的P型MOS场效应管并联组成，所以P1和P2构成比例镜像电流源，流过P2的电流为I的n倍I×n，此电流I×n同样流过P型MOS场效应管P3和电阻R1。电流I×n在电阻R1上的压降V1输入到放大器反相输入端，当V1高于参考电压Vx时放大器输出端电压会降低，使得参考电流Ix更多的流到放大器的输出端而流过N1和N2的电流I迅速变小。所以加入放大器的反馈之后V1的值必定稳定在参考电压Vx处，通过设定合理的参考电压Vx和电阻R1的值可以确定电流I的大小，I=Vx/(R1×n)。
通常I设定为较小的值，例如几十到几百纳安培的数量级，而参考电流Ix设定为较大的值，例如微安量级，多余的电流Ix-I流到放大器的输出端。由P1和P2构成的比例镜像电流源的比例n通常设为20~50之间，使得流过P3管的电流远远大于I。
如果输入信号Vin的直流电平为地电平，需要正确设置Vx以保证P3处于饱和状态，即Vx的值不能超过P3的开启电压的绝对值∣Vth∣。
采用了该发明的应用于音频放大器输入级的低失真电平位移缓冲电路结构，与现有技术相比有以下两个明显的优点：
首先由于跟随器本身的偏置电流I由参考电压Vx和电阻R1的值确定而和输入信号的幅度无关，所以消除了由于P2管的沟道长度调制效应导致的信号失真。特别是对于短沟道器件来说沟道长度调制效应将严重影响源跟随器的输出信号的线性度，而在本发明的源跟随器结构中，当输出信号在合理范围内波动时流过源跟随器P3管的电流始终不变，充分保证输出信号良好的线性度。
其次由于用作电流源偏置的P2管由多个P型MOS场效应管并联构成，每个P型MOS场效应管的跨导gm2很小，并且由于反馈的引入P2管的特性接近于理想电流源，所以和普通的源跟随器电路相比P2管所产生的噪声大大减小。
和普通的源跟随器电路相比，本发明的电路结构其输出信号有更好的线性度和噪声性能。一般而言，采用普通的源跟随器电路输出信号的失真度在3%~5%之间，而采用本发明所述结构输出信号的失真度可以达到1%以下。另外在噪声性能方面，在相同的工艺和相近的器件尺寸情况下，采用专利所述结构的源跟随器的输出噪声电平绝对值要比普通的源跟随器小20%~40%。
且本发明的应用于音频放大器输入级的低失真电平位移缓冲电路结构的结构相对简单，成本也较为低廉。
在此说明书中，本发明已参照其特定的实施例作了描述。但是，很显然仍可以作出各种修改和变换而不背离本发明的精神和范围。因此，说明书和附图应被认为是说明性的而非限制性的。

Claims (5)

1.一种应用于音频放大器输入级的低失真电平位移缓冲电路结构，其特征在于，所述的电路结构包括参考电流源、第一N型MOS场效应管(N1)、第二N型MOS场效应管(N2)、第一P型MOS场效应管(P1)、第二P型MOS场效应管(P2)电路模块、第三P型MOS场效应管(P3)、电阻(R1)和运算放大器；所述的第一N型MOS场效应管(N1)的栅极和漏极短接并连接到所述的参考电流源的一端，所述的参考电流源的另一端连接电源；所述的第一N型MOS场效应管(N1)的源极和衬底接地；所述的第二N型MOS场效应管(N2)的栅极连接所述的第一N型MOS场效应管(N1)的栅极；所述的第二N型MOS场效应管(N2)的漏极连接所述的第一P型MOS场效应管(P1)的相互短接的栅极和漏极；所述的第二N型MOS场效应管(N2)的源极和衬底接地；所述的第一P型MOS场效应管(P1)的源极和衬底连接所述的电源；所述的第二P型MOS场效应管(P2)的栅极连接所述的第一P型MOS场效应管(P1)的栅极；所述的第二P型MOS场效应管(P2)的源极和衬底连接所述的电源；所述的第二P型MOS场效应管(P2)的漏极连接所述的第三P型MOS场效应管(P3)的源极和衬底，并为该电路结构的输出节点(Vout)；所述的第三P型MOS场效应管(P3)的栅极为该电路结构的输入节点(Vin)；所述的第三P型MOS场效应管(P3)的漏极连接所述的运算放大器的反向输入端，并通过所述的电阻(R1)接地；所述的运算放大器的正向输入端连接外部参考电压(Vx)；所述的运算放大器的输出端、所述的第一N型MOS场效应管(N1)的栅极和第二N型MOS场效应管(N2)的栅极相连接。
2.根据权利要求1所述的应用于音频放大器输入级的低失真电平位移缓冲电路结构，其特征在于，所述的第一N型MOS场效应管(N1)与所述的第二N型MOS场效应管(N2)的沟道宽长比相同。
3.根据权利要求2所述的应用于音频放大器输入级的低失真电平位移缓冲电路结构，其特征在于，所述的第一P型MOS场效应管(P1)与所述的第二P型MOS场效应管(P2)电路模块的沟道宽长比相同。
4.根据权利要求3所述的应用于音频放大器输入级的低失真电平位移缓冲电路结构，其特征在于，所述的第二P型MOS场效应管(P2)电路模块由多个相同的P型MOS场效应管相互并联组成。
5.根据权利要求4所述的应用于音频放大器输入级的低失真电平位移缓冲电路结构，其特征在于，所述的多个相同的P型MOS场效应管的数量为20至50。
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