CN103595356B - 高频带宽放大电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高频带宽放大电路，包括第一级跨导单元、第一级输出负载、反馈电阻、第二级跨导单元及第二级输出负载，其中，高频带宽放大电路还包括第一电流源与第二电流源，第一电流源一端与外部电源连接，另一端与第一级跨导单元的一个场效应管连接，第二电流源一端与外部电源连接，另一端与第一级跨导单元的另一个场效应管连接。本发明的高频带宽放大电路的各级输入输出电压稳定，最终输出信号摆幅可最大化，且不会被电源限制导致输出畸变，增大了输入共模范围。

Description

高频带宽放大电路

技术领域

本发明涉及集成电路领域，更具体地涉及一种高频带宽放大电路。

背景技术

在各种信号接收机(射频通信、光纤通信、高速串行通信)中，需要对接收到的微弱信号进一步放大，以便后续电路对该信号的处理。随着信号频率越来越来高，信号在介质传输过程中的损失也越来越大。众所周知地，信号的频率越高需要的放大电路的带宽越宽，信号的损失越高需要放大电路的增益越大；综合这两方面使得对高频带宽放大电路的增益带宽积的需求要求越来越高。

请参考图1，图1为现有的高频带宽放大电路的电路结构图。如图1所示，现有的高频带宽放大电路包括四个场效应管MA1、MA2、MB1、MB2，四个电阻Rf1、Rf2、Rd1、Rd2，及两个电流源I1、I2；其中，电阻Rd1、Rd2的一端均与外部电源VDD连接，输入共模信号Vin1、Vin2分别通过场效应管MA1、MA2的栅极输入，输出共模信号Vout1、Vout2分别通过场效应管MB1、MB2的漏极输出。其中，电流源I1、I2分别为场效应管MA1、MA2、MB1、MB2提供静态电流；而各器件的具体连接关系见图1所示，在此不再细述。

再结合参考图2，图2为图1对应的等效结构图。如图所示，现有的高频带宽放大电路包括第一级跨导单元gm1、第一级输出负载Rz1、反馈电阻Rf1、第二级跨导单元gm2及第二级输出负载Rd1；第一级跨导单元gm1的输入端与共模信号输出端连接，共模信号输出端输出共模信号Vin3，第一级跨导单元gm1的输出端分别与第二级跨导单元gm2的输入端及第一级输出负载Rz1的一端连接，第一级输出负载Rz1的另一端接地，第二级跨导单元gm2的输出端与第二级输出负载Rd1的一端及共模输出端连接，共模输出端输出共模信号Vout3，第二级输出负载Rd1的另一端接地，反馈电阻Rf1跨接于第二级跨导单元gm2的输出端与输入端之间。相应地，第一级跨导单元gm1由场效应管MA1、MA2构成，第一级输出负载Rz1由电阻Rf1、Rf2、Rd1、Rd2构成，反馈电阻Rf1由电阻Rf1、Rf2构成，第二级跨导单元gm2由场效应管MB1、MB2构成，第二级输出负载Rd1由电阻Rd1、Rd2构成；且共模输入信号Vin3＝Vin1-Vin2，输出共模信号Vout3＝Vout1-Vout2。现有的高频带宽放大电路工作时，输入共模信号Vin3经过第一级跨导单元gm1产生输出电流流经第一级输出负载Rz1并产生电压V1，电压V1即为第一级输出电压，亦为第二级输入电压；电压V1经过第二级跨导单元gm2产生输出电流流经二级输出负载Rd1产生输出电压Vout3，同时输出电压Vout3经过反馈电阻Rf1反馈至第二级跨导单元gm2的输入端。上述电路结构通过反馈理论分析可知，此反馈结构可以有效降低第二级的输入电阻以及输出电阻，而电路带宽与信号节点到底电阻成反比，故电阻的降低可以有效提高运放结构带宽。

但是上述电路结构中，在左半边电路中由于场效应管MA1的静态电流If流过反馈电阻Rf1产生了压降，使得输出共模电压Vout1相对于节点n1的电压抬升，且右半边电路也存在相同的情况。最后结果如图3所示，使得输出共模电压Vout3相对于第二级输入电压V1抬升了ΔV＝If*Rf1，其中，If为电阻Rf1上流过的电流。如果该第二级输入电压抬升的电压ΔV过大，且最终输出信号摆幅过大，则容易被电源限制导致输出信号畸变。同时由于节点n1的电压相对于输出共模电压Vout1降低，使得场效应管MA1处于饱和区的所需的共模输入电压Vin1变低；而节点n2的电压相对于输出共模电压Vout2降低，使得场效应管MA2处于饱和区的所需的共模输入电压Vin2变低；因此减少了输入共模范围。

因此，有必要提供一种改进的高频带宽放大电路来克服上述缺陷。

发明内容

本发明的目的是提供一种高频带宽放大电路，本发明的高频带宽放大电路的各级输入输出电压稳定，最终输出信号摆幅可最大化，且不会被电源限制导致输出畸变，增大了输入共模范围。

为实现上述目的，本发明提供了一种高频带宽放大电路，包括第一级跨导单元、第一级输出负载、反馈电阻、第二级跨导单元及第二级输出负载，所述第一级跨导单元的输入端与共模信号输入端连接，其输出端分别与第二级跨导单元的输入端及第一级输出负载的一端连接，所述第一级输出负载的另一端接地，所述第二级跨导单元的输出端与第二级输出负载的一端及共模信号输出端连接，所述第二级输出负载的另一端接地，所述反馈电阻跨接于所述第二级跨导单元的输出端与输入端之间，其中，所述高频带宽放大电路还包括第一电流源与第二电流源，所述第一电流源一端与外部电源连接，另一端与第一级跨导单元的一个场效应管的漏极连接，所述第二电流源一端与外部电源连接，另一端与所述第一级跨导单元的另一个场效应管的漏极连接。

较佳地，所述第一电流源与第二电流源输出的电流值相同，且与所述第一级跨导单元的两个场效应管的静态工作电流相等。

较佳地，所述高频带宽放大电路还包括负反馈电阻电容网络，所述负反馈电阻电容网络连接于所述第一级跨导单元的两个场效应管之间，且所述负反馈电阻电容网络包括相互并联的电容与电阻。

较佳地，所述高频带宽放大电路还包括第三电流源、第四电流源及第五电流源，所述第三电流源的一端分别与所述第二级跨导单元的两个场效应管的源极连接，其另一端接地；所述第四电流源的一端与所述第一级跨导单元的一个场效应管的源极连接，其另一端接地；所述第五电流源的一端与所述第一级跨导单元的另一个场效应管的源极连接，其另一端接地。

较佳地，所述第一级跨导单元包括第一场效应管与第二场效应管，第一级输出负载包括第一电阻、第二电阻、第三电阻及第四电阻，所述第一场效应管的栅极与一个共模输入端连接，其漏极与第一电流源的一端及第一电阻的一端连接，所述第一场效应管的源极与第四电流源的一端连接；所述第二场效应管的栅极与另一个共模输入端连接，其漏极与第二电流源的一端及第三电阻的一端连接，所述第二场效应管的源极与第五电流源的一端连接；所述第一电阻的另一端与第二电阻的一端及一个共模输出端连接，所述第三电阻的另一端与第四电阻的一端及另一个共模输出端连接，所述第二电阻与第四电阻的另一端均与外部电源连接。

较佳地，第二级跨导单元包括第三场效应管与第四场效应管，所述第三场效应管的栅极与第一场效应管的漏极连接，其漏极与一个共模输出端连接，所述第三场效应管的源极与第四场效应管的源极均与所述第三电流源的一端连接；所述第四场效应管的栅极与第二场效应管的漏极连接，其漏极与另一个共模输出端连接。

较佳地，所述反馈电阻包括第一电阻与第三电阻，所述第二级输出负载包括第二电阻与第四电阻。

与现有技术相比，本发明的高频带宽放大电路由于包括第一电流源与第二电流源，使得所述第一电流源与第二电流源产生的电流可有效地部分或全部抵消第一跨导单元的场效应管的静态电流，减小流过反馈电阻上的电流，即减小反馈电阻上的压降，从而使得各级的输出输入电压更稳定，使最终输出信号摆幅可最大化，且不会被电源限制导致输出畸变，增大了输入共模范围。

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为现有技术的高频带宽放大电路的电路结构图。

图2为图1所示的等效电路图。

图3为图2所示结构每一级的信号示意图。

图4为本发明的高频带宽放大电路的电路结构图

图5为图4所示的等效电路图。

图6为图5所示结构每一级的信号示意图。

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，本发明提供了一种高频带宽放大电路，该高频带宽放大电路各级输入输出电压稳定，最终输出信号摆幅可最大化，且不会被电源限制导致输出畸变，增大了输入共模范围。

请参考图4，本发明的高频带宽放大电路包括第一场效应管M1、第二场效应管M2、第三场效应管M3、第四场效应管M4、第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4、第一电流源I3、第二电流源I4、第三电流源I5及第四电流源I6及第五电流源I7。所述第一场效应管M1的栅极与一个共模输入端连接，该共模输入端输出共模信号Vin4至所述第一场效应管M1，第一场效应管M1的源极与第四电流源I6的一端连接，第四电流源I6的另一端接地，第一场效应管M1的漏极与第三场效应管M3的栅极、第一电阻R1的一端及第一电流源I3的一端连接；所述第二场效应管M2的栅极与另一个共模输入端连接，该共模输入端输出共模信号Vin5至所述第二场效应管M2，第二场效应管M2的源极与第五电流源I7的一端连接，第五电流源I7的另一端接地，第二场效应管M2的漏极与第四场效应管M4的栅极、第三电阻R3的一端及第二电流源I4的一端连接；所述第三场效应管M3的源极与第三电流源I5的一端连接，第三电流源I5的另一端接地，第三场效应管M3漏极分别与第一电阻R1的另一端及第二电阻R2的一端连接，且所述第三场效应管M3的漏极还输出一输出共模信号Vout4；所述第四场效应管M4的源极与第三电流源I5的一端连接，第四场效应管M4漏极分别与第三电阻R3的另一端及第四电阻R4的一端连接，且所述第四场效应管M4的漏极还输出一输出共模信号Vou5；所述第一电流源I3的另一端、第二电阻R2的另一端、第四电阻R4的另一端及第二电流源I4的另一端均与外部电源VDD连接。其中，所述第三电流源I5分别为所述第三场效应管M3及第四场效应管M4提供静态电流，所述第四电流源I6为所述第一场效应管M1提供静态电流，所述第五电流源I7为所述第二场效应管M2提供静态电流。

再结合参考图5，图5为图4对应的等效结构图。如图所示，本发明的高频带宽放大电路包括第一级跨导单元gm3、第一级输出负载Rz2、反馈电阻Rf2、第二级跨导单元gm4及第二级输出负载Rd2；第一级跨导单元gm3的输入端与共模信号输入端连接，共模信号输入端输出共模信号Vin6至所述第一级跨导单元gm3，第一级跨导单元gm3的输出端分别与第二级跨导单元gm4的输入端及第一级输出负载Rz2的一端连接，第一级输出负载Rz2的另一端接地，第二级跨导单元gm4的输出端与第二级输出负载Rd2的一端及共模输出端连接，共模输出端输出共模信号Vout6，第二级输出负载Rd2的另一端接地，反馈电阻Rf2跨接于第二级跨导单元gm4的输出端与输入端之间。相应地，第一级跨导单元gm1由第场效应管M1、第二场效应管M2构成，第一级输出负载Rz2由第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3及第四电阻R4构成，反馈电阻Rf2由第一电阻R1及第三电阻R3构成，第二级跨导单元gm4由第三场效应管M3、第四场效应管M4构成，第二级输出负载Rd2由第二电阻R2、第四电阻R4构成；且输入的共模信号Vin6＝Vin4-Vin5，输出的共模信号Vout6＝Vout4-Vout5。本发明的高频带宽放大电路工作时，输入共模信号Vin6经过第一级跨导单元gm3产生输出电流，该电流流经第一级输出负载Rz2并产生电压V2，电压V2即为第一级输出电压，亦为第二级输入电压；电压V2经过第二级跨导单元gm4产生输出电流，该电流流经第二级输出负载Rd2产生输出电压Vout6，同时输出电压Vout6经过反馈电阻Rf2反馈至第二级跨导单元gm4的输入端。

从上述结构可知，本发明的高频带宽放大电路通过加入第一电流源I3与第二电流源I4可以补偿第一场效应管M1、第二场效应管M2、第三场效应管M3及第四场效应管M4的静态电流差；而在本发明的优选实施方式中，所述第一电流源I3与第二电流源I4输出的电流值相同，且与所述第一级跨导单元gm3的两个场效应管(即第一场效应管M1与第二场效应管M2)的静态工作电流相等，从而使得流过反馈电阻Rf2的电流为0，在反馈电阻Rf2上不再产生压降，从而输出共模电压Vout4相对于节点n3可以保持不变，而且输出共模电压Vout5相对于节点n4可以保持不变，可使得两级级联的放大器的每一级输入输出共模电平相同且均为设定值VDD/2(见图6)；从而使得最终输出信号摆幅最大化，不会被电源限制导致输出畸变；同时由于电压V2与输出共模电压Vout6相同，使得第一场效应管M1与第二场效应管M2处于饱和区的所需的共模输入电压Vin4与Vin5的共模电压范围变大，增大了输入共模范围。

请再参考图4，在本发明的优选实施方式中，所述高频带宽放大电路还包括负反馈电阻电容网络，所述负反馈电阻电容网络连接于所述第一场效应管M1与第二场效应管M2之间；且所述负反馈电阻电容网络包括两个相互并联的电容C0与电阻R0；其中，电容C0与电阻R0均一端与所述第一场效应管M1的源极连接，另一端与第二场效应管M2的源极连接。所述负反馈电阻电容网络可产生一尖峰增益零点，该尖峰增益零点进一步扩展了第一级的带宽。

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)

1.一种高频带宽放大电路，包括第一级跨导单元、第一级输出负载、反馈电阻、第二级跨导单元及第二级输出负载，所述第一级跨导单元的输入端与共模信号输入端连接，其输出端分别与第二级跨导单元的输入端及第一级输出负载的一端连接，所述第一级输出负载的另一端接地，所述第二级跨导单元的输出端与第二级输出负载的一端及共模信号输出端连接，所述第二级输出负载的另一端接地，所述反馈电阻跨接于所述第二级跨导单元的输出端与输入端之间，其特征在于，还包括第一电流源与第二电流源，所述第一电流源一端与外部电源连接，另一端与第一级跨导单元的一个场效应管的漏极连接，所述第二电流源一端与外部电源连接，另一端与所述第一级跨导单元的另一个场效应管的漏极连接。

2.如权利要求1所述的高频带宽放大电路，其特征在于，所述第一电流源与第二电流源输出的电流值相同，且与所述第一级跨导单元的两个场效应管的静态工作电流相等。

3.如权利要求2所述的高频带宽放大电路，其特征在于，还包括负反馈电阻电容网络，所述负反馈电阻电容网络连接于所述第一级跨导单元的两个场效应管之间，且所述负反馈电阻电容网络包括相互并联的电容与电阻。

4.如权利要求2所述的高频带宽放大电路，其特征在于，还包括第三电流源、第四电流源及第五电流源，所述第三电流源的一端分别与所述第二级跨导单元的两个场效应管的源极连接，其另一端接地；所述第四电流源的一端与所述第一级跨导单元的一个场效应管的源极连接，其另一端接地；所述第五电流源的一端与所述第一级跨导单元的另一个场效应管的源极连接，其另一端接地。

5.如权利要求4所述的高频带宽放大电路，其特征在于，所述第一级跨导单元包括第一场效应管与第二场效应管，第一级输出负载包括第一电阻、第二电阻、第三电阻及第四电阻，所述第一场效应管的栅极与一个共模输入端连接，其漏极与第一电流源的一端及第一电阻的一端连接，所述第一场效应管的源极与第四电流源的一端连接；所述第二场效应管的栅极与另一个共模输入端连接，其漏极与第二电流源的一端及第三电阻的一端连接，所述第二场效应管的源极与第五电流源的一端连接；所述第一电阻的另一端与第二电阻的一端及一个共模输出端连接，所述第三电阻的另一端与第四电阻的一端及另一个共模输出端连接，所述第二电阻与第四电阻的另一端均与外部电源连接。

6.如权利要求5所述的高频带宽放大电路，其特征在于，第二级跨导单元包括第三场效应管与第四场效应管，所述第三场效应管的栅极与第一场效应管的漏极连接，其漏极与一个共模输出端连接，所述第三场效应管的源极与第四场效应管的源极均与所述第三电流源的一端连接；所述第四场效应管的栅极与第二场效应管的漏极连接，其漏极与另一个共模输出端连接。

7.如权利要求5所述的高频带宽放大电路，其特征在于，所述反馈电阻包括所述第一电阻与所述第三电阻，所述第二级输出负载包括所述第二电阻与所述第四电阻。