CN104300920B - 用于电子放大的装置和方法 - Google Patents

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Abstract

提供用于电子放大的装置和方法。在一个实施例中，放大器包括第一和第二输入端、放大电路、反馈电路和电流镜。放大电路包括电连接到第一输入端和偏置电压的非反相电压输入、电连接到第二输入端的反相电压输入、电压输出和电流输出。该放大器包括从电压输出经过反馈电路到反相电压输入的第一反馈路径以及从电流输出通过电流镜到反相电压输入的第二反馈路径，其可以镜像来自电流输出的电流以产生镜像电流。诸如换能器的电流源可以提供在第一和第二输入端之间的输入电流，以及镜像的电流实质上匹配所述输入电流。

Description

用于电子放大的装置和方法
技术领域
本发明的实施例涉及电子设备，更具体地说，涉及一种放大器。
背景技术
某些电子系统可以包括放大器，用于放大相对较弱的信号。例如，放大器可用于放大来自电流源的输入电流信号，诸如电流或充电传感器。
放大器的各种操作参数可以影响使用放大器的电子系统的整体性能。例如，当采用负反馈连接时，放大器的带宽可以对于可靠地放大瞬态信号(诸如脉冲)和/或维持放大器稳定性是非常重要的。此外，放大器的噪声性能也很重要，诸如在其中放大相对较小或较弱信号的应用中。
发明内容
在一个实施例中，放大器包括放大电路、反馈电路和电流镜。放大电路包括第一电压输入、第二电压输入、电压输出和电流输出，以及放大电路被配置为通过放大第一和第二电压输入之间的电压差来控制电压输出的电压电平。所述放大电路进一步经配置以基于在第一和第二电压输入之间的电压差产生在电流输出上的第一电流。该反馈电路电气连接在所述放大电路的电压输出和所述放大电路的第二电压输入之间。电流镜包括电流输入和第一电流输出，所述电流输入电连接到所述放大电路的电流输出，以及第一电流输出电连接到所述放大电路的第二电压输入端。电流镜经配置以接收在电流输入的第一电流并镜像所述第一电流，以产生在第一电流输出的第二电流。
在另一个实施例中，提供一种放大的电子实现方法。该方法包括：接收在第一输入端和第二输入端之间的输入电流，并放大所述第一输入端和第二输入端之间的电压差，以通过放大电路产生放大的电压。所述放大电路包括：电连接到所述第一输入端的第一电压输入；电连接到所述第二输入端的第二电压输入；用于提供放大电压的电压输出；以及电流输出。该方法进一步包括：基于所述第一输入端和第二输入端之间电压差产生在放大电路的电流输出上的第一电流；利用反馈电路提供从放大电路的电压输出到放大电路的第二电压输入的电压反馈；并且通过使用电流镜以镜像第一电流以产生实质上等于输入电流的第二电流，而提供从放大电路的电流输出到放大电路的第二电压输入的电流反馈。
在另一实施例中，一种装置包括：用于放大的装置、反馈电容以及用于镜像电流的装置。该放大装置包括第一电压输入、第二电压输入、电压输出和电流输出。反馈电容器电连接在放大装置的电压输出和放大装置的第二电压输入之间。电流镜像装置包括电流输入和电流输出。电流镜像装置的电流输入电连接到所述放大装置的电流输出，以及电流镜像装置的电流输出电连接到所述放大装置的第二电压输入。
附图说明
图1是根据一个实施例的放大器的电路图。
图2是根据一个实施例的对数(log)放大器的电路图。
图3是根据一个实施例的电流放大器的电路图。
图4A是根据一个实施例的互阻抗放大器的电路图。
图4B是根据另一实施例的互阻抗放大器的电路图。
图5A是根据另一实施例的放大器的电路图。
图5B是根据另一实施例的放大器的电路图。
图6A是根据另一实施例的互阻抗放大器的电路图。
图6B是根据另一实施例的互阻抗放大器的电路图。
图7是对于放大器的一个实施方式，各种输入电流电平的增益-频率的曲线图。
图8是对于放大器的一个实施方式，电流-时间的曲线图。
具体实施方式
下面的实施例的详细描述给出了本发明的具体实施例的各种描述。然而，本发明可以以由权利要求定义和覆盖的多种不同的方式实施。在本说明书中，参考附图，其中类似的附图标记表示相同的或功能类似的元件。
电压反馈放大器可以指以闭环结构连接的放大器，其中误差信号是电压信号。与此相反，电流反馈放大器可以指以闭环结构连接的放大器，其中误差信号是电流信号。在本文所述的某些实施方式中，放大器包括电压反馈和电流反馈。
提供了用于电子放大的装置和方法。在一个实施例中，放大器包括第一和第二输入端、放大电路、反馈电路和电流镜。放大电路包括：电连接至第一输入端和偏置电压的第一电压或非反相输入；电连接到所述第二输入端的第二或反相电压输入；电压输出以及电流输出。该放大器包括从电压输出经过反馈电路到反相电压输入的第一反馈路径，其可包括例如反馈电容。该放大器进一步包括从电流输出通过电流镜到反相电压输入的第二反馈路径，其可以复制或镜像来自放大电路的电流输出的电流以产生镜像电流。在某些实施方式中，放大器从诸如换能器的电流源接收在第一和第二输入端之间的输入电流，以及放大器的负反馈控制实质上匹配或等于输入电流的镜像电流。
该放大器可以被实现为多种配置，包括例如，作为对数(log)放大器、电流放大器或跨阻放大器。例如，在一些配置中，使用二极管和双极型晶体管实施电流镜，二极管经配置以从放大电路接收电流，以及二极管电连接在双极型晶体管的基极和发射极之间。在这样的配置中，二极管的阳极电压可以被设置为相对于输入电流的对数改变的输出电压。此外，放大器的双重反馈配置可导致放大器具有响应于输入电流电平变化的实质上稳定的带宽。
此外，在某些配置中，电流镜可以被实现以包括额外的电流输出，其可用来产生放大或缓冲的电流。放大的电流可以作为放大器的输出，使得放大器作为电流放大器。在其它配置中，放大的电流转换成电压，以及放大器用作跨阻放大器，该跨阻放大器具有相对于某些常规的跨阻放大器的改进带宽和/或噪声性能。
该放大器这里可用于广泛的各种应用中，包括例如，仪器和/或医疗应用。在一个实施例中，该放大器被配置为跨阻放大器并用来放大来自光电二极管的光电流。跨阻放大器可具有实质上恒定的带宽与输入电流电平，并因此可用来可靠地放大电流脉冲信号，即使当光电二极管是在低的环境或背景光状态中。
在一个实施例中，当输入电流的范围跨越电流的至少三十倍程，放大器的带宽改变小于大约50％时，放大器具有“基本上恒定带宽与输入电流电平”。
图1是根据一个实施例的放大器10的电路图。该放大器10包括第一输入端IN+、第二输入端IN-、放大电路1、反馈电路2和电流镜3。图1已经被注释以说明电流源4，用于从放大器10的第一输入端IN+向第二输入端IN-提供输入电流IIN。
该放大电路1包括第一电压或者非反相输入(+)、第二或反相电压输入(-)、电压输出VOUT以及电流输出IOUT。如图1所示，第一输入端IN+和第二输入端IN-被分别电连接到放大电路的非反相和反相电压输入。此外，放大电路1的非反相电压输入被电连接到偏置电压VB。反馈电路2被电连接在放大电路的输出电压VOUT和反相电压输入之间。电流镜3包括电连接到所述放大电路的电流输出IOUT的电流输入，以及电连接到放大电路的反相电压输入的第一电流输出。
图1的放大电路1包括电压输出VOUT和电流输出IOUT。放大电路1可以放大所述放大电路的非反相和反相的电压输入之间的电压差，以产生电压输出VOUT上的放大电压。另外，放大电路1可以基于放大电路1的非反相和反相电压输入之间电压差以及放大电路的互导而产生第一电流I1。
通过放大电路1中产生的第一电流I1可以被提供给电流镜3，该电流镜3可以复制或镜像第一电流I1以产生第二或镜像电流I2。电流镜3可以具有任何合适的增益，诸如经选择以满足性能规范的增益。在一个实施例中，电流镜3被配置为控制第二电流I2的幅度大约等于m*I1，其中m是经选择以在约0.05至0.2的范围内的系数。然而，其他配置也是可能的。
如图1中所示，电流源4可以电连接在放大器的第一输入端IN+和第二输入端IN-之间，并且可以提供输入电流IIN到放大器10。电流源4可以表示各种设备，包括例如电流或充电换能器，诸如光电二极管。在某些配置中，放大器10被制成在集成电路(IC)上，以及电流源4是IC的外部并向IC的管脚或焊盘提供输入电流IIN。然而，其他配置也是可能的，包括例如，其中电流源4与放大器10集成的配置。例如，在一个实施例中，电流源4包括使用放大器在公共IC上制成的一个或多个光电二极管10。
该放大器10包括从放大电路的电压输出VOUT通过反馈电路2到反相电压输入的第一反馈回路或路径。此外，该放大器10包括从放大电路的电流输出IOUT通过电流镜3到反相电压输入的第二反馈回路或路径。
第一和第二反馈回路可以提供负反馈，该负反馈可控制放大电路的非反相和反相电压输入的电压大约相等。在某些配置中，反馈电路2经配置以在低频具有相对高的阻抗，诸如DC。在这些配置中，通过电流镜3的反馈通路可导致第二电流I2匹配或等于输入电流IIN。配置放大器10以包括双反馈可以提高放大器的带宽和/或噪声特性。
正如将要在下面相对于图2-6B详细描述的，放大器10可以实现为不同的配置，其中包括例如，对数放大器(log-amp)、电流放大器、跨阻放大器配置。
例如，在某些实施方式中，电流镜3被实现为包括二极管，二极管两端的电压可以相对于输入电流IIN的对数变化。在这样的配置中，放大器10可以用过在多个输入电流电平之间具有实质上稳定带宽的对数放大器。
此外，在某些实施方式中，电流镜3可以包括生成输入电流IIN的放大版本的第二电流输出。放大的电流可以作为放大器的输出，使得放大器用作电流放大器和/或可被提供给电流至电压转换电路，使得放大器用作跨阻放大器。
因此，图1中的放大器10可以被实现为多种配置。
图2是根据一个实施例的对数(log)放大器20的电路图。对数放大器20包括第一输入端IN+和第二输入端IN-以及放大电路1，其之前已经描述。对数放大器20还包括输出端OUT、反馈电容12和电流镜13。
图示的对数放大器20被示为从光电二极管5接收输入电流IIN。但是，其他配置也是可能的，包括例如其中对数放大器20从各种电流源接收输入电流IIN的实施方式。
反馈电容器12被电连接在放大电路的电压输出VOUT和放大电路的反相电压输入之间。反馈电容器12可用于控制或调整对数放大器的闭环传递函数。例如，电容器12可以提供回路稳定性和/或避免在响应瞬时输入信号时的过冲。反馈电容器12示出图1的反馈电路2的一个示例。但是，反馈电路的其他配置也是可能的。例如，在一个实施例中，反馈电路包括串联的电阻器和电容器。此外，其它配置也是可能的，诸如，经选择以获取所需的放大器传递函数响应的反馈电路。
电流镜13包括二极管14和NPN双极型晶体管15。二极管14包括电连接到放大电路1的电流输出IOUT、输出端OUT和NPN双极型晶体管15的基极的阳极。二极管14还包括电连接到第一参考电压V1的阴极，其可以例如是低电源或地。NPN双极晶体管15进一步包括电连接到所述第一参考电压V1的发射器和电连接到放大电路的反相电压输入的集电极。
在一个实施例中，二极管14被实现为二极管连接的双极型晶体管。例如，二极管14可以使用NPN双极型晶体管实现，其中发射极用作二极管的阴极，以及其中集电极和基极电连接在一起并用作二极管的阳极。二极管14经配置以接收第一电流I1。
该对数放大器20可用于控制在输出端OUT的电压响应于输入电流IIN的对数进行改变。例如，具有普通技能的技术人员将会理解，双极型晶体管的基极发射极电压关联于晶体管的集电极电流的对数。虽然为清楚起见未示于图2，对数放大器20可以包括调整和/或温度的校正，以提高对数放大器的对数功能的准确性。
在图示的配置中，光电二极管5已经连接在第一输入端IN+和第二输入端IN-之间，以及输入电流IIN可对应于光电二极管的光电流。因此，在图示的配置中，输出端OUT的电压能够相对于光电二极管的光电流的对数进行变化。然而，其它实现也是可能的，包括例如，其中对数放大器20以其他方式配置和/或经配置以从不同的源接收输入电流IIN的配置。
传统的对数放大器可以响应于输入电流电平的变化具有不期望地变化的带宽。当该对数放大器用于放大光电二极管的光电流时，对数放大器的带宽可以取决于光电二极管的环境或背景光级别。带宽随着输入电流电平的该变化可阻碍对数放大器的操作，并可导致对数放大器具有不足以在特定照明条件下操作的带宽。例如，当光电二极管工作在低背景光水平时，传统的对数放大器的带宽可以相对较小，并且可不适合于放大特定脉冲或瞬态光电流信号。举例来说，传统的对数放大器可具有在低背景光水平的不足带宽以适当放大和脉冲血氧测试相关的输入信号。
与此相反，图2中对数放大器20可以具有响应于输入电流IIN的电平变化实质上稳定的带宽。
例如，在一个实施例中，图2的对数放大器20可以在如下等式1给出的laplace或S-域中的传递功能，其中VO是输出端OUT的电压，IIN是输入电流IIN，C是包括光电二极管5的电容的对数放大器20的输入电容，Cf是电容器12的反馈电容，G是第二电流I2与输出端OUT的电压的净比率，以及A0是涉及放大电路1的单位增益带宽f0的参数.例如，当S＝j*2*π*f0，A0/s可以具有约1的大小。
等式(1)
等式(1)可对应图2的对数放大器20的传递函数的一个实例，其使用忽略某些寄生效应的数学模型并表示使用单个极点模型或A0/s传输函数的放大电路1。然而，本领域的普通技术人员将会理解，放大器的传递函数的其他等式也是可能的，诸如基于不同数学模型、假设和/或约束的等式。
如等式1所示，对数放大器20可以具有频率响应，该频率响应具有独立于输入电流IIN的带宽。基于设计上的限制，该对数放大器20的各种参数的值(诸如，输入电容C、反馈电容Cf、因子G和/或参数A0)可经选择为调整频率响应以具有期望的特性。虽然在等式(1)中所示的传递函数的带宽可以独立于输入电流IIN，在某些配置中，寄生效果(诸如，电流镜13在低输入电流电平的其他极)可导致输入电流的电平影响带宽。因此，在某些实施方式中，当输入电流的范围跨越电流的至少三十倍程而放大器的带宽改变小于大约50％时，对数放大器20具有基本上恒定带宽与输入电流电平。
与此相反，某些传统的对数放大器具有在依赖于输入电流电平的频率滚降(rolloff)的增益。虽然补偿电容可在常规的对数放大器中用于获取在特定输入电流电平的所需带宽，但当输入电流电平变化时，对数放大器的带宽可以改变。带宽的变化可导致对数放大器具有不足以放大某些瞬态信号的带宽，诸如和脉冲血氧相关的电流脉冲。此外，带宽的变化可导致某些输入电流电平的峰值或甚至振荡，诸如高输入电流电平。该性能在使用脉冲或调制输入电流的应用中是非常不希望的。
图3是根据一个实施例的电流放大器30的电路图。电流放大器30包括第一输入端IN+和第二输入端IN-、放大电路1和反馈电路2，其在之前描述述。电流放大器30还包括输出端OUT和电流镜23。图3的电流镜23是类似于图1的电流镜3，除了电流镜23进一步包括电连接到输出端OUT的第二电流输出。
电流放大器30可用于放大在第一输入端IN+和二输入端IN-之间接收的输入电流IIN，并产生第三电流I3作为输出。第三电流I3可以基于电流镜23的增益进行放大。例如，电流镜23可包括用于镜像第一电流I1以产生第三电流I3的晶体管，以及电流镜23的增益可以通过选择电流镜的晶体管的相对宽度或驱动强度进行控制。在一个实施例中，第三电流I3被配置为大约等于n*I1，其中n是经选择以在约25至100的范围内的系数。虽然已经提供电流镜增益的一个示例，但其他增益值也可以使用。
电流放大器30可以用来产生第三电流I3，其可以对应于放大器的输入电流IIN的复制。第三电流I3可以具有相对于放大器的输入电流IIN的控制增益。此外，第三电流I3可以被提供给一个或多个负载，并同时避免负载电流源4。
图4A是根据一个实施例的跨阻放大器40的电路图。跨阻放大器40包括第一输入端IN+和第二输入端IN-、放大电路1、反馈电路2和电流镜像23，其如前面所述。跨阻放大器40进一步包括输出放大电路32、反馈电阻33以及输出端OUT。
输出放大电路32包括电连接到偏置电压VB的非反相电压输入、电连接到所述电流反射镜23的第二电流输出的反相电压输入、以及电连接到输出端OUT的电压输出。如图4A所示，反馈电阻33电连接在输出放大电路32的电压输出和反相电压输入之间。
跨阻放大器40可以提供相对于输入电流IIN变化的输出电压。例如，第三电流I3流过反馈电阻器33，并且可以具有大小大约等于n*IIN的幅度，其中n是从电流镜的电流输入到第二电流输出的电流镜23的增益。由于输出放大电路32使用负反馈连接，输出端OUT的电压大约可以等于VB+N*RF*IIN，其中VB是偏置电压VB的电压，以及RF是电阻电阻器33的电阻。
虽然图4A示出其中共同的偏置电压VB被提供给放大电路1的非反相电压输入以及输出放大电路32的非反相电压输入的配置，这里的教导也适用于其他的配置，诸如其中放大电路1和输出放大电路32接收不同的偏置电压的实施方式。
跨阻放大器40可以在各种应用中使用。在某些实施方式中，跨阻放大器40可以从高阻抗传感器(诸如，光电二极管5)接收电流，它可以响应于入射光束产生光电流。在该配置中，跨阻放大器40可以在OUT端上生成放大的缓冲输出电压，其可以提供到例如模拟到数字转换器(ADC)的输入，用于进一步处理。虽然图4A示出其中跨阻放大器40从光电二极管5接收输入电流IIN的配置，但跨阻放大器40可以从其他种类的来源接收输入电流IIN。
图4B是根据另一实施例的跨阻放大器50的电路图。跨阻放大器50包括第一输入端IN+、第二输入端IN-、放大电路1、反馈电路2和电流镜像23，其如前面所述。跨阻放大器50进一步包括偏置电路43、输出电流镜44和输出电阻45。
输出电流镜44包括电流输入，其经配置以从电流镜23的第二电流输出接收第三电流I3。输出电流镜44进一步包括电流输出，该电流输出电连接到输出端OUT并经配置以产生第四电流I4。输出电阻45电连接在输出端OUT的第一和基准电压V1之间。第四电流I4可以流过输出电阻45以在输出电流OUT上产生电压，其相应于跨阻放大器的输入电流变化。
在图示的配置中，跨阻放大器50包括偏置电路43，用于产生偏置电压VB。本文的教导也适用于其中放大器包括偏置电路用于产生偏置电压(诸如，偏置电压VB)的配置。然而，在其它配置中，一个或多个偏置电压可以通过其他方式提供，诸如通过放大器外部的电路。
图4A和4B示出了根据这里的教导的跨阻放大器的两个示例。然而，其他配置也是可能的。例如，在一个实施例中，输出电阻被电连接在电流镜23的第二电流输出和高电源之间，以及第三电流I3被配置成流过输出电阻，以产生参考到高功率电源的输出电压。因此，本文的教导适用于多种放大器配置。
图5A是根据另一实施例的放大器60的电路图。放大器60包括第一输入端IN+、第二输入端IN-、反馈电路2、和电流镜3，其在之前描述。放大器60进一步包括放大电路51，其包括运算跨导放大器电路52和53。图5A的放大电路51示出了图1-4B的放大电路的一个实施例。然而，其它实施方式也是可能的。
运算放大器52包括作为放大电路的非反相电压输入的第一或者非反相电压输入、用作放大电路的反相电压输入的第二或反相电压输入、以及用作放大电路的输出电压VOUT的电压输出。跨导电路53包括电连接到运算放大器52的电压输出的电压输入，以及经配置以作为放大电路的输出电流IOUT的电流输出。
该跨导电路53可以生成第一电流I1，使得第一电流I1大约等于GA*VOUT，其中GA是跨导电路53的跨导，以及VOUT是放大电路的输出电压VOUT的电压。跨导GA可经选择以控制通过电流镜3的电流的幅度和/或控制从放大电路的电流输出IOUT到反相电压输入的反馈环路的增益。
在一个实施例中，运算放大器52被配置为具有至少大约10,000的DC增益，以及跨导电路53被配置为具有在大约100微安/V到大约400微安/V的范围内的跨导。虽然已经提供合适增益和跨导值的一个示例，但其他值是可能的。
虽然图5A示出了包括电压输出VOUT和电流输出IOUT的放大电路的一个合适的实施方式，其他实施方式也是可能的。
图5B是根据另一实施例的放大器70的电路图。放大器70包括第一输入端IN+、第二输入端IN-、反馈电路2、和电流镜3，其在之前描述。放大器60进一步包括放大电路61。
图5B的放大电路61类似于图5A中的放大电路51，除了放大电路61示出包括第一至第三PNP双极型晶体管71-73以及第一至第三电阻81-83的跨导电路的具体结构。第一PNP双极型晶体管71包括电连接到第一参考电压V1的集电极、电连接到运算放大器52的电压输出的基极，以及电连接到第一电阻81的第一端的发射极。第一电阻81进一步包括电连接到第二PNP双极型晶体管72的集电极和以及第二和第三PNP双极型晶体管72,73的基极的第二端。第二PNP双极型晶体管72进一步包括通过第二电阻器82电连接到第二参考电压V2的发射器。第三PNP双极型晶体管73进一步包括被配置为产生第一电流I1的集电极以及通过第三电阻83电连接到第二参考电压V2的发射极。
第一PNP双极型晶体管71的发射极的电流可基于在第二基准电压V2和运算放大器52的输出电压之间的电压差进行改变。另外，发射极电流可以使用第二和第三PNP镜像双极型晶体管72、73以产生第一电流I1而进行镜像。虽然图5B示出跨导电路的一种实施方式，但其它配置是可能的。
图6A是根据另一实施例的跨阻放大器100的电路图。
图6A中的跨阻放大器100类似于图4A的跨阻放大器，除了跨阻放大器100示出反馈电路和电流镜的特定配置。具体而言，跨阻放大器100包括电连接在放大电路1的输出电压VOUT和反相输入之间的反馈电容12。此外，该跨阻放大器100进一步包括电流镜95。
电流镜95包括第一、第二和第三NPN型双极晶体管91-93。电流镜95从放大电路1接收第一电流I1，并且可以镜像所述第一电流I1以产生第二和第三电流I2、I3。所述第一NPN型双极晶体管91包括电连接到所述第一参考电压V1的发射极以及电连接到所述放大电路1的电流输出IOUT的基极和集电极。第二NPN双极型晶体管92包括电连接到所述第一电压参考V1的发射极、电连接到第一NPN型双极晶体管91的基极的基极、以及被配置为产生第二电流I2的集电极。第三NPN型双极晶体管93包括电连接到所述第一参考电压V1的发射极、电连接到第一NPN型双极晶体管91的基极的基极、和经配置以产生第三电流I3的集电极。
在某些实施方式中，第一NPN双极晶体管91的尺寸或驱动强度被选择以大于第二NPN型双极晶体管92的尺寸或驱动强度。以该形式配置第一和第二NPN型双极晶体管91、92可以减少通过第二NPN型双极晶体管92相对于第一NPN型双极晶体管91的电流流动，从而有助于减小第一NPN型双极晶体管91的动态阻抗并提高在低输入电流电平的性能。
图示的跨阻放大器100可以具有相对某些常规跨阻放大器的改进的噪音性能。例如，电流镜95可具有用于相对于第一电流I1放大第三电流I3的增益。电流镜的增益可以减少反馈电阻33的电流噪声贡献的影响。虽然跨阻放大器100的反馈配置也导致在第二NPN型双极晶体管92中具有相对于输入电流I IN的幅度的平方根改变的散粒噪声，所示的跨阻放大器100可仍然在相对低的输入电流电平具有改进的噪声性能。
跨阻放大器100可以具有响应于输入电流IIN的电平变化的实质上稳定的带宽。例如，以类似于之前参考图2所描述的形式，跨阻放大器100可具有传递函数，其具有响应于输入电流IIN的电平变化实质上稳定的带宽。
因此，跨阻放大器100可以操作在输入电流电平的范围之间实质上稳定的带宽。因此，跨阻放大器100可以很好地适合于各种应用，包括例如，低光照条件下的光电二极管的光电流进行放大。相比之下，某些传统的跨阻放大器可具有在小的输入电流电平降低的带宽，其可导致跨阻放大器具有不足以放大电流脉冲的带宽，诸如和脉冲血氧相关的脉冲。
跨阻放大器100的其它细节可以类似于之前所描述。
图6B是根据另一实施例的跨阻放大器110的电路图。
图6B所示的跨阻抗放大器110类似于图6A中的跨阻放大器100，除了图6B中的跨阻放大器110包括电流反射镜105，而不是电流镜95。电流镜105包括第一至第三NPN双极型晶体管91-93、第一至第三退化电阻101-103和稳定电阻104。第一退化电阻101电连接在第一NPN型双极晶体管91的发射极和第一参考电压V1之间。另外，第二和第三退化电阻102、103被分别电连接在第二和第三NPN型双极晶体管92、93的发射极与第一参考电压V1之间。稳定电阻104被电连接在第一NPN型双极晶体管91和第一参考电压V1的基极之间。
相对于图6A所示的结构，第一至第三退化电阻101-103可以提高跨阻放大器110在高输入电流电平的噪声性能。例如，退化电阻101-103可降低在高输入电流电平的噪音，诸如第一至第三NPN型双极晶体管91-93的散粒噪声。有关于使用退化电阻以提高电流镜的噪声性能的其它细节可以在由Alberto Bilotti和Eduardo Mariani于固态电路的IEEE期刊的第10卷、第6期发表的“Noise characteristics of current mirror sinks/sources”中找到。
虽然实施具有相对较高电阻的退化电阻101-103可以降低噪音，退化电阻101-103的存在也可以减少放大器的电压裕量。因此，在某些实施方式中，退化电阻101-103的电阻可以选择为相对较高以提供大量的噪声降低，并同时足够小以满足电压裕量规格。例如，在一个实施例中，跨阻放大器110使用电池(诸如，钮扣电池)供电，以及跨阻放大器110被配置为具有足够的裕量电压以在最低电池电压(例如，2V)操作。
第一个NPN双极晶体管91被实现在连接二极管的配置中，并因此类似于二极管操作。在某些实施方式中，二极管连接的第一NPN型双极晶体管91的尺寸和驱动强度经选择以大于第二NPN型双极晶体管92的尺寸和驱动强度，其可以减少通过第二NPN型双极晶体管相对于第一NPN型双极晶体管91的电流流动，以减少第一NPN双极晶体管91的动态阻抗并提高在低输入电流电平的性能。
稳定性电阻104可用于响应输入电流IIN的变化而控制跨阻放大器110的自适应增益范围。例如，稳定性电阻104和第一NPN型双极晶体管91的并联电阻可以控制和放大电路1的跨导和电流镜105的阻抗相关的最大增益。
因此，稳定性电阻104可以限制二极管连接的第一NPN双极晶体管放大器91对于小输入电流电平的增量电阻。在一个实施例中，稳定性电阻器104的电阻值被选择在约150千欧姆到约500千欧的范围内。虽然已经提供合适的电阻值的示例，其他电阻值也是可能的，诸如取决于应用程序和/或制造工艺的电阻。
图7是对于放大器的一个实施方式，各种输入电流电平的增益与频率的曲线图150。图150对应于图6B的跨阻放大器110的一个实施方式。
如图7所示，跨阻放大器的增益可以随着增加的频率将少或滚降(roll-off)。然而，在图示的示例中，跨阻放大器可具有在于10纳安(nA的)和10微安(UA)之间扩展的相对宽范围的输入电流电平之间具有实质上稳定的带宽。在1nA的输入电流，带宽由于寄生效应开始下降，但然后仅为约25千赫。
图8是对于放大器的一个实施方式的电流-时间的曲线图160。图形图160对应图6B的跨阻放大器110的一个实施方式的模拟。曲线图160包括第一电流IIN对时间的第一标绘161以及第三电流I3对时间的第二标绘162。
第一标绘161对应于与脉冲血氧相关的输入电流脉冲，其中信号电流与环境背景电流进行快速采样也很重要。电流脉冲开始于1毫秒并从10nA转换到10微安，并回到10nA的，并且可以在低环境光条件下和光电二极管的光电流相关联。如图8所示，放大器可用于可靠地放大该电流脉冲。虽然图8示出了图8的放大器110的一个实施方式的模拟结果，其他的模拟结果都是可能的，诸如基于放大器110的其他实现方式的模拟结果和/或使用不同参数或模型的模拟。
前面的描述和权利要求书可以指元件或特征“连接”或“耦合”在一起。如本文所用，除明文规定另注明外，“连接”意味着一个元件/特征直接或间接地连接到另一个元件/特征，不一定是机械地。同样，除明文规定另注明外，“耦合”意味着一个元件/特征直接或间接地耦合到另一个元件/特征，不一定是机械地。因此，虽然在图中所示的各种示意图描绘元件和部件的示例布置，其他的中间元件、设备、特征或组件可以存在于实际的实施中(假设正在描绘的电路功能不会受到影响)。
应用
采用上述方案的设备可以实现为各种电子设备。例如，放大器可用于消费电子产品、消费电子产品的零部件和电子测试设备中。消费电子产品可包括(但不限于)移动电话、电话、电视、计算机监视器、计算机、手持式计算机、个人数字助理(PDA)、微波炉、冰箱、汽车、立体声系统、记录器或磁带播放器、DVD播放器、CD播放器、VCR、MP3播放器、收音机、摄像机、照相机、数码相机、便携式存储器芯片、洗衣机、干衣机、洗衣机/干衣机、复印机、传真机、扫描仪、多功能外围装置、腕表、时钟、全球定位系统(GPS)设备、远程控制设备、无线网络终端等。此外，电子装置可包括未完成的产品。
虽然本发明已被描述在某些实施方案中，其他实施例对于本领域技术人员是显而易见的，包括并不提供本文提出的所有特征和优势的实施例，也在本发明的范围内。此外，上述的各种实施例可以组合以进一步提供实施例。此外，在一个实施例的上下文中示出的某些特征也可并入其它实施例中。因此，本发明的范围仅通过参考所附权利要求书限定。

Claims (23)

1.一种放大器，包括：
放大电路，包括第一电压输入、第二电压输入、电压输出和电流输出，其中所述放大电路被配置以通过放大第一电压输入和第二电压输入之间的电压差来控制电压输出的电压电平，以及其中所述放大电路进一步被配置以基于在第一电压输入和第二电压输入之间的电压差产生在电流输出上的第一电流；
反馈电路，电连接在所述放大电路的电压输出和所述放大电路的第二电压输入之间；
电流镜，包括电流输入和第一电流输出，所述电流输入电连接到所述放大电路的电流输出，以及第一电流输出电连接到所述放大电路的第二电压输入，其中所述电流镜被配置以接收在电流输入的第一电流并镜像所述第一电流，以产生在第一电流输出的第二电流；
第一输入端，电连接到所述放大电路的第一电压输入；
第二输入端，电连接到所述放大电路的第二电压输入，
其中所述放大器被配置成接收与在第一和第二输入端之间的输入电流对应的输入信号。
2.如权利要求1所述的放大器，其中所述电流镜被配置为产生第二电流，以便实质上等于输入电流。
3.如权利要求1所述的放大器，其中所述放大器被配置为无论输入电流的电平的变化，以实质上稳定的带宽进行操作。
4.如权利要求2所述的放大器，其中所述电流镜包括二极管，该二极管包括电连接到所述放大电路的电流输出的阳极，以及电连接到第一参考电压的阴极，其中，所述电流镜进一步包括双极型晶体管，所述双极型晶体管具有电连接到所述第一参考电压的发射极，电连接到所述二极管的阳极的基极，以及电连接到所述放大电路的第二电压输入的集电极。
5.如权利要求4所述的放大器，其中所述放大器进一步包括电连接到所述二极管的阳极的输出端，其中所述输出端的电压被配置以与输入电流的对数相关地改变。
6.如权利要求2所述的放大器，进一步包括被配置以生成输入电流的电流源，其中所述电流源电连接在所述第一输入端和所述第二输入端之间。
7.如权利要求6所述的放大器，其中所述电流源包括光电二极管，以及其中所述输入电流包括光电流。
8.如权利要求1所述的放大器，其中所述放大电路包括：
运算放大器，其包括第一电压输入、第二电压输入以及电压输出，其中所述运算放大器的所述第一电压输入用作所述放大电路的第一电压输入，其中，所述运算放大器的第二电压输入用作放大电路的第二电压输入，以及其中所述运算放大器的电压输出用作放大电路的电压输出；和
跨导电路，包括电压输入和电流输出，其中，所述跨导电路的电压输入被电连接到所述运算放大器的电压输出，以及其中所述跨导电路的电流输出被配置为产生第一电流。
9.如权利要求1所述的放大器，其中所述反馈电路包括电连接在所述放大电路的电压输出和所述放大电路的第二电压输入之间的反馈电容。
10.如权利要求1所述的放大器，其中所述放大电路的第一电压输入被配置成接收偏置电压。
11.如权利要求10所述的放大器，进一步包括偏置电路，被配置以生成所述偏置电压。
12.如权利要求1所述的放大器，其中所述电流镜进一步包括第二电流输出，其中所述电流镜被进一步配置以镜像所述第一电流以在第二电流输出产生第三电流。
13.如权利要求12所述的放大器，进一步包括：
输出端；
输出电流镜，经配置以镜像第三电流以产生第四电流；
输出电阻器，经配置以接收所述第四电流，其中所述输出电阻器电连接在所述输出端和第一参考电压之间。
14.如权利要求12所述的放大器，进一步包括：
输出端；
输出放大电路，包括：被配置成接收偏置电压的第一电压输入，第二电压输入，以及电连接到输出端的电压输出；和
反馈电阻，被配置为接收第三电流，其中所述反馈电阻电连接在输出放大电路的输出端与第二电压输入之间。
15.如权利要求12所述的放大器，其中，所述电流镜包括：
第一双极型晶体管，包括电连接到第一参考电压的发射极和电连接到所述放大电路的电流输出的集电极和基极；
第二双极型晶体管，包括电连接到所述第一参考电压的发射极，电连接到所述第一双极型晶体管的基极的基极，以及被配置为产生第二电流的集电极；和
第三双极型晶体管，包括电连接到所述第一参考电压的发射极，电连接到所述第一双极型晶体管的基极的基极，以及被配置为生成第三电流的集电极。
16.如权利要求15所述的放大器，进一步包括：
第一退化电阻，电连接在第一双极型晶体管的发射极和第一参考电压之间；
第二退化电阻，电连接在第二双极型晶体管的发射极和第一参考电压之间；和
第三退化电阻，电连接在第三双极型晶体管的发射极和第一参考电压之间。
17.如权利要求15所述的放大器，进一步包括稳定电阻，电连接在第一双极型晶体管的基极和所述第一参考电压之间。
18.一种电子实现的放大方法，该方法包括：
接收与在第一输入端和第二输入端之间流动的输入电流对应的输入信号；
利用放大电路放大在所述第一输入端和第二输入端之间的电压差，以产生放大的电压，其中所述放大电路包括电连接至所述第一输入端的第一电压输入、电连接到所述第二输入端的第二电压输入、用于提供放大的电压的电压输出，以及电流输出；
基于所述第一输入端和第二输入端之间的电压差生成所述放大电路的电流输出上的第一电流；
利用反馈电路提供从放大电路的电压输出到放大电路的第二电压输入的电压反馈；以及
通过使用电流镜以镜像第一电流以产生实质上等于输入电流的第二电流，而提供从放大电路的电流输出到放大电路的第二电压输入的电流反馈。
19.如权利要求18所述的方法，进一步包括：利用偏置电压偏置所述放大电路的第一电压输入。
20.如权利要求18所述的方法，进一步包括：利用光电二极管产生输入电流，所述光电二极管电连接在所述第一输入端和第二输入端之间，其中所述输入电流包括光电流。
21.如权利要求18所述的方法，进一步包括：镜像所述第一电流以产生第三电流。
22.如权利要求21所述的方法，进一步包括：将第三电流转换成输出电压。
23.一种电子装置，包括：
放大装置，包括第一电压输入、第二电压输入、电压输出和电流输出；
反馈电容器，电连接在所述放大装置的电压输出和所述放大装置的第二电压输入之间；以及
电流镜像装置，包括电流输入和电流输出，其中所述电流镜像装置的电流输入电连接到所述放大装置的电流输出，以及其中所述电流镜像装置的电流输出电连接到所述放大装置的第二电压输入；
第一输入端，电连接到所述放大装置的第一电压输入；
第二输入端，电连接到所述放大装置的第二电压输入，
其中所述放大装置被配置成接收与在第一和第二输入端之间的输入电流对应的输入信号。
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