CN105024662A - 一种高带外抑制的跨阻放大器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种高带外抑制的跨阻放大器，适合于但不限于软件无线电收发机中的下混频器电路，包括第一差分运算放大器（101）、第二差分运算放大器（102）、电容（111、112、113、114、151、152）和电阻（121、122、131、132、141、142）；将第一差分运算放大器的正相输出端通过电阻与第二差分运算放大器的反相输入端连接，第一差分运算放大器的反相输出端通过电阻与第二差分运算放大器的正相输入端连接；电容（151）的两端连接第一差分运算放大器（101）的正相输入端和反相输入端，电容（152）的两端连接第二差分运算放大器（102）的正相输入端和反相输入端；本发明通过在差分运算放大器（101,102）的输入端分别加入电容，实现跨阻放大器的带外抑制力的提高。

Description

一种高带外抑制的跨阻放大器

技术领域

本发明涉及半导体集成电路设计技术领域，尤其涉及一种高带外抑制的跨阻放大器。

背景技术

跨阻放大器（TIA）通常用于将输入电流信号转换为对应的输出电压信号。典型的TIA通常在从传感器接收电流信号的系统中使用，从传感器件输出的电流信号由TIA接收，并转换为可以被处理器处理的对应电压信号。

除了应用于传感器系统中以外，射频接收机系统越来越多地使用跨阻放大器，主要的应用领域为下混频器。目前无源下混频器结构包括两种：电压型（无源电压型混频器+跨导放大器+跨阻放大器）和电流型（跨导放大器+无源电流型混频器+跨阻放大器）。这两种结构中都需要跨阻放大器将电流信号转换为电压信号。

传统的跨阻放大器如图1所示，当考虑差分运算放大器的有限低频增益，带宽和输出驱动能力时，其零极点表达式为：

$z_1=\frac{A_{\mathrm{DC}}{R}_1}{r_o(R_1{C}_1+\mathrm{\τ})}---\left(1\right)$

$z_2=-(\frac{1}{\mathrm{\τ}}+\frac{1}{R_1{C}_1})---\left(2\right)$

$\left|z_{\mathrm{3,2}}\right|=\sqrt{\frac{A_{\mathrm{DC}}{R}_F}{r_o{\mathrm{\τR}}_2{C}_2}}---\left(3\right)$

$\left|p_{\mathrm{1,2}}\right|=\sqrt{\frac{1}{R_F{C}_1{R}_2{C}_2}}---\left(4\right)$

$\left|p_{\mathrm{3,4}}\right|=\sqrt{\frac{A_{\mathrm{DC}}^2{R}_F{R}_2}{{\mathrm{\τ}}^2(R_F+{2r}_o)(r_o+R_2)}}---\left(5\right)$

根据零极点表达式可以发现，跨阻放大器为四极点和四零点系统，这将导致其带外抑制力下降。

发明内容

（一）要解决的技术问题

本发明所要解决的技术问题是传统的跨阻放大器带外抑制力差的问题。

（二）技术方案

为此目的，本发明提出了一种高带外抑制的跨阻放大器，具体包括：

第一差分运算放大器（101）、第二差分运算放大器(102）、电容（111、112、113、114、151、152）和电阻（121、122、131、132、141、142）；

所述第一差分运算放大器（101）的输入端用于连接输入信号源；所述第一差分运算放大器（101）的正相输出端通过电阻（142）与所述第二差分运算放大器(102）的反相输入端连接，所述第一差分运算放大器（101）的反相输出端通过电阻（141）与所述第二差分运算放大器(102）的正相输入端连接；

电容（151）的两端连接所述第一差分运算放大器（101）的正相输入端和反相输入端，电容（152）的两端连接所述第二差分运算放大器（102）的正相输入端和反相输入端；

电容（111）的两端和电阻（121）的两端分别连接所述第一差分运算放大器（101）的正相输入端和反相输出端，电容（112）的两端和电阻（122）的两端分别连接所述第一差分运算放大器（101）的反相输入端和正相输出端；

电容（113）的两端连接所述第二差分运算放大器（102）的正相输入端和反相输出端，电容（114）的两端连接所述第二差分运算放大器（102）的反相输入端和正相输出端；

电阻（131）的两端连接所述第一差分运算放大器（101）的正相输入端和所述第二差分运算放大器（102）的反相输出端；

电阻（132）的两端连接所述第一差分运算放大器（101）的反相输入端和所述第二差分运算放大器（102）的正相输出端。

优选地，所述第一差分运算放大器（101）和第二差分运算放大器(102）为相同的运算放大器。

优选地，所述第一差分运算放大器（101）和第二差分运算放大器(102）为全差分运算放大器。

优选地，所述电容（151）和电容（152）为相同的电容元件。

（三）有益效果

本发明提出的一种高带外抑制的跨阻放大器，通过在差分运算放大器的输入端分别加入电容，实现跨阻放大器的带外抑制力的提高。

附图说明

通过参考附图会更加清楚的理解本发明的特征和优点，附图是示意性的而不应理解为对本发明进行任何限制，在附图中：

图1是传统跨阻放大器的结构图；

图2是本发明一种高带外抑制的跨阻放大器的结构图；

图3是本发明一种高带外抑制的跨阻放大器小信号分析图；

图4是本发明一种高带外抑制的跨阻放大器零极点分析图；

图5是本发明实施例中两种跨阻放大器仿真结果对比示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

本发明提出了一种高带外抑制的跨阻放大器，如图2所示，具体包括：

第一差分运算放大器（101）、第二差分运算放大器(102）、电容（111、112、113、114、151、152）和电阻（121、122、131、132、141、142）；

所述第一差分运算放大器（101）的输入端用于连接输入信号源；所述第一差分运算放大器（101）的正相输出端通过电阻（142）与所述第二差分运算放大器(102）的反相输入端连接，所述第一差分运算放大器（101）的反相输出端通过电阻（141）与所述第二差分运算放大器(102）的正相输入端连接；

电容（151）的两端连接所述第一差分运算放大器（101）的正相输入端和反相输入端，电容（152）的两端连接所述第二差分运算放大器（102）的正相输入端和反相输入端；

电容（111）的两端和电阻（121）的两端分别连接所述第一差分运算放大器（101）的正相输入端和反相输出端，电容（112）的两端和电阻（122）的两端分别连接所述第一差分运算放大器（101）的反相输入端和正相输出端；

电容（113）的两端连接所述第二差分运算放大器（102）的正相输入端和反相输出端，电容（114）的两端连接所述第二差分运算放大器（102）的反相输入端和正相输出端；

电阻（131）的两端连接所述第一差分运算放大器（101）的正相输入端和所述第二差分运算放大器（102）的反相输出端；

电阻（132）的两端连接所述第一差分运算放大器（101）的反相输入端和所述第二差分运算放大器（102）的正相输出端。

其中，所述第一差分运算放大器（101）和第二差分运算放大器(102）为相同的运算放大器。

其中，所述第一差分运算放大器（101）和第二差分运算放大器(102）为全差分运算放大器。

其中，所述电容（151）和电容（152）为相同的电容元件。

其中，第一差分运算放大器（101）的输入端分别连接I_RF+和I_RF-，第二差分运算放大器（102）的输出端连接V_IF-和V_IF+。

当第一差分运算放大器（101）和第二差分运算放大器（102）为理想运算放大器时，跨阻放大器为两极点系统；当考虑第一差分运算放大器（101）和第二差分运算放大器（102）的有限低频增益，带宽和输出驱动能力时，跨阻放大器为四极点和四零点系统，导致带外抑制能力降低；当第一差分运算放大器（101）和第二差分运算放大器（102）的输入端分别加入电容（151,152）后，跨阻放大器为六极点和四零点系统，带外抑制能力提高。

本发明实施例提出的一种高带外抑制的跨阻放大器适用于跨导放大器+无源电流型混频器+跨阻放大器结构的下混频器电路和无源电压型混频器+跨导放大器+跨阻放大器的下混频器电路，能够有效地提高混频器电路抗带外干扰能力。

图3为本发明提出的高带外抑制的跨阻放大器小信号分析图，根据图2和图3可以得到零极点表达式：

$z_1=\frac{A_{\mathrm{DC}}{R}_1}{r_o[R_1(C_1+C_2)+]\mathrm{\τ}}---\left(1\right)$

$z_2=-[\frac{1}{\mathrm{\τ}}+\frac{1}{R_1(C_1+C_2)}]---\left(2\right)$

$\left|z_{\mathrm{3,4}}\right|=\sqrt{\frac{A_{\mathrm{DC}}{R}_F(C_1+C_2)}{r_o\mathrm{\τ}{C}_1(R_2{C}_2-R_F{C}_2+2R_2{C}_B)}}---\left(3\right)$

$\left|P_{\mathrm{1,2}}\right|=\sqrt{\frac{1}{R_F{R}_2{C}_1{C}_2}}---\left(4\right)$

$\left|P_{\mathrm{3,4}}\right|=\frac{1}{2}\sqrt{\frac{A_{\mathrm{DC}}}{\mathrm{\τ}{C}_B{r}_O}}---\left(5\right)$

$\left|P_{\mathrm{5,6}}\right|=\sqrt{\frac{A_{\mathrm{DC}}}{\mathrm{\τ}{C}_B{r}_O}}---\left(6\right)$

其中，z₁、z₂、z₃、z₄为系统的四个零点，p₁、p₂、p₃、p₄、p₅、p₆为系统的六个极点，r_o为系统差分运算放大器的等效输出电阻，τ为延时。

根据上面零极点的表达式可知，本发明提出的高带外抑制的跨阻放大器为四零点和六极点系统，图4是本发明一种高带外抑制的跨阻放大器零极点分析图，从图4中可以看出：

图4中（a）为当差分运算放大器为理想情况时，跨阻放大器为两极点系统；图4中（b）为当考虑差分运算放大器的有限驱动能力时，跨阻放大器为两零点和两极点系统，带外抑制力存在一定限制，超过零点位置后，带外抑制力不再提高；图4中（c）为考虑差分运算放大器的有限驱动能力和带宽时，跨阻放大器为四零点和四极点系统，带外抑制力存在最差的频率点。为了提高带外抑制力，降低最差带外抑制力，两个差分运算放大器的输入端分别引入电容（151,152）。此时如图4中（d）所示，跨阻放大器为四零点和六极点系统，带外抑制力得以提高。

对比分析两种不同结构的仿真结果如图5所示，结构一为仅在差分运算放大器（101）输入端加入电容（151），结构二为在差分运算放大器（101，102）输入端分别加入电容（151，152）。可以发现结构二具有更高的带外抑制力。而且本发明实施例中提出的一种高带外抑制的跨阻放大器具有二阶低通滤波器特性。

本发明提出的一种高带外抑制的跨阻放大器，通过在差分运算放大器的输入端分别加入电容，实现跨阻放大器的带外抑制力的提高。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (4)

1.一种高带外抑制的跨阻放大器，其特征在于，包括：第一差分运算放大器（101）、第二差分运算放大器(102）、电容（111、112、113、114、151、152）和电阻（121、122、131、132、141、142）；

所述第一差分运算放大器（101）的输入端用于连接输入信号源；所述第一差分运算放大器（101）的正相输出端通过电阻（142）与所述第二差分运算放大器(102）的反相输入端连接，所述第一差分运算放大器（101）的反相输出端通过电阻（141）与所述第二差分运算放大器(102）的正相输入端连接；

电容（151）的两端连接所述第一差分运算放大器（101）的正相输入端和反相输入端，电容（152）的两端连接所述第二差分运算放大器（102）的正相输入端和反相输入端；

电容（111）的两端和电阻（121）的两端分别连接所述第一差分运算放大器（101）的正相输入端和反相输出端，电容（112）的两端和电阻（122）的两端分别连接所述第一差分运算放大器（101）的反相输入端和正相输出端；

电容（113）的两端连接所述第二差分运算放大器（102）的正相输入端和反相输出端，电容（114）的两端连接所述第二差分运算放大器（102）的反相输入端和正相输出端；

电阻（131）的两端连接所述第一差分运算放大器（101）的正相输入端和所述第二差分运算放大器（102）的反相输出端；

电阻（132）的两端连接所述第一差分运算放大器（101）的反相输入端和所述第二差分运算放大器（102）的正相输出端。

2.根据权利要求1所述的跨阻放大器，其特征在于，所述第一差分运算放大器（101）和第二差分运算放大器(102）为相同的运算放大器。

3.根据权利要求2所述的跨阻放大器，其特征在于，所述第一差分运算放大器（101）和第二差分运算放大器(102）为全差分运算放大器。

4.根据权利要求1-3任一权利要求所述的跨阻放大器，其特征在于，所述电容（151）和电容（152）为相同的电容元件。