CN106253862A - 一种高等效带宽和高增益线性度的放大电路 - Google Patents

一种高等效带宽和高增益线性度的放大电路 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种高等效带宽和高增益线性度的放大电路，包括主放大器、第一辅助放大器和反馈电路；所述反馈电路的第一输入端接收输入信号，反馈电路的第二输入端接主放大器的输出端，反馈电路的输出端接主放大器的输入端；所述第一辅助放大器的输入端接主放大器的输入端；所述主放大器的输出和第一辅助放大器的输出之差作为放大电路的输出。本发明提供的放大电路在同等电流下增加了放大电路的等效带宽，降低了对主放大器的增益和增益偏移的要求，降低了对开环放大器的增益线性度的要求。

Description

一种高等效带宽和高增益线性度的放大电路
技术领域
本发明涉及放大电路技术领域，特别是涉及一种高等效带宽和高增益线性度的放大电路。
背景技术
在信号处理电路中，通常需要闭环放大电路来实现对输入信号的放大、相减等处理。由于闭环放大电路需要考虑环路的稳定性，因此在其他同等条件下闭环放大电路带宽通常不如开环放大电路，导致放大电路环路的时间常数较大。在开关电容电路中，这会导致在规定时间内放大器输出未能达到预期值，无法达到要求的精度。另外，放大电路通常需要处理较大幅度的信号，通常开环放大电路的增益和带宽都会随着输出信号的变化而发生较大变化，从而导致输入到输出增益的非线性。因此开环放大电路通常无法直接用于高精度信号处理。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种高等效带宽和高增益线性度的放大电路，能够在同等电流下增加放大电路的等效带宽。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种高等效带宽和高增益线性度的放大电路，包括主放大器、第一辅助放大器和反馈电路；所述反馈电路的第一输入端接收输入信号，反馈电路的第二输入端接主放大器的输出端，反馈电路的输出端接主放大器的输入端；所述第一辅助放大器的输入端接主放大器的输入端；所述主放大器的输出和第一辅助放大器的输出之差作为放大电路的输出。
所述反馈电路为电容反馈电路或电阻反馈电路。
所述反馈电路包括第一反馈电路和第二反馈电路，第一反馈电路的第一输入端接收输入信号，第一反馈电路的第二输入端接主放大器的正输出端，第一反馈电路的输出端接主放大器的负输入端。
所述第二反馈电路的第一输入端接收输入信号，第二反馈电路的第二输入端接主放大器的负输出端，第二反馈电路的输出端接主放大器的正输入端。
所述第一辅助放大器的正输入端接主放大器的负输入端，第一辅助放大器的负输入端接主放大器的正输入端。
所述主放大器的正输出端和负输出端的输出之差作为主放大器的输出，所述第一辅助放大器的正输出端和负输出端的输出之差作为第一辅助放大器的输出。
所述第一反馈电路和第二反馈电路的结构相同。
所述第一反馈电路包括第一采样电容和第一反馈电容，第一采样电容的一端接收输入信号，第一采样电容的另一端接第一反馈电容，第一反馈电容的另一端接主放大器的正输出端，第一采样电容和第一反馈电容的连接点接主放大器的负输入端。
所述第二反馈电路包括第二采样电容和第二反馈电容，第二采样电容的一端接收输入信号，第二采样电容的另一端接第二反馈电容，第二反馈电容的另一端接主放大器的负输出端，第二采样电容和第二反馈电容的连接点接主放大器的正输入端。
所述放大电路还包括增益校正电路和第二辅助放大器，第二辅助放大器与增益校正电路并联，所述增益校正电路的输入端接收增益目标值，增益校正电路的输出端分别接第一辅助放大器和第二辅助放大器的增益控制端。
所述第一辅助放大器为单机放大器或多级级联放大器。
所述第一辅助放大器为开环放大器或闭环放大器。
本发明的有益效果是：本发明提供的放大电路在同等电流下增加了放大电路的等效带宽，降低了对主放大器的增益和增益偏移的要求，降低了对开环放大器的增益线性度的要求。
附图说明
图1为本发明中放大电路的一个实施例的示意图；
图2为本发明中放大电路的又一实施例的示意图；
图3为本发明中放大电路的又一实施例的示意图。
具体实施方式
下面结合附图进一步详细描述本发明的技术方案，但本发明的保护范围不局限于以下所述。
实施例一
如图1所示，一种高等效带宽和高增益线性度的放大电路，包括主放大器A1、第一辅助放大器A2和反馈电路N；所述反馈电路N的第一输入端接收输入信号，反馈电路N的第二输入端接主放大器的输出端，反馈电路N的输出端接主放大器A1的输入端；所述第一辅助放大器A2的输入端接主放大器A1的输入端；所述主放大器A1的输出和第一辅助放大器A2的输出之差作为放大电路的输出。
所述反馈电路N为电容反馈电路或电阻反馈电路。
所述第一辅助放大器A2为单机放大器或多级级联放大器。
所述第一辅助放大器A2为开环放大器或闭环放大器。
实施例二
如图2所示，一种高等效带宽和高增益线性度的放大电路，包括主放大器A1、第一辅助放大器A2和反馈电路N；所述反馈电路N包括第一反馈电路N1和第二反馈电路N2，第一反馈电路N1的第一输入端接收输入信号，第一反馈电路N1的第二输入端接主放大器A1的正输出端，第一反馈电路N1的输出端接主放大器A1的负输入端。
所述第二反馈电路N2的第一输入端接收输入信号，第二反馈电路N2的第二输入端接主放大器A1的负输出端，第二反馈电路N2的输出端接主放大器A1的正输入端。
所述第一辅助放大器A2的正输入端接主放大器A1的负输入端，第一辅助放大器A2的负输入端接主放大器A1的正输入端。
所述主放大器A1的正输出端和负输出端的输出之差作为主放大器A1的输出，所述第一辅助放大器A2的正输出端和负输出端的输出之差作为第一辅助放大器A2的输出，所述主放大器A1的输出和第一辅助放大器A2的输出之差作为放大电路的输出。
所述第一反馈电路N1和第二反馈电路N2的结构相同。
所述第一反馈电路N1包括第一采样电容CS1和第一反馈电容CF1，第一采样电容CS1的一端接收输入信号，第一采样电容CS1的另一端接第一反馈电容CF1，第一反馈电容CF1的另一端接主放大器A1的正输出端，第一采样电容CS1和第一反馈电容CF1的连接点接主放大器A1的负输入端。
所述第二反馈电路N2包括第二采样电容CS2和第二反馈电容CF2，第二采样电容CS2的一端接收输入信号，第二采样电容CS2的另一端接第二反馈电容CF2，第二反馈电容CF2的另一端接主放大器A1的负输出端，第二采样电容CS2和第二反馈电容CF2的连接点接主放大器A1的正输入端。
本实施例中，主放大器A1、第一采样电容CS1、第一反馈电容CF1、第二采样电容CS2和第二反馈电容CF2构成基本的放大电路，其中第一采样电容CS1和第二采样电容CS2相同，第一反馈电容CF1和第二反馈电容CF2相同，其输入到输出端增益为-Cs/Cf。设主放大器A1的跨导为gm、输出电容为CL、输出电阻为RL，辅助放大器A2的增益为A2′，主放大器A1的输入到输出传递函数为：
V O U T 1 = ( C f * s - g m ) * C s C s + C f 1 R L + g m * C f C s + C f + ( C L + C s * C f C s + C f ) * s * ( V I P - V I N )
式中，VOUT1-主放大器A1的输出，Cs-第一采样电容CS1或第二采样电容CS2的值，Cf-第一反馈电容CF1或第二反馈电容CF2的值，s-，VIP-，VIN-。
传递函数中包含一个极点，极点位置在:
ω o = - C f C s + C f * g m C L + C s * C f C s + C f
主放大器A1的输入端的电压差为：
V A 1 - V A 2 = ( 1 R L + ( C L + C f ) * s ) * C s C s + C f 1 R L + g m * C f C s + C f + ( C L + C s * C f C s + C f ) * s * ( V I P - V I N )
则：
V O U T 3 = ( C f * s - g m ) * C s C s + C f - A 2 * ( 1 R L + ( C L + C f ) * s ) * C s C s + C f 1 R L + g m * C f C s + C f + ( C L + C s * C f C s + C f ) * s ( V I P - V I N )
如果那么：
V O U T 3 = - C s C f
从上可知，本实施例中第一辅助放大器A2在放大电路中给的作用相当于在输出上增加了一个左零点，从而提升了放大电路的带宽。当第一辅助放大器A2的增益等于主放大器A1的反馈系数的倒数时，所述左零点可以抵消放大电路中存在的极点，从而提升主放大器A1输出的带宽。由于第一辅助放大器A2的带宽有限，设第一辅助放大器A2的带宽为ω0，则第一辅助放大器A2的输入到输出的传递函数为：
A 2 ′ = C s + C f C f * 1 1 + s ω 0
因此，实际上：
V O U T 3 = ( C f * s - g m ) * C s C s + C f - C s + C f C f * 1 1 + s ω o * ( 1 R L + ( C L + C f ) * s ) * C s C s + C f 1 R L + g m * C f C s + C f + ( C L + C s * C f C s + C f ) * s ( V I P - V I N )
由此可知，第一辅助放大器A2的带宽越大，VOUT3的最终输出越接近理想输出，由于不需要考虑环路稳定性，开环放大器的带宽可以设计为远大于闭环放大器，因此第一辅助放大器A2可以选择开环放大器。
第一辅助放大器A2只需要处理主放大器A1的输入端的差分信号。在主放大器A1的带宽相对较大的条件下，其差分输入端的电压幅度远小于主放大器A1输出端的信号电压幅度。第一辅助放大器A2只需要处理这个小幅度的信号，因此其线性度得以足够满足要求。与直接将开环放大器作为信号通路上的放大器不同，第一辅助放大器A2并不会影响最终的建立精度，如果主放大器A1的带宽足够宽，其差分输入端“虚拟短路”，那么第一辅助放大器A2输出为0。
本发明能够增加放大电路的等效增益，并且减小增益偏移对放大电路的线性度的影响。主放大器A1的增益通常是随着输出信号的变化而变化的，增益偏移会导致放大电路等效增益随着输出信号幅度的变化而变化，导致其线性度变差。设主放大器A1的增益为A1′(VOUT)，其中A1′(VOUT)是一个与输出电压相关的函数，不考虑主放大器A1和第一辅助放大器A2的带宽，则放大电路的传递函数为：
V O U T 1 = - C s C f 1 A 1 ′ ( V O U T ) * ( C s C f + 1 ) + 1 ( V I P - V I N )
V O U T 2 = C s C f * 1 A 1 ′ ( V O U T ) * A 2 ′ 1 A 1 ′ ( V O U T ) * ( C s C f + 1 ) + 1 ( V I P - V I N )
V O U T 3 = - C s C f 1 A 1 ′ ( V O U T ) * A 2 ′ + 1 1 A 1 ′ ( V O U T ) * C s + C f C f + 1 ( V I P - V I N )
V O U T 3 ≈ - C s C f 1 1 A 1 ′ ( V O U T ) * C s + C f C f - 1 A 1 ′ ( V O U T ) * A 2 ′ + 1 ( V I P - V I N )
当时，A1′(VOUT)这个非线性分量的系数总是减小的，并且当时
V O U T 3 = - C s C f ( V I P - V I N )
公式中并不包含任何与VOUT相关的分量，因此实际上是提升了放大电路的等效增益。第一辅助放大器A2的带宽和增益直接影响到对放大电路带宽和增益提升效果。由于不需要考虑环路稳定性，在相同电流下，其带宽可以远大于主放大器，因此能在相同的电流下达到更高的带宽。
实施例三
本实施例的技术方案在实施例二的技术方案上增加了增益校正电路M和第二辅助放大器A3，第二辅助放大器A3与增益校正电路M并联，所述增益校正电路M的输入端接收增益目标值，增益校正电路M的输出端分别接第一辅助放大器A2和第二辅助放大器A3的增益控制端。增益校正电路M的输出同时控制第一辅助放大器A2和第二辅助放大器A3的增益控制端，这样就能够对辅助放大器进行后台校正。
由于第一辅助放大器A2通常为开环放大器，其增益容易受到工艺偏差影响。但是对第一辅助放大器A2的增益并不需要很精确，因为在高速电路中最终通常是第一辅助放大器A2的带宽限制了最终的效果。第一辅助放大器A2也可以通过修调的方式来提高增益精确度，比如可以先对第一辅助放大器A2做前台校正，或者设计一个第一辅助放大器A2的冗余单元专门用于后台校正，校正的出来的控制电压同时控制放大电路中的第一辅助放大器A2。再或者配合系统中的算法如LMS算法，可将本实施例的益处最大化。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。

Claims (8)

1.一种高等效带宽和高增益线性度的放大电路，其特征在于：包括主放大器、第一辅助放大器和反馈电路；
所述反馈电路的第一输入端接收输入信号，反馈电路的第二输入端接主放大器的输出端，反馈电路的输出端接主放大器的输入端；
所述第一辅助放大器的输入端接主放大器的输入端；
所述主放大器的输出和第一辅助放大器的输出之差作为放大电路的输出。
2.根据权利要求1所述的一种高等效带宽和高增益线性度的放大电路，其特征在于：所述反馈电路为电容反馈电路或电阻反馈电路。
3.根据权利要求1所述的一种高等效带宽和高增益线性度的放大电路，其特征在于：所述反馈电路包括第一反馈电路和第二反馈电路，第一反馈电路的第一输入端接收输入信号，第一反馈电路的第二输入端接主放大器的正输出端，第一反馈电路的输出端接主放大器的负输入端；
所述第二反馈电路的第一输入端接收输入信号，第二反馈电路的第二输入端接主放大器的负输出端，第二反馈电路的输出端接主放大器的正输入端；
所述第一辅助放大器的正输入端接主放大器的负输入端，第一辅助放大器的负输入端接主放大器的正输入端；
所述主放大器的正输出端和负输出端的输出之差作为主放大器的输出，所述第一辅助放大器的正输出端和负输出端的输出之差作为第一辅助放大器的输出。
4.根据权利要求1所述的一种高等效带宽和高增益线性度的放大电路，其特征在于：所述第一反馈电路和第二反馈电路的结构相同。
5.根据权利要求4所述的一种高等效带宽和高增益线性度的放大电路，其特征在于：所述第一反馈电路包括第一采样电容和第一反馈电容，第一采样电容的一端接收输入信号，第一采样电容的另一端接第一反馈电容，第一反馈电容的另一端接主放大器的正输出端，第一采样电容和第一反馈电容的连接点接主放大器的负输入端；
所述第二反馈电路包括第二采样电容和第二反馈电容，第二采样电容的一端接收输入信号，第二采样电容的另一端接第二反馈电容，第二反馈电容的另一端接主放大器的负输出端，第二采样电容和第二反馈电容的连接点接主放大器的正输入端。
6.根据权利要求1所述的一种高等效带宽和高增益线性度的放大电路，其特征在于：所述放大电路还包括增益校正电路和第二辅助放大器，第二辅助放大器与增益校正电路并联，所述增益校正电路的输入端接收增益目标值，增益校正电路的输出端分别接第一辅助放大器和第二辅助放大器的增益控制端。
7.根据权利要求1所述的一种高等效带宽和高增益线性度的放大电路，其特征在于：所述第一辅助放大器为单机放大器或多级级联放大器。
8.根据权利要求1所述的一种高等效带宽和高增益线性度的放大电路，其特征在于：所述第一辅助放大器为开环放大器或闭环放大器。
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