CN107425817B - 具有低失真的跨导放大器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种低失真跨导放大器，所述低失真跨导放大器使用虚地输入级、一对电流镜、和偏置电流源来将电流提供到已接地负载。所述虚地输入级可包括被布置作为达灵顿对的晶体管。所述低失真跨导放大器可用作能在高频率下工作的电压控制AC电流源。

Description

具有低失真的跨导放大器
背景技术
技术领域
本公开整体涉及用在电子电路中的精密跨导放大器。
相关领域的说明
用在电路中的某些放大器是电压放大器，该电压放大器具有输入电压和对应的输出电压，输出电压比输入电压大一定增益系数。用在电路中的其他放大器是电流放大器，该电流放大器具有输入电流和对应的输出电流，输出电流比输入电流大一定增益系数。用在电路中的另外其他放大器是跨导放大器或跨阻放大器，该跨导放大器具有输入电压和对应的输出电流，该跨阻放大器具有输入电流和对应的输出电压。除应用增益外，跨导放大器和跨阻放大器还分别提供电压到电流或电流到电压转换功能。
此类转换功能可以多种方式实施。例如，当电阻器连接在DC电压源V与地之间时，电流I流经电阻器。因此，电阻器可被视为将电压转换成电流的装置，其中输出电流与施加的输入电压根据欧姆定律成比例：I = V/R或I = GV。当连接到电阻器的电压源进一步与放大器级串联时，便得到跨导放大器。跟电阻器一样，跨导放大器也输出与其输入电压成比例的电流。放大器级可为例如晶体管、运算放大器（“运放”）或晶体管的布置。所得到的跨导放大器提供用于在电子电路中使用的电压控制电流源，如本领所已知。
跨导是指跨直流(DC)装置的电导率，即，装置的输入与输出之间的电导率。电导率G被定义为DC电路中电阻的倒数：G (mhos) = 1/R (Ω)。术语“导纳”是指交流(AC)电路中的电导率，或者阻抗的倒数：Y (mhos) = 1/Z (Ω)，如本领域所熟知。跨导的AC当量于是就是跨导纳。
达灵顿(Darlington)对在电路设计领域中被视为其中第一晶体管的输出电流被第二晶体管进一步放大的一对双极晶体管。达灵顿对因此表现得如同具有高电流增益的单个晶体管，该电流增益大约等于单个晶体管的增益的平方。达灵顿对的缺点在于，它在高频率下往往变得不稳定，因此其工作带宽有限。
电流镜在电路设计领域中被视为可用于将偏置电流提供到负载的电路。电流镜可被视为电流控制电流源。
发明内容
低失真跨导放大器使用虚地输入级、一对电流镜、和偏置电流源来将电流提供到已接地负载。虚地输入级可包括被布置作为达灵顿对的晶体管。低失真跨导放大器可用作可在高频率下工作的电压控制AC电流源。
附图说明
图1为根据现有技术的基本跨导放大器电路的高层级示意图。
图2为根据现有技术的跨导放大器电路的示意图。
图3为根据现有技术的包括电流镜和虚地输入级的跨导放大器电路的示意图。
图4为根据本文所述的实施例的适合用在跨导放大器中的虚地输入级的电路示意图。
图5为根据本文所述的实施例的包括两个电流镜和一个虚地输入级的跨导放大器电路的高层级示意图。
图6为根据本文所述的实施例的用达灵顿对实施的跨导放大器电路的示意图。
图7为图6所示的跨导放大器电路的详细示意图。
图8为根据本文所述的实施例的用场效应晶体管实施的跨导放大器电路的示意图。
图9为根据本文所述的实施例的用挽输入级实施的跨导放大器电路的示意图。
图10为根据本文所述的实施例的用电流增益或衰减镜实施的跨导放大器电路的示意图。
图11为根据本文所述的实施例的B类跨导放大器电路的示意图。
图12为示出根据本文所述的实施例的操作跨导放大器电路的方法的流程图。
具体实施方式
在下面的描述中，阐述了某些具体细节以便提供对所公开的主题的各个方面的彻底理解。然而，所公开的主题可在不具有这些具体细节的情况下实践。在一些情况下，并未详细描述包括本文所公开的主题的实施例的熟知结构和方法，以免模糊对本公开的其他方面的描述。
除非上下文另有要求，否则在随后的整个说明书和权利要求书中，词语“包括(comprise)”及其变形形式，诸如“包括(comprises)”和“包括(comprising)”应被理解为开放性、包含性的含义，即“包括但不限于”。
本说明书通篇对“一个实施例”或“实施例”的引用意指结合该实施例描述的特定特征、结构或特性包括在至少一个实施例中。因此，本说明书通篇各个地方出现的短语“在一个实施例中”或“在实施例中”不一定全部指代相同的实施例。此外，在本公开的一个或多个方面中，特定特征、结构或特性可以任何合适的方式组合。
在附图中，相同的附图标记指示相似的特征或元件。附图中的特征的尺寸和相对位置不一定按比例绘制。此外，本文参考示例性跨导放大器电路描述了具体实施例。本公开以及对某些材料、尺寸和细节以及方法步骤的顺序的提及不应限于所示出的那些。
图1示出了已知的一般跨导放大器电路100。跨导放大器电路100包括输入级102、输出级104和跨导放大器106。跨导放大器电路100可被视为电压控制电流源，该电压控制电流源响应于Vin产生输出电流Iout。输出级104包括负载电阻器RL，输出电流Iout通过该负载电阻器流到地。输入电压与输出电流之间的关系为
Iout = gmVin。
其中gm为跨导放大器106的增益。本文所述的实施例提供了跨导放大器106的各种构型。
图2示出了已知的跨导放大器电路105。跨导放大器电路105包括输入级102和具有已接地负载的输出级104。在跨导放大器电路105中，输入级102还包括运放U1、NPN双极结型晶体管(BJT) Q0以及精密参考电阻器Rref。NPN晶体管Q0具有发射极端子、集电极端子和基极端子，如本领所已知。运放U1具有正输入端子和负输入端子以及输出端子，如本领所已知。在跨导放大器电路105中，Vin直接耦接到U1的正端子，并且Rref在节点A处耦接到U1的负端子。U1的输出耦接到Q0的基极。Q1的发射极端子耦接到节点A。如果Q0的电流增益足够大，则
Iout = -Iref = -Vin / Rref。
跨导放大器106的增益于是为
gm = -1 / Rref。
能够将单端输入电压转换为单端接地参考输出电流的现有跨导放大器通常使用基于运放的电压到电流转换器，诸如图2所示。然而，此类放大器对负载RL具有限制。在实践中，由于以下例子所示的输入范围限制和输出范围限制，已接地负载是不可能实现的。需注意，Vin必须为正，以便Q1处于正向有源模式（Vbe ≥ 0.7V并且Vce ≥ 0.2V）。限制Vin ≥ 0意味着Iout ≥ 0。此外，Vout = Vin + Vce。因此，Vout ≥ Vin + 0.2V，这就要求RL < 0。
图3示出了已知的跨导放大器电路107。跨导放大器电路107通过添加电流镜108和电流源Ib以用于将电流传送到已接地负载，来克服图2的常规跨导放大器电路105的一些限制。偏置电流Ib耦接到负电源电压Vee。在跨导放大器电路107中，输出级104接地。
电流镜108耦接到电源Vcc。当晶体管Q0接通时，输入处的电流Iref在电流镜108的输出处被“镜像”。即，电流镜108通过传送相当的输出电流来对输入电流做出响应。这就意味着，无论哪种电流离开电流镜108的输入端子，该电流还会离开电流镜108的输出端子。电流镜108具有将电流推送到负载RL中的效应，这与从负载挽取电流相反。
在跨导放大器电路107中，跨导放大器106a还包括如图2所示的常规运放级110a。运放级110a包括运算放大器U1、NPN晶体管Q0和参考电阻器Rref。运放U1的负端子经由Rref耦接到地。U1的输出耦接到Q0的基极端子，并且Q0的发射极端子耦接到U1的负输入，使得Iref= Vin / Rref。增加电流源Ib将跨导增益关系改变成：
Iout = - gmVin – Ib。
电流源Ib可被设计为确保跨导放大器107将负输出电流传送到任意的负载。这就消除了限制Iout ≥ 0。然而，当Iout = 0时，输入电压是非零的，即，施加DC偏置：Vin = IbRref。跨导放大器的输入处对DC偏置的需求可能是一个缺点。第一，需要额外的电路来在输入处提供DC偏置。第二，在放大器的输入处添加DC偏置电压会减少DC偏置方向上信号净空的量。第三，靠近电源轨（Vcc或Vee）操作放大器会引起失真。
图4示出了根据本公开的实施例的适合用在低失真跨导放大器106b中的虚地输入级110b。被示出为由虚线包围的跨导放大器106b包括虚地输入级110b和偏置电流源Ib。虚地输入级110b提供作为输入级处DC偏置电压的替代的电流偏置，从而避免了上文所述的与此类DC偏置电压相关联的问题。在输入级102中，跨精密参考电阻器Rref施加电压源Vin，以在输入节点A处产生输入电流Iin。代替使用输入偏置电压来偏置Q1，电流源Ib耦接到Q1的发射极并驱动电流通过Q1。Ib理想地比最大可能输入电流的绝对值大若干倍。
虚地输入级110b包括运放U1和PNP晶体管Q1。在常规运放具体实施中，运放用作差分放大器，该差分放大器通过从电源Vcc拽取能量来增大正输入端子与负输入端子之间的电压。然而，运放U1不在虚地输入级110b中用作放大器。相反，运放U1用于在输入节点A处在偏置电阻器RB下方建立虚地。因此，U1以负反馈构型耦接。需注意，未示出的偏置电阻器RB将偏置电流设置为所需的值，并且在本文的附图中被表示为理想电流源而不是电阻器。因此，U1的输出端子将稳定到迫使U1的正输入和负输入处于基本上相同的电压而必须的任何电压，Vin – Iin Rref。U1的输出电压是可变的，并且自行调节以便迫使U1的输入端子之间的差分电压基本上为零。由于U1的正输入接地，因此负输入也保持在0V，这就有效地使输入节点A接地。由于U1的负端子与地电隔离，因此它被称为“虚地”。偏置电流Ib从电源Vcc流经偏置电阻器RB。输出级104耦接到负电源Vee。当Q1接通时，Iout = Ib + Iin。输入电流Iin围绕U1流到已接地节点A并且进入Q1的发射极，在此处，该输入电流然后被传送到负载RL。虚地输入级110b的使用仍将需要额外的电路来将电流传送到已接地负载。然而，由于使用了输入电流而不是DC偏置输入电压，因此输入级具有较低的失真以及更好的噪声性能。在输入处也不需要额外的调零电路。此外，虚地输入级110b能够对正极性和负极性的输入电压均进行处理。
图5示出了根据本公开的实施例的低失真跨导放大器电路115。在低失真跨导放大器电路115中，被示出为由虚线包围的跨导放大器106c包括虚地输入级110b和两个电流镜108a、108b。通过将电流镜108a、108b添加到电路，可在不将偏置电流Ib传送到负载的情况下，将输出电流驱动到已接地负载。
在输入级102中，跨精密参考电阻器Rref施加电压源Vin，以在输入节点A处产生输入电流Iin。同样被传送到输入节点A的还有从电流镜108a拽取的偏置电流Ib。电流镜108a耦接到正电源电压Vcc，并且电流镜108b耦接到负电源电压Vee。虚地输入级110b包括运放U1和PNP晶体管Q1。在Rb下方建立虚地会将电流从Vcc拽取通过电流镜108a。Iout于是等于输出节点B处顶部偏置电流与底部偏置电流之间的差：
Iout = Ib – (Ib + Iin) = -Vin / Rref。
当通过顶部电流镜和底部电流镜的电流相等时，Iout = 0。然而，当电流未被精确镜像时，多余的电流被导向至负载RL。在跨导放大器电路115中，输出级104接地。
图6示出了根据本公开的实施例的低失真跨导放大器电路121。在低失真跨导放大器电路121中，被示出为由虚线包围的跨导放大器106d包括虚地输入级110c和两个电流镜108a、108b。在输入级102中，跨精密参考电阻器Rref施加电压源Vin，以在输入节点A处产生电流源Iin。Vin可为AC或DC源。同样被传送到输入节点A的还有从电流镜108a拽取的偏置电流Ib。电流镜108a耦接到正电源电压Vcc，并且电流镜108b耦接到负电源电压Vee。运放U1驱动晶体管Q2。在跨导放大器电路121中，输出级104接地。
Rref的右侧连接到U1的负端子。U1的正端子连接到地。U1的输出迫使U1的负端子与正端子相同，即，在U1的负端子处形成“虚地”以使得跨运放U1的输入的差分电压为零。因此，节点A接地。
虚地输入级110c包括运放U1以及PNP晶体管Q1和Q2的达灵顿对122。偏置电流从VCC向下流经Rb并进入达灵顿对Q1和Q2。在一个实施例中，达灵顿对具有单位增益，即，不放大。因此，在此类实施例中，作为另外一种选择，Q1和Q2可被单个晶体管替代。从顶部电流镜108a流出的电流Ib是相等的。同样，流入到底部电流镜108b中的电流也是相等的。在Q1和Q2中的每一者中，箭头侧为发射极，另一侧为集电极。
图7更详细地示出了图6的低失真跨导放大器电路121。输入级102包括电压源Vin和电阻器Rref。运放U1被示出为耦接在电源Vcc和Vee之间。虚地输入级110c还可包括耦接在U1与Vcc之间的电压源V2、以及耦接在U1与Vee之间的电压源V3。电流镜108a、108b包括布置在对应于电流镜108b的下晶体管阵列以及对应于电流镜108a的上晶体管阵列中的双极结型晶体管(BJT)。电流镜108a、108b分别由电压电源Vcc和Vee供电。下电流镜108b包括四个BJT，即Q3、Q4、Q5和Q6。每个BJT为具有发射极、基极和集电极的三端子装置。在图7中，在Q6的端子上提供有示例性标签。Q6的基极和集电极通过短路连接件S1耦接在一起。Q3的基极和集电极通过短路连接件S2耦接在一起。上电流镜108a包括四个BJT，即Q7、Q8、Q9和Q10。Q7的基极和集电极通过短路连接件S3耦接在一起。Q10的基极和集电极通过短路连接件S4耦接在一起。常规的基于运放的电流镜具有低频极点，而图7所示的BJT电流镜具有高频极点。因此，通过使用BJT，电流镜108a、108b的带宽被转移到较高的频率。
图8示出了根据本公开的实施例的低失真跨导放大器电路123。在低失真跨导放大器电路123中，被示出为由虚线包围的跨导放大器106e包括虚地输入级110d和两个电流镜108a、108b。在输入级102中，跨精密参考电阻器Rref施加电压源V，以在输入节点A处产生输入电流Iin。电流镜108a耦接到正电源电压Vcc，并且电流镜108b耦接到负电源电压Vee。虚地输入级110d包括运放U1和p型金属氧化物半导体(PMOS)场效应晶体管M1，该晶体管是PNP双极结型晶体管Q1的基本上相当的替代。M1尤其适合用在较低的工作电压下，如本领域所常见的那样。另外，跨导放大器电路123类似于跨导放大器电路115。
图9示出了根据本公开的实施例的低失真跨导放大器电路125。在低失真跨导放大器电路125中，被示出为由虚线包围的跨导放大器106f包括虚地输入级110e和两个电流镜108a、108b。在输入级102中，跨精密参考电阻器Rref施加电压源Vin，以在输入节点A处产生输入电流Iin。电流镜108a耦接到正电源电压Vcc，并且电流镜108b耦接到负电源电压Vee。虚地输入级110e包括运放U1和NPN晶体管Q2。U1的正端子接地，并且Iin耦接到U1的负端子。然而，节点A位于晶体管Q2下方而不是Q2上方。图9中所示的配置有NPN晶体管Q2的输入级将电流挽取到输出级104中，而不是推送电流。另外，跨导放大器电路125类似于跨导放大器电路115。
图10示出了根据本公开的实施例的低失真跨导放大器电路127。在低失真跨导放大器电路127中，被示出为由虚线包围的跨导放大器106g包括虚地输入级110b和两个电流镜112a、112b。在输入级102中，跨精密参考电阻器Rref施加电压源Vin，以在输入节点A处产生输入电流Iin。电流镜112a耦接到正电源电压Vcc，并且电流镜112b耦接到负电源电压Vee。电流镜112a、112b为电流增益块或电流衰减块，所述电流增益块或电流衰减块允许改变信号电平。增益/衰减块的工作方式与电流镜108类似，但不同的是，它们输出的电流等于常数乘以输入电流。对于电流衰减块，Iout/Iin < 1，对于电流增益块，Iout/Iin > 1。相比之下，电流镜108a、108b具有有效单位电流增益。虚地输入级110b包括运放U1和PNP晶体管Q1，如在跨导放大器电路115中那样。
图11示出了根据实施例的B类低失真跨导放大器电路129。在B类跨导放大器电路129中，被示出为由虚线包围的跨导放大器106h包括两个电流镜108a、108b和一个虚地输入级110f。在输入级102中，跨精密参考电阻器Rref施加电压源Vin，以在输入节点A处产生输入电流Iin。在至少一个例子中，参考电阻器Rref具有1kΩ的值。电流镜108a耦接到正电源电压Vcc，并且电流镜108b耦接到负电源电压Vee。虚地输入级110f包括运放U1和PNP晶体管Q1、Q2。然而，与图6和图7所示的达灵顿对实施例不同，Q1和Q2串联耦接并且每个晶体管的基极耦接到集电极。偏置电流源Ib耦接到Vcc，并且第二偏置电流源Ib2耦接到Vee。此外，晶体管Q7和Q8分别耦接到电流镜108a、108b。在其他实施例中，低失真跨导放大器电路129可具有作为A类、B类或AB混合类放大器的线性跨导放大器。
图12示出了根据本公开的实施例的操作上文所述的低失真跨导电路的方法150的步骤。
在152处，由输入电压源Vin和参考电阻器Rref形成输入电流源。
在154处，将输入电流源耦接到虚地。
在156处，将偏置电阻器耦接到虚地。
在158处，将虚地耦接到电流镜以提供偏置电流源Ib。
在160处，将偏置电流Ib提供到负载电阻器RL。
在162处，调制输入电流源Iin以控制偏置电流Ib。
应理解的是，尽管在本文中出于说明的目的描述了本公开的具体实施例，但可在不脱离本公开的精神和范围的情况下进行各种修改。可组合以上所述的各种实施例来提供另外的实施例。如有必要，可修改实施例的各方面以采用各种其他专利、专利申请或专利公布的概念从而提供另外的实施例。
鉴于上文的详细说明，可以对这些实施例做出这些和其他改变。一般来说，在随后的权利要求中，使用的术语不应解释成将权利要求限制在本说明书和权利要求书中披露的具体实施例中，而应解释成包括所有可能的实施例以及这类权利要求赋予的等效物的全部范围。因此，权利要求并不受本公开内容所限定。

Claims (20)

1.一种电路，包括：
电压源；
耦接到所述电压源的参考电阻器；
输入级，所述输入级包括
耦接到所述参考电阻器的运算放大器；
第一晶体管和与所述第一晶体管布置为达灵顿对的第二晶体管，所述第一晶体管被耦接以便被所述运算放大器驱动；以及
耦接到所述达灵顿对和所述运算放大器的偏置电流源；
输出级，所述输出级包括已接地负载电阻器；以及
一对电流镜，每个电流镜将所述输入级耦接到所述输出级，其中所述达灵顿对将所述运算放大器连接到所述一对电流镜。
2.根据权利要求1所述的电路，其中所述电流镜中的一个或多个还包括第一双极结型晶体管阵列和第二双极结型晶体管阵列。
3.根据权利要求2所述的电路，其中提供到所述输出级的电流等于所述电流镜的所述第一双极结型晶体管阵列和所述第二双极结型晶体管阵列的偏置电流的差。
4.根据权利要求1所述的电路，其中被布置作为所述达灵顿对的所述第一晶体管和所述第二晶体管共同具有单位增益。
5.根据权利要求1所述的电路，其中所述运算放大器的正端子接地，并且所述运算放大器被配置为在所述运算放大器的负输入端子处提供虚地。
6.根据权利要求1所述的电路，其中所述电压源为第一电压源，并且所述运算放大器的输入端子分别直接耦接到第二电压源和第三电压源。
7.根据权利要求1所述的电路，其中被耦接以便被所述运算放大器驱动的所述第一晶体管为双极结型晶体管。
8.根据权利要求1所述的电路，其中被耦接以便被所述运算放大器驱动的所述第一晶体管为场效应晶体管。
9.根据权利要求1所述的电路，其中所述输入级为将电流挽取到所述负载电阻器中的挽输入级。
10.根据权利要求1所述的电路，其中所述一对电流镜为一对电流衰减镜。
11.根据权利要求1所述的电路，其中所述一对电流镜为一对电流增益镜。
12.根据权利要求1所述的电路，其中所述电路包括线性跨导放大器。
13.一种操作电路的方法，包括：
通过将输入电压源耦接到参考电阻器来形成输入电流源；
经由具有输出的运算放大器将所述输入电流源耦接到虚地；
将所述运算放大器的输出耦接到包括第一晶体管和第二晶体管的达灵顿对；
将所述达灵顿对耦接到提供偏置电流的电流镜；以及
将所述电流镜耦接到用于将电流提供到负载的输出节点。
14.根据权利要求13所述的方法，其中被布置作为所述达灵顿对的所述第一晶体管和所述第二晶体管共同具有单位增益。
15.根据权利要求13所述的方法，其中所述电流镜包括第一双极结型晶体管阵列和第二双极结型晶体管阵列。
16.根据权利要求15所述的方法，其中提供到输出级的电流等于所述电流镜的所述第一双极结型晶体管阵列和所述第二双极结型晶体管阵列的偏置电流的差。
17.一种电路，包括：
电流源；
虚地输入级，包括：
耦接到所述电流源的跨导放大器；
第一晶体管和与所述第一晶体管布置为达灵顿对的第二晶体管，所述第一晶体管被耦接以便被所述跨导放大器驱动；以及
耦接到所述达灵顿对和所述跨导放大器的偏置电流源；
输出级，所述输出级具有已接地负载；以及
一对电流镜，每个电流镜将所述虚地输入级耦接到所述输出级，其中所述达灵顿对将所述跨导放大器连接到所述一对电流镜。
18.根据权利要求17所述的电路，其中被布置作为所述达灵顿对的所述第一晶体管和所述第二晶体管共同具有单位增益。
19.根据权利要求17所述的电路，其中所述电流镜包括第一双极结型晶体管阵列和第二双极结型晶体管阵列。
20.根据权利要求19所述的电路，其中提供到所述输出级的电流等于所述电流镜的所述第一双极结型晶体管阵列和所述第二双极结型晶体管阵列的偏置电流的差。
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