CN107666289B - 高增益大线性动态范围跨阻放大器 - Google Patents

高增益大线性动态范围跨阻放大器 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种高增益大线性动态范围跨阻放大器，包括：电流镜式跨阻前置放大器、电流复用反相器形式跨阻放大器、高通滤波器及可变增益放大电路；其中，电流镜式跨阻前置放大器与电流复用反相器形式跨阻放大器均电连接信号输入端IN；高通滤波器分别电连接电流镜式跨阻前置放大器与电流复用反相器形式跨阻放大器；可变增益放大电路电连接高通滤波器并电连接信号输出端OUT。本发明通过串联在电路中的开关管切换两种不同结构的跨阻放大器，实现不同的增益模式，扩大了输入电流信号的线性动态范围；此外，本发明提供的高增益大线性动态范围跨阻放大器，结构与控制策略均简单。

Description

高增益大线性动态范围跨阻放大器
技术领域
本发明属激光雷达技术领域，特别涉及一种高增益大线性动态范围跨阻放大器。
背景技术
1960年，世界第一台激光器问世，激光便首先在1961年被用于测距系统。时至今日，激光雷达的发展突飞猛进，其中激光雷达中集成电路的发展也是极其迅速的。由于激光具有高准直性、高单色性、高功率密度和高相干性等一系列优良的光学性能，各种应用于不同场景、不同范围的测距技术不断地推陈出新。从小至接近激光波长的微米级范围、厘米级的物体形状和远近、数公里到数十公里的目标物距离、大到地球与卫星甚至月球之间的距离，都可以利用激光来精确测量。而且随着科技的发展，激光雷达的应用范围越来越广泛，譬如汽车或航天器的导航与防撞、三维空间概貌扫描、气象侦测、地质检测等等。现代的激光雷达需要极高的精确度，而精确度的提高需要激光雷达能处理极其微弱的信号。所以高增益的放大器对激光雷达的发展极为关键。激光雷达不仅需要接收近距离的信号，还需要能接收远距离的信号，因此输入电流变化范围会很大，而目前的前端接收电路，无法满足处理大动态范围信号的要求。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种高增益大线性动态范围跨阻放大器。
本发明的一个实施例提供了一种高增益大线性动态范围跨阻放大器，包括：电流镜式跨阻前置放大器、电流复用反相器形式跨阻放大器、高通滤波器及可变增益放大电路；其中，
电流镜式跨阻前置放大器与电流复用反相器形式跨阻放大器均电连接信号输入端IN；
高通滤波器分别电连接电流镜式跨阻前置放大器与电流复用反相器形式跨阻放大器；
可变增益放大电路电连接高通滤波器并电连接信号输出端OUT。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1、本发明提供的高增益大线性动态范围跨阻放大器，采用两种结构的跨阻放大器，扩大了输出电压，并且在线性输入动态范围内不会饱和。
2、本发明提供的高增益大线性动态范围跨阻放大器，结构简单，控制策略简单。
附图说明
下面将结合附图，对本发明的具体实施方式进行详细的说明。
图1为本发明实施例提供的一种高增益大线性动态范围跨阻放大器的结构示意图；
图2为本发明实施例提供的一种电流镜式跨阻前置放大器的结构示意图；
图3为本发明实施例提供的一种电流镜式跨阻前置放大器控制电路的结构示意图；
图4为本发明实施例提供的一种电流复用反相器形式跨阻放大器的结构示意图；
图5为本发明实施例提供的一种电流复用反相器式跨阻放大器控制电路结构示意图；
图6为本发明实施例提供的一种高通滤波器的结构示意图；
图7为本发明实施例提供的一种可变增益放大电路的结构示意图；
图8为本发明实施例提供的一种可变增益放电路的控制电路的结构示意图；
图9为本发明实施例提供的一种单端转差分电路的结构示意图；
图10为本发明实施例提供的一种后差分放大电路的结构示意图；
图11为本发明实施例提供的一种模拟选通电路的结构示意图；
图12为本发明实施例提供的另一种高增益大线性动态范围跨阻放大器的结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
下面结合附图对本发明做进一步详细说明。
实施例一
请参见图1，图1为本发明实施例提供的一种高增益大线性动态范围跨阻放大器的结构示意图。该高增益大线性动态范围跨阻放大器包括：包括：电流镜式跨阻前置放大器、电流复用反相器形式跨阻放大器、高通滤波器及可变增益放大电路；其中，
电流镜式跨阻前置放大器与电流复用反相器形式跨阻放大器均电连接信号输入端IN；
高通滤波器分别电连接电流镜式跨阻前置放大器与电流复用反相器形式跨阻放大器；
可变增益放大电路电连接高通滤波器并电连接信号输出端OUT。
进一步地，在上述实施例的基础上，请参见图2，图2为本发明实施例提供的一种电流镜式跨阻前置放大器的结构示意图，电流镜式跨阻前置放大器包括：电流源I、第一MOS管M1、第二MOS管M2、第三MOS管M3、第四MOS管M4、第五MOS管M5、第六MOS管M6、第七MOS管M7、第八MOS管M8、第九MOS管M9、第十MOS管M10、第十一MOS管M11、第十二MOS管M12、第十三MOS管M13及第一电阻R1；其中，
电流源I、第五MOS管M5及第九MOS管M9依次串接于电源端VDD与接地端GND之间；
第一电阻R1、第六MOS管M6及第十MOS管M10依次串接于电源端VDD与接地端GND之间；
第二MOS管M2、第四MOS管M4及第八MOS管M8依次串接于电源端VDD与接地端GND之间；
第十三MOS管M13电连接于第八MOS管M8的栅极与接地端GND之间；
第五MOS管M5的栅极与第六MOS管M6的栅极均电连接第一偏置电压端VB2_2；第七MOS管M7电连接于第一偏置电压端VB2_2与接地端GND之间；第七MOS管M7的栅极电连接第一控制信号端G1_P；
第九MOS管M9的栅极电连接第十MOS管M10的栅极；
第一MOS管M1与第三MOS管M3依次串接于电源端VDD与第九MOS管M9的栅极之间；第一MOS管M1的栅极电连接第一控制信号端G1_P；第三MOS管M3的栅极电连接电流源I与第五MOS管M5串接形成的节点处；
第十一MOS管M11与第十二MOS管M12并接于第九MOS管M9的栅极与接地端GND之间；第十一MOS管M11的栅极电连接第二偏置电压端VB2_3；第十二MOS管M12的栅极电连接第一控制信号端G1_P；
第十三MOS管M13的栅极电连接第一控制信号端G1_P；
第二MOS管M2的栅极电连接第一控制信号端G1_P；第四MOS管M4的栅极电连接第一电阻R1与第六MOS管M6串接形成的节点处；第八MOS管M8的栅极电连接第二偏置电压端VB2_3；
第五MOS管M5与第九MOS管M9串接形成的节点作为电流镜式跨阻前置放大器的输入端电连接信号输入端IN；
第四MOS管M4与第八MOS管M8串接形成的节点作为电流镜式跨阻前置放大器的输出端OUT1。
进一步地，在上述实施例的基础上，请参见图3，图3为本发明实施例提供的一种电流镜式跨阻前置放大器控制电路的结构示意图；电流镜式跨阻前置放大器控制电路包括两个反相器和一个与非门；其中，
第一级反相器输入端连接输入信号G1，第一级反相器输出端连接与非门的输入端，与非门的另一个输入端连接信号EN，与非门的输出端连接第二级反相器的输入端并输出第一控制信号G1_P,第二级反相器输出端输出信号G1_N。
进一步地，在上述实施例的基础上，请参见图4，图4为本发明实施例提供的一种电流复用反相器形式跨阻放大器的结构示意图，电流复用反相器形式跨阻放大器包括：第一反相器T1、第二反相器T2、第三反相器T3、第十四MOS管M14、第十五MOS管M15、第十六MOS管M16、第十七MOS管M17、第十八MOS管M18、第十九MOS管M19、可变电阻RF、第一开关K1、第二开关K2、第三开关K3及第四开关K4；其中，
第一反相器T1、第二反相器T2及第三反相器T3依次串行电连接；第一反相器T1中PMOS管的源端、第二反相器T2中PMOS管的源端及第三反相器T3中PMOS管的源端分别经第一开关K1、第二开关K2及第三开关K3电连接电源端VDD；第一开关K1、第二开关K2及第三开关K3均电连接第二控制信号端G2_N；第一反相器T1中NMOS管的源端、第二反相器T2中NMOS管的源端及第三反相器T3中NMOS管的源端均电连接接地端GND；第一反相器T1的输入端经可变电阻RF电连接第三反相器T3的输出端；可变电阻RF电连接第三控制信号端G2_P；
第十四MOS管M14电连接于第一反相器T1的输出端与接地端GND之间；第十四MOS管M14的栅极电连接第一反相器T1的输出端；
第十五MOS管M15串接于第二反相器T2的输出端与接地端GND之间；第十五MOS管M15的栅极电连接第二反相器T2的输出端；
第十六MOS管M16串接于第三反相器T3的输出端与接地端GND之间；第十六MOS管M16的栅极电连接第三反相器T3的输出端；
第十七MOS管M17、第十八MOS管M18及第四开关K4依次串接于电源端VDD与接地端GND之间；第四开关K4电连接第二控制信号端G2_N；第十七MOS管M17的栅极电连接第三反相器T3的输出端；第十八MOS管M18的栅极电连接第三偏置电压端VB1_1；
第十九MOS管M19电连接于第十八MOS管M18的栅极与接地端GND之间；第十九MOS管M19的栅极电连接第二控制信号端G2_N；
第一反相器T1的输入端作为电流复用反相器形式跨阻放大器的输入端电连接信号端IN；
第十七MOS管M17与第十八MOS管M18串接形成的节点作为电流复用反相器形式跨阻放大器的输出端OUT2。
进一步地，在上述实施例的基础上，请参见图5，图5为本发明实施例提供的一种电流复用反相器式跨阻放大器控制电路结构示意图；电流复用反相器式跨阻放大器控制电路包括与门与非门；其中，
与门的输入端连接信号G1与EN，与门的输出端连接反相器输入端并输出第三控制信号G2_P，反相器输出端输出第二控制信号G2_N。
进一步地，在上述实施例的基础上，请参见图6，图6为本发明实施例提供的一种高通滤波器的结构示意图，高通滤波器包括第一滤波电容CL1、第二滤波电容CL2、第一滤波电阻RL1及第二滤波电阻RL2；其中，
第一滤波电容CL1的第一极板与第二滤波电容CL2的第一极板形成的节点作为高通滤波器的输入端分别电连接电流镜式跨阻前置放大器的输出端OUT1与电流复用反相器形式跨阻放大器的输出端OUT2；
第一滤波电阻RL1电连接于共模电压端VCM与第一滤波电容CL1的第二极板之间；
第二滤波电阻RL2电连接于共模电压端VCM与第二滤波电容CL2的第二极板之间；
第一滤波电容CL1的第二极板作为高通滤波器的第一输出端VIP；
第二滤波电容CL2的第二极板作为高通滤波器的第二输出端VIN。
进一步地，在上述实施例的基础上，请参见图7，图7为本发明实施例提供的一种可变增益放大电路的结构示意图，可变增益放大电路包括单端转差分电路、后差分放大电路及模拟选通电路；其中，
单端转差分电路电连接高通滤波器；
后差分放大电路电连接单端转差分电路；
模拟选通电路分别电连接后差分放大电路与单端转差分电路；
模拟选通电路的输出端电连接信号输出端OUT。
进一步地，在上述实施例的基础上，请参见图8，图8为本发明实施例提供的一种可变增益放电路的控制电路的结构示意图；可变增益放电路的控制电路包括一个与门、两个反相器、两个或门；其中，
与门的输入端分别连接信号G0和信号EN，与门的输出端连接反相器1的输入端并输出信号G0_P,反相器1的输出端连接或门4的输入端并输出第四控制信号G0_N，反相器2的输入端连接信号EN，反相器2的输出端连接或门3的输入端，或门3的另一个输入端连接与门的输出端，或门3的输出端输出第五控制信号01，或门4的另一个输入端连接反相器2的输出端，或门4的输出端输出第六控制信号02.
进一步地，在上述实施例的基础上，请参见图9，图9为本发明实施例提供的一种单端转差分电路的结构示意图，单端转差分电路包括：第二十MOS管M20、第二十一MOS管M21、第二十二MOS管M22、第二电阻R2、第三电阻R3、第一电容C1及第二电容C2；其中，
第二十MOS管M20与第二十二MOS管M22依次串接于电源端VDD与接地端GND之间；
第三电阻R3与第二电容C2并接于第二十一MOS管M21的源、漏两端；
第二电阻R2与第二十一MOS管M21依次串接于电源端VDD与接地端GND之间；
第一电容C1并接于第二电阻R2两端；
第二十二MOS管M22的栅极电连接第四偏置电压端VB3_1；
第二十MOS管M20的栅极作为单端转差分电路的第一输入端电连接高通滤波器的第一输出端VIP；
第二十一MOS管M21的栅极作为单端转差分电路的第二输入端电连接高通滤波器的第二输出端VIN；
第二十MOS管M20与第二十二MOS管M22串接形成的节点作为单端转差分电路的第一输出端VP；
第二电阻R2与第二十一MOS管M21串接形成的节点作为单端转差分电路的第二输出端VN。
进一步地，在上述实施例的基础上，请参见图10，图10为本发明实施例提供的一种后差分放大电路的结构示意图，后差分放大电路包括：第二十三MOS管M23、第二十四MOS管M24、第二十五MOS管M25、第二十六MOS管M26、第二十七MOS管M27、第二十八MOS管M28、第二十九MOS管M29、第四电阻R4、第五电阻R5、第六电阻R6、第七电阻R7、第三电容C3及第四电容C4；其中，
第四电阻R4、第二十五MOS管M25及第二十七MOS管M27依次串接于电源端VDD与接地端GND之间；
第五电阻R5、第二十六MOS管M26及第二十八MOS管M28依次串接于电源端VDD与接地端GND之间；
第二十三MOS管M23电连接于第四电阻R4与第二十五MOS管M25串接形成的节点与接地端GND之间；第二十三MOS管M23的栅极电连接第三控制信号端G0_N；
第二十四MOS管M24电连接于第五电阻R5与第二十六MOS管M26串接形成的节点与接地端GND之间；第二十四MOS管M24的栅极电连接第三控制信号端G0_N；
第二十五MOS管M25与第二十七MOS管M27串接形成的节点电连接第二十六MOS管M26与第二十八MOS管M28串接形成的节点；
第二十七MOS管M27的栅极电连接第二十八MOS管M28的栅极；第二十九MOS管M29串接于第二十七MOS管M27的栅极与接地端GND之间；第二十九MOS管M29的栅极电连接第三控制信号端G0_N；
第二十五MOS管M25的栅极电连接第三电容C3的第一极板；第三电容C3的第二极板作为后差分放大电路的第一输入端电连接单端转差分电路的第一输出端VP；
第六电阻R6电连接于第二十五MOS管M25的栅极与共模电压端VCM之间；
第二十六MOS管M26的栅极电连接第四电容C4的第一极板；第四电容C4的第二极板作为后差分放大电路的第二输入端电连接单端转差分电路的第二输出端VN；
第七电阻R7电连接于第二十六MOS管M26的栅极与共模电压端VCM之间；
第五电阻R5与第二十六MOS管M26串接形成的节点作为后差分放大电路的第一输出端VP2；
第四电阻R4与第二十五MOS管M25串接形成的节点作为后差分放大电路的第二输出端VN2。
进一步地，在上述实施例的基础上，请参见图11，图11为本发明实施例提供的一种模拟选通电路的结构示意图，模拟选通电路包括：第三十MOS管M30、第三十一MOS管M31、第三十二MOS管M32、第三十三MOS管M33、第三十四MOS管M34、第三十五MOS管M35、第三十六MOS管M36、第三十七MOS管M37、第三十八MOS管M38、第三十九MOS管M39、第四十MOS管M40、第四十一MOS管M41、第四十二MOS管M42、第四十三MOS管M43、第四十四MOS管M44、第四十五MOS管M45、第四十六MOS管M46、第四十七MOS管M47、第四十八MOS管M48、第四十九MOS管M49、第五十MOS管M50及第五十一MOS管M51；其中，
第三十一MOS管M31、第三十五MOS管M35及第五十一MOS管M51依次串接于电源端VDD与接地端GND之间；
第三十二MOS管M32、第三十七MOS管M37及第四十九MOS管M49依次串接于电源端VDD与接地端GND之间；
第三十三MOS管M33、第三十八MOS管M38及第四十八MOS管M48依次串接于电源端VDD与接地端GND之间；
第三十四MOS管M34、第三十六MOS管M36及第五十MOS管M50依次串接于电源端VDD与接地端GND之间；
第四十MOS管M40与第四十四MOS管M44依次串接于电源端VDD与第三十六MOS管M36与第五十MOS管M50串接形成的节点之间；
第四十一MOS管M41与第四十六MOS管M46依次串接于电源端VDD与第三十八MOS管M38与第四十八MOS管M48串接形成的节点之间；
第四十二MOS管M42与第四十七MOS管M47依次串接于电源端VDD与第三十七MOS管M37与第四十九MOS管M49串接形成的节点之间；
第四十三MOS管M43与第四十五MOS管M45依次串接于电源端VDD与第三十五MOS管M35与第五十一MOS管M51串接形成的节点之间；
第三十一MOS管M31的栅极电连接第四控制信号端01；第三十五MOS管M35的栅极电连接至第三十二MOS管M32与第三十七MOS管M37串接形成的节点处；第五十一MOS管M51的栅极电连接第五偏置电压端VB3_5；
第三十二MOS管M32的栅极电连接第三十三MOS管M33的栅极；第三十MOS管M30串接于电源端VDD与第三十二MOS管M32的栅极电连接第三十三MOS管M33的栅极形成的节点之间；第三十MOS管M30的栅极电连接第五控制信号端02；
第三十七MOS管M37的栅极电连接第三电容C3的第一极板；第三电容C3的第二极板作为模拟选通电路的第一输入端电连接单端转差分电路的第一输出端VP；
第四十九MOS管M49的栅极电连接至第三十五MOS管M35与第五十一MOS管M51串接形成的节点处；
第三十八MOS管M38的栅极电连接第四电容C4的第一极板；第四电容C4的第二极板作为模拟选通电路的第二输入端电连接单端转差分电路的第二输出端VN；
第四十八MOS管M48的栅极电连接至第三十六MOS管M36与第五十MOS管M50串接形成的节点处；
第三十四MOS管M34的栅极电连接第四控制信号端01；第三十六MOS管M36的栅极电连接至第三十三MOS管M33与第三十八MOS管M38串接形成的节点处；第五十MOS管M50的栅极电连接第五偏置电压端VB3_5；
第四十MOS管M40的栅极电连接第五控制信号端02；第四十四MOS管M44的栅极电连接至第四十一MOS管M41与第四十六MOS管M46串接形成的节点处；
第四十一MOS管M41的栅极电连接第四十二MOS管M42的栅极；第三十九MOS管M39串接于电源端VDD与第四十一MOS管M41的栅极电连接第四十二MOS管M42的栅极形成的节点处；第三十九MOS管M39的栅极电连接第四控制信号端01；
第四十七MOS管M47的栅极作为模拟选通电路的第三输入端电连接后差分放大电路的第一输出端VP2；
第四十六MOS管M46的栅极作为模拟选通电路的第四输入端电连接后差分放大电路的第二输出端VN2；
第四十三MOS管M43的栅极电连接第五控制信号端02；第四十五MOS管M45的栅极电连接至第四十二MOS管M42与第四十七MOS管M47串接形成的节点处；
第三十七MOS管M37与第四十九MOS管M49串接形成的节点作为模拟选通电路的第一输出端VOP电连接信号输出端OUT；
第三十八MOS管M38与第四十八MOS管M48串接形成的节点作为模拟选通电路的第二输出端VON电连接信号输出端OUT。
本实施例与现有技术相比，有如下有益效果：
1、本实施例提供的高增益大线性动态范围跨阻放大器，采用两种结构的跨阻放大器，扩大了输出电压，并且在线性输入动态范围内不会饱和。
2、本实施例提供的高增益大线性动态范围跨阻放大器，在大增益段内，可通过数字控制开关切换为电流复用反相器形式跨阻放大器；在较低的增益段内，可通过数字控制开关切换为带有电位平移电路的电流镜式跨阻前置放大器；再通过可变增益放大器的程控增益控制方法，使电路实现多种不同的增益模式，因此，本发明可处理较大动态范围的电流输入信号。
实施例二
本实施例是在实施例一的基础上对本发明的原理及实现方式进行说明。
请参见图12，图12为本发明实施例提供的另一种高增益大线性动态范围跨阻放大器的结构示意图；该高增益大线性动态范围跨阻放大器包括电流镜式跨阻前置放大器、电流复用反相器形式跨阻放大器、高通滤波器及由单端转差分电路、后差分放大电路及模拟选通电路构成的可变增益放大电路；其中，电流镜式跨阻前置放大器的输入端与电流复用反相器形式跨阻放大器的输入端均电连接信号输入端IN；高通滤波器输入端均电连接电流镜式跨阻前置放大器的输出端与电流复用反相器形式跨阻放大器的输出端；单端转差分电路电连接高通滤波器；后差分放大电路电连接单端转差分电路；模拟选通电路分别电连接后差分放大电路与单端转差分电路；模拟选通电路的输出端电连接信号输出端OUT。
高增益大线性动态范围跨阻放大器中，电流镜式跨阻前置放大器用来处理较低增益段电流，电流复用反相器形式跨阻放大器用来处理较高增益段电流，可变增益放大器将增益段继续细分，使得整个电路可以处理四个段位的增益。
请再次参见图2，带有电位平移电路的电流镜式跨阻前置放大器中第五MOS管M5、第六MOS管M6、第九MOS管M9、第十MOS管M10组成共源共栅电流镜，前一级的输入电流的变化量会通过共源共栅电流镜准确地镜像到第十MOS管M10，可以通过改变电流镜的比值进行电路增益调节，而且电流镜的比值易精确设计，使得该电路在设计可变增益时具有极大的灵活性；第三MOS管M3与第十一MOS管M11构成源跟随器用于电位的平移，增大电路带宽，电位平移器通过抬高第五MOS管M5的漏源电压而使第五MOS管M5电阻增大，从而极大地减小了电路的输入阻抗；该电路通过调节第一电阻R1的电阻与第六MOS管M6和第一MOS管M1的宽长比来调节电路的增益；第四MOS管M4与第八MOS管M8构成最后一级的源跟随器，输出信号；第一MOS管M1、第二MOS管M2、第七MOS管M7、第十一MOS管M11、第十二MOS管M12、第十三MOS管M13用作信号控制，控制整个电路的开关。带有电位平移电路的电流镜式跨阻前置放大器的-3dB带宽可以表示为：
Figure BDA0001408229550000151
其中，Rd是第六MOS管M6漏极处的电阻，Cd为第六MOS管M6漏极处的电容。
请再次参见图3，电流镜式跨阻前置放大器控制电路，通过接受G1和EN的信号，输出第一控制信号G1_P来控制电流镜式跨阻前置放大器的开关。
请再次参见图4，电流复用反相器形式跨阻放大器中反相器工作在饱和区，可使电路的跨导和增益带宽积最大，大大降低功耗；第十四MOS管M14、第十五MOS管M15、第十六MOS管M16是负载，使得第一反相器T1、第二反相器T2、第三反相器T3中的晶体管能够扩大其宽长比从而防止过冲；可变电阻RF流过电流产生压降用来给反相器提供栅压偏置，而不需要额外的偏置电路，减小了功耗和芯片面积；第十七MOS管M17与第十八MOS管M18构成源跟随器，起到隔离缓冲作用；第十九MOS管M19用来控制整个电路的开关。该电路通过调节电路中可变电阻RF来改变电路增益，电流复用反相器形式跨阻放大器的增益AR可以表示为：
Figure BDA0001408229550000161
-3dB带宽可以表示为：
Figure BDA0001408229550000162
其中，Cin为电流复用反相器形式跨阻放大器的输入电容，包括第一极反相器第一反相器T1的寄生电容以及前一级输入电路的寄生电容。Atotal为电流复用反相器形式跨阻放大器的总电压增益，可以表示为：
Atotal＝AINV1×AINV2×AINV3
其中AINV1、AINV2和AINV3分别为第一级、第二级和第三级反相器的电压增益，分别可以表示为：
AINV1＝(gm1+gm2)Rm14
AINV2＝(gm3+gm4)Rm15
AINV3＝(gm5+gm6)Rm16
其中，gm1、gm2、gm3、gm4、gm5和gm6为三个反相器中六个MOS管的跨导，Rm14、Rm15、和Rm16分别为第一级、第二级和第三级反相器的负载电阻，其中，
Figure BDA0001408229550000171
Figure BDA0001408229550000172
Figure BDA0001408229550000173
ro1和ro2分别为第一反相器T1中两个管子的输出电阻，1/gmm14为第十四MOS管M14的电阻，Rin1为后级放大器的输入电阻。ro3和ro4分别为第二反相器T2中两个管子的输出电阻，1/gmm15为第十五MOS管M15的电阻，Rin2为后级放大器的输入电阻。ro5和ro6分别为第三反相器T3中两个管子的输出电阻，1/gmm16为M16的电阻，Rin3为后级放大器的输入电阻。
请再次参见图5，电流复用反相器形式跨阻放大器控制电路通过接收信号G1与信号EN并输出第二控制信号G2_N与第三控制信号G1_P来控制电流复用反相器形式跨阻放大器的开关。
请再次参见图6，高通滤波器用来过滤低频信号和隔离前级的电位漂移。
请再次参见图9，单端转差分电路中第二十MOS管M20与第二十二MOS管M22构成源跟随器，使输入与输出没有相位变化，第二电容C2和第三电阻R3的设置使输出端VP的电压增益为0.5。第二十一MOS管M21管、第一电容C1及第二电阻R2组成共源级放大器，使输入与输出相位相差180度，而电压增益均为0.5，实现了单端转差分的功能。
请再次参见图10与图11，后差分放大电路中输入信号VP与VN分别经第三电容C3与第四电容C4滤波后，变为信号VP1与VN1并分别传输到后一级图11的PART1中的第三十七MOS管M37的栅极与第三十八MOS管M38的栅极；VP1与VN1经过放大电路放大后的信号VP2与VN2并分别传输到后一级图11的PATR2中的第四十六MOS管M46的栅极与第四十七MOS管M47的栅极。
请再次参见图8，可变增益放大器控制电路通过接受信号G0与EN，输出信号G0_P、第四控制信号G0_N、第五控制信号01、第六控制信号02；其中，第四控制信号G0_N控制后差分放大电路中相关的MOS管；第五控制信号01、第六控制信号02来控制图模拟选通电路中相关的MOS管。
综上，本文中应用了具体个例对本发明的结构及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上，本说明书内容不应理解为对本发明的限制，本发明的保护范围应以所附的权利要求为准。

Claims (7)

1.一种高增益大线性动态范围跨阻放大器，其特征在于，包括：电流镜式跨阻前置放大器、电流复用反相器形式跨阻放大器、高通滤波器及可变增益放大电路；其中，
所述电流镜式跨阻前置放大器与所述电流复用反相器形式跨阻放大器均电连接信号输入端(IN)；
所述高通滤波器分别电连接所述电流镜式跨阻前置放大器与所述电流复用反相器形式跨阻放大器；
所述可变增益放大电路电连接所述高通滤波器并电连接信号输出端(OUT)；其中，
所述电流镜式跨阻前置放大器包括：电流源(I)、第一MOS管(M1)、第二MOS管(M2)、第三MOS管(M3)、第四MOS管(M4)、第五MOS管(M5)、第六MOS管(M6)、第七MOS管(M7)、第八MOS管(M8)、第九MOS管(M9)、第十MOS管(M10)、第十一MOS管(M11)、第十二MOS管(M12)、第十三MOS管(M13)及第一电阻(R1)；其中，
所述电流源(I)、所述第五MOS管(M5)及所述第九MOS管(M9)依次串接于电源端(VDD)与接地端(GND)之间；
所述第一电阻(R1)、所述第六MOS管(M6)及所述第十MOS管(M10)依次串接于所述电源端(VDD)与所述接地端(GND)之间；
所述第二MOS管(M2)、所述第四MOS管(M4)及所述第八MOS管(M8)依次串接于所述电源端(VDD)与所述接地端(GND)之间；
所述第十三MOS管(M13)电连接于所述第八MOS管(M8)的栅极与所述接地端(GND)之间；
所述第五MOS管(M5)的栅极与所述第六MOS管(M6)的栅极均电连接第一偏置电压端(VB2_2)；所述第七MOS管(M7)电连接于所述第一偏置电压端(VB2_2)与所述接地端(GND)之间；所述第七MOS管(M7)的栅极电连接第一控制信号端(G1_P)；
所述第九MOS管(M9)的栅极电连接所述第十MOS管(M10)的栅极；
所述第一MOS管(M1)与所述第三MOS管(M3)依次串接于所述电源端(VDD)与所述第九MOS管(M9)的栅极之间；所述第一MOS管(M1)的栅极电连接所述第一控制信号端(G1_P)；所述第三MOS管(M3)的栅极电连接所述电流源(I)与所述第五MOS管(M5)串接形成的节点处；
所述第十一MOS管(M11)与所述第十二MOS管(M12)并接于所述第九MOS管(M9)的栅极与所述接地端(GND)之间；所述第十一MOS管(M11)的栅极电连接第二偏置电压端(VB2_3)；所述第十二MOS管(M12)的栅极电连接所述第一控制信号端(G1_P)；
所述第十三MOS管(M13)的栅极电连接所述第一控制信号端(G1_P)；
所述第二MOS管(M2)的栅极电连接所述第一控制信号端(G1_P)；所述第四MOS管(M4)的栅极电连接所述第一电阻(R1)与所述第六MOS管(M6)串接形成的节点处；所述第八MOS管(M8)的栅极电连接第二偏置电压端(VB2_3)；
所述第五MOS管(M5)与所述第九MOS管(M9)串接形成的节点作为所述电流镜式跨阻前置放大器的输入端电连接至所述信号输入端(IN)；
所述第四MOS管(M4)与所述第八MOS管(M8)串接形成的节点作为所述电流镜式跨阻前置放大器的输出端(OUT1)电连接至所述高通滤波器。
2.根据权利要求1所述的放大器，其特征在于，所述电流复用反相器形式跨阻放大器包括：第一反相器(T1)、第二反相器(T2）、第三反相器(T3)、第十四MOS管(M14)、第十五MOS管(M15)、第十六MOS管(M16)、第十七MOS管(M17)、第十八MOS管(M18)、第十九MOS管(M19)、可变电阻(RF)、第一开关(K1)、第二开关(K2)、第三开关(K3)及第四开关(K4)；其中，
所述第一反相器(T1)、所述第二反相器(T2)及所述第三反相器(T3)依次串行电连接；所述第一反相器(T1)中PMOS管的源端、所述第二反相器(T2)中PMOS管的源端及所述第三反相器(T3)中PMOS管的源端分别经所述第一开关(K1)、所述第二开关(K2)及所述第三开关(K3)电连接所述电源端(VDD)；所述第一开关(K1)、所述第二开关(K2)及所述第三开关(K3)的控制端均由第二控制信号端(G2_N)输入的信号控制；所述第一反相器(T1)中NMOS管的源端、所述第二反相器(T2)中NMOS管的源端及所述第三反相器(T3)中NMOS管的源端均电连接所述接地端(GND)；所述第一反相器(T1)的输入端经所述可变电阻(RF)电连接所述第三反相器(T3)的输出端；所述可变电阻(RF)的阻值由第三控制信号端(G2_P)输入的信号控制；
所述第十四MOS管(M14)电连接于所述第一反相器(T1)的输出端与所述接地端(GND)之间；所述第十四MOS管(M14)的栅极电连接所述第一反相器(T1)的输出端；
所述第十五MOS管(M15)串接于所述第二反相器(T2)的输出端与所述接地端(GND)之间；所述第十五MOS管(M15)的栅极电连接所述第二反相器(T2)的输出端；
所述第十六MOS管(M16)串接于所述第三反相器(T3)的输出端与所述接地端(GND)之间；所述第十六MOS管(M16)的栅极电连接所述第三反相器(T3)的输出端；
所述第十七MOS管(M17)、所述第十八MOS管(M18)及所述第四开关(K4)依次串接于所述电源端(VDD)与所述接地端(GND)之间；所述第四开关(K4)的控制端均由所述第二控制信号端(G2_N)输入的信号控制；所述第十七MOS管(M17)的栅极电连接所述第三反相器(T3)的输出端；所述第十八MOS管(M18)的栅极电连接第三偏置电压端(VB1_1)；
所述第十九MOS管(M19)电连接于所述第十八MOS管(M18)的栅极与所述接地端(GND)之间；所述第十九MOS管(M19)的栅极电连接所述第二控制信号端(G2_N)；
所述第一反相器(T1)的输入端作为所述电流复用反相器形式跨阻放大器的输入端电连接至所述信号输入端(IN)；
所述第十七MOS管(M17)与所述第十八MOS管(M18)串接形成的节点作为所述电流复用反相器形式跨阻放大器的输出端(OUT2)电连接至所述高通滤波器。
3.根据权利要求2所述的放大器，其特征在于，所述高通滤波器包括第一滤波电容(CL1)、第二滤波电容(CL2)、第一滤波电阻(RL1)及第二滤波电阻(RL2)；其中，
所述第一滤波电容(CL1)的第一极板与所述第二滤波电容(CL2)的第一极板形成的节点作为所述高通滤波器的输入端分别电连接所述电流镜式跨阻前置放大器的输出端(OUT1)与所述电流复用反相器形式跨阻放大器的输出端(OUT2)；
所述第一滤波电阻(RL1)电连接于共模电压端(VCM)与所述第一滤波电容(CL1)的第二极板之间；
所述第二滤波电阻(RL2)电连接于所述共模电压端(VCM)与所述第二滤波电容(CL2)的第二极板之间；
所述第一滤波电容(CL1)的第二极板作为所述高通滤波器的第一输出端(VIP)；
所述第二滤波电容(CL2)的第二极板作为所述高通滤波器的第二输出端(VIN)。
4.根据权利要求3所述的放大器，其特征在于，所述可变增益放大电路包括单端转差分电路、后差分放大电路及模拟选通电路；其中，
所述单端转差分电路电连接所述高通滤波器；
所述后差分放大电路电连接所述单端转差分电路；
所述模拟选通电路分别电连接所述后差分放大电路与所述单端转差分电路；
所述模拟选通电路的输出端电连接所述信号输出端(OUT)。
5.根据权利要求4所述的放大器，其特征在于，所述单端转差分电路包括：第二十MOS管(M20)、第二十一MOS管(M21)、第二十二MOS管(M22)、第二电阻(R2)、第三电阻(R3)、第一电容(C1)及第二电容(C2)；其中，
所述第二十MOS管(M20)与所述第二十二MOS管(M22)依次串接于所述电源端(VDD)与所述接地端(GND)之间；
所述第三电阻(R3)与所述第二电容(C2)并接于所述第二十一MOS管(M21)的源、漏两端；
所述第二电阻(R2)与所述第二十一MOS管(M21)依次串接于所述电源端(VDD)与所述接地端(GND)之间；
所述第一电容(C1)并接于所述第二电阻(R2)两端；
所述第二十二MOS管(M22)的栅极电连接第四偏置电压端(VB3_1)；
所述第二十MOS管(M20)的栅极作为所述单端转差分电路的第一输入端电连接所述高通滤波器的第一输出端(VIP)；
所述第二十一MOS管(M21)的栅极作为所述单端转差分电路的第二输入端电连接所述高通滤波器的第二输出端(VIN)；
所述第二十MOS管(M20)与所述第二十二MOS管(M22)串接形成的节点作为所述单端转差分电路的第一输出端(VP)；
所述第二电阻(R2)与所述第二十一MOS管(M21)串接形成的节点作为所述单端转差分电路的第二输出端(VN)。
6.根据权利要求5所述的放大器，其特征在于，所述后差分放大电路包括：第二十三MOS管(M23)、第二十四MOS管(M24)、第二十五MOS管(M25)、第二十六MOS管(M26)、第二十七MOS管(M27)、第二十八MOS管(M28)、第二十九MOS管(M29)、第四电阻(R4)、第五电阻(R5)、第六电阻(R6)、第七电阻(R7)、第三电容(C3)及第四电容(C4)；其中，
所述第四电阻(R4)、所述第二十五MOS管(M25)及所述第二十七MOS管(M27)依次串接于所述电源端(VDD)与所述接地端(GND)之间；
所述第五电阻(R5)、所述第二十六MOS管(M26)及所述第二十八MOS管(M28)依次串接于所述电源端(VDD)与所述接地端(GND)之间；
所述第二十三MOS管(M23)电连接于所述第四电阻(R4)与所述第二十五MOS管(M25)串接形成的节点与所述接地端(GND)之间；所述第二十三MOS管(M23)的栅极电连接第四控制信号端(G0_N)；
所述第二十四MOS管(M24)电连接于所述第五电阻(R5)与所述第二十六MOS管(M26)串接形成的节点与所述接地端(GND)之间；所述第二十四MOS管(M24)的栅极电连接所述第四控制信号端(G0_N)；
所述第二十五MOS管(M25)与所述第二十七MOS管(M27)串接形成的节点电连接所述第二十六MOS管(M26)与所述第二十八MOS管(M28)串接形成的节点；
所述第二十七MOS管(M27)的栅极电连接所述第二十八MOS管(M28)的栅极；所述第二十九MOS管(M29)串接于所述第二十七MOS管(M27)的栅极与所述接地端(GND)之间；所述第二十九MOS管(M29)的栅极电连接所述第四控制信号端(G0_N)；
所述第二十五MOS管(M25)的栅极电连接所述第三电容(C3)的第一极板；所述第三电容(C3)的第二极板作为所述后差分放大电路的第一输入端电连接所述单端转差分电路的第一输出端(VP)；
所述第六电阻(R6)电连接于所述第二十五MOS管(M25)的栅极与共模电压端(VCM)之间；
所述第二十六MOS管(M26)的栅极电连接所述第四电容(C4)的第一极板；所述第四电容(C4)的第二极板作为所述后差分放大电路的第二输入端电连接所述单端转差分电路的第二输出端(VN)；
所述第七电阻(R7)电连接于所述第二十六MOS管(M26)的栅极与共模电压端(VCM)之间；
所述第五电阻(R5)与所述第二十六MOS管(M26)串接形成的节点作为所述后差分放大电路的第一输出端(VP2)；
所述第四电阻(R4)与所述第二十五MOS管(M25)串接形成的节点作为所述后差分放大电路的第二输出端(VN2)。
7.根据权利要求6所述的放大器，其特征在于，所述模拟选通电路包括：第三十MOS管(M30)、第三十一MOS管(M31)、第三十二MOS管(M32)、第三十三MOS管(M33)、第三十四MOS管(M34)、第三十五MOS管(M35)、第三十六MOS管(M36)、第三十七MOS管(M37)、第三十八MOS管(M38)、第三十九MOS管(M39)、第四十MOS管(M40)、第四十一MOS管(M41)、第四十二MOS管(M42)、第四十三MOS管(M43)、第四十四MOS管(M44)、第四十五MOS管(M45)、第四十六MOS管(M46)、第四十七MOS管(M47)、第四十八MOS管(M48)、第四十九MOS管(M49)、第五十MOS管(M50)及第五十一MOS管(M51)；其中，
所述第三十一MOS管(M31)、所述第三十五MOS管(M35)及所述第五十一MOS管(M51)依次串接于所述电源端(VDD)与所述接地端(GND)之间；
所述第三十二MOS管(M32)、所述第三十七MOS管(M37)及所述第四十九MOS管(M49)依次串接于所述电源端(VDD)与所述接地端(GND)之间；
所述第三十三MOS管(M33)、所述第三十八MOS管(M38)及所述第四十八MOS管(M48)依次串接于所述电源端(VDD)与所述接地端(GND)之间；
所述第三十四MOS管(M34)、所述第三十六MOS管(M36)及所述第五十MOS管(M50)依次串接于所述电源端(VDD)与所述接地端(GND)之间；
所述第四十MOS管(M40)与所述第四十四MOS管(M44)依次串接于所述电源端(VDD)与所述第三十六MOS管(M36)与所述第五十MOS管(M50)串接形成的节点之间；
所述第四十一MOS管(M41)与所述第四十六MOS管(M46)依次串接于所述电源端(VDD)与第三十八MOS管(M38)与所述第四十八MOS管(M48)串接形成的节点之间；
所述第四十二MOS管(M42)与所述第四十七MOS管(M47)依次串接于所述电源端(VDD)与第三十七MOS管(M37)与所述第四十九MOS管(M49)串接形成的节点之间；
所述第四十三MOS管(M43)与所述第四十五MOS管(M45)依次串接于所述电源端(VDD)与所述第三十五MOS管(M35)与所述第五十一MOS管(M51)串接形成的节点之间；
所述第三十一MOS管(M31)的栅极电连接第五控制信号端(01)；所述第三十五MOS管(M35)的栅极电连接至所述第三十二MOS管(M32)与所述第三十七MOS管(M37)串接形成的节点处；所述第五十一MOS管(M51)的栅极电连接第五偏置电压端(VB3_5)；
所述第三十二MOS管(M32)的栅极电连接所述第三十三MOS管(M33)的栅极；所述第三十MOS管(M30)串接于所述电源端(VDD)与所述第三十二MOS管(M32)的栅极电连接所述第三十三MOS管(M33)的栅极形成的节点之间；所述第三十MOS管(M30)的栅极电连接第六控制信号端(02)；
所述第三十七MOS管(M37)的栅极电连接所述第三电容(C3)的第一极板；所述第三电容(C3)的第二极板作为所述模拟选通电路的第一输入端电连接所述单端转差分电路的第一输出端(VP)；
所述第四十九MOS管(M49)的栅极电连接至所述第三十五MOS管(M35)与所述第五十一MOS管(M51)串接形成的节点处；
所述第三十八MOS管(M38)的栅极电连接所述第四电容(C4)的第一极板；所述第四电容(C4)的第二极板作为所述模拟选通电路的第二输入端电连接所述单端转差分电路的第二输出端(VN)；
所述第四十八MOS管(M48)的栅极电连接至所述第三十六MOS管(M36)与所述第五十MOS管(M50)串接形成的节点处；
所述第三十四MOS管(M34)的栅极电连接所述第五控制信号端(01)；所述第三十六MOS管(M36)的栅极电连接至所述第三十三MOS管(M33)与所述第三十八MOS管(M38)串接形成的节点处；所述第五十MOS管(M50)的栅极电连接所述第五偏置电压端(VB3_5)；
所述第四十MOS管(M40)的栅极电连接所述第六控制信号端(02)；所述第四十四MOS管(M44)的栅极电连接至所述第四十一MOS管(M41)与所述第四十六MOS管(M46)串接形成的节点处；
所述第四十一MOS管(M41)的栅极电连接所述第四十二MOS管(M42)的栅极；所述第三十九MOS管(M39)串接于所述电源端(VDD)与所述第四十一MOS管(M41)的栅极电连接所述第四十二MOS管(M42)的栅极形成的节点处；所述第三十九MOS管(M39)的栅极电连接所述第五控制信号端(01)；
所述第四十七MOS管(M47)的栅极作为所述模拟选通电路的第三输入端电连接所述后差分放大电路的第一输出端(VP2)；
所述第四十六MOS管(M46)的栅极作为所述模拟选通电路的第四输入端电连接所述后差分放大电路的第二输出端(VN2)；
所述第四十三MOS管(M43)的栅极电连接所述第六控制信号端(02)；所述第四十五MOS管(M45)的栅极电连接至所述第四十二MOS管(M42)与所述第四十七MOS管(M47)串接形成的节点处；
所述第三十七MOS管(M37)与所述第四十九MOS管(M49)串接形成的节点作为所述模拟选通电路的第一输出端(VOP)电连接所述信号输出端(OUT)；
所述第三十八MOS管(M38)与所述第四十八MOS管(M48)串接形成的节点作为所述模拟选通电路的第二输出端(VON)电连接所述信号输出端(OUT)。
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