CN108777566A - 放大电路 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种放大电路，其中，该放大电路包括运算放大器和反馈路径。该运算放大器具有第一输入端、第二输入端和输出端，且用于接收输入信号，以产生输出信号。该反馈路径耦接在运算放大器的第一输入端和输出端之间，其中，该反馈路径包括至少两个多晶硅电阻，以及，该至少两个多晶硅电阻中的至少一个但非全部的多晶硅电阻的耗尽区被运算放大器产生的输出信号偏置。本发明可以提高放大电路的线性度。

Description

放大电路
技术领域
本发明涉及一种放大电路，以及更特别地，涉及一种具有多晶硅电阻(polyresistor)的放大电路，其中，该多晶硅电阻具有被输出信号偏置的耗尽区(biaseddepletion region)。
背景技术
多晶硅电阻总是受耗尽效应(depletion effect)的影响，导致多晶硅电阻的电阻值发生变化。因此，当多晶硅电阻被用在线性放大器的反馈路径中时，该耗尽效应会降低线性放大器的线性度。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的之一在于提供一种放大电路，以解决上述问题。
根据本发明的实施例，提供了一种放大电路，其中，该放大电路包括运算放大器和反馈路径。该运算放大器具有第一输入端、第二输入端和输出端，且用于接收输入信号，以产生输出信号。该反馈路径耦接在运算放大器的输入端和输出端之间，其中，该反馈路径包括至少两个多晶硅电阻，以及，该至少两个多晶硅电阻中的至少一个但非全部的多晶硅电阻的耗尽区被运算放大器产生的输出信号偏置。
在上述技术方案中，位于放大电路中的反馈路径上的至少一个但非全部的多晶硅电阻的耗尽区被运算放大器产生的输出信号偏置，可以改善耗尽效应，提高放大电路的线性度。
本领域技术人员在阅读附图所示优选实施例的下述详细描述之后，可以毫无疑义地理解本发明的这些目的及其它目的。详细的描述将参考附图在下面的实施例中给出。
附图说明
通过阅读后续的详细描述以及参考附图所给的示例，可以更全面地理解本发明，其中：
图1a是根据本发明实施例示出的放大电路的示意图；
图1b是根据本发明第一实施例示出的放大电路的示意图；
图2根据本发明实施例示出了多晶硅电阻；
图3是根据本发明第二实施例示出的一种放大电路的示意图；
图4是根据本发明第三实施例示出的一种放大电路的示意图。。
在下面的详细描述中，为了说明的目的，阐述了许多具体细节，以便本领域技术人员能够更透彻地理解本发明实施例。然而，显而易见的是，可以在没有这些具体细节的情况下实施一个或多个实施例，不同的实施例可根据需求相结合，而并不应当仅限于附图所列举的实施例。
具体实施方式
以下描述为本发明实施的较佳实施例，其仅用来例举阐释本发明的技术特征，而并非用来限制本发明的范畴。在通篇说明书及权利要求书当中使用了某些词汇来指称特定的元件，所属领域技术人员应当理解，制造商可能会使用不同的名称来称呼同样的元件。因此，本说明书及权利要求书并不以名称的差异作为区别元件的方式，而是以元件在功能上的差异作为区别的基准。本发明中使用的术语“元件”、“系统”和“装置”可以是与计算机相关的实体，其中，该计算机可以是硬件、软件、或硬件和软件的结合。在以下描述和权利要求书当中所提及的术语“包含”和“包括”为开放式用语，故应解释成“包含，但不限定于…”的意思。此外，术语“耦接”意指间接或直接的电气连接。因此，若文中描述一个装置耦接于另一装置，则代表该装置可直接电气连接于该另一装置，或者透过其它装置或连接手段间接地电气连接至该另一装置。
其中，除非另有指示，各附图的不同附图中对应的数字和符号通常涉及相应的部分。所绘制的附图清楚地说明了实施例的相关部分且并不一定是按比例绘制。
文中所用术语“基本”或“大致”是指在可接受的范围内，本领域技术人员能够解决所要解决的技术问题，基本达到所要达到的技术效果。举例而言，“大致等于”是指在不影响结果正确性时，技术人员能够接受的与“完全等于”有一定误差的方式。
本发明提供一种放大电路，其中，输出信号的电压没有经由任何的电阻而被施加到(连接至)线性放大器(或放大电路)内的至少一个但非全部的多晶硅电阻的耗尽区，以改善耗尽效应。图1a是根据本发明实施例示出的一种放大电路的示意图。为便于理解与说明，假设运算放大器的同相输入端Nin+耦接于接地电压，结合图2可以获知，反馈路径上的反馈电阻可以用下式表示：
其中，R表示横跨于多晶硅电阻的端子202和204之间的等效电阻值，即多晶硅电阻的实时电阻值，Ro表示该多晶硅电阻的初始电阻值，V202表示该多晶硅电阻的端子202上的电压，Vsub表示该多晶硅电阻的导电层230上的电压，V204表示该多晶硅电阻的端子204上的电压，Lpoly为多晶硅电阻的长度，Apoly为多晶硅的横断面积(cross-sectional area)，ρ为多晶硅电阻的电阻系数(resistance coefficient)，Vc1为与耗尽效应相关的非线性系数。
从上式可以看出，多晶硅电阻的电阻值R会随V202与Vsub，以及，V204与Vsub之间的电压差而改变。下面推导该电阻跨接在运算放大器两端时的输出电压Vo与输入电流Ii之间的关系：
从上述推导过程可以看出，存在Vc1所导致的二阶非线性失真(即cos2θ对应的项数)，其中，二阶非线性失真的系数转换为dB单位的数值为：
图1b是根据本发明第一实施例示出的放大电路100的示意图。如图1b所示，放大电路100包括运算放大器(operational amplifier)110和反馈路径，该反馈路径包括串联连接的两个多晶硅电阻R1和R2，应当说明的是，图1b仅用于示例，而并非对本发明的限制。例如，该反馈路径可以包括两个或两个以上的多晶硅电阻，其中，该多晶硅电阻可以是串联、并联或者两者相结合的串并联连接方式，具体地，本发明实施例不做限制。在一优选实施例中，该两个或两个以上的多晶硅电阻具有相同的初始电阻值Ro。在图1b所示的实施例中，运算放大器110包含两个输入端Nin+、Nin-以及一输出端Nout，其中，输入端Nin+耦接一参考电压(reference voltage)Vb，例如，接地电压或任何适当的电源电压，以及，输入信号Ii(例如，电流信号)被输入到输入端Nin-，以在输出端Nout产生输出信号Vo。
图2根据本发明一实施例示出了多晶硅电阻200，其中，多晶硅电阻200可以用于实现多晶硅电阻R1和R2中的每一个。如图2所示，多晶硅电阻200包括电阻层(resistivelayer)210(电阻层210具有两个端子202和204)、电介质层(dielectric layer)220、导电层(conductive layer)230和衬底240，其中，电阻层210由多晶硅(poly-silicon)制成，导电层230可以是由任何合适的金属层或N掺杂或P掺杂的硅制成，以及，电阻层210和导电层230被介电层220隔离开。当多晶硅电阻200被用在放大电路100中时，由于电阻层210上的电压电平因输出信号Vo而变化，因此，电阻层210的下部(lower portion)和导电层230的上部(upper portion)上的耗尽或电荷累积会由于电阻层210和导电层230之间的变化的电压差而变化，从而导致多晶硅电阻200的不稳定或非线性电阻值。上述情形被称为耗尽效应。在图1b所示的放大电路100中，为了完全消除或减少耗尽效应，运算放大器110产生的输出信号Vo被直接输入到多晶硅电阻R1的耗尽区(depletion region)，以及，多晶硅电阻R2的耗尽区被偏置电压(bias voltage)Vdc(例如，接地电压或任何合适的固定电压)偏置。在本实施例中，该耗尽区可以表示导电层230，即多晶硅电阻R1的导电层230被输出信号Vo直接偏置(动态偏置)，以及，多晶硅电阻R2的导电层230被偏置电压Vdc偏置。
为便于理解与说明，下面以多晶硅电阻R1和R2具有相同的初始电阻值Ro为例进行示例说明，从图1b可以看出，图1b所示电路结构的总反馈电阻为R1+R2，其中，R1和R2均可以用下式表示：
其中，R表示横跨于端子202和204之间的等效电阻值，Ro表示该多晶硅电阻的初始电阻值，V202表示该多晶硅电阻的端子202上的电压，Vsub表示该多晶硅电阻的导电层230耦接的电压(在图1b中为输出信号Vo)，V204表示该多晶硅电阻的端子204上的电压。
因此，基于图1b，总反馈电阻R1+R2可以表示为：
从上式可以看出，与输出信号Vo相关的项数已被消除，剩下的项数均为常数项，因此，反馈路径上的总反馈电阻是稳定不变的，提高了线性放大器的性能。特别地，在一实施例中，当偏置电压Vdc和参考电压Vb相等时，总反馈电阻为2Ro，此时，为最理想的情况。在一优选实施例中，当提供给多晶硅电阻R2的偏置电压Vdc和运算放大器110的同相输入端Nin+接收到的参考电压Vb为接地电压时，总反馈电阻为2Ro，从而，不仅确保了稳定的电阻值，而且电路结构变得更简单，且无需额外提供电源电压的供电电路，耗电更低。此外，输出信号Vo被直接连接到或经由缓冲器后连接到多晶硅电阻R1的耗尽区，而没有经由任何的电阻(该电阻也会存在耗尽效应)，因此，放大电路的线性度更高。
在图1b所示的实施例中，通过采用分别由输出信号Vo和偏置电压Vdc偏置其耗尽区的多晶硅电阻R1和R2，多晶硅电阻R1将具有正非线性效应，以及，多晶硅电阻R2将具有负非线性效应。通过在放大电路100的反馈路径中使用该多晶硅电阻R1和R2，多晶硅电阻R1的正非线性效应和多晶硅电阻R2的负非线性效应可以被完全抵消，即反馈路径的电阻(即，多晶硅电阻R1和R2的组合电阻)更稳定，使得放大电路100的线性度得到提高。
在本发明的另一实施例中，图1b中所示的多晶硅电阻R2的耗尽区可以是悬空的(即，不连接到任何偏置电压)，以及，该设计也可以提高反馈路径的电阻稳定性。
图3是根据本发明第二实施例示出的放大电路300的示意图。如图3所示，放大电路300包括运算放大器310以及反馈路径，该反馈路径包括三个串联连接的多晶硅电阻R1、R2和R3。在图3所示的实施例中，运算放大器310包括两个输入端Nin+、Nin-以及一输出端Nout，其中，输入端Nin+耦接于参考电压Vb，诸如接地电压或任何合适的电源电压，以及，输入信号Vi被输入到输入端Nin-，以在输出端Nout产生输出信号Vo。
在本实施例中，多晶硅电阻R1、R2和R3中的每一个可以由图2所示的多晶硅电阻200实现，运算放大器110产生的输出信号Vo被直接输入到多晶硅电阻R1的耗尽区，以及，多晶硅电阻R2和R3的耗尽区被相同或不同的偏置电压(例如，接地电压或任何合适的固定电压)偏置，图3中以相同的偏置电压为例，特别地，该偏置电压以接地电压为例进行示出。在本实施例中，耗尽区表示导电层230，即多晶硅电阻R1的导电层230被输出信号Vo直接偏置(动态偏置)，以及，多晶硅电阻R2和R3的导电层230被偏置电压偏置。因此，通过使用其耗尽区分别被输出信号Vo和偏置电压偏置的多晶硅电阻R1至R3，多晶硅电阻R1至R3的非线性效应能够被完全消除掉，换言之，反馈路径的电阻(即，多晶硅电阻R1至R3的组合电阻)更稳定，从而使得放大电路300的线性度得到提高。
在本发明的另一实施例中，图3中所示的多晶硅电阻R2和R3的耗尽区域可以连接到偏置电压或是悬空的(即不连接偏置电压)。例如，多晶硅电阻R2和R3的耗尽区可以均是悬空的；或者，多晶硅电阻R2和R3的其中一个的耗尽区是悬空的，而另一个连接到偏置电压。这些替代方案均落入本发明的范围内。
图4是根据本发明第三实施例示出的放大电路400的示意图。如图4所示，放大电路400包括运算放大器410、缓冲器(buffer)420以及反馈路径，该反馈路径包括两个串联连接的多晶硅电阻R1和R2。在图4所示的实施例中，运算放大器410包括两个输入端Nin+、Nin-以及输出端Nout，其中，输入端Nin+耦接于参考电压Vb，诸如接地电压或任何合适的参考电压，以及，输入信号Ii被输入到输入端Nin-，以在输出端Nout产生输出信号Vo。缓冲器420可以利用源极跟随器(source follower)或单位增益缓冲器(unit gain buffer)来实现。
在本实施例中，多晶硅电阻R1和R2的每一个可以由图2中所示的多晶硅电阻200实现。在图4所示的放大电路400中，缓冲器420接收输出信号Vo，以产生缓冲后的输出信号Vo'，以及，缓冲后的输出信号Vo'被直接输入到多晶硅电阻R1的耗尽区(其中，输出信号Vo通过缓冲器直接输入到多晶硅电阻R1的耗尽区，而没有经由任何的多晶硅电阻)，以及，多晶硅电阻R2的耗尽区被偏置电压Vdc偏置，诸如接地电压或任何合适的固定电压。在本实施例中，耗尽区可以表示导电层230，即多晶硅电阻R1的导电层230被该缓冲后的输出信号Vo'直接偏置(动态偏置)，以及，多晶硅电阻R2的导电层230被偏置电压Vdc偏置。
在本发明的另一实施例中，图4中所示的多晶硅电阻R2的耗尽区可以是悬空的(即，不连接到任何偏置电压)，这种设计也可以提高反馈路径的电阻稳定性。
简而言之，在本发明的放大电路中，通过控制反馈路径中的多晶硅电阻的耗尽区的偏置电压，可以完全消除或减少多晶硅电阻(例如，R1和R2)的非线性效应，从而提高放大电路的线性度。另外，本发明的实施例不需要太多的附加组件，即制造成本不会增加太多。
虽然本发明已经通过示例的方式以及依据优选实施例进行了描述，但是，应当理解的是，本发明并不限于公开的实施例。相反，它旨在覆盖各种变型和类似的结构(如对于本领域技术人员将是显而易见的)，例如，不同实施例中的不同特征的组合或替换。因此，所附权利要求的范围应被赋予最宽的解释，以涵盖所有的这些变型和类似的结构。

Claims (10)

1.一种放大电路，包括：
运算放大器，具有第一输入端、第二输入端和输出端，用于接收输入信号，并产生输出信号；
反馈路径，耦接在该运算放大器的该第一输入端和该输出端之间，其中，该反馈路径包括至少两个多晶硅电阻，以及，该至少两个多晶硅电阻中的至少一个但非全部的多晶硅电阻的耗尽区被该运算放大器产生的该输出信号偏置。
2.根据权利要求1所述的放大电路，其特征在于，该耗尽区为多晶硅电阻的导电层，该运算放大器产生该输出信号到该导电层，以直接偏置该至少两个多晶硅电阻中的该至少一个但非全部的多晶硅电阻的耗尽区。
3.根据权利要求1所述的放大电路，其特征在于，该至少两个多晶硅电阻中的其它多晶硅电阻的耗尽区被偏置电压偏置，该第二输入端耦接于参考电压，以及，该参考电压与该偏置电压相等。
4.根据权利要求3所述的放大电路，其特征在于，该参考电压与该偏置电压为接地电压。
5.根据权利要求1所述的放大电路，其特征在于，该输出信号没有经由任何的电阻而被连接至该至少两个多晶硅电阻中的该至少一个但非全部的多晶硅电阻的耗尽区。
6.根据权利要求1所述的放大电路，其特征在于，该至少两个多晶硅电阻包括串联连接的第一多晶硅电阻、第二多晶硅电阻和第三多晶硅电阻，该第一多晶硅电阻的耗尽区被该输出信号偏置，以及，该第二多晶硅电阻和该第三多晶硅电阻被参考电压偏置或者是悬空的。
7.根据权利要求6所述的放大电路，其特征在于，该第二多晶硅电阻耦接于该运算放大器的该输出端，该第三多晶硅电阻耦接于该运算放大器的该第一输入端，以及，该第一多晶硅电阻耦接在该第二多晶硅电阻和该第三个多晶硅电阻之间。
8.根据权利要求1所述的放大电路，其特征在于，该放大电路还包括缓冲器，该运算放大器产生的该输出信号经由该缓冲器输入到该至少两个多晶硅电阻中的该至少一个但非全部的多晶硅电阻的耗尽区。
9.根据权利要求1或8所述的放大电路，其特征在于，该至少两个多晶硅电阻串联连接。
10.根据权利要求1或8所述的放大电路，其特征在于，该至少两个多晶硅电阻的初始电阻值相等。
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