CN108886343B

CN108886343B - 负反馈放大电路

Info

Publication number: CN108886343B
Application number: CN201780002138.7A
Authority: CN
Inventors: 范硕
Original assignee: Shenzhen Goodix Technology Co Ltd
Current assignee: Shenzhen Goodix Technology Co Ltd
Priority date: 2017-12-15
Filing date: 2017-12-15
Publication date: 2021-12-21
Anticipated expiration: 2037-12-15
Also published as: WO2019113931A1; CN108886343A

Abstract

本申请涉及电路技术领域，提供了一种负反馈放大电路。负反馈放大电路，包括运算放大器，包括反向输入端和输出端；采样支路，所述采样支路的第一端用于接收输入电压，所述采样支路的第二端连接于所述运算放大器的反向输入端；反馈支路，其中所述反馈支路的第一端连接于所述运算放大器的输出端，所述反馈支路的第二端连接于所述运算放大器的反向输入端；电压放大器，其输入端连接于所述运算放大器的反向输入端；和调节支路，其中所述电压放大器的输出端通过所述调节支路连接于所述采样电路的第二端。采用本申请的实施例，能够在付出较小的功耗的代价下，实现更高的增益和更大的带宽。

Description

负反馈放大电路

技术领域

本申请涉及电路技术领域，特别涉及一种负反馈放大电路。

背景技术

运算放大器是模拟集成电路的最常用的一个模块，其已广泛的应用在比较器、模数转换器、振荡器以及模拟积分器等器件中。运算放大器的增益带宽积为增益和带宽的乘积，用来衡量运算放大器的性能。

发明人发现现有技术至少存在以下问题：运算放大器的增益带宽积与功耗成正比，若想获得更大的增益带宽积，必然会增加运算放大器的功耗。

发明内容

本申请部分实施例的目的在于提供一种负反馈放大电路，能够在付出较小的功耗的代价下，实现更高的增益和更大的带宽。

本申请实施例提供了一种负反馈放大电路，包括：运算放大器，包括反向输入端和输出端；采样支路，所述采样支路的第一端用于接收输入电压，所述采样支路的第二端连接于所述运算放大器的反向输入端；反馈支路，其中所述反馈支路的第一端连接于所述运算放大器的输出端，所述反馈支路的第二端连接于所述运算放大器的反向输入端；电压放大器，其输入端连接于所述运算放大器的反向输入端；和调节支路，其中所述电压放大器的输出端通过所述调节支路连接于所述采样电路的第二端。

本申请实施例相对于现有技术而言，通过增加调节支路和电压放大器，从而可以通过控制调节支路的阻抗值、电压放大器的增益、采样支路的阻抗值以及反馈支路的阻抗值的大小，使得负反馈放大电路能够在付出较小的功耗的代价下，实现更高的增益和更大的带宽。

另外，采样支路包括采样电阻、采样电容、采样电感的其中之一或任意组合；反馈支路包括反馈电阻、反馈电容、反馈电感的其中之一或任意组合；调节支路包括调节电阻、调节电容、调节电感的其中之一或任意组合。本实施例提供了采样支路、反馈支路以及调节支路的具体类型。

另外，电压放大器为基于运算放大器的放大电路；电压放大器中的运算放大器的正相输入端形成电压放大器的输入端，电压放大器中的运算放大器的输出端形成电压放大器的输出端。本实施例提供了电压放大器的一种具体形式。

另外，负反馈放大电路为开关电容电路，其中，采样支路为采样电容且反馈支路为反馈电容。

另外，负反馈放大电路为有源低通滤波器，其中，采样支路为采样电阻且反馈支路为反馈电容。

另外，负反馈放大电路为有源高通滤波器，其中，采样支路为采样电容且反馈支路为反馈电阻。

另外，负反馈放大电路为电阻型反馈放大器，其中，采样支路为采样电阻且反馈支路为反馈电阻。

另外，调节支路的阻抗值Z_x、电压放大器的增益G、采样支路的阻抗值Z_s以及反馈支路的阻抗值Z_f，满足如下关系式：

本实施例中提供了调节支路的阻抗值Z_x、电压放大器的增益G、采样支路的阻抗值Z_s以及反馈支路的阻抗值Z_f满足的具体关系公式。

本实施例中提供了一种理想情况下的负反馈放大电路。

附图说明

一个或多个实施例通过与之对应的附图中的图片进行示例性说明，这些示例性说明并不构成对实施例的限定，附图中具有相同参考数字标号的元件表示为类似的元件，除非有特别申明，附图中的图不构成比例限制。

图1是现有技术中的开关电容电路的电路结构图；

图2是现有技术中的开关电容电路处于转换周期的电路连接图；

图3是现有技术中的开关电容电路处于转换周期的等效电路图；

图4是根据本申请第一实施例的负反馈放大电路的电路结构图，其具体为开关电容电路；

图5是根据本申请第一实施例中图4所示的开关电容电路处于转换周期的电路连接图；

图6是根据本申请第一实施例的负反馈放大电路的电路结构图；

图7是根据本申请第二实施例的第一种负反馈放大电路的电路结构图，其具体为有源低通滤波器；

图8是根据本申请第二实施例的第二种负反馈放大电路的电路结构图，其具体为有源高通滤波器；

图9是根据本申请第二实施例的第三种负反馈放大电路的电路结构图，其具体为电阻型反馈放大器；

图10是根据本申请第三实施例的负反馈放大电路的电压放大器的电路结构图。

具体实施方式

为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请部分实施例进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。

本申请第一实施例涉及一种负反馈放大电路，用于对输入进行放大，能够以一个很小的输入产生很大的输出。本申请中的负反馈放大电路包括运算放大器，包括反向输入端和输出端；采样支路，所述采样支路的第一端用于接收输入电压，所述采样支路的第二端连接于所述运算放大器的反向输入端；反馈支路，其中所述反馈支路的第一端连接于所述运算放大器的输出端，所述反馈支路的第二端连接于所述运算放大器的反向输入端；电压放大器，其输入端连接于所述运算放大器的反向输入端；和调节支路，其中所述电压放大器的输出端通过所述调节支路连接于所述采样电路的第二端。

本申请的负反馈放大电路相对于现有的负反馈放大电路而言，增加了调节支路与电压放大器，从而实现了在付出较小的功耗的代价下，实现更高的增益和更大的带宽的技术效果。负反馈放大电路包括多种类型，不同类型的负反馈放大电路用于实现不同的功能；开关电容电路是常见的一种负反馈放大电路，下面以开关电容电路为例，将现有技术中的开关电容电路和本申请中的开关电容电路进行对比分析，以说明本申请如何在增加调节支路与电压放大器的基础上，实现上述的技术效果。

现有技术中的开关电容电路，如图1所示，包括运算放大器OPAMP(OperationalAmplifier，简称OPAMP)，采样电容C_s(即为采样支路)，反馈电容C_f(即为反馈支路)、开关S1、开关S2以及开关S3。开关电容电路包括采样周期和转换周期。当开关电容电路处于采样周期时，开关S1切换至V_in，开关S2闭合，开关S3切换至接地端；当开关电容电路处于转换周期时，开关S1切换至接地端，开关S2打开，开关S3切换至V_out。

请参考图2，为图1中的开关电容电路处于转换周期的电路连接图。此时开关电容电路可以等效为一个单极点系统，如图3所示为处在转换周期的开关电容电路的等效电路图；其中，gm为运算放大器OPAMP的整体跨导，R₀为运算放大器的主极点对应的阻抗，C₀为运算放大器的主极点对应的电容，V_in表示输入，V_out表示输出。

根据图3中的处在转换周期的开关电容电路的等效电路图，可以得到下列的方程：

(V_in-V_x)jwC_s＝(V_x-V_out)×jwC_f

以上方程进行变换后得到：

V_injwC_s＝V_x(jwC_s+jwC_f)-jwC_fV_out

继续变换之后可以得到图1的开关电容电路的增益，如下公式(1)所示：

理想情况下，运算放大器OPAMP的主极点对应的阻抗R₀为无穷大，运算放大器的主极点对应的电容C₀为无穷小，运算放大器的整体跨导gm为无穷大；开关电容电路的增益等于预设的增益，即，上公式(1)可以简化为：

然需要说明的是，实际中，由于制造工艺的限制，运算放大器OPAMP不可能达到理想状况，因此，

与

无法真正相等，即实际工作中的开关电容电路的增益无法达到设计要求(

与

的大小视情况而定；就目前大部分已知的运算放大器而言，

小于

但在低频状态下，也可能

大于

但无论哪种情况，都属于非理想状态)。

本申请中，请参考图4，在现有的开关电容电路的基础上(图1)增加了调节支路与电压放大器；其中，电压放大器的输入端连接于运算放大器OPAMP的反向输入端，电压放大器的输出端通过调节支路连接于采样支路的第二端。

当开关电容电路处于采样周期时，开关S1切换至V_in，开关S2打开，开关S3切换至接地端；当开关电容电路处于转换周期时，开关S1切换至接地端，开关S2闭合，开关S3切换至V_out，请参考图5，为处在转换周期的开关电容电路的电路结构图；其中，调节支路为调节电容C_x，电压放大器的增益为G。

根据图5中的处在转换周期的开关电容电路并且结合上面所述的运算放大器OPAMP的整体跨导、主极点对应的阻抗和电容(结合图3的等效电路图)，可以得到下列的方程：

(V_in-V_x)×jwC_s＝(V_x-V_out)×jwC_f-(GV_x-V_x)×jwC_x

由上方程变换得到：

V_injwC_s＝V_x[jwC_s+jwC_f-(G-1)jwC_X]-jwC_fV_out

从而可以得到：

继续变换之后可以得到图4中的开关电容电路的增益，如下公式(2)所示：

由上述分析可知，公式(1)的分母越接近1，即分母中的部分公式

越接近于零，表示运算放大器OPAMP越接近于理想状态，则现有技术中的负反馈电路的增益越大；同理，公式(2)中，分母中的部分公式

越接近于零，则负反馈电路的增益越大；而本实施例中可以通过上述部分公式的分子

中的

进行调节，以使得上述部分公式尽可能接近于零，从而使得负反馈电路的增益尽可能接近于理想状态。因此可知，当满足以下公式时，

变换可得下列公式(3)：

可以使得本实施例中的开关电容电路的增益达到理想状态，即

进一步的，将增加了调节支路与电压放大器的开关电容电路与现有的开关电容电路的增益进行对比，即，将公式(1)与公式(2)进行对比，可以得到公式(1)与公式(2)的不同之处仅在于分母上的部分公式不同：公式(1)中为

而公式(2)中为

公式(1)中，由于

的模对开关电容电路的增益影响较大，而

的正负对开关电容电路的增益影响相对于次要，可以忽略。因此，只要公式(2)中的

的绝对值小于公式(1)中的

那么，公式(2)的分母中的部分公式

就小于公式(1)的分母中的部分公式

从而使得本实施例的开关电容电路的增益相对于现有技术得到提高。因此，只要满足下列公式(4)，便可以使增加了调节支路与电压放大器的开关电容电路的增益大于现有的开关电容电路的增益，即，在相同的输入下，达到更高的输出。

变化可得，

0<(G-1)C_X<2C_s+2C_f

不失一般性的，如果现有的负反馈放大电路为其他类型时，为了使本申请中的负反馈放大电路同样适用，请参考图6，将各个支路用阻抗来表示，其中，Z_x为调节支路的阻抗值，G为电压放大器的增益，Z_s为采样支路的阻抗值，Z_f为反馈支路的阻抗值。

根据图6中的负反馈放大电路，可以得到下列的方程：

(V_in-V_x)/Z_s＝(V_x-V_out)/Z_f-(GV_x-V_x)/Z_x

由上可知：

V_in/Z_s＝V_x[1/Z_s+1/Z_f-(G-1)/Z_x]-1/Z_fV_out

从而可以得到：

变换之后可以得到图6的负反馈放大电路的增益，如下公式(5)所示：

通过前述分析可知，当满足公式(6)时，便可以使增加了调节支路与电压放大器的负反馈放大电路的增益大于现有的负反馈放大电路的增益。

变换可得：

较佳的，可以令

变换可得：

从而能够使图6中的负反馈放大电路达到理想情况，即，

需要说明的是，当负反馈放大电路为开关电容电路时，

带入公式(8)可以得到：

C_X(G-1)＝C_s+C_f

变换之后可以得到前述公式(3)：

设计人员在设计负反馈放大电路时，通常会按照负反馈放大电路的增益需求来设计Z_f、Z_s；如果采用本发明的实施例的话，在按照通常方法确定上述Z_f、Z_s之后，可以在Z_f、Z_S的基础上结合公式(7)确定调节支路的阻抗值Z_X和电压放大器的增益G，即只需调节支路的阻抗值Z_x和电压放大器的增益G满足上述公式(7)，便可以提升负反馈放大电路的增益。其中，在实际设计电路时，设计人员可以按照理想情况来确定调节支路的阻抗值Z_x和电压放大器的增益G；即，在确定了Z_f和Z_s后，根据公式(8)来计算出调节支路的阻抗值Z_x和电压放大器的增益G；所以，如果忽略制作工艺精度的问题，可以达到理想状态；但是，即使由于制作工艺精度问题达不到理想状态，在通常的制作工艺精度的误差范围内，调节支路的阻抗值Z_x、电压放大器的增益G和Z_f、Z_s也可以满足公式(7)。因此，本实施例对电压放大器的增益G的精度要求不是很高，即便电压放大器的增益G存在较小的偏差，也能达到提高负反馈放大电路性能的目的；从而对电压放大器的建立速度要求较低，电压放大器功耗很低。

本实施例相对于现有技术而言，通过增加调节支路和电压放大器，并控制调节支路的阻抗值Z_x、电压放大器的增益G、采样支路的阻抗值Z_s以及反馈支路的阻抗值Z_f的满足如公式所示的关系，可以使得负反馈放大电路能够在付出较小的功耗的代价下，实现更高的增益和更大的带宽。

本申请第二实施例涉及一种负反馈放大电路，本实施例是在第一实施例基础上的细化，主要细化之处在于：提供了多种不同类型的负反馈放大电路的具体实现方式。

本实施例中，采样支路包括采样电阻、采样电容、采样电感的其中之一或任意组合；反馈支路包括反馈电阻、反馈电容、反馈电感的其中之一或任意组合；调节支路包括调节电阻、调节电容、调节电感的其中之一或任意组合。

现有技术中，常用的负反馈放大电路还包括有源低通滤波器、有源高通滤波器以及电阻型反馈放大器。本实施例中，在现有的三种负反馈放大电路的基础上增加了调节支路与电压放大器，具体如下：

第一种，请参考图7，为负反馈放大电路的电路结构图，其具体为有源低通滤波器；其中，采样支路为采样电阻R_s1且反馈支路为反馈电容C_f1。

第二种，请参考图8，为负反馈放大电路的电路结构图，其具体为有源高通滤波器，其中，采样支路为采样电容C_s2且反馈支路为反馈电阻R_f2。

第三种，请参考图9，为负反馈放大电路的电路结构图，其具体为电阻型反馈放大器，其中，采样支路为采样电阻R_s3且反馈支路为反馈电阻R_f3。

本实施例相对于第一实施例而言，提供了三种不同类型的负反馈放大电路，以及各负反馈放大电路对应的采样支路与反馈支路。然不限于此，凡是负反馈放大电路，都可以通过增加调节支路与电压放大器达到在付出较小的功耗的代价下，实现更高的增益和更大的带宽。

本申请第三实施例涉及一种负反馈放大电路，本实施例是在第一实施例基础上的细化，主要细化之处在于：请参考图10，电压放大器为基于运算放大器的放大电路。

电压放大器中的运算放大器1的正相输入端形成电压放大器的输入端，其连接于运算放大器OPAMP的反向输入端，用于接收电压V_x；电压放大器中的运算放大器1的输出端形成电压放大器的输出端，其通过调节支路Z_x连接于采样支路的第二端；电压放大器中的运算放大器1的负相输入端接地。

较佳的，电压放大器还包括第一分压电阻R₁和第二分压电阻R₂。其中，第一分压电阻R₁的第一端连接于电压放大器中的运算放大器1的输出端，第一分压电阻R₁的第二端通过第二分压电阻R₂接地且连接于电压放大器中的运算放大器1的反相输入端。

本实施例中电压放大器的增益G为：

本实施例相对于第一实施例而言，提供了电压放大器的一种较为简单的实现形式；然不限于此。需要说明的是，本实施例也可以作为在第二实施例基础上细化，可以达到同样的技术效果。

本领域的普通技术人员可以理解，上述各实施例是实现本申请的具体实施例，而在实际应用中，可以在形式上和细节上对其作各种改变，而不偏离本申请的精神和范围。

Claims

1.一种负反馈放大电路，其特征在于，包括：

运算放大器，包括反向输入端和输出端；

采样支路，所述采样支路的第一端用于接收输入电压，所述采样支路的第二端连接于所述运算放大器的反向输入端；

反馈支路，其中所述反馈支路的第一端连接于所述运算放大器的输出端，所述反馈支路的第二端连接于所述运算放大器的反向输入端；

电压放大器，其输入端连接于所述运算放大器的反向输入端；和

调节支路，其中所述电压放大器的输出端通过所述调节支路连接于所述采样支路的第二端；

其中，所述调节支路的阻抗值Z_x、所述电压放大器的增益G、所述采样支路的阻抗值Z_s以及所述反馈支路的阻抗值Z_f，满足如下关系式：

2.如权利要求1所述的负反馈放大电路，其特征在于，

所述采样支路包括采样电阻、采样电容、采样电感的其中之一或任意组合；

所述反馈支路包括反馈电阻、反馈电容、反馈电感的其中之一或任意组合；

所述调节支路包括调节电阻、调节电容、调节电感的其中之一或任意组合。

3.如权利要求1所述的负反馈放大电路，所述电压放大器为基于运算放大器的放大电路；所述电压放大器中的运算放大器的正相输入端形成所述电压放大器的输入端，所述电压放大器中的运算放大器的输出端形成所述电压放大器的输出端。

4.如权利要求3所述的负反馈放大电路，所述电压放大器还包括第一分压电阻和第二分压电阻；

所述第一分压电阻的第一端连接于所述电压放大器中的运算放大器的输出端，所述第一分压电阻的第二端通过所述第二分压电阻接地且连接于所述电压放大器中的运算放大器的反相输入端。

5.如权利要求1所述的负反馈放大电路，其特征在于，所述负反馈放大电路为开关电容电路，其中，所述采样支路为采样电容且所述反馈支路为反馈电容。

6.如权利要求1所述的负反馈放大电路，其特征在于，所述负反馈放大电路为有源低通滤波器，其中，所述采样支路为采样电阻且所述反馈支路为反馈电容。

7.如权利要求1所述的负反馈放大电路，其特征在于，所述负反馈放大电路为有源高通滤波器，其中，所述采样支路为采样电容且所述反馈支路为反馈电阻。

8.如权利要求1所述的负反馈放大电路，其特征在于，所述负反馈放大电路为电阻型反馈放大器，其中，所述采样支路为采样电阻且所述反馈支路为反馈电阻。

9.如权利要求1所述的负反馈放大电路，其特征在于，所述调节支路的阻抗值Z_x、所述电压放大器的增益G、所述采样支路的阻抗值Z_s以及所述反馈支路的阻抗值Z_f，满足如下关系式：