CN110601663A

CN110601663A - 具有电流反馈放大器特性的高速电压反馈放大器

Info

Publication number: CN110601663A
Application number: CN201910909452.4A
Authority: CN
Inventors: 翟理
Original assignee: HANGZHOU RUIMENG TECHNOLOGY Co Ltd
Current assignee: HANGZHOU RUIMENG TECHNOLOGY Co Ltd
Priority date: 2019-09-25
Filing date: 2019-09-25
Publication date: 2019-12-20

Abstract

本发明公开了一种具有电流反馈放大器特性的高速电压反馈放大器，包括：输入级电路，设置有正输入端INP和负输入端INN，输入级电路能将正负两路电压信号转换为电流信号；增益级电路，将上述电流信号进行跨导放大，输出一个电压信号；输出级电路，将电压信号传递到本放大器的输出端OUT，增加电流驱动能力；输入级电路包括：第一缓冲器，其输入端为正输入端INP；第二缓冲器，其输入端为正输入端INN；电阻Re，其两端分别连接第一缓冲器的第一输出端和第二缓冲器的输出端；本发明具有同时满足电压反馈放大器的外部特性和电流反馈放大器的高压摆率特性的有益效果。

Description

具有电流反馈放大器特性的高速电压反馈放大器

技术领域

本发明涉及一种电压反馈放大器, 尤其是涉及高速电压反馈放大器。

背景技术

运算放大器按照反馈方式的不同，可以分为电流反馈放大器（CFA，如图1B所示）和电压反馈放大器（VFA，如图1C所示）两种。这两种结构的运算放大器有各自的优点：

电压反馈放大器的优点在于：内部结构和外围应用电路简单，用反馈电阻和输入电阻即可确定输入零点和环路增益，同时由于正负输入端是对称的差分对管结构，输入阻抗大，共模特性好，芯片具有良好的共模抑制比和电源抑制比。

电流反馈放大器的优点在于：内部的输入级和增益级都采用高频特性好的跟随器结构和电流镜结构，放大器的带宽是不受反馈环路限制的，所以整个放大器具有宽带，高频特性好，压摆率高的优点。

两种放大器的缺点也是很明显的：

对于电压反馈放大器，由于带宽和反馈环路增益的乘积是恒定的，所以在保证合适增益的情况下，放大器的带宽一般偏小，高频性能不如电流放大器。加上差分输入节点的电容较大，内部补偿补偿电容的存在，整个放大器的压摆率较小，在高摆率大信号输入时的转换性能较差。

对于电流反馈放大器，内部电路结构复杂，外围应用电路的参数设置较为严格，首先确定合适的反馈电阻，因为反馈电阻影响放大器的主极点和带宽；然后选取合适的输入电阻，因为正负输入端是不对称的，正输入为高阻节点，负输入为低阻节点，输入电阻过大会导致环路增益减小，限制了应用范围，输入电阻过小会导致输入零点频率过小，减小了带宽并严重影响放大器的高频特性。同时，不对称的输入级让芯片的共模特性变差，共模抑制比一般劣于电压反馈放大器。

发明内容

本发明根据以上不足，提供了一种具有电流反馈放大器特性的高速电压反馈放大器，在保留电流反馈放大器主要结构的情况下，将输入级改成了电压反馈放大器的差分输入结构，从而使反馈信号由电流变成了电压，在牺牲了一部分放大器带宽的情况下，让放大器同时具有电压反馈放大器的外部特性和电流反馈放大器的高压摆率特性。

本发明的技术方案是：

一种具有电流反馈放大器特性的高速电压反馈放大器，包括：

输入级电路，设置有正输入端INP和负输入端INN，输入级电路能将正负两路电压信号转换为电流信号；

增益级电路，将上述电流信号进行跨导放大，输出一个电压信号；

输出级电路，将电压信号传递到本放大器的输出端OUT，增加电流驱动能力；本放大器的输出端OUT经反馈电阻Rf一路经输入电阻Ri接地、另一路连接输入级电路的负输入端INN；

输入级电路包括：

第一缓冲器，其输入端为正输入端INP；

第二缓冲器，其输入端为正输入端INN；

电阻Re，其两端分别连接第一缓冲器的第一输出端和第二缓冲器的输出端；

增益级电路包括：

电流镜，其输入端连接第一缓冲器的第二输出端，电流镜的输出端连接输出级电路的输入端，第一缓冲器的第二输出端经电阻Re连接第二缓冲器的输出端。

输出级电路包括：

第三缓冲器，其输入端连接电流镜的输出端，第三缓冲器的输出端为输出级电路的输出端OUT；

补偿电容Cc，其两端分别连接第三缓冲器的输入端和输出端。

当所述高速放大器的正负输入端分别输入差分的电压信号时，所述第一缓冲器和第二缓冲器将相位相反，幅值相同的两路信号传输到所述电阻Re的两端，通过该电阻Re转换为一个电流信号。所述电流信号的值为差分输入电压比所述电阻Re的阻值，该电流从所述第一缓冲器的另一输出端输出到所述增益级电路。所述电流镜对电流信号进行跨导放大，将所述电流信号一比一地镜像传递到所述增益级电路的输出端的同时，会在此处转换成一个幅值较大的电压信号。因为此输出端节点的等效电阻一般为几百千欧到几兆欧，所述电压信号的大小为所述电流信号乘以所述增益级电路输出端的节点等效电阻。该电压信号经过所述第三缓冲器，到达所述高速放大器的输出端。

本发明提出的具有电流反馈放大器特性的高速电压反馈放大器，其高速特性是这样实现的：通过保留与传统的电流反馈放大器一致的部分输入级，和全部的增益级输出级电路，实现了整体放大器电路的高速和宽带，即放大器的主体结构是传统的电流反馈放大器。

本发明提出的具有电流反馈放大器特性的高速电压反馈放大器，其电压反馈特性是这样实现的：通过采用与传统的电压反馈放大器类似的对称差分输入级电路，并添加一些合适的偏置电路，根据负输入端的收到的电压信号，调整放大器的输出电压和电流，即放大器反馈环路的拓扑依然是电压反馈。

本发明具有同时满足电压反馈放大器的外部特性和电流反馈放大器的高压摆率特性的有益效果。

附图说明

图1A是运算放大器的结构示意图。

图1B是传统的电压反馈放大器结构示意图。

图1C是传统的电流反馈放大器结构示意图。

图2是本发明提出的具有高速特性的电压反馈放大器结构示意图。

图3是本发明的实施例。

图4是本发明的另一实施例。

具体实施方式

现结合附图对本发明作进一步的说明：

如图所示，为了更清晰地阐述本发明的创新之处，即如何在放大器整体反馈方式为电压反馈的同时，还保留了电流反馈放大器的高速更准确的说法是高压摆率，高转换率特性，首先结合两种反馈方式的放大器的工作原理进行说明。

图1A示出了运算放大器的结构示意图。如图1A所示，不管是哪一种放大器，都由输入级电路10，增益级电路20和输出级电路30组成。工作时需要将放大器的外围反馈电路设置成深度负反馈的环路，所以需要反馈电阻Rf和输入电阻Ri。

图1B示出了传统的电压反馈放大器结构示意图。如图1B所示，传统的电压反馈放大器的输入级10为严格对称差分对管的结构，将输入电压信号放大一定倍数后传递到增益级。增益级20一般采用共源级或者类似的高电压增益结构，输出级30有很多种结构，在此不再详细列出。为了保证放大器有足够的相位裕度和增益裕度，在输出级的输入端和输出端还会跨接一个合适的补偿电容Cc。

当输入端输入一个正阶跃信号，这个电压信号会瞬间传递到增益级的输入端，即补偿电容的前端，增益级的偏置电流源会对补偿电容迅速充电。电容充电并放电后，这个阶跃大信号会传递到输出端。输出端瞬时电压的变化率等于上述偏置电流值比补偿电容值，同时偏置电流一般在几十到几百微安，所以补偿电容不能过大。因为电容过大会让上述的充放电过程变缓，直接降低了大信号到达输出端的最大瞬时变化率，严重影响放大器的速度。

图1C示出了传统的电流反馈放大器结构示意图。如图1C所示，电流反馈放大器的输入级10是不对称的，正输入端的输入电压信号经过一个缓冲器，才会到达误差电阻Re，转换成电流信号。增益级20一般采用电流镜结构，这个电流信号经过增益级20的跨导放大，到达输出级30。输出级30与VFA类似也有很多种。同样地，为了保证放大器有足够的相位裕度和增益裕度，在输出级30的输入端和的输出端还会跨接一个合适的补偿电容Cc。

同样地输入一个正阶跃信号，这个电压信号经过误差电阻变成一个阶跃的电流信号后，电流镜20会瞬间把这个电流信号从输入端复制到输出端。因为电流镜20是直接从电源获得电流，所以理论上，不管电流镜20的输入端输入多大的瞬态电流信号，都可以一比一地直接复制这个电流信号然后从输出端输出。后续过程与VFA类似，这个大电流直接对补偿电容充放电，然后让输出端电压迅速转换。

需要特别指出的是，对比VFA和CFA增益级和输入级结构的不同，VFA的输入级10是共源差分放大器，增益级20也是共源放大器，每一级的输入和输出端存在一个跨接的寄生电容。因为密勒效应的存在，这个寄生电容折算到输入和输出节点上，是一个不能忽略的较大的值。相反，CFA的输入级和增益级采用源极跟随器和电流镜，不存在寄生电容的密勒效应，所以高频特性和转换特性远优于VFA，上限截止频率接近单个管子的截止频率。所以CFA的补偿电容Cc远小于VFA的补偿电容。

综上可以看出，较小的补偿电容与没有上限的较大的充电电流，两个因素共同提高了CFA放大器的速度。

如图2所示，一种具有电流反馈放大器特性的高速电压反馈放大器，包括：

输入级电路10，设置有正输入端INP和负输入端INN，输入级电路10能将正负两路电压信号转换为电流信号；

增益级电路20，将上述电流信号进行跨导放大，输出一个电压信号；

输出级电路30，将电压信号传递到本放大器的输出端OUT，增加电流驱动能力，本放大器的输出端OUT经反馈电阻Rf一路经输入电阻Ri接地、另一路连接输入级电路10的负输入端INN；

输入级电路10包括：

第一缓冲器110，其输入端为正输入端INP；

第二缓冲器120，其输入端为正输入端INN；

电阻Re，其两端分别连接第一缓冲器110的第一输出端和第二缓冲器120的输出端；

第一缓冲器110和第二缓冲器120能将差分信号一比一地传递到电阻Re的两端，并同时转换为一个电流信号；电流信号的值为差分输入电压比电阻Re的阻值。

增益级电路20包括：

电流镜，其输入端连接第一缓冲器110的第二输出端，电流镜的输出端连接输出级电路30的输入端，第一缓冲器110的第二输出端经电阻Re连接第二缓冲器120的输出端。

电流镜的作用是对电流信号进行跨导放大，电流镜能将电流信号一比一地镜像传递到增益级电路的输出端，同时，能在此处转换成一个电压信号，该电压信号的大小为电流信号乘以增益级电路输出端的等效电阻，该等效电阻为几百千欧到几兆欧。

输出级电路30包括：

第三缓冲器310，其输入端连接电流镜的输出端，第三缓冲器310的输出端为输出级电路30的输出端OUT；

补偿电容Cc，其两端分别连接第三缓冲器310的输入端和输出端。

缓冲器的特性是电压增益接近1，具有很大的输入电阻和很小的输出电阻，在输入和输出两个节点上起到了隔离的作用。从误差电阻Re的负端经过第二缓冲器120，看向放大器负输入端，负输入端的输入信号幅度几乎不变，等效节点电阻还是与原来低阻点接近。所以误差电阻到输出级的电路拓扑与电流反馈放大器是一致的。因此，本发明提出的高速放大器具有传统CFA运算放大器高速，宽带的良好特性。

从放大器的负输入端经过第二缓冲器120，看向误差电阻Re的负端，等效输入电阻与正输入端一样，接近MOS场效应管的栅源电阻，一般为几兆欧姆以上。这样保证了两个输入端口具有类似差分输入的良好的对称性，而且正负两端的输入电阻都是一个很大的值，极大地改善了芯片的共模特性。

结合图1C和图2可以看出，图2的负反馈信号是负输入端的电压，图1C的负反馈信号是负输入端的电流，即本发明的混合结构的负反馈信号又变回了电压，整体反馈方式是电压反馈，因而应用上具有所有电压反馈放大器的简单易用的优点，不需要太限定反馈电阻和输入电阻的取值范围。

综上，图2所示的本发明提供的高速放大器具有电流反馈放大器的高压摆率良好特性，同时输入级的特殊结构让整体反馈方式和端口特性接近电压反馈放大器，共模特性好，输入电阻大，应用电路简洁。

进一步的实施例1，如图3所示：

第一缓冲器110包括：

PMOS管M1，其栅极连接正输入端INP、漏极接地、源极经电流源I1接电源；

NMOS管M2，其栅极连接电流源I1、源极一路经电流源I2接地、漏极连接电流镜的输入端，NMOS管M2的源极另一路连接电阻Re的一端；

M1与M2构成了两级源极跟随器，让正输入端的信号一比一地传递到M2的源极，I1与I2分别给M1和M2提供偏置电流，保证两个晶体管工作在放大区。M1和M2采用了两个不用类型的晶体管，目的是让输入信号的共模电平不发生改变，即R1两端的电压信号的共模电平与正负输入电压信号共模电平相等。

所示第二缓冲器120包括：

PMOS管M3，其栅极连接负输入端INN、源极经电流源I3接电源、漏极接地；

NMOS管M4，其栅极连接电流源I1、源极一路经电流源I4接地、漏极经二极管D1接电源，NMOS管M4的源极还连接电阻Re的另一端。

M3和M4的信号传输过程与第一缓冲器110完全相同，D1的作用是为了让M4的静态电压接近M2，保证两个缓冲器的静态工作点完全一致。

电流镜包括：

PMOS管M5，其源极连接电源、漏极分别连接栅极和NMOS管M2的漏极；

PMOS管M6，其栅极连接PMOS管M5的栅极，PMOS管M6的源极连接电源、漏极作为电流镜的输出端。

M5和M6是典型的基本电流镜结构，保证M5漏极流出的电流以极快的速度镜像到M6的漏极，并通过R2流出第一电流镜20。R2和I6的作用是给M6提供偏置电流电压，保证M6工作在放大区。

需要特别指出的是，虽然第一电流镜20的输入输出电流是一样的，但是电流镜的跨导增益是很大的。主要原因是电流镜输出端的等效节点电阻是以下三部分的并联：I6的等效电阻，R2通过M6到电源的等效电阻，输出级电路30的对地等效电阻。三者都是很大的值，其中输入级电路30的对地等效电阻一般在几兆欧姆以上。相比电流镜20输入节点的低阻，输出节点的高阻给增益级电路20提供了足够大的跨导增益，同时也给整个放大器提供了足够大的电压增益。

输出级电路30包括：

PMOS管M7，其栅极一路经电阻R2连接PMOS管M6的漏极、另一路经电流源I6到地，源极经电流源I7到电源，PMOS管M7的漏极接地；

PMOS管M8，其栅极连接PMOS管M7的源极，PMOS管M8的漏极接电源、源极一路经电流源I8到地、另一路经补偿电容Cc到PMOS管M7的栅极，PMOS管M8的源极作为本级的输出端OUT。M7与M8构成了两级源极跟随器，让第三缓冲器310的输入信号一比一地传递到输出端，即整个高速放大器的输出端，同时提供了一定的电流驱动能力。I7与I8分别给M7和M8提供偏置电流，保证两个晶体管工作在放大区。M7和M8采用了两个不用类型的晶体管，目的是让输入信号的共模电平不发生改变，即缓冲器310输出电压信号的共模电平与输入电压信号共模电平相等。

整体上来说，信号是这样传输和放大的：差分输入电压信号通过R1转换成电流信号，经过M5和M6构成的电流镜镜像到输出级30的输入端，转换为电压信号，再经过两级源极跟随器，输出到高速放大器的外部。

进一步的实施例2，如图4所示：

本实施例将电流镜20替换成了共源共栅电流镜，通过增加了一对场效应晶体管，极大地提高了电流镜20的镜像匹配精度，也增加了电流镜20输出节点的等效电阻，增加了放大器整体的开环电压增益。因为M2的漏极电压相比图3的电路降低了，为了保证正负输入端良好的对称性，所以需要在对称的M4的漏极处增加一个二极管D2。同时，为了提高整个放大器的电流推挽能力，将原来的第三缓冲器310替换成了AB类输出电路，即一对互补的场效应晶体管。

第一缓冲器110包括：

所示第二缓冲器120包括：

NMOS管M4，其栅极连接电流源I1、源极一路经电流源I4接地、漏极经二极管D1二极管D2接电源，NMOS管M4的源极还连接电阻Re的另一端。

电流镜包括：

PMOS管M5，其漏极分别连接栅极和NMOS管M2的漏极；

PMOS管M6，其栅极连接PMOS管M5的栅极、漏极作为电流镜的输出端；

PMOS管M51，其漏极分别连接栅极和PMOS管M5的源极，PMOS管M51的源极接电源；

PMOS管M61，其栅极连接PMOS管M51的栅极、源极连接电源、漏极连接PMOS管M6的源极；

输出级电路30包括：

NMOS管M71，其栅极一路经电阻R2连接PMOS管M6的漏极、另一路经电流源I6到地、漏极连接电源、源极作为本级的输出端OUT；

PMOS管M81，其栅极连接NMOS管M71的栅极、源极连接NMOS管M71的源极、PMOS管M81的漏极接地；

补偿电容Cc，一端连接输出端OUT、另一端连接PMOS管M81的栅极。

如果需要提高所述输出级电路的推挽电流能力，所述输出级电路30可以选用AB类输出级。

以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改，等同替换和改进，均应保护在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种具有电流反馈放大器特性的高速电压反馈放大器，包括：

输入级电路（10），设置有正输入端INP和负输入端INN，输入级电路（10）能将正负两路电压信号转换为电流信号；

增益级电路（20），将上述电流信号进行跨导放大，输出一个电压信号；

输出级电路（30），将电压信号传递到本放大器的输出端OUT，增加电流驱动能力；

其特征是：

输入级电路（10）包括：

第一缓冲器（110），其输入端为正输入端INP；

第二缓冲器（120），其输入端为正输入端INN；

电阻Re，其两端分别连接第一缓冲器（110）的第一输出端和第二缓冲器（120）的输出端；

第一缓冲器（110）的第二输出端连接增益级电路（20）的输入端。

2.如权利要求1所述的一种具有电流反馈放大器特性的高速电压反馈放大器，其特征是，所述增益级电路（20）包括：

电流镜，其输入端连接所述第一缓冲器（110）的第二输出端，电流镜的输出端连接输出级电路（30）的输入端。

3.如权利要求2所述的一种具有电流反馈放大器特性的高速电压反馈放大器，其特征是，所述输出级电路（30）包括：

第三缓冲器（310），其输入端连接所述电流镜的输出端，第三缓冲器（310）的输出端为本输出级电路（30）的输出端OUT；

补偿电容Cc，其两端分别连接第三缓冲器（310）的输入端和输出端。

4.如权利要求3所述的一种具有电流反馈放大器特性的高速电压反馈放大器，其特征是，所述第一缓冲器（110）包括：

NMOS管M2，其栅极连接电流源I1、源极一路经电流源I2接地、漏极连接电流镜的输入端，NMOS管M2的源极另一路连接所述电阻Re的一端；

所示第二缓冲器（120）包括：

所述电流镜包括：

PMOS管M5，其源极连接电源、漏极分别连接栅极和所述NMOS管M2的漏极；

所述输出级电路（30）包括：

PMOS管M7，其栅极一路经电阻R2连接所述PMOS管M6的漏极、另一路经电流源I6到地，源极经电流源I7到电源，PMOS管M7的漏极接地；

PMOS管M8，其栅极连接PMOS管M7的源极，PMOS管M8的漏极接电源、源极一路经电流源I8到地、另一路经补偿电容Cc到PMOS管M7的栅极，PMOS管M8的源极作为本级的输出端OUT。

5.如权利要求3所述的一种具有电流反馈放大器特性的高速电压反馈放大器，其特征是，所述第一缓冲器（110）包括：

所示第二缓冲器（120）包括：

所述电流镜包括：

PMOS管M5，其漏极分别连接栅极和所述NMOS管M2的漏极；

所述输出级电路（30）包括：

NMOS管M71，其栅极一路经电阻R2连接所述PMOS管M6的漏极、另一路经电流源I6到地、漏极连接电源、源极作为本级的输出端OUT；

6.如权利要求1-3任一项所述的一种具有电流反馈放大器特性的高速电压反馈放大器，其特征是，所述第一缓冲器（110）和所述第二缓冲器（120）能将差分信号一比一地传递到所述电阻Re的两端，并同时转换为一个电流信号；所述电流信号的值为差分输入电压比所述电阻Re的阻值。

7.如权利要求2-3任一项所述的一种具有电流反馈放大器特性的高速电压反馈放大器，其特征是，所述电流镜的作用是对所述电流信号进行跨导放大，所述电流镜能将所述电流信号一比一地镜像传递到所述增益级电路的输出端，同时，能在此处转换成一个电压信号，该电压信号的大小为所述电流信号乘以所述增益级电路输出端的等效电阻，该等效电阻为几百千欧到几兆欧。

8.如权利要求1-3任一项所述的一种具有电流反馈放大器特性的高速电

压反馈放大器，其特征是，所述输出级电路（30）为AB类输出级。