CN113114143B - 一种全差分求和放大电路 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种全差分求和放大电路，包括负反馈结构和第一级放大器，负反馈结构包括第二级放大器，第二级放大器的输入和输出之间跨接有电阻，第一级放大器包括第一跨导放大器和第二跨导放大器，本发明采用跨导放大器是开环放大器，不需要频率补偿电容，从而避免了由于摆率限制而导致的建立时间下降，具有更快的响应速度。跨导放大器采用NPN三极管作为输入对管，能有效降低失调电压和噪声，并且电路的放大倍数是一个常数乘以一个电阻的比例，是一个与温度无关的值，使得该放大器放大倍数不随温度变化而变化。
Description
技术领域：
本发明属于电子电路技术领域，具体是涉及一种全差分求和放大电路，使得offset小，噪声小，放大倍数不随温度变化。
背景技术：
跨导放大器是一种将输入差分电压转化为输出电流的放大器。
跨导放大器的用途可以分为两个方面：一方面，在多种线性和非线性模拟电路中进行信号运算和处理；另一方面，在电压信号变量和电流模式信号处理系统之间作为接口电路，将待处理的电压信号变换为电流信号，再送入电流模式系统进行处理。
运算放大器是一种具有高放大倍数带有深度负反馈的直接耦合放大器，它基本由基本放大器和外接反馈网络两部分组成。
运算放大器采用闭环的形式，所以需要频率补偿电容，从而会因为摆率限制而导致建立时间下降，响应速度就会下降，另外传统差分求和电路的噪声大、放大倍数随温度的变化大，输入失调电压大。
发明内容：
针对现有技术存在的不足，本发明实施例的目的在于提供一种全差分求和放大电路，该全差分求和放大电路由两级放大器构成，用于将两组霍尔元件的输出电压相加并放大。第二级放大器AMP采用全差分共源共栅结构。电阻R1、R2阻值相同，跨接在第二级放大器的输入和输出之间构成负反馈结构。第一级采用差分-差分放大器(DDA)以实现低噪声低失调的电压相加功能。所采用跨导放大器(OTA)是开环放大器，不需要频率补偿电容，从而避免了由于摆率限制而导致的建立时间下降，具有更快的响应速度。跨导放大器采用NPN三极管作为输入对管，能有效降低失调电压和噪声，并且电路的放大倍数是一个常数乘以一个电阻的比例，是一个与温度无关的值，使得该放大器放大倍数不随温度变化而变化，解决了传统差分求和放大电路噪声大、放大倍数随温度变化大、offset大等问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种全差分求和放大电路，包括用电阻跨接在第二级放大器输入和输出之间的负反馈结构和由第一跨导放大器和第二跨导放大器组成的第一级放大器，所述的第一跨导放大器和第二跨导放大器的结构相同；
所述第一级放大器包含：所述第一跨导放大器和所述第二跨导放大器；
所述第一跨导放大器有差分信号正输入端和差分信号负输入端两个输入端，有正输出端和负输出端两个输出端；
所述第二跨导放大器有差分信号正输入端和差分信号负输入端两个输入端，有正输出端和负输出端两个输出端；
所述第一跨导放大器和第二跨导放大器的输入端连接两组霍尔元件的输出端；
所述负反馈结构有两个输入两个输出，所述负反馈结构的正输入端连接所述第一跨导放大器的负输出端和所述第二跨导放大器的负输出端，所述负反馈结构的负输入端连接所述第一跨导放大器的正输出端和所述第二跨导放大器的正输出端。解决了传统差分求和放大电路噪声大、放大倍数随温度变化大、offset大等问题。全差分求和放大电路的前级使用跨导放大器，其差分对使用的是bipolar器件，优点为offset小、噪声小等优点。全差分求和放大电路的放大倍数是一个常数乘以一个电阻的比例，是一个与温度无关的值，使得该放大器放大倍数不随温度变化而变化。
作为本发明进一步的方案，用电阻跨接在第二级放大器输入和输出之间的负反馈结构。所述负反馈结构包括：第一电阻R1、第二电阻R2、第二级放大器；所述第一电阻R1与所述第二级放大器的正输入端至正输出端并联；所述第二电阻R2与所述第二级放大器的负输入端至负输出端并联。
在本发明中，由第一跨导放大器和第二跨导放大器组成的第一级放大器，所述的第一跨导放大器和第二跨导放大器的结构相同。
作为本发明进一步的方案，所述的跨导放大器电路包括：第一PMOS管MP1和第二PMOS管MP2，第一NMOS管MN1、第二NMOS管MN2、第三NMOS管MN3、第四NMOS管MN4，第一NPN三极管Q1和第二NPN三极管Q2，第三电阻R3、第四电阻R4、第五电阻R5，内部放大器；
所述第一PMOS管MP1和所述第二PMOS管MP2的源极连接VCC，所述第一PMOS管MP1和所述第二PMOS管MP2的栅极连接所述内部放大器的输出端，所述第一PMOS管MP1的漏极连接所述第一NPN三极管Q1的集电极，所述第二PMOS管MP2的漏极连接所述第二NPN三极管Q2的集电极；
所述第一NPN三极管Q1，其基极为信号的正输入端，其发射极连接所述第四NMOS管的漏极；
所述第二NPN三极管Q2，其基极为信号的负输入端，其发射极连接所述第四NMOS管的漏极；
所述第一NMOS管MN1，其源极连接地，其漏极连接所述第三NMOS管MN3的源极，其栅极连接所述第二NMOS管MN2的栅极，且其栅极与所述第五电阻的一端相连；
所述第二NMOS管MN2，其源极连接地，其漏极连接所述第四NMOS管MN4的源极；
所述第三NMOS管MN3，其漏极连接所述第五电阻R5的一端，其栅极连接所述第四NMOS管MN4的栅极，且其栅极与所述第五电阻R5的另一端相连；
所述第五电阻R5,其另一端和产生与温度成正相关电流的带隙基准模块相连；
所述第四电阻R4，其一端与所述第一NPN三极管Q1的集电极相连，另一端与第三电阻R3一端相连，且其另一端与内部放大器的正输入端相连；
所述第三电阻R3，其另一端与所述第二NPN三极管的Q2的集电极相连；
所述内部放大器的负输入端与基准电压相连。
本发明电路由两级放大器构成，用于将两组霍尔元件的输出电压相加并放大。第二级放大器AMP采用全差分共源共栅结构。电阻R1、R2阻值相同，跨接在第二级放大器的输入和输出之间构成负反馈结构。第一级采用差分-差分放大器(DDA)以实现低噪声低失调的电压相加功能。所采用跨导放大器(OTA)是开环放大器，不需要频率补偿电容，从而避免了由于摆率限制而导致的建立时间下降，具有更快的响应速度。跨导放大器采用NPN三极管作为输入对管，能有效降低失调电压和噪声，并且电路的放大倍数是一个常数乘以一个电阻的比例，是一个与温度无关的值，使得该放大器放大倍数不随温度变化而变化；解决了传统差分求和放大电路噪声大、放大倍数随温度变化大、offset大等问题。全差分求和放大电路的前级使用跨导放大器，其差分对使用的是bipolar器件，优点为offset小、噪声小等优点。全差分求和放大电路的放大倍数是一个常数乘以一个电阻的比例，是一个与温度无关的值，使得该放大器放大倍数不随温度变化而变化。
为更清楚地阐述本发明的结构特征和功效，下面结合附图与具体实施例来对本发明进行详细说明。
附图说明：
图1是本发明全差分求和放大电路的结构框图。
图2是本发明OTA跨导放大器的电路图。
具体实施方式：
下面将结合附图和有关知识对本发明作出进一步的说明，进行清楚、完整地描述，显然，所描述的电路图应用仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。
参见图1-图2所示，一种全差分求和放大电路，包括负反馈结构和第一级放大器，负反馈结构包括第二级放大器3，第二级放大器3的输入和输出之间跨接有电阻，第一级放大器包括第一跨导放大器1和第二跨导放大器2，第二级放大器3的正输入端连接第一跨导放大器1的负输出端和第二跨导放大器2的负输出端，第二级放大器3的负输入端连接第一跨导放大器1的正输出端和第二跨导放大器2的正输出端；
具体为：用电阻跨接在第二级放大器3输入和输出之间的负反馈结构和由第一跨导放大器1和第二跨导放大器2组成的第一级放大器，第一跨导放大器1和第二跨导放大器2的结构相同。
其中，参照图1所示，第一跨导放大器1有差分信号正输入端和差分信号负输入端两个输入端，有正输出端和负输出端两个输出端；
第二跨导放大器2有差分信号正输入端和差分信号负输入端两个输入端，有正输出端和负输出端两个输出端；
第一跨导放大器和第二跨导放大器的输入端连接两组霍尔元件的输出电压；
负反馈结构，其中包括：第一电阻R1、第二电阻R2、第二级放大器3；
其中，第二级放大器3的放大倍数足够大，使得第一级的输出阻抗近似等于零，进一步，第二级放大器采用共源共栅结构；
在本发明一优选的实施例中，第二级放大器3有两个输入两个输出，第二级放大器3的正输入端连接第一跨导放大器1的负输出端和第二跨导放大器2的负输出端，第二级放大器3的负输入端连接第一跨导放大器1的正输出端和第二跨导放大器2的正输出端；以及第一电阻R1与第二级放大器3的正输入端至正输出端并联；第二电阻R2与第二级放大器3的负输入端至负输出端并联。
进一步优选，第一级放大器由第一跨导放大器和第二跨导放大器组成；第一跨导放大器和第二跨导放大器的结构相同；
其中，第一跨导放大器(图1中标记OTA)电路包括：第一PMOS管MP1和第二PMOS管MP2，第一NMOS管MN1、第二NMOS管MN2、第三NMOS管MN3、第四NMOS管MN4，第一NPN三极管Q1和第二NPN三极管Q2，第三电阻R3、第四电阻R4、第五电阻R5，内部放大器；
第一PMOS管MP1和所述第二PMOS管MP2的源极连接VCC，所述第一PMOS管MP1和所述第二PMOS管MP2的栅极连接所述内部放大器的输出端，所述第一PMOS管MP1的漏极连接所述第一NPN三极管Q1的集电极，所述第二PMOS管MP2的漏极连接所述第二NPN三极管Q2的集电极；
第一NPN三极管Q1，其基极为信号的正输入端，其发射极连接所述第四NMOS管的漏极；
第二NPN三极管Q2，其基极为信号的负输入端，其发射极连接所述第四NMOS管的漏极；
第一NMOS管MN1，其源极连接地，其漏极连接所述第三NMOS管MN3的源极，其栅极连接所述第二NMOS管MN2的栅极，且其栅极与所述第五电阻R5的一端相连；
第二NMOS管MN2，其源极连接地，其漏极连接所述第四NMOS管MN4的源极；第三NMOS管MN3，其漏极连接所述第五电阻R5的一端，其栅极连接所述第四NMOS管MN4的栅极，且其栅极与所述第五电阻R5的另一端相连；第五电阻R5,其另一端和产生与温度成正相关电流的带隙基准模块相连；第四电阻R4，其一端与所述第一NPN三极管Q1的集电极相连，另一端与所述第三电阻R3一端相连，且其另一端与所述内部放大器的正输入端相连；第三电阻R3，其另一端与所述第二NPN三极管的Q2的集电极相连；内部放大器的负输入端与基准电压相连。在本发明中，第二级放大器AMP采用全差分共源共栅结构。电阻R1、R2阻值相同，跨接在第二级放大器的输入和输出之间构成负反馈结构。第一级采用差分-差分放大器(DDA)以实现低噪声低失调的电压相加功能。所采用跨导放大器(OTA)是开环放大器，不需要频率补偿电容，从而避免了由于摆率限制而导致的建立时间下降，具有更快的响应速度。跨导放大器采用NPN三极管作为输入对管，能有效降低失调电压和噪声，并且电路的放大倍数是一个常数乘以一个电阻的比例，是一个与温度无关的值，使得该放大器放大倍数不随温度变化而变化。
以下提供本发明一具体的实施例
实施例1
参照图1-图2所示，该全差分求和电路包括：用电阻跨接在第二级放大器3输入和输出之间的负反馈结构和由第一跨导放大器1和第二跨导放大器2组成的第一级放大器，第一跨导放大器和第二跨导放大器的结构相同。该电路用于将两组霍尔元件的输出电压相加并放大。第一跨导放大器有差分信号正输入端和差分信号负输入端两个输入端，有正输出端和负输出端两个输出端；第二跨导放大器有差分信号正输入端和差分信号负输入端两个输入端，有正输出端和负输出端两个输出端；第一跨导放大器和第二跨导放大器的输入端连接两组霍尔元件的输出电压；
负反馈结构，其中包括：第一电阻R1、第二电阻R2、第二级放大器；
第二级放大器的放大倍数足够大，使得第一级的输出阻抗近似等于零，第二级放大器采用共源共栅结构；第二级放大器有两个输入两个输出，第二级放大器的正输入端连接第一跨导放大器的负输出端和第二跨导放大器的负输出端，第二级放大器的负输入端连接第一跨导放大器的正输出端和第二跨导放大器的正输出端；第一电阻R1与第二级放大器的正输入端至正输出端并联；第二电阻R2与第二级放大器的负输入端至负输出端并联。
其中，电阻R1和R2的阻值相同，跨接在第二级放大器的输入和输出之间构成负反馈结构，第一级放大器的等效输出阻抗接近于零，在图1中，A、B两点电压相等。
跨导放大器(OTA)电路包括：第一PMOS管MP1和第二PMOS管MP2，第一NMOS管MN1、第二NMOS管MN2、第三NMOS管MN3、第四NMOS管MN4，第一NPN三极管Q1和第二NPN三极管Q2，第三电阻R3、第四电阻R4、第五电阻R5，内部放大器；第一PMOS管MP1和第二PMOS管MP2的源极连接VCC，第一PMOS管MP1和第二PMOS管MP2的栅极连接内部放大器的输出端，第一PMOS管MP1的漏极连接第一NPN三极管Q1的集电极，第二PMOS管MP2的漏极连接第二NPN三极管Q2的集电极；第一NPN三极管Q1，其基极为信号的正输入端，其发射极连接第四NMOS管的漏极；
第二NPN三极管Q2，其基极为信号的负输入端，其发射极连接第四NMOS管的漏极；第一NMOS管MN1，其源极连接地，其漏极连接第三NMOS管MN3的源极，其栅极连接第二NMOS管MN2的栅极，且其栅极与第五电阻R5的一端相连；第二NMOS管MN2，其源极连接地，其漏极连接第四NMOS管MN4的源极；第三NMOS管MN3，其漏极连接第五电阻R5的一端，其栅极连接第四NMOS管MN4的栅极，且其栅极与第五电阻R5的另一端相连；
第五电阻R5,其另一端和产生与温度成正相关电流的带隙基准模块相连；
第四电阻R4，其一端与第一NPN三极管Q1的集电极相连，另一端与第三电阻R3一端相连，且其另一端与内部放大器的正输入端相连；
第三电阻R3，其另一端与第二NPN三极管的Q2的集电极相连；
内部放大器的负输入端与基准电压相连。
以下为本发明的一种全差分求和放大电路的工作原理。
电阻R1和电阻R2的阻值相同，跨接在第二级放大器的输入和输出之间构成负反馈结构，假设第二级放大器AMP的增益为A，则第二级输入端往后看进去的等效输入阻抗为：
第二级放大器AMP采用全差分共源共栅结构，其增益A足够大，由等效输入阻抗的公式可以知道，第二级放大器的等效输入阻抗rin→0，即第一级放大器的等效输出阻抗接近于零，A、B两点电压相等。
第一级采用差分-差分放大器(DDA)以实现低噪声低失调的电压相加功能。利用两个相同的OTA将两组霍尔电压转换为差分电流，假设OTA的跨导为Gm，则：
电流I5等于I2和I4之和，电流I6等于I1和I3之和，以电流相加的形式实现两组差分输入信号的叠加。
I5和I6分别流经R1和R2，在电阻两端产生压差，且R1＝R2，因此可编程增益放大器输出端的电压差Vout为：
Vout＝(I6-I5)R1＝(VH1+VH2)GmR1(3)
图2是跨导放大器电路图，工作原理如下：
电阻R3、R4和内部放大器构成共模反馈环路，以稳定输出共模电平，使得：
Vout1+＝Vout1-＝Vref(4)
电流IPTAT是由带隙基准模块产生的与温度成正相关的电流，其值为：
电流IPTAT放大K倍后产生差分对的尾电流IC；
因此，OTA的跨导Gm为：
综上所述全差分求和放大电路的增益Gain：
所以可以得到，全差分求和电路的输出端的电压差Vout为：
其中，跨导放大器(OTA)不需要频率补偿电容，从而避免了由于摆率限制而导致的建立时间下降，具有更快的响应速度。采用NPN三极管作为输入对管，能有效降低失调电压和噪声。通过使用PTAT电流偏置，可以使跨导Gm变得与温度无关，所以放大倍数为一个常数乘以一个电阻的比例，是一个与温度无关的值。
综上所述，本申请的一种全差分求和放大电路解决了传统差分求和放大电路噪声大、放大倍数随温度变化大、offset大等问题。全差分求和放大电路的前级使用跨导放大器，其差分对使用的是bipolar器件，优点为offset小、噪声小等优点。全差分求和放大电路的放大倍数是一个常数乘以一个电阻的比例，是一个与温度无关的值，使得该放大器放大倍数不随温度变化而变化。
以上结合具体实施例描述了本发明的技术原理，仅是本发明的优选实施方式。本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。本领域的技术人员不需要付出创造性的劳动即可联想到本发明的其它具体实施方式，这些方式都将落入本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种全差分求和放大电路，其特征在于，包括负反馈结构和第一级放大器，所述负反馈结构包括第二级放大器，所述第二级放大器的输入和输出之间跨接有电阻，所述第一级放大器包括第一跨导放大器和第二跨导放大器，所述第二级放大器的正输入端连接第一跨导放大器的负输出端和第二跨导放大器的负输出端，第二级放大器的负输入端连接第一跨导放大器的正输出端和第二跨导放大器的正输出端，所述第一跨导放大器和第二跨导放大器的结构相同，所述第一跨导放大器包括第一PMOS管MP1、第二PMOS管MP2、第一NMOS管MN1、第二NMOS管MN2、第三NMOS管MN3、第四NMOS管MN4、第一NPN三极管Q1、第二NPN三极管Q2、第三电阻R3、第四电阻R4、第五电阻R5和内部放大器，所述第一PMOS管MP1和第二PMOS管MP2的源极连接VCC，第一PMOS管MP1和第二PMOS管MP2的栅极连接内部放大器的输出端，第一PMOS管MP1的漏极连接第一NPN三极管Q1的集电极，第二PMOS管MP2的漏极连接第二NPN三极管Q2的集电极；
第一NPN三极管Q1，其基极为信号的正输入端，其发射极连接第四NMOS管的漏极；
第二NPN三极管Q2，其基极为信号的负输入端，其发射极连接第四NMOS管的漏极；
第一NMOS管MN1，其源极连接地，其漏极连接第三NMOS管MN3的源极，其栅极连接第二NMOS管MN2的栅极，且其栅极与第五电阻R5的一端相连；
第二NMOS管MN2，其源极连接地，其漏极连接第四NMOS管MN4的源极；
第三NMOS管MN3，其漏极连接第五电阻R5的一端，其栅极连接第四NMOS管MN4的栅极，且其栅极与第五电阻R5的另一端相连；
第五电阻R5,其另一端和产生与温度成正相关电流的带隙基准模块相连；
第四电阻R4，其一端与第一NPN三极管Q1的集电极相连，另一端与第三电阻R3一端相连，且其另一端与内部放大器的正输入端相连；
第三电阻R3，其另一端与第二NPN三极管的Q2的集电极相连；
内部放大器的负输入端与基准电压相连。
2.如权利要求1的一种全差分求和放大电路，其特征在于，所述第一跨导放大器包括差分信号正输入端和差分信号负输入端两个输入端，及正输出端和负输出端两个输出端；所述第二跨导放大器包括差分信号正输入端和差分信号负输入端两个输入端，及正输出端和负输出端两个输出端。
3.如权利要求1的一种全差分求和放大电路，其特征在于，所述第一跨导放大器和第二跨导放大器的输入端连接两组霍尔元件的输出电压。
4.如权利要求1的一种全差分求和放大电路，其特征在于，所述负反馈结构的跨接电阻包括第一电阻R1、第二电阻R2。
5.如权利要求1的一种全差分求和放大电路，其特征在于，所述第二级放大器的正输入端连接第一跨导放大器的负输出端和第二跨导放大器的负输出端，第二级放大器的负输入端连接第一跨导放大器的正输出端和第二跨导放大器的正输出端。
6.如权利要求1的一种全差分求和放大电路，其特征在于，第一电阻R1与第二级放大器的正输入端至正输出端并联；第二电阻R2与第二级放大器的负输入端至负输出端并联。
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