CN113359941B - 一种用于信号放大的mos管电阻及其偏置电路 - Google Patents

一种用于信号放大的mos管电阻及其偏置电路 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于信号放大的MOS管电阻及其偏置电路，所述MOS管电阻电路包括共源共栅电流镜控制电路以及与所述共源共栅电流镜控制电路连接的MOS管组；所述共源共栅电流镜控制电路包括多个晶体管；所述MOS管组包括P沟道的PMOS管和N沟道的NMOS管，所述PMOS管和所述NMOS管的源极相连，所述PMOS管的栅极和漏极与所述共源共栅电流镜控制电路中的一段镜像支路连接，所述NMOS管的栅极和漏极与所述共源共栅电流镜控制电路中的另一段镜像支路连接。本发明相对于其他解决方案而言，具有高跨阻增益倍数、高精度、高线性度、低噪声、低功耗、体积小等优势。

Description

一种用于信号放大的MOS管电阻及其偏置电路
技术领域
本发明属于集成电路领域，特别涉及一种用于信号放大的MOS管电阻电路。
背景技术
在一些包含微型传感器、微型检测器及精密仪器等的信号网络中，由于部分器件输出的电流信号极其微弱，应用场合广泛且环境复杂，需要微型、高跨阻增益倍数、高精度、高线性度的专用信号放大处理电路。传统的极微弱电流信号放大与检测电路，由各种分立设备或器件组成，体积庞大、功耗大、噪声高、精度低，不适合高精度、多变复杂和需要长时间在网运行与监控的场景应用。而采用集成电路片上电阻直接实现十兆欧姆量级以上的电阻时，会由于寄生参数的影响，引入大量干扰噪声，甚至导致电路振荡。针对上述问题，本发明提供一种MOS管电阻及其偏置电路，以实现其目标要求。
发明内容
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种用于信号放大的MOS管电阻电路，所述MOS管电阻电路包括共源共栅电流镜控制电路以及与所述共源共栅电流镜控制电路连接的MOS管组；
所述共源共栅电流镜控制电路包括多个晶体管；
所述MOS管组包括P沟道的PMOS管和N沟道的NMOS管，所述PMOS管和所述NMOS管的源极相连，所述PMOS管的栅极和漏极与所述共源共栅电流镜控制电路中的一段镜像支路连接，所述NMOS管的栅极和漏极与所述共源共栅电流镜控制电路中的另一段镜像支路连接。
可选地，所述共源共栅电流镜控制电路包括两段被控支路，所述MOS管电阻电路包括两组所述MOS管组，两组所述MOS管组与两段所述被控支路一一对应连接。
可选地，每段所述被控支路位于所述镜像支路内的电路分别包括第二晶体管，每组所述MOS管组中的所述PMOS管和所述NMOS管分别与两个所述第二晶体管一一对应连接。
可选地，所述PMOS管的栅极与其中一所述镜像支路的所述第二晶体管的栅极和源极连接，所述PMOS管的漏极与所述第二晶体管的漏极连接；所述NMOS管的栅极与另一所述镜像支路的所述第二晶体管的栅极和漏极连接，所述NMOS管的漏极与所述第二晶体管的源极连接。
可选地，所述共源共栅电流镜控制电路中的每段镜像支路分别包括用于调节所述镜像支路电流的第一晶体管。
可选地，所述晶体管为MOS管。
以及，一种用于信号放大的MOS管电阻偏置电路，包括：
共源共栅电流镜控制电路、电流信号产生电路以及信号放大电路，所述信号放大电路包括与所述共源共栅电流镜控制电路连接的MOS管组，所述共源共栅电流镜控制电路包括多个晶体管；
所述电流信号产生电路与所述信号放大电路以及所述信号放大电路电性连接；
所述MOS管组包括P沟道的PMOS管和N沟道的NMOS管，所述PMOS管和所述NMOS管的源极相连，所述PMOS管的栅极和漏极与所述共源共栅电流镜控制电路中的一段镜像支路连接，所述NMOS管的栅极和漏极与所述共源共栅电流镜控制电路中的另一段镜像支路连接。
可选地，所述信号放大电路包括第一运算放大器；
所述第一运算放大器的输入端与所述NMOS管的漏极连接，所述第一运算放大器的输出端与所述PMOS管的漏极连接。
可选地，所述共源共栅电流镜控制电路包括两段被控支路，所述MOS管组的数量为两组，两组所述MOS管组与两段所述被控支路一一对应连接，两组所述MOS管组分别为第一MOS管组和第二MOS管组；
在所述第一MOS管组中，所述NMOS管的漏极与所述第一运算放大器的输入端正引脚连接，所述PMOS管的漏极与所述第一运算放大器的输出端负引脚连接；
在所述第二MOS管组中，所述NMOS管的漏极与所述第一运算放大器的输入端负引脚连接，所述PMOS管的漏极与所述第一运算放大器的输出端正引脚连接。
可选地，所述共源共栅电流镜控制电路中的每段镜像支路分别包括用于调节所述镜像支路电流的第一晶体管；
在与所述NMOS管连接的所述镜像支路中，所述第一晶体管为N沟道的MOS晶体管；
在与所述PMOS管连接的所述镜像支路中，所述第一晶体管为P沟道的MOS晶体管。
以及，一种用于信号放大的MOS管电阻电路的电阻调节方法，其特征在于，包括以下步骤：
调整共源共栅电流镜控制电路中晶体管的尺寸参数，从而改变所述晶体管所在电路的电流大小；
所述晶体管所在电路的电流大小改变使与所述共源共栅电流镜控制电路连接的MOS管电阻的直流工作电流得以调节；
MOS管电阻的工作状态得以调节；
MOS管电阻的实际小信号电阻大小得以调节。
以及，一种用于信号放大的MOS管电阻偏置电路的信号放大方法，其特征在于，包括以下步骤：
调整共源共栅电流镜控制电路中晶体管的尺寸参数，从而改变所述晶体管所在电路的电流大小；
所述晶体管所在电路的电流大小改变使与所述共源共栅电流镜控制电路连接的信号放大电路中MOS管电阻的直流工作电流得以调节；
MOS管电阻的工作状态得以调节；
MOS管电阻的实际小信号电阻大小得以调节；
MOS管小信号电阻大小改变使信号方法电路中的电流信号得以放大。
本发明由于采用上述技术方案，使其具有以下有益效果：
利用特殊的集成电路结构针对极微弱电流为信号，进行信号放大处理，MOS晶体管受电流镜电路控制，调节更加精准，无需其他手动调节、不太精确的控制方式，且能够获得较高的小信号电阻值、更高的线性度以及更低的谐波失真。相对于其他解决方案而言，具有高跨阻增益倍数、高精度、高线性度、低噪声、低功耗、体积小等优势；
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1示出了根据本发明实施例MOS管电阻电路的电路示意图；
图2示出了根据本发明实施例MOS管电阻偏置电路的电路示意图；
图3示出了MOS管电阻输出的响应示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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、完整地说明，显然，所描述的实施例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做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。
结合图1、2所示，本发明实施例的用于信号放大的MOS管电阻电路，包括共源共栅电流镜控制电路以及与所述共源共栅电流镜控制电路连接的MOS管组；所述共源共栅电流镜控制电路包括多个晶体管；所述MOS管组包括P沟道的PMOS管和N沟道的NMOS管，所述PMOS管和所述NMOS管的源极相连，所述PMOS管的栅极和漏极与所述共源共栅电流镜控制电路中的一段镜像支路连接，所述NMOS管的栅极和漏极与所述共源共栅电流镜控制电路中的另一段镜像支路连接。
通过电流镜控制电路控制MOS管形成的电阻，能够实现高阻值、高线性度、低噪声的设计需求。
如图1所示，在本发明实施例的用于信号放大的MOS管电阻偏置电路，包括有上述本发明实施例的用于信号放大的MOS管电阻电路，具体包括：共源共栅电流镜控制电路、电流信号产生电路以及信号放大电路，所述信号放大电路包括与所述共源共栅电流镜控制电路连接的MOS管组，所述共源共栅电流镜控制电路包括多个晶体管。其中，所述电流信号产生电路与所述共源共栅电流镜控制电路以及所述信号放大电路电性连接；所述MOS管组包括P沟道的PMOS管和N沟道的NMOS管，所述PMOS管和所述NMOS管的源极相连，所述PMOS管的栅极和漏极与所述共源共栅电流镜控制电路中的一段镜像支路连接，所述NMOS管的栅极和漏极与所述共源共栅电流镜控制电路中的另一段镜像支路连接。
如图1所示，所述共源共栅电流镜控制电路包括两段被控支路，所述MOS管电阻电路包括两组所述MOS管组，两组所述MOS管组与两段所述被控支路一一对应连接。结合图2所示，每段所述被控支路位于所述镜像支路内的电路分别包括第二晶体管，每组所述MOS管组中的所述PMOS管和所述NMOS管分别与两个所述第二晶体管一一对应连接。两组所述MOS管组分别为第一MOS管组和第二MOS管组。
所述信号放大电路包括第一运算放大器；所述第一运算放大器的输入端与所述NMOS管的漏极连接，所述第一运算放大器的输出端与所述PMOS管的漏极连接。具体的，在所述第一MOS管组中，所述NMOS管的漏极与所述第一运算放大器的输入端正引脚连接，所述PMOS管的漏极与所述第一运算放大器的输出端负引脚连接；在所述第二MOS管组中，所述NMOS管的漏极与所述第一运算放大器的输入端负引脚连接，所述PMOS管的漏极与所述第一运算放大器的输出端正引脚连接。
结合图1、2所示，MOS管组与第二晶体管M3、M4的连接方式具体为：所述PMOS管的栅极与其中一所述镜像支路的所述第二晶体管的栅极和漏极连接，所述PMOS管的漏极与所述第二晶体管的源极连接；所述NMOS管的栅极与另一所述镜像支路的所述第二晶体管的栅极和漏极连接，所述NMOS管的漏极与所述第二晶体管的源极连接。
此外，所述共源共栅电流镜控制电路中的每段镜像支路分别包括用于调节所述镜像支路电流的第一晶体管。具体的，在与所述NMOS管连接的所述镜像支路中，所述第一晶体管为N沟道的MOS晶体管M1；在与所述PMOS管连接的所述镜像支路中，所述第一晶体管为P沟道的MOS晶体管M2。其中，M1的源极和M2的源极连接。
如图2，以被控支路L1为例，通过调节第一晶体管M1和第一晶体管M2的尺寸参数，能够改变M1和M2所在支路的电流大小，使共源共栅电流镜控制电路中的被控支路L1的电流大小改变，由于该支路上的第二晶体管M3与第二晶体管M4分别与MOS管组连接，通过改变MOS管组的直流工作电流改变，调节MOS管形成的电阻的工作状态，从而调节MOS电阻的实际小信号电阻大小。
在本实施例中，所述共源共栅电流镜控制电路中每段镜像支路中还包括有多个晶体管，以上端的镜像电路为例，包括M1、M3、M5、M6、M7、M8、M9、M10、M11、M12。其中，M5、M7、M1、M8、M9、M3为一被控支路，M5、M6、M1、M10、M11、M12为一被控支路，且M1、M3、M12为N沟道的MOS管，其他为P沟道的MOS管，具体的：
M5：源极与电源VDD连接，栅极与M6和M7的漏极、M8和M10的栅极、M1的栅极和漏极连接，漏极与M6和M7的源极连接；
M7(M6)：栅极与M9(M11)的栅极、M3(M12)的源极连接，漏极与M1的漏极和栅极连接；
M8(M10)：源极与电源VDD连接，漏极与M9(M11)的源极连接；
M9(M11)：漏极与M3(M12)的漏极和栅极连接；
在另一镜像电路中，与电源VSS连接，M2与M1对应，M4与M3对应。其中，M2、M4以及与所述M12对应的晶体管为P沟道的MOS管，其他与M5、M6、M7、M8、M9、M10、M11对应的均为N沟道的MOS管。
在本实施例中，电流信号产生电路包括电容器C和与所述电容器C连接的交流电源Us，电容器C和交流电流源相远离的一端分别与第一运算放大器的输入端正引脚和负引脚连接。
信号放大电路还包括第二运算放大器，所述第二运算放大器的输入端负引脚和输入端正引脚分别连接有电阻R1和R2，且与输入端负引脚连接的电阻R2的另一端与第二运算放大器的输出端连接，并接入电压U，与输入端正引脚连接的电阻R2的另一端与电压源Vcom连接，电阻R1远离第二运算放大器的一端与第一运算放大器的输出端正引脚和负引脚连接。
基于上述，本发明实施例的用于信号放大的MOS管电阻电路的电阻调节方法，包括以下步骤：
S11：调整共源共栅电流镜控制电路中晶体管的尺寸参数，从而改变所述晶体管所在电路的电流大小；
S12：所述晶体管所在电路的电流大小改变使与所述共源共栅电流镜控制电路连接的MOS管电阻的直流工作电流得以调节；
S13：MOS管电阻的工作状态得以调节；
S14：MOS管电阻的实际小信号电阻大小得以调节。
基于上述，本发明实施例的用于信号放大的MOS管电阻偏置电路的信号放大方法，包括以下步骤：
S21：调整共源共栅电流镜控制电路中晶体管的尺寸参数，从而改变所述晶体管所在电路的电流大小；
S22：所述晶体管所在电路的电流大小改变使与所述共源共栅电流镜控制电路连接的信号放大电路中MOS管电阻的直流工作电流得以调节；
S23：MOS管电阻的工作状态得以调节；
S24：MOS管电阻的实际小信号电阻大小得以调节；
S25：MOS管小信号电阻大小改变使信号方法电路中的电流信号得以放大。
对电路性能进行验证，在低频、pA级电流输入的情况下，输出电压波形如下图3所示，从输出电压的波形和摆幅可以看出，能够实现高跨阻增益倍数、低谐波失真、高线性度以及低噪声等的性能。
需要说明的是，本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”及“一”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。
以上所述仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明做任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案的范围内，当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (9)

1.一种用于信号放大的MOS管电阻电路，其特征在于，所述MOS管电阻电路包括共源共栅电流镜控制电路以及与所述共源共栅电流镜控制电路连接的MOS管组；
所述共源共栅电流镜控制电路包括多个晶体管；
所述MOS管组包括P沟道的PMOS管和N沟道的NMOS管，所述PMOS管和所述NMOS管的源极相连，所述PMOS管的栅极和漏极与所述共源共栅电流镜控制电路中的一段镜像支路连接，所述NMOS管的栅极和漏极与所述共源共栅电流镜控制电路中的另一段镜像支路连接；
所述共源共栅电流镜控制电路包括两段被控支路，所述MOS管电阻电路包括两组所述MOS管组，两组所述MOS管组与两段所述被控支路一一对应连接；
所述共源共栅电流镜控制电路中的每段镜像支路分别包括用于调节所述镜像支路电流的第一晶体管；
每段所述被控支路位于所述镜像支路内的电路分别包括第二晶体管，每组所述MOS管组中的所述PMOS管和所述NMOS管分别与两个所述第二晶体管一一对应连接；
所述MOS管电阻电路用于通过调节所述第一晶体管尺寸参数，改变所述第一晶体管所在镜像支路电流大小，使所述被控支路电流大小改变，通过改变与所述被控支路上第二晶体管连接的MOS管组的直流工作电流，调节MOS管形成的电阻的工作状态，调节MOS电阻的实际小信号电阻大小。
2.如权利要求1所述的用于信号放大的MOS管电阻电路，其特征在于，所述PMOS管的栅极与其中一所述镜像支路的所述第二晶体管的栅极和漏极连接，所述PMOS管的漏极与所述第二晶体管的源极连接；所述NMOS管的栅极与另一所述镜像支路的所述第二晶体管的栅极和漏极连接，所述NMOS管的漏极与所述第二晶体管的源极连接。
3.如权利要求1所述的用于信号放大的MOS管电阻电路，其特征在于，所述晶体管为MOS管。
4.一种用于信号放大的MOS管电阻偏置电路，其特征在于，包括：共源共栅电流镜控制电路、电流信号产生电路以及信号放大电路，所述信号放大电路包括与所述共源共栅电流镜控制电路连接的MOS管组，所述共源共栅电流镜控制电路包括多个晶体管；所述电流信号产生电路与所述共源共栅电流镜控制电路以及所述信号放大电路电性连接；所述MOS管组包括P沟道的PMOS管和N沟道的NMOS管，所述PMOS管和所述NMOS管的源极相连，所述PMOS管的栅极和漏极与所述共源共栅电流镜控制电路中的一段镜像支路连接，所述NMOS管的栅极和漏极与所述共源共栅电流镜控制电路中的另一段镜像支路连接；
所述共源共栅电流镜控制电路包括两段被控支路，所述MOS管组的数量为两组，两组所述MOS管组与两段所述被控支路一一对应连接；
所述共源共栅电流镜控制电路中的每段镜像支路分别包括用于调节所述镜像支路电流的第一晶体管；
每段所述被控支路位于所述镜像支路内的电路分别包括第二晶体管，每组所述MOS管组中的所述PMOS管和所述NMOS管分别与两个所述第二晶体管一一对应连接；
所述MOS管电阻偏置电路用于通过调节所述第一晶体管尺寸参数，改变所述第一晶体管所在镜像支路电流大小，使所述被控支路电流大小改变，通过改变与所述被控支路上第二晶体管连接的MOS管组的直流工作电流，调节MOS管形成的电阻的工作状态，调节MOS电阻的实际小信号电阻大小。
5.如权利要求4所述的用于信号放大的MOS管电阻偏置电路，其特征在于，所述信号放大电路包括第一运算放大器；所述第一运算放大器的输入端与所述NMOS管的漏极连接，所述第一运算放大器的输出端与所述PMOS管的漏极连接。
6.如权利要求5所述的用于信号放大的MOS管电阻偏置电路，其特征在于，两组所述MOS管组分别为第一MOS管组和第二MOS管组；在所述第一MOS管组中，所述NMOS管的漏极与所述第一运算放大器的输入端正引脚连接，所述PMOS管的漏极与所述第一运算放大器的输出端负引脚连接；在所述第二MOS管组中，所述NMOS管的漏极与所述第一运算放大器的输入端负引脚连接，所述PMOS管的漏极与所述第一运算放大器的输出端正引脚连接。
7.如权利要求4所述的用于信号放大的MOS管电阻偏置电路，其特征在于，在与所述NMOS管连接的所述镜像支路中，所述第一晶体管为N沟道的MOS晶体管；在与所述PMOS管连接的所述镜像支路中，所述第一晶体管为P沟道的MOS晶体管。
8.一种如权利要求1至3任一项所述的用于信号放大的MOS管电阻电路的电阻调节方法，其特征在于，包括以下步骤：调整共源共栅电流镜控制电路中晶体管的尺寸参数，从而改变所述晶体管所在电路的电流大小；所述晶体管所在电路的电流大小改变使与所述共源共栅电流镜控制电路连接的MOS管电阻的直流工作电流得以调节；MOS管电阻的工作状态得以调节；MOS管电阻的实际小信号电阻大小得以调节。
9.一种如权利要求4至7任一项所述的用于信号放大的MOS管电阻偏置电路的信号放大方法，其特征在于，包括以下步骤：调整共源共栅电流镜控制电路中晶体管的尺寸参数，从而改变所述晶体管所在电路的电流大小；所述晶体管所在电路的电流大小改变使与所述共源共栅电流镜控制电路连接的信号放大电路中MOS管电阻的直流工作电流得以调节；MOS管电阻的工作状态得以调节；MOS管电阻的实际小信号电阻大小得以调节；MOS管小信号电阻大小改变使信号方法电路中的电流信号得以放大。
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