CN114400978B - 一种适用于大动态范围对数放大器的失调补偿结构 - Google Patents

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Abstract

本发明属于集成电路领域，特别涉及一种大动态范围对数放大器芯片的失调补偿结构；所述失调补偿结构包括第一级限幅放大器，多级限幅放大器，跨导检测单元以及恒流源和反馈电流源；第一级限幅放大器分别连接差分信号的输入正端和输入负端，差分信号输出正端和输出负端连接多级限幅放大器的输入正端和输入负端；恒流源连接多级限幅放大器的输入负端，反馈电流源连接多级限幅放大器的输入正端；跨导检测单元连接多级限幅放大器的输出负端和输出正端；本发明通过跨导检测单元来获取输出正端和输出负端电压的差异结果，并通过反馈电流源生成反馈电流，以恒流源电流补偿反馈电流引起的第一级限幅放大器直流工作点变化，起到稳定限幅放大器工作的作用。

Description

一种适用于大动态范围对数放大器的失调补偿结构
技术领域
本发明属于集成电路领域，特别涉及一种大动态范围对数放大器芯片的失调补偿结构。
背景技术
大动态范围对数放大器的拓扑结构如图1所示，其采用六级限幅放大器串联，并在每一级限幅放大器输出端进行整流，将整流电流相加后得到总整流电流，然后通过跨阻输出级将整流电流信号转化为输出电压。通过这种结构，可以得到与输入功率成线性关系的输出电压。
限幅放大器的结构如图2所示，其本质上是一个电阻作为负载的差分对。Q1和Q2构成差分输入对管，Q1和Q2的基极分别连接差分输入信号的正端和负端。Q1和Q2的发射极与Q3的集电极相连，Q3的发射极和R3的上端相连，R3的下端接地，Q3的基极接偏置电压VBIAS，因此VBIAS、Q3、R3组成尾电流源ITAIL。Q1的集电极与负载电阻R1的下端相连，为输出电压的负相输入端，Q2的集电极与负载电阻R2的下端相连，为输出电压的正相输入端。R1和R2的上端均与电源相连。其中，差模输出电压Vod与差模输入电压Vid的关系为：
Vod表示输出正端与输出负端的差值电压，VT表示温度的电压当量，当输入信号幅度较小时，可以近似为一个线性放大器，当输入信号达到阈值后输出幅度不在随输入增大而增大，而是限定在一个幅度。
单级限幅放大器的交流仿真曲线如图3所示，其增益约为14.3dB。采用六级级联后，从第一级限幅放大器输入端到第六级限幅放大器输出端小信号增益大于80dB，前级限幅放大器的失配被后级限幅放大器放大后，后级限幅放大器出现过大输入直流失配，引起增益明显降低或功能异常。
发明内容
基于现有技术中对数放大器中限幅放大器总增益过高容易直流失配，造成对数放大器参数超差和功能异常等情况的问题。需要引入了一种失调补偿结构，在不影响对数放大器参数指标和整体功能的情况下，进行失调补偿，降低直流失配。
为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种适用于大动态范围对数放大器的失调补偿结构，所述失调补偿结构包括第一级限幅放大器，多级限幅放大器，跨导检测单元以及恒流源和反馈电流源；所述第一级限幅放大器分别连接差分信号的输入正端和输入负端，对应的差分信号输出正端和输出负端连接多级限幅放大器的输入正端和输入负端；所述恒流源连接多级限幅放大器的输入负端，所述反馈电流源连接多级限幅放大器的输入正端；所述跨导检测单元连接多级限幅放大器的输出负端和输出正端。
进一步的，所述多级限幅放大器为与所述第一级限幅放大器连续排列的第二级限幅放大器到第六级限幅放大器，即本发明在传统的多级限幅放大器中的第一级限幅放大器和第二级限幅放大器之间加入了恒流源和反馈电流源，其余级别的限幅放大器可以不作处理。
进一步的，所述第一级限幅放大器包括电阻R4、电阻R5、NPN管Q6、NPN管Q7、NPN管Q8、电阻R6，NPN管Q6的基极连接差分信号的输入正端、NPN管Q7的基极连接差分信号的输入负端；NPN管Q6的集电极和电阻R4下端、NPN管Q4集电极相连，并接入多级限幅放大器的输入负端；NPN管Q7集电极和电阻R5下端、NPN管Q5的集电极相连，并接入多级限幅放大器的输入正端；电阻R4、电阻R5上端相连，并接入电源Vs；NPN管Q6的发射极和NPN管Q7的发射极、NPN管Q8的集电极相连；NPN管Q8的基极与NPN管Q4的基极相连，并接入第一偏置电压VBIAS1；NPN管Q8的发射极与电阻R6的上端相连，电阻R6的下端接地。
进一步的，所述恒流源包括NPN管Q4和电阻R7，NPN管Q4的集电极连接多级限幅放大器的输入负端，NPN管Q4的发射极连接电阻R7的上端，NPN管Q4的基极连接有第一偏置电压VBIAS1，且电阻R7的下端接地GND。
其中，所述第一偏置电压VBIAS1同时控制所述第一级限幅放大器和所述恒流源，能够让两者具有相同的偏置电压。
进一步的，所述反馈电流源包括NPN管Q5、电阻R8和电容C1，NPN管Q5的集电极连接多级限幅放大器的输入正端，NPN管Q5的基极与电容C1的上端相连，电容C1的下端与地相连，NPN管Q5的发射极与电阻R8的上端相连，R8的下端接地GND。
进一步的，所述跨导检测单元包括PNP管Q9、PNP管Q10、NPN管Q11、NPN管Q12、电阻R9和电阻R10；PNP管Q9、PNP管Q10的基极接入第二偏置电压VBIAS2，PNP管Q9的发射极与电阻R9下端相连，电阻R9的上端接入多级限幅放大器的输出正端，电阻R10的上端接入多级限幅放大器的输出负端；PNP管Q10的集电极与NPN管Q12的基极和集电极、NPN管Q11的基极相连，PNP管Q9的集电极与NPN管Q11的集电极，NPN管Q11的发射极和NPN管Q12的发射极接地GND。
进一步的，所述跨导检测单元中的电阻R9和电阻R10的阻值相等，便于让跨导检测单元的两个支路达到一致性，使得最终的直流输出电压相等，持限幅放大器的直流工作点稳定。
本发明的有益效果在于：
(1)本发明加入了跨导检测单元、反馈电流源以及恒流源等结构，通过反馈调节的方式，使限幅放大器两个差分输出端直流电压相等，可以有效降低各级限幅放大器的直流失配，保证各级限幅放大器正常稳定的工作。
(2)本发明对多级限幅放大器的输入输出阻抗特性不产生影响，不影响限幅放大器原本工作状态。
(3)本发明通用性强，适用于双极工艺，适合多级限幅放大结构的失调补偿。附图说明
为了使本发明的目的，技术方案和有益效果更加清楚，本发明提供如下附图进行说明：
图1为传统的对数放大器拓扑结构图；
图2为传统的限幅放大器线路图；
图3为传统的限幅放大器交流仿真曲线；
图4为本发明实施例中的失调补偿结构线路图；
图5为本发明优选实施例中的失调补偿结构线路图。
具体实施方式
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、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅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。
下面将结合附图4，对本发明的实施例进行详细的描述，图4是本发明实施例的一种失调补偿结构，该失调补偿结构中主要包含第一级限幅放大器，多级限幅放大器，跨导检测单元以及恒流源和反馈电流源；其中，所述第一级限幅放大器分别连接差分信号的输入正端+和输入负端，对应的差分信号输出正端和输出负端连接多级限幅放大器的输入正端VI2和输入负端VI1；所述恒流源连接多级限幅放大器的输入负端VI1，所述反馈电流源连接多级限幅放大器的输入正端VI2；所述跨导检测单元连接多级限幅放大器的输出负端VO2和输出正端VO1，其中，第一级限幅放大器接入电流源VT，第一级限幅放大器跨导检测单元以及恒流源和反馈电流源都接地GND。
本实施例通过在多级限幅放大器的输出正端和输出负端加载了跨导检测单元，通过所述跨导检测单元来获取输出正端和输出负端电压的差异结果，并将该差异结果通过反馈电流源生成适当的反馈电流，能够通过恒流源IFB0补偿反馈电流IFB引起的第一级限幅放大器直流工作点变化，起到稳定限幅放大器工作的作用。
下面将结合附图5，对本发明的优选实施例进行详细的描述，图5是本发明优选实施例的一种失调补偿结构，该失调补偿结构中主要包含第一级限幅放大器，多级限幅放大器，跨导检测单元以及恒流源和反馈电流源；其中，所述第一级限幅放大器分别连接差分信号的输入正端和输入负端，对应的差分信号输出正端和输出负端连接多级限幅放大器的输入正端VI2和输入负端VI1；所述恒流源连接多级限幅放大器的输入负端VI1，所述反馈电流源连接多级限幅放大器的输入正端VI2；所述跨导检测单元连接多级限幅放大器的输出负端VO2和输出正端VO1，其中，第一级限幅放大器接入电流源VT，第一级限幅放大器跨导检测单元以及恒流源和反馈电流源都接地GND。
其中，所述第一级限幅放大器包括电阻R4、电阻R5、NPN管Q6、NPN管Q7、NPN管Q8、电阻R6，NPN管Q6的基极连接差分信号的输入正端、NPN管Q7的基极连接差分信号的输入负端；NPN管Q6的集电极和电阻R4下端、NPN管Q4集电极相连，并接入多级限幅放大器的输入负端；NPN管Q7集电极和电阻R5下端、NPN管Q5的集电极相连，并接入多级限幅放大器的输入正端；电阻R4、电阻R5上端相连，并接入电源Vs；NPN管Q6的发射极和NPN管Q7的发射极、NPN管Q8的集电极相连；NPN管Q8的基极与NPN管Q4的基极相连，并接入第一偏置电压VBIAS1；NPN管Q8的发射极与电阻R6的上端相连，电阻R6的下端接地。
其中，所述恒流源包括NPN管Q4和电阻R7，NPN管Q4的集电极连接多级限幅放大器的输入负端，NPN管Q4的发射极连接电阻R7的上端，NPN管Q4的基极连接有第一偏置电压VBIAS1，且电阻R7的下端接地GND。
其中，所述反馈电流源包括NPN管Q5、电阻R8和电容C1，NPN管Q5的集电极连接多级限幅放大器的输入正端，NPN管Q5的基极与电容C1的上端相连，电容C1的下端与地相连，NPN管Q5的发射极与电阻R8的上端相连，R8的下端接地GND。
其中，所述跨导检测单元包括PNP管Q9、PNP管Q10、NPN管Q11、NPN管Q12、电阻R9和电阻R10；PNP管Q9、PNP管Q10的基极接入第二偏置电压VBIAS2，PNP管Q9的发射极与电阻R9下端相连，电阻R9的上端接入多级限幅放大器的输出正端，电阻R10的上端接入多级限幅放大器的输出负端；PNP管Q10的集电极与NPN管Q12的基极和集电极、NPN管Q11的基极相连，PNP管Q9的集电极与NPN管Q11的集电极，NPN管Q11的发射极和NPN管Q12的发射极接地GND。
进一步的，第一级限幅放大器与恒流源之间是通过第一偏置电压VBIAS1进行控制，即NPN管Q8的基极和NPN管Q4的基极都连接有第一偏置电压VBIAS1，且两个基极也相连，同时电阻R6和电阻R7的下端都相连，并且接地GND。
进一步的，反馈电流源和跨导检测单元之间是通过对电容C1的充放电来实现电流反馈，即NPN管Q11的集电极和PNP管Q9的集电极连接电容C1的上端，NPN管Q11的发射极和NPN管Q12的发射极连接电容C1的下端，同时电容C1下端、NPN管Q11的发射极和NPN管Q12的发射极都相连，并且接地GND。
下面具体说明本发明实施例中失调补偿结构的补偿过程，假设当多级限幅放大器因工艺加工等原因出现直流电压失配，会通过最后一级的限幅放大器将失配放大到输出端。假设差分输出端直流电压分别为VO1和VO2，VO1和VO2不同会引起Q9和Q10集电极电流的差异：
VO1＝VBIAS2+VBE9+IC9·R9
VO2＝VBIAS2+VBE10+IC10·R10
由于设计时R9＝R10，则有：
从上式可以看出，当输出电压VO1＞VO2，则有IC9＞IC10；若VO1＜VO2，则IC9＜IC10；VO1＝VO2，则IC9＝IC10。由于Q11和Q12电流镜的作用，Q10的集电极电流IC10电流镜像给Q11的集电极电流IC11，即IC11＝IC12＝IC10，其中，IC9表示PNP管Q9的集电极电流，IC10表示PNP管Q10的集电极电流，IC11表示NPN管Q11的集电极电流，IC12表示NPN管Q12的集电极电流，ΔVBE＝VBE9-VBE10，VBE9表示PNP管Q9中基极和发射极的电压，VBE10表示PNP管Q10中基极和发射极的电压。
当IC9和IC10有差距时，可以用电容C1进行电压采样，电容C1下端接地，上端接NPN管Q5的基极，其电压命名为反馈电压VFB，当IC9＞IC10，IC9-IC10为C1充电，使电容C1累积电荷，VFB电压升高；反之当IC9＜IC10，IC10-IC9为C1放电，使电容C1释放电荷，VFB电压降低。C1电压的变化速率可用如下公式表示：
电容C1上采集到的反馈电压VFB与Q5、R8形成反馈电流源IFB，反馈电压VFB越大，反馈电流IFB越大。
其中，VT表示温度的电压当量，VT＝kq/T，k为波耳兹曼常数，T为热力学温度，即绝对温度，q为电子电荷，在常温下，VT≈26mV；IS为三极管饱和电流。
同时，偏置电压VBIAS1、NPN管Q4、电阻R7形成恒流源IFB0，则有：
恒流源IFB0可以用于补偿反馈电流IFB引起的第一级限幅放大器直流工作点变化，起到稳定限幅放大器工作的作用。反馈电流IFB越大，经过R5的电流越大，多级限幅放大器正相输入电压VI1越小，通过多级限幅放大器放大，输出电压VO1降低，VO2升高。
因此，当输出电压VO1＞VO2，IC9＞IC11，IC9-IC11为电容C1充电，VFB提高，使Q5集电极电流IFB增大，多级限幅放大器的输入端电压VI1减小，经过多级限幅放大器放大后，使VO1减小，VO2增大，直到VO1＝VO2，VFB保持恒定，直流电压稳定。同理当输出电压VO1＜VO2，IC9＜IC11，IC11-IC9为电容C1放电，VFB降低，使Q5集电极电流IFB减小，多级限幅放大器的输入端电压VI1增大，经过多级限幅放大器放大后，使VO1增大，VO2减小，直到VO1＝VO2。
因此，引入失调补偿结构后，可以使直流输出电压VO1＝VO2，保持限幅放大器的直流工作点稳定。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“同轴”、“底部”、“一端”、“顶部”、“中部”、“另一端”、“上”、“一侧”、“顶部”、“内”、“外”、“前部”、“中央”、“两端”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“设置”、“连接”、“固定”、“旋转”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (5)

1.一种适用于大动态范围对数放大器的失调补偿结构，其特征在于，所述失调补偿结构包括第一级限幅放大器，多级限幅放大器，跨导检测单元以及恒流源和反馈电流源；所述第一级限幅放大器分别连接差分信号的输入正端和输入负端，对应的差分信号输出正端和输出负端连接多级限幅放大器的输入正端和输入负端；所述恒流源连接多级限幅放大器的输入负端，所述反馈电流源连接多级限幅放大器的输入正端；所述跨导检测单元连接多级限幅放大器的输出负端和输出正端；
其中，所述反馈电流源包括NPN管Q5、电阻R8和电容C1，NPN管Q5的集电极连接多级限幅放大器的输入正端，NPN管Q5的基极与电容C1的上端相连，电容C1的下端与地相连，NPN管Q5的发射极与电阻R8的上端相连，R8的下端接地GND；
所述跨导检测单元包括PNP管Q9、PNP管Q10、NPN管Q11、NPN管Q12、电阻R9和电阻R10；PNP管Q9、PNP管Q10的基极接入第二偏置电压VBIAS2，PNP管Q9的发射极与电阻R9下端相连，电阻R9的上端接入多级限幅放大器的输出正端，电阻R10的上端接入多级限幅放大器的输出负端；PNP管Q10的集电极与NPN管Q12的基极和集电极、NPN管Q11的基极相连，PNP管Q9的集电极与NPN管Q11的集电极，NPN管Q11的发射极和NPN管Q12的发射极接地GND。
2.根据权利要求1所述的一种适用于大动态范围对数放大器的失调补偿结构，其特征在于，所述多级限幅放大器为与所述第一级限幅放大器连续排列的第二级限幅放大器到第六级限幅放大器。
3.根据权利要求1或2所述的一种适用于大动态范围对数放大器的失调补偿结构，其特征在于，所述第一级限幅放大器包括电阻R4、电阻R5、NPN管Q6、NPN管Q7、NPN管Q8、电阻R6，NPN管Q6的基极连接差分信号的输入正端、NPN管Q7的基极连接差分信号的输入负端；NPN管Q6的集电极和电阻R4下端、NPN管Q4集电极相连，并接入多级限幅放大器的输入负端；NPN管Q7集电极和电阻R5下端、NPN管Q5的集电极相连，并接入多级限幅放大器的输入正端；电阻R4、电阻R5上端相连，并接入电源Vs；NPN管Q6的发射极和NPN管Q7的发射极、NPN管Q8的集电极相连；NPN管Q8的基极与NPN管Q4的基极相连，并接入第一偏置电压VBIAS1；NPN管Q8的发射极与电阻R6的上端相连，电阻R6的下端接地。
4.根据权利要求1所述的一种适用于大动态范围对数放大器的失调补偿结构，其特征在于，所述恒流源包括NPN管Q4和电阻R7，NPN管Q4的集电极连接多级限幅放大器的输入负端，NPN管Q4的发射极连接电阻R7的上端，NPN管Q4的基极连接有第一偏置电压VBIAS1，且电阻R7的下端接地GND。
5.根据权利要求1所述的一种适用于大动态范围对数放大器的失调补偿结构，其特征在于，电阻R9和电阻R10的阻值相等。
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