CN115051653A - 一种用于运算放大器的输入级跨导减小的电路 - Google Patents

一种用于运算放大器的输入级跨导减小的电路 Download PDF

Info

Publication number
CN115051653A
CN115051653A CN202210614253.2A CN202210614253A CN115051653A CN 115051653 A CN115051653 A CN 115051653A CN 202210614253 A CN202210614253 A CN 202210614253A CN 115051653 A CN115051653 A CN 115051653A
Authority
CN
China
Prior art keywords
collector
tube
pnp
cross
proportion
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN202210614253.2A
Other languages
English (en)
Inventor
范国亮
何峥嵘
王成鹤
杨阳
周远杰
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
CETC 24 Research Institute
Original Assignee
CETC 24 Research Institute
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by CETC 24 Research Institute filed Critical CETC 24 Research Institute
Priority to CN202210614253.2A priority Critical patent/CN115051653A/zh
Publication of CN115051653A publication Critical patent/CN115051653A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03F—AMPLIFIERS
    • H03F1/00—Details of amplifiers with only discharge tubes, only semiconductor devices or only unspecified devices as amplifying elements
    • H03F1/08—Modifications of amplifiers to reduce detrimental influences of internal impedances of amplifying elements
    • H03F1/083—Modifications of amplifiers to reduce detrimental influences of internal impedances of amplifying elements in transistor amplifiers
    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03F—AMPLIFIERS
    • H03F3/00—Amplifiers with only discharge tubes or only semiconductor devices as amplifying elements
    • H03F3/45—Differential amplifiers
    • H03F3/45071—Differential amplifiers with semiconductor devices only
    • H03F3/45076—Differential amplifiers with semiconductor devices only characterised by the way of implementation of the active amplifying circuit in the differential amplifier
    • H03F3/4508—Differential amplifiers with semiconductor devices only characterised by the way of implementation of the active amplifying circuit in the differential amplifier using bipolar transistors as the active amplifying circuit
    • H03F3/45165—Complementary cross coupled types
    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03F—AMPLIFIERS
    • H03F3/00—Amplifiers with only discharge tubes or only semiconductor devices as amplifying elements
    • H03F3/45—Differential amplifiers
    • H03F3/45071—Differential amplifiers with semiconductor devices only
    • H03F3/45076—Differential amplifiers with semiconductor devices only characterised by the way of implementation of the active amplifying circuit in the differential amplifier
    • H03F3/4508—Differential amplifiers with semiconductor devices only characterised by the way of implementation of the active amplifying circuit in the differential amplifier using bipolar transistors as the active amplifying circuit
    • H03F3/45174—Mirror types

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Amplifiers (AREA)

Abstract

本发明涉及半导体集成电路设计技术领域，尤其涉及一种用于运算放大器的输入级跨导减小的电路，包括集电极交叉耦合差分输入对管、电流镜及恒流源，集电极交叉耦合差分输入对管用于将接收到的差分电压信号转换为电流信号，并通过多集电极对电流进行交叉耦合；电流镜用于对交叉耦合后的电流信号作差，并转化为单端电压信号作为输出；恒流源用于为集电极交叉耦合差分输入对管和电流镜提供恒定的偏置电流；本发明的通过集电极交叉耦合差分输入对管，电流镜及恒流源的结构设计，可以在保证不影响高频特性的同时，实现跨导的精确衰减，从而实现频率补偿电容的等比例缩小，减小芯片面积，降低成本。

Description

一种用于运算放大器的输入级跨导减小的电路
技术领域
本发明涉及半导体集成电路设计技术领域，尤其涉及一种用于运算放大器的输入级跨导减小的电路。
背景技术
面对日趋激烈的市场竞争以及消费者对于电子产品小型化甚至微型化的需求，各大半导体厂商迫切需要减小芯片面积，降低单位成本，以求获得最大收益。作为集成放大器的器件之一，电容尤其是频率补偿电容对放大器的动态响应起着至关重要的作用，同时也是占用面积最大的器件。例如，放大器的单位增益带宽近似为wT＝gm/C，与输入级跨导gm和频率补偿电容C密切相关。如何在不影响频率响应的前提下，尽可能的减小电容的面积，对于减小芯片面积、降低放大器成本、提高市场竞争力具有重要意义。
减小放大器中频率补偿电容的面积主要有两种方法。第一种是通过电路设计，在满足系统动态响应的条件下，降低对电容大小的需求，这需要新颖的电路或器件结构；第二种是通过工艺优化，采用更薄的介质层、更高的介电常数甚至采用三维立体结构，来提高单位面积电容，从而减小电容面积。显然，第二种方法对工艺的要求更高，需要更加先进的设备和更加精确的工艺控制，这大大提高了成本，不太适合低成本的放大器生产。本项目主要研究第一种方法，即在集成放大器中，通过电路和器件结构设计，在不影响其他高频指标的前提下，通过输入级跨导的减小，降低对电容的需求，从而减小芯片面积，降低成本。
传统的跨导减小电路有三种，包括减小偏置电流、插入射极反馈电阻，多集电极分割。图1(a)所示减小输入级的偏置电流的方法可以直接降低跨导，这是因为输入级跨导
Figure BDA0003673759650000021
直接和偏置电流相关，但是这种方法会严重影响放大器的高频响应，例如降低压摆率和带宽。图1(b)所示在发射极添加射极反馈电阻的方法也可以减小输入级跨导，等效跨导为
Figure BDA0003673759650000022
所需的发射极反馈电阻RE一般较大，才能实现足够的跨导减小，这无疑增加了芯片面积，同时还带来另外一个问题，即输入失调电压增加和芯片面积的增加。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，为了在保证不影响高频特性的同时，实现跨导的精确衰减，从而实现频率补偿电容的等比例缩小，减小芯片面积，降低成本，本发明提出一种用于运算放大器的输入级跨导减小的电路，包括集电极交叉耦合差分输入对管1、电流镜2及恒流源3，其中，集电极交叉耦合差分输入对管用于将接收到的差分电压信号转换为电流信号，并通过多集电极对电流进行交叉耦合；电流镜用于对交叉耦合后的电流信号作差，并转化为单端电压信号作为输出；恒流源用于为集电极交叉耦合差分输入对管和电流镜提供恒定的偏置电流。
进一步的，集电极交叉耦合差分输入对管包括第一PNP管和第二PNP管，且第一PNP管和第二PNP管的集电极包括分隔面积比为1:n两部分；第一PNP管比例为1的集电极与第二PNP管比例为n的集电极连接；第一PNP管的发射极与第二PNP管的发射极以及恒流源的一端连接；第二PNP管比例为1的集电极与第一PNP管比例为n的发射极连接，第二PNP管的发射极接恒流源的一端连接；恒流源的另一端与正电源端连接。
进一步的，集电极交叉耦合差分输入对管、电流镜及恒流源为基于普通双极工艺的电路单元。
如上所述，本发明的新型的跨导减小电路，具有以下有益效果：
1)通过集电极交叉耦合差分输入对管，电流镜及恒流源的结构设计，就可以对接收到的差分信号进行差分转单端输出，同时实现大范围的跨导减小；
2)该跨导减小电路基于普通双极工艺，在保证不增加面积和不影响高频特性的同时，实现跨导的精确衰减，从而等比例缩小频率补偿电容，减小芯片面积，降低成本。
附图说明
图1为跨导减小电路构，其中(a)为偏置电流减小法；(b)为射极电阻反馈法；(c)为多集电极分割法；
图2为本发明一种用于运算放大器的输入级跨导减小的电路的一种优选实施方式；
其中，1、集电极交叉耦合差分输入对管；2、电流镜；3、恒流源。
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。
本发明提出一种用于运算放大器的输入级跨导减小的电路，包括集电极交叉耦合差分输入对管1、电流镜2及恒流源3，其中，集电极交叉耦合差分输入对管用于将接收到的差分电压信号转换为电流信号，并通过多集电极对电流进行交叉耦合；电流镜用于对交叉耦合后的电流信号作差，并转化为单端电压信号作为输出；恒流源用于为集电极交叉耦合差分输入对管和电流镜提供恒定的偏置电流。
作为一种实施方式，本实施例首先提出基于多集电极分割方法的一种用于运算放大器的输入级跨导减小的电路，将输入PNP管的集电极分块，面积比例为1：n，部分电流被导向地，该电路等效跨导按照
Figure BDA0003673759650000031
的比例衰减，如果需要较大的衰减，n可能较大，这同样会导致寄生极点降低，高频特性变差，衰减的精度也会随着n增加而降低。
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明实施例中的技术方案，并使本发明实施例的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明实施例中技术方案作进一步详细的说明。在图2中，用I表示恒流源，N1、N2分别表示第一NPN管、第二NPN管，P1、P2分别表示第一PNP管、第二PNP管；RE1、RE2分别表示第一电阻、第二电阻；IN+、IN-分别表示同相输入端、反相输入端；io表示输出电流。
如图2，该电路结构简单，先通过差分输入级将接收到的差分电压信号转换为电流信号，并通过多集电极对电流进行交叉耦合；再通过电流镜对交叉耦合后的电流信号作差，并转化为单端电压信号输出；恒流源为输入级提供恒定的偏置电流。
在本实施例中，集电极交叉耦合差分输入对管、电流镜及恒流源的连接关系包括：
输入级跨导减小电路包括PNP管P1和P2，NPN管N1和N2，恒流源I；所述P1的基极作为所述跨导减小电路的同相输入端；所述P2的基极作为所述跨导减小电路的反相输入端；所述P1、P2的集电极分割面积比为1：n的两部分，P1比例为1的集电极接所述P2比例为n的集电极、同时接所述N2的集电极，P1集电极比例为n的部分接所述P2比例为1的集电极，同时接所述N1的基极和集电极以及所述N2的基极；所述P1的发射极接所述P2的发射极、同时接所述恒流源I的一端；所述P2集电极比例为1的集电极接所述P1比例为n的集电极，同时接所述N1的基极和集电极以及所述N2的基极，P2集电极比例为n的部分接所述P1比例为1的集电极；所述P2的发射极接所述P1的发射极、同时接所述恒流源I的一端；所述恒流源I的另一端接正电源；
电流镜包括N1和N2；所述N1的集电极接所述N1的基极和所述N2的基极，同时也和所述P1比例为n的集电极和所述P2比例为1的集电极相连；所述N1的基极接所述N1的集电极，同时也和所述P1比例为n的集电极和所述P2比例为1的集电极相连；所述N1的发射极接负电源；所述N2的集电极接所述P1比例为1的集电极和所述P2比例为n的集电极相连；所述N2的基极接所述N1的集电极，同时也和所述P1比例为n的集电极和所述P2比例为1的集电极相连；所述N2的发射极接负电源；
恒流源包括I；所述I的一端接正电源，另一端接所述P1和P2的发射极。
本发明电路的工作原理如下：
假设输入差分信号Vin＝(IN+)-(IN-)，为了便于分析，可以将Vin等效为
Figure BDA0003673759650000051
Figure BDA0003673759650000052
从直流角度看，尾电流的一半流过二极管连接的N1，电流镜引入的极点
Figure BDA0003673759650000053
保持不变，同时P1和P2的发射极引入的寄生极点
Figure BDA0003673759650000054
也保持不变，所以高频特性不受影响，其中gm是跨导，CM是N1和N2基极的寄生电容，CS是P1和P2发射极的寄生电容。从交流角度看，P1和P2的动态电流
Figure BDA0003673759650000055
将按照1：n的比例分别流向两个集电极，由于P1和P2的集电极动态电流大小相等方向相反，交叉叠加后的集电极电流呈现部分抵消的趋势，这导致了最终的动态输出电流io的减小，通过简单的数学运算，可以得到输出电流为：
Figure BDA0003673759650000056
从(1)式可以看出，通过多集电极的交叉耦合，等效跨导变为
Figure BDA0003673759650000057
与本征跨导gm相比，Gm将按照
Figure BDA0003673759650000058
比例衰减，且随着n的增大，衰减比例逐渐接近1。这意味n越接近1，衰减比例越大，跨导减小越容易实现。
本发明的通过集电极交叉耦合差分输入对管，电流镜及恒流源的结构设计，可以在保证不影响高频特性的同时，实现跨导的精确衰减，从而实现频率补偿电容的等比例缩小，减小芯片面积，降低成本。
以上所举实施例，对本发明的目的、技术方案和优点进行了进一步的详细说明，所应理解的是，以上所举实施例仅为本发明的优选实施方式而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内对本发明所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种用于运算放大器的输入级跨导减小的电路，其特征在于，包括集电极交叉耦合差分输入对管、电流镜及恒流源，其中，集电极交叉耦合差分输入对管用于将接收到的差分电压信号转换为电流信号，并通过多集电极对电流进行交叉耦合；电流镜用于对交叉耦合后的电流信号作差，并转化为单端电压信号作为输出；恒流源用于为集电极交叉耦合差分输入对管和电流镜提供恒定的偏置电流。
2.根据权利要求1所述的一种用于运算放大器的输入级跨导减小的电路，其特征在于，集电极交叉耦合差分输入对管包括第一PNP管和第二PNP管，且第一PNP管和第二PNP管的集电极包括分隔面积比为1:n两部分；第一PNP管比例为1的集电极与第二PNP管比例为n的集电极连接；第一PNP管的发射极与第二PNP管的发射极以及恒流源的一端连接；第二PNP管比例为1的集电极与第一PNP管比例为n的发射极连接，第二PNP管的发射极接恒流源的一端连接；恒流源的另一端与正电源端连接。
3.根据权利要求2所述的一种用于运算放大器的输入级跨导减小的电路，其特征在于，电流镜包括第一NPN管和第二NPN管，第一NPN管的集电极与第二NPN管的基极、第一PNP管比例为n的集电极以及第二PNP管比例为1的集电极连接；第一NPN管的基极与第二NPN管的集电极连接，同时和第一PNP管比例为n的集电极以及第二PNP管比例为1的集电极连接；第一NPN管的发送极与负电源端连接；第二NPN管的集电极与第一PNP管比例为1的集电极以及第二PNP管比例为n的集电极连接；第二NPN管的基极与第一PNP管比例为n的集电极以及第二PNP管比例为1的集电极连接；第二NPN管的发送极与负电源端连接。
4.根据权利要求1所述的一种用于运算放大器的输入级跨导减小的电路，其特征在于，集电极交叉耦合差分输入对管、电流镜及恒流源为基于普通双极工艺的电路单元。
CN202210614253.2A 2022-06-01 2022-06-01 一种用于运算放大器的输入级跨导减小的电路 Pending CN115051653A (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202210614253.2A CN115051653A (zh) 2022-06-01 2022-06-01 一种用于运算放大器的输入级跨导减小的电路

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202210614253.2A CN115051653A (zh) 2022-06-01 2022-06-01 一种用于运算放大器的输入级跨导减小的电路

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN115051653A true CN115051653A (zh) 2022-09-13

Family

ID=83159484

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202210614253.2A Pending CN115051653A (zh) 2022-06-01 2022-06-01 一种用于运算放大器的输入级跨导减小的电路

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN115051653A (zh)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN117081517A (zh) * 2023-10-16 2023-11-17 韬润半导体(无锡)有限公司 一种运算放大器及其实现方法

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN117081517A (zh) * 2023-10-16 2023-11-17 韬润半导体(无锡)有限公司 一种运算放大器及其实现方法
CN117081517B (zh) * 2023-10-16 2024-01-26 韬润半导体(无锡)有限公司 一种运算放大器及其实现方法

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US7570040B2 (en) Accurate voltage reference circuit and method therefor
CN104113293A (zh) 一种高增益低噪声差分跨阻放大器
US6359512B1 (en) Slew rate boost circuitry and method
CN115051653A (zh) 一种用于运算放大器的输入级跨导减小的电路
US5420524A (en) Differential gain stage for use in a standard bipolar ECL process
CN116192071A (zh) 运算放大电路、线性稳压器、芯片以及电子设备
CN107592086B (zh) 一种高增益超高工作速率放大器电路
US5786729A (en) Stable bias current circuit for operational amplifier
CN114915267A (zh) 单端转差分麦克风电路及电子设备
CN106656078B (zh) 带电感双电源供电的运算放大器及模数转换器
CN111162742B (zh) 一种抑制机动车检测装置信号干扰的信号处理系统
CN113809998A (zh) 一种折叠式共源共栅运算放大器及电子设备
CN111756343B (zh) 一种高速运放轨到轨输出电路
CN210405236U (zh) 高共模动态范围且pvt恒定的差分放大器
CN115225047A (zh) 0.9v内核电压供电的全差分推挽输出运算放大器
CN111835293B (zh) 多跨阻恒定带宽超低噪声tia
CN216411445U (zh) 一种用于继电保护测试仪的辅助信号输出电路
CN111510090A (zh) 一种高压摆率和宽输出范围的运算放大器
CN106130491B (zh) 一种实现tia自动匹配输出阻抗的电路
CN105306006B (zh) 一种对数域差分低通滤波器
CN118631188A (zh) 一种8GHz大动态范围高精度对数检波器
CN108508950A (zh) 一种用于提高tia中跨阻放大级输出直流电平的电路
CN113422582B (zh) 高带宽线性可变增益放大器
CN220915261U (zh) 一种基于电流镜电路的音频放大器
CN111431489B (zh) 一种共模反馈电路和差分放大器

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination