CN116599478B - 一种带宽稳定的可配置增益差分放大器及其控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种带宽稳定的可配置增益差分放大器及其控制方法，差分放大器包括可变电阻网络、输入对管、Class‑AB输出控制电路、Class‑AB输出电路和可变电容网络，其中，可变电阻网络的输入端作为差分放大器的输入端，可变电阻网络的输出端通过输入对管连接至Class‑AB输出控制电路，Class‑AB输出控制电路连接至Class‑AB输出电路，Class‑AB输出电路的输出端作为差分放大器的输出端；所述可变电容网络连接在Class‑AB输出控制电路的输出端与差分放大器的输出端之间。此种技术方案能够通过修改内部寄存器的方式在芯片晶圆生产完成后对比例电阻控制的增益倍数和放大核心电路的增益带宽积进行配置，实现高效的增益倍数调整和较为稳定无衰减的带宽特性。

Description

一种带宽稳定的可配置增益差分放大器及其控制方法
技术领域
本发明属于电子电路技术领域，特别涉及一种带宽稳定的可配置增益差分放大器及其控制方法。
背景技术
差分放大器的增益倍数由放大核心电路外围的反馈电阻比例而决定，配合图1所示，放大核心电路的反馈电阻包括电阻R1～R4，在一次流片完成后，电阻R1～R4的阻值固定不变，因此放大器的增益倍数也是固定的。当需要不同倍数的放大器芯片时，只能是通过流片生产的方法改变R1～R4的阻值以实现反馈电阻的修改，具有生产投入成本高和时间周期长的劣势。
通常来说，放大核心电路具有不变的增益带宽积特性，增大了增益，带宽自然就会降低，瞬态响应速度在一定程度上是和带宽正相关的，带宽降低之后瞬态响应速度也会降低。因此当外部比例电阻配置为更高增益模式时，整体电路的环路稳定性将逐步提高，但是带宽与瞬态响应速度将会逐渐降低。
发明内容
本发明的目的，在于提供一种带宽稳定的可配置增益差分放大器及其控制方法，能够通过修改内部寄存器的方式在芯片晶圆生产完成后对比例电阻控制的增益倍数和放大核心电路的增益带宽积进行配置，实现高效的增益倍数调整和较为稳定无衰减的带宽特性。
为了达成上述目的，本发明的解决方案是：
一种带宽稳定的可配置增益差分放大器，包括可变电阻网络、输入对管、Class-AB输出控制电路、Class-AB输出电路和可变电容网络，其中，可变电阻网络的输入端作为差分放大器的输入端，可变电阻网络的输出端通过输入对管连接至Class-AB输出控制电路，Class-AB输出控制电路连接至Class-AB输出电路，Class-AB输出电路的输出端作为差分放大器的输出端；所述可变电容网络连接在Class-AB输出控制电路的输出端与差分放大器的输出端之间，并作为Class-AB输出电路的米勒补偿电容；
所述可变电阻网络包括第一电阻网络和第二电阻网络；
第一电阻网络包括n个第一电阻和n-1个第一开关，n个第一电阻顺序串联后，其一端作为差分放大器的正输入端INN，另一端连接至差分放大器的输出端OUT；n-1个第一开关的一端分别对应连接在相邻的两个第一电阻之间，n-1个第一开关的另一端共同连接至输入对管的负输入端；
第二电阻网络包括n个第二电阻和n-1个第二开关，n个第二电阻顺序串联后，其一端作为差分放大器的负输入端INP，另一端连接至差分放大器的REF端口；n-1个第二开关的一端分别对应连接在相邻的两个第二电阻之间，n-1个第一开关的另一端共同连接至输入对管的正输入端；
所述第一电阻网络中的第x个第一电阻与第二电阻网络中的第x个第二电阻的参数相同，x=1,2,…,n；所述第一电阻网络中的第i个第一开关与第二电阻网络中的第i个第二开关的参数相同，i=1,2,…,n-1；
所述可变电容网络包括第一电容网络和第二电容网络；
第一电容网络包括1条第一并联支路和m-1条第二并联支路，所述1条第一并联支路的一端和m-1条第二并联支路的一端均连接至Class-AB输出电路的第一输出端，所述1条第一并联支路的另一端和m-1条第二并联支路的另一端均连接至差分放大器的输出端OUT；所述第一并联支路包括第一电容，第二并联支路包括第二电容、第三开关和第四开关，其中，第三开关的一端、第四开关的一端、第二电容的一端相连接，第三开关的另一端连接至Class-AB输出控制电路的第一输出端，第四开关的另一端接地，第二电容的另一端连接至差分放大器的输出端OUT；
第二电容网络包括1条第三并联支路和m-1条第四并联支路，所述1条第三并联支路的一端和m-1条第四并联支路的一端均连接至Class-AB输出电路的第二输出端，所述1条第三并联支路的另一端和m-1条第四并联支路的另一端均连接至差分放大器的输出端OUT；所述第三并联支路包括第三电容，第四并联支路包括第四电容、第五开关和第六开关，其中，第五开关的一端、第六开关的一端、第四电容的一端相连接，第五开关的另一端连接至Class-AB输出控制电路的第二输出端，第六开关的另一端接地，第四电容的另一端连接至差分放大器的输出端OUT；
所述第一电容网络中的第一电容与第二电容网络中的第三电容的参数相同；所述第一电容网络中的第y个第二电容与第二电容网络中的第y个第四电容的参数相同，y=1,2,…,m-1；所述第一电容网络中的第j个第三开关与第二电容网络中的第j个第五开关的参数相同，所述第一电容网络中的第j个第四开关与第二电容网络中的第j个第六开关的参数相同，j=1,2,…,m-1。
上述输入对管采用N输入对管、P输入对管或N输入对管和P输入对管的组合结构。
一种控制方法，用于控制如前所述的带宽稳定的可配置增益差分放大器，向寄存器内写入控制位SA[1:n-1]和SC[1:m-1]，其中，控制位SA[1:n-1]对应第一电阻网络中的n-1个第一开关和第二电阻网络中的n-1个第二开关，控制位SC[1:m-1]对应第一电容网络中的m-1个第三开关和第二电容网络中的m-1个第五开关，且所述寄存器的控制位SC[1:m-1]还通过反相器对应第一电容网络中的m-1个第四开关和第二电容网络中的m-1个第六开关；
通过控制位SA[1:n-1]调节放大器增益的变化因子为a，通过控制位SC[1:m-1]调节补偿电容的变化因子b，并使得a=1/b。
采用上述方案后，本发明通过设置可变电阻网络和可变电容网络，能够通过修改寄存器的方式控制接入电路的电阻及电容数量，从而对比例电阻控制的增益倍数和放大核心电路的增益带宽积进行配置，实现了在放大器芯片晶圆生产完成后也能调节增益倍数，并且能够通过调节增益带宽积来确保稳定无衰减的带宽特性。
附图说明
图1是现有放大核心电路的外围电阻电路图；
图2是本发明中可变电阻网络的电路图；
图3是本发明中放大核心电路的电路图；
图4是本发明中第一电容网络/第二电容网络的电路图。
具体实施方式
以下将结合附图，对本发明的技术方案及有益效果进行详细说明。
本发明提供一种带宽稳定的可配置增益差分放大器，包括可变电阻网络、输入对管、Class-AB输出控制电路、Class-AB输出电路、和可变电容网络，其中，可变电阻网络的输入端作为差分放大器的输入端，可变电阻网络的输出端通过输入对管连接至Class-AB输出控制电路，Class-AB输出控制电路连接至Class-AB输出电路，Class-AB输出电路的输出端即为差分放大器的输出端；所述可变电容网络连接在Class-AB输出控制电路与差分放大器输出端之间；本发明可通过对可变电阻网络和可变电容网络的调节，实现对差分放大器的增益倍数的调节，同时对增益带宽积进行配置，从而得到较为稳定无衰减的带宽特性。
如图2所示，是本发明提供的可变电阻网络的一个较佳实施例，为了便于描述，定义放大核心电路A1包括输入对管、Class-AB输出控制电路、Class-AB输出电路和可变电容网络；所述可变电阻网络包括第一电阻网络和第二电阻网络，其中，第一电阻网络包括n个电阻RA1～RAn和n-1个开关SA1～SAn-1，这n个电阻的参数可以根据实际情况进行设定，可以全部相同或各不相同，本发明不作限制；n个电阻RA1～RAn顺序串联，且一端作为差分放大器的正输入端INN，另一端作为差分放大器的输出端OUT；n-1个开关SA1～SAn-1的一端分别对应连接在相邻的两个电阻之间，n-1个开关SA1～SAn-1的另一端共同连接至放大核心电路A1的负输入端；第二电阻网络包括n个电阻RB1～RBn和n-1个开关SB1～SBn-1，n个电阻RB1～RBn顺序串联，且一端作为差分放大器的负输入端INP，另一端作为差分放大器的REF端口，所述第二电阻网络中的电阻RBx与第一电阻网络中相对应的电阻RAx的参数相同，x=1,2,…,n；n-1个开关SB1～SBn-1的一端分别对应连接在相邻的两个电阻之间，n-1个开关SB1～SBn-1的另一端共同连接至放大核心电路A1的正输入端；所述第一电阻网络中的开关SAi与第二电阻网络中的开关SBi的参数和控制方式相同，i=1,2,…,n-1。由图2可以看到，也即第一电阻网络与第二电阻网络的结构与参数完全相同。
如图3所示，放大核心电路A1包括输入对管、Class-AB输出控制电路、Class-AB输出电路和可变电容网络，其中，输入对管可以采用N输入对管、P输入对管或N输入对管和P输入对管的组合结构，图3示出了采用N输入对管和P输入对管结合的电路结构；Class-AB输出电路采用PMOS管和NMOS管组合的结构，其中，PMOS管的源极连接电源，其漏极与NMOS管的漏极相连接，并作为差分放大器的输出端OUT；NMOS管的源极接地，PMOS管的栅极连接至A点，NMOS管的栅极连接至B点；可变电容网络包括第一电容网络C1和第二电容网络C2，其中，C1的两端分别连接A点和差分放大器的输出端OUT，C2的两端分别连接B点和差分放大器的输出端OUT，作为放大核心电路A1的米勒补偿电容。
配合图4所示，第一电容网络C1和第二电容网络C2的结构相同，均设有m条并联支路，这m条并联支路的一端连接A点/B点，另一端连接差分放大器的输出端OUT，共包括有m个电容C0～Cm-1、m-1个开关SC1～SCm-1和m-1个开关SC1N～SCm-1N，这m个电容C0～Cm-1的参数可以根据实际情况进行设定，可以全部相同或各不相同，本发明不作限制；其中，第1条并联支路包括电容C0，第j条并联支路包括电容Cj、开关SCj和开关SCjN，j=1,2,…,m-1，其中，开关SCj的一端、开关SCjN的一端、电容Cj的一端相连接，开关SCj的另一端连接至A点/B点，开关SCjN的另一端接地、电容Cj的另一端连接至差分放大器的输出端OUT。
本发明还提供一种控制方法，用于控制前述带宽稳定的可配置增益差分放大器，通过寄存器写入各开关的控制位，包括对可变电阻网络的控制和对可变电容网络的控制，下面进行详细说明。
我们知道，放大器的增益*带宽=放大核心电路跨导/补偿电容，因此，通过修改反馈电阻比例提高增益时，由于放大核心电路跨导保持不变，可通过减小补偿电容维持带宽恒定。
图3示出的寄存器，包括控制位SA[1:n-1]和SC[1:n-1]，其中，SA[1:n-1]用于对可变电阻网络中的开关进行控制，SC[1:n-1]用于对可变电容网络中的开关进行控制。
在对可变电阻网络中的开关进行控制，从而调节电阻比例时，由于第一电阻网络和第二电阻网络中电阻串的配置相同，因此以第一电阻网络为例，控制方法举例如下：
例1：SA1保持闭合，此时RA1对应图1中的传统电阻R1，然后只需控制SA2至SAn-1的闭合与打开实现一个可配置电阻，以对应传统电阻R2，具体来说，当仅有一个开关闭合，而其它开关都打开时，该闭合开关与SA1之间的所有电阻被短路，此时该闭合开关与OUT之间的电阻对应传统电阻R2，例如，若SA2闭合，SA3至SAn-1全部打开，则电阻RA2被短路，不计入等效电阻R2，此时串联的电阻RA3～RAn对应传统电阻R2。若SA2至SAn-1全部保持打开状态，则电阻RA2接入电阻串，计入等效电阻R2，此时串联的电阻RA2～RAn对应传统电阻R2；其它开关效果一样。
例2：SAn-1保持闭合，此时RAn对应图1中的传统电阻R2，然后只需控制SA1至SAn-2的闭合与打开可实现一个可配置电阻，以对应传统电阻R1，具体来说，当仅有某一个开关闭合，而其它开关打开时，该闭合开关与SAn-1之间的所有电阻被短路，此时该闭合开关与INN之间的电阻对应传统电阻R1。例如，若SA2闭合，SA1、SA3至SAn-2全部打开，则电阻RA3至RAn-1被短路，不计入等效电阻R1，此时串联的电阻RA1～RA2对应传统电阻R1。而若SA1至SAn-2全部保持打开状态，则电阻RA1、RA2均接入电阻串，计入等效电阻R1，此时串联的电阻RA1～RAn-1对应传统电阻R1；其它开关效果一样。
如此便可配置比例电阻的比例，实现增益的可配置。
而增益带宽积的配置，需要配置放大核心电路的可变电容。根据前述公式：放大器的增益*带宽=放大核心电路跨导/补偿电容，核心电路跨导不变，想实现带宽的不变，那么放大器增益的变化因子a和补偿电容的变化因子b应为反比，即a=1/b。
需要调节电容时，配合图4所示，在第j条并联支路中，j=1,2,…,m-1，开关SCj和开关SCjN的控制信号相反，具体可通过连接一个反相器来实现；当寄存器控制信号SCj为高电平时，对应的开关SCj闭合，SCjN打开，电容Cj跨接在差分放大器输出端和A/B点之间，成为放大核心电路的米勒补偿电容；当寄存器控制信号SCj为低电平时，对应的开关SCj打开，SCjN闭合，电容Cj跨接在放大器输出端和地之间，成为差分放大器的负载电容。通常放大器具备较强的带容性负载能力，将不作为米勒补偿电容的电容变为放大器的负载基本不会产生影响。
综上，电阻RA[1:n-1]、RB[1:n-1]阻值的设置和电容C[1:m-1]容值大小的设置依据实际放大倍数和带宽进行合理设计即可。在芯片晶圆生产完成后，只需要通过修改寄存器数值即可实现稳定不变的带宽和可变的放大倍数，避免了传统手段通过重新流片生产来实现反馈电阻和补偿电容的修改而带来的生产成本和时间成本的增加。
以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。

Claims (3)

1.一种带宽稳定的可配置增益差分放大器，其特征在于：包括可变电阻网络、输入对管、Class-AB输出控制电路、Class-AB输出电路和可变电容网络，其中，可变电阻网络的输入端作为差分放大器的输入端，可变电阻网络的输出端通过输入对管连接至Class-AB输出控制电路，Class-AB输出控制电路连接至Class-AB输出电路，Class-AB输出电路的输出端作为差分放大器的输出端；所述可变电容网络连接在Class-AB输出控制电路的输出端与差分放大器的输出端之间；
所述可变电阻网络包括第一电阻网络和第二电阻网络；
第一电阻网络包括n个第一电阻和n-1个第一开关，n个第一电阻顺序串联后，其一端作为差分放大器的正输入端INN，另一端连接至差分放大器的输出端OUT；n-1个第一开关的一端分别对应连接在相邻的两个第一电阻之间，n-1个第一开关的另一端共同连接至输入对管的负输入端；
第二电阻网络包括n个第二电阻和n-1个第二开关，n个第二电阻顺序串联后，其一端作为差分放大器的负输入端INP，另一端连接至差分放大器的REF端口；n-1个第二开关的一端分别对应连接在相邻的两个第二电阻之间，n-1个第一开关的另一端共同连接至输入对管的正输入端；
所述第一电阻网络中的第x个第一电阻与第二电阻网络中的第x个第二电阻的参数相同，x=1,2,…,n；所述第一电阻网络中的第i个第一开关与第二电阻网络中的第i个第二开关的参数相同，i=1,2,…,n-1；
所述可变电容网络包括第一电容网络和第二电容网络；
第一电容网络包括1条第一并联支路和m-1条第二并联支路，所述1条第一并联支路的一端和m-1条第二并联支路的一端均连接至Class-AB输出电路的第一输出端，所述1条第一并联支路的另一端和m-1条第二并联支路的另一端均连接至差分放大器的输出端OUT；所述第一并联支路包括第一电容，第二并联支路包括第二电容、第三开关和第四开关，其中，第三开关的一端、第四开关的一端、第二电容的一端相连接，第三开关的另一端连接至Class-AB输出控制电路的第一输出端，第四开关的另一端接地，第二电容的另一端连接至差分放大器的输出端OUT；
第二电容网络包括1条第三并联支路和m-1条第四并联支路，所述1条第三并联支路的一端和m-1条第四并联支路的一端均连接至Class-AB输出电路的第二输出端，所述1条第三并联支路的另一端和m-1条第四并联支路的另一端均连接至差分放大器的输出端OUT；所述第三并联支路包括第三电容，第四并联支路包括第四电容、第五开关和第六开关，其中，第五开关的一端、第六开关的一端、第四电容的一端相连接，第五开关的另一端连接至Class-AB输出控制电路的第二输出端，第六开关的另一端接地，第四电容的另一端连接至差分放大器的输出端OUT；
所述第一电容网络中的第一电容与第二电容网络中的第三电容的参数相同；所述第一电容网络中的第y个第二电容与第二电容网络中的第y个第四电容的参数相同，y=1,2,…,m-1；所述第一电容网络中的第j个第三开关与第二电容网络中的第j个第五开关的参数相同，所述第一电容网络中的第j个第四开关与第二电容网络中的第j个第六开关的参数相同，j=1,2,…,m-1。
2.如权利要求1所述的带宽稳定的可配置增益差分放大器，其特征在于：所述输入对管采用N输入对管、P输入对管或N输入对管和P输入对管的组合结构。
3.一种控制方法，用于控制如权利要求1所述的带宽稳定的可配置增益差分放大器，其特征在于：向寄存器内写入控制位SA[1:n-1]和SC[1:m-1]，其中，控制位SA[1:n-1]对应第一电阻网络中的n-1个第一开关和第二电阻网络中的n-1个第二开关，控制位SC[1:m-1]对应第一电容网络中的m-1个第三开关和第二电容网络中的m-1个第五开关，且所述寄存器的控制位SC[1:m-1]还通过反相器对应第一电容网络中的m-1个第四开关和第二电容网络中的m-1个第六开关；
通过控制位SA[1:n-1]调节放大器增益的变化因子为a，通过控制位SC[1:m-1]调节补偿电容的变化因子b，并使得a=1/b。
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