CN1176528A - 互阻抗函数的产生方法及集成电路 - Google Patents

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Abstract

一种产生频率经补偿的输出信号的方法及集成电路(10),集成电路(10)包括一个经由电容(13)和补偿二极管(12)与互导放大器(14)相接的输入级(14)。补偿二极管(12)提供的阻抗与互导放大器(14)的输出阻抗抵消。集成电路(10)的输出信号由电容(13)决定。

Description

互阻抗函数的产生方法及集成电路
本发明一般涉及集成电路,尤其涉及频率补偿集成电路。
集成电路放大器大量使用于线性及非线性电路应用中,例如,用于积分电路,微分电路,求和电路,差分电路,阻抗变换电路,整流电路,峰值检测电路等。通常,人们希望这些电路在很宽的频带内都有大的增益并能保持稳定,即有大带宽。
集成电路放大器一般包括一个输入端和一个输出端。通过把输出端经由一个补偿电容后耦合到输入端,可以实现这种电路的频率补偿。补偿电容在输出响应中引入了一个主低频极点,从而使增益滚降斜率达到每10倍频20分贝(20dB/DEC)然而,放大器会在高频上产生一个非零输出响应,抵消了极点的滚降效果。因此,假如放大器电路的增益在相位角变为180度前不能到达1,放大器电路将变得不稳定,产生振荡。另外,在高频上,即在那些补偿电容的阻抗小于输出晶体管的电阻的频率上,输出信号可能会变为非反相(non-inverted),从而限制了集成电路放大器在高频上的使用。
因此,提供一种能在高频时产生稳定反相的输出信号的方法和电路将是有利的。
图1是根据本发明第一实施例的集成电路的一种实例的原理图;
图2是根据本发明第一实施例的集成电路的另一种实例的原理图;以及
图3是根据本发明第二实施例的集成电路的原理图。
本发明一般提供了一种产生频率补偿的输出信号的方法及集成电路。这种集成电路包括一个补偿二极管,一个互导放大器和一个电容。补偿二极管提供的阻抗用来抵消互导放大器的阻抗,从而使输出信号只是电容的函数。根据本发明的一种方法产生一个互阻抗函数。更具体地说,互导放大器有一个互导值,一个反相输入端和一个输出端。另外,提供了第一和第二阻抗,其中信号电流流过第一阻抗并在第一阻抗两端产生一个电压以及信号电流流过第二阻抗并在第二阻抗两端产生一个电压。第二阻抗的值是互导放大器互导值倒数的函数。第一和第二阻抗两端的电压与互导放大器的反相输入端的电压相加,产生一个和电压。该电压是第一阻抗和输入电流的函数。
图1是根据本发明第一实施例的集成电路10的一种实例的原理图。集成电路10包括一个互导放大器11,一个补偿二极管12,一个电容13和一个偏置级14。举例来说,互导放大器11可由一个NPN双极晶体管15组成,其中晶体管15的基极端用作放大器11的控制电极,晶体管15的集电极和发射极端用作放大器11的电流承载电极。晶体管15的发射极用于接诸如地电位等的一个电源电压或工作电位的一极。晶体管15的基极端与补偿二极管12的阴极相接。补偿二极管12的阳极经由电容13与晶体管15的集电极端相接。换句话说,电容13的第一端与补偿二极管12的阳极相接,电容13的第二端与晶体管15的集电极相接。作为例子,补偿二极管是一个连接成二极管的晶体管。
输入级14包括电流源16,17和18。电流源16的第一端与补偿二极管12的阴极相接,电流源16的第二端与诸如地电位的一个电源电压相接,电流源16吸收集成电路10的电流,所以又被称作电流吸收器。电流源(或电流吸收器)16保证了补偿二极管12在正向导通模式下工作。电流源17的第一端共同接于补偿二极管12的阳极及电容13的第一端。电流源17的第二端接到诸如Vcc等的一个电源电压或工作电位的一极。电流源18的第一端共同接到电容13的第二端及晶体管15的集电极端。电流源18的第二端接到诸如Vcc等的一个电源电压。由晶体管15的集电极端、电容13的第二端和电流源18的第一端的公共连接点形成的节点19用作输出信号V010的输出节点或输出端。偏置级14的一种合适的电路结构可以是一个电流源和一个两晶体管电流镜。这样就有效地消除了晶体管15的基极电流并且当晶体管15的平均直流(dc)电流是电流镜晶体管的两倍时提高平衡。
工作时,偏置级14分别通过电流源16,17和18提供偏置或移交电流I16,I17和I18。另外,电流源16和17相配合分别提供小信号差电流“id16”和“id17”。偏置电流I16和I17的值最好相等,并且偏置电流I18的值最好是偏置电流I16和I17的值的两部。因此,晶体管15的发射极电阻是连接成二极管的晶体等12的发射极电阻的一半。应该注意的是小信号电流“id16”和“id17”是流入节点33的差电流,节点33是交流(ac)或虚地。这样,电容13就用来接收电流id16和id17相加后的差电流。根据本发明的第一实施例,电流id16和id17的值相等并且通常用字母“ i”表示。用记号“i”来表示电流id16和id17,则流过电容13的电流的值为“2*i”,流过补偿二极管12的电流的值为“i”。因此,集成电路10的传输函数如等式1所示:
V010=ΔVbe15+ΔVbe12-(2*i/S*C13)    等式1
其中
V010是集成电路10的输出电压;
ΔVbe15是晶体管15的基极一发射极电压的小信号变化;
ΔVbe12是二极管12上的小信号电压变化;
2*i是小信号电流;S是表示一个复频率的复数;以及
C13是电容13的电容值。
等式1可以重写成等式2:
V010=2*1*rei5-i*re12-2*i/S*C13    等式2
其中:
re15是晶体管15的发射极电阻;
re12是连接成二极管的晶体管12的发射极电阻。
因为晶体管15的发射极电阻是连接成二极管的晶体管12的发射极电阻的一半,等式2可以被改写成等式3:
V010=-2*1/S*C13    等式3
这样,补偿二极管12就提供了一个抵消晶体管15的发射极电阻的阻抗。更具体地说,对晶体管11和补偿二极管12的偏置应使得补偿二极管的阻抗和晶体管15的发射极电阻在与流过它们的小信号电流相结合后互相抵消。因此,输出信号仅是电容13的函数。应该注意的是集成电路10的输出信号是反相的,并且其增益滚降斜率为20dB/DEC。这样,集成电路10就适于在反馈应用中使用。
虽然所示的反馈元件13是一个电容,应该注意的是这不是对本发明的限制。反馈元件13可以是诸如电阻,电阻和电容的串联组合等负载阻抗。反馈元件13的阻抗最好不大于互导放大器14的小信号电阻的大约10倍。
图2是根据本发明第一实施例的集成电路20的另一实例的原理图。应该理解的是在图中使用了相同的标号来表示相同的元件。集成电路20与图1中的集成电路10相似,除了用一个场效应晶体管21来作为互导放大器14以及二极管23优选用一个连接成二极管的场效应晶体管来形成外。这样,场效应晶体管21的栅极用作互导放大器14的控制极,源和漏用作电流导通电极。晶体管21的漏也经由电容13与补偿二极管23的阳极相接。电容13的第二端、晶体管21的漏和电流源18的第一端的公共节点22用作输出信号V020的输出节点或输出端。集成电路20的传输函数如等式4所示:
V020=ΔCds21+ΔVds23-(2*i/S*C13)    等式4
其中:
V020是集成电路20的输出电压;
ΔVds21是晶体管21的漏一源电压的小信号电压变化;
ΔVds23是二极管23的电压的小信号电压变化;
2*i是小信号电流;
S是一个表示复数频率的复数;以及
C13是电容13的电容值。
等式4可以被改写为等式5:
V020=2*i*rd21-i*rd23-2*r/S*C13    等式5
其中:
rd21是晶体管21的发射极电阻;以及
rd23是连接成二极管的晶体管23的发射极电阻。
因为晶体管21的漏一源电阻是连接成二极管的晶体管的漏-源电阻的一半,等式5可以写为等式6:
V020=-2*i/S*C13    等式6
应该注意的是与集成电路10相似,集成电路20的输出是反相的,且增益滚降斜率为20dB/DEC。
图3是根据本发明第二实施例的集成电路30的原理图。集成电路30包括一个互导放大器11,一个电容13,一个补偿二极管32和一个偏置级14。应该理解的是在图中使用了相同的标号来表示相同的元件。举例说来,互导放大器11可由一个NPN双极晶体管15组成,其中晶体管15的基极端用作互导放大器11的控制极,晶体管15的集电极和发射极端用作互导放大器11的电流承载电极。晶体管15的发射极与诸如地电位等的一个电源电压相接。晶体管15的基极端与电容13的第一端相接。电容13的第二端经由二极管32与晶体管15的集电极端相接。换句话说,电容器13的第一端与晶体管15的基极相接,电容13的第二端与补偿二极管32的阳极相接。
输入级14包括电流源16,17和18。电流源16的第一端与晶体管15的基极端相接,电流源16的第二端与诸如地电位等的一个电源电压或工作电位的一极相接。电流源17的第一端共同与电容13的第一端和晶体管15的基极端相接。电流源17的第二端与诸如Vcc等的一个电源电压或工作电位的一极相接。电流源18的第一端共同接到电容13的第二端和连接成二级管的晶体管32的阳极相接。电流源18的第二端与诸如Vcc等的电源电压相接。由晶体管15的集电极端和补偿二极管32的阳极端连接形成的节点34用作输出信号V030的输出节点或输出端。
工作时,偏置级14分别通过电流源16,17和18提供偏置或静态电流I16,I17和I18。另外,电流源16和17相配合分别提供小信号差电流“ id16”和“id17”。偏置电流I16和I17的值最好相等。相应地,连接成二极管的晶体管32和晶体管15的发射极电阻相等。应该注意的是小信号电流“id16”和“ id17”是流入节点35的差电流,节点35是一个交流(ac)或虚地。这样,流过电容13的电流是电流id16和id17的和。根据本发明的第二实施例,电流id16和id17的值相等,因此这两个电流值被指定为“i”。用记号“i”来表示电流id16和idi7,则流过电容13的电流值为“2*1”,流过补偿二极管的电流值也为“2*i”,因此,集成电路10的传输函数由等式7给出:
V030=ΔVbe15-ΔVbe32-(2*i/S*C13)    等式7
其中:
V030是集成电路30的输出电压;
ΔVbe14是晶体管15的基极-发射极电压的小信号变化;
ΔVbe32是二极管32的电压的小信号变化;
2*I是小信号电流;
S是一个表示复数频率的复数;以及
C13是电容13的电容值。
等式7可以重写为等式8:
V030=2*i*re15-2*i*re32-2Ai/S*C13    等式8
因为晶体管15的发射极电阻等于连接成二极管的晶体管32的发射极电阻,等式8可以写为等式9
V030=2*1/S*C13    等式9
这样,补偿二极管32提供的阻抗抵消了晶体管34的发射极电阻。更具体地说,晶体管34和补偿二极管32的偏置应使得补偿二极管32的阻抗和晶体管34的发射极电阻在与流过它们的小信号电流组合互相抵消。因此,输出信号仅是电容13的函数。应该注意的是集成电路30的输出信号是反相的,其增益滚降斜率为20dB/DEC。因而,集成电路30适于在反馈应用中使用。
显示示出的反馈元件是一个电容器,应该注意的是这并不是对本发明的限制。反馈元件可以是诸如电阻,电阻和电容的串联组合等负载阻抗。
至此,应该说已经提供了一种用于提供频率已补偿的输出信号的集成电路和方法。这种集成电路适用于积分器,运算放大器等。本发明的一个优点是提高了集成电路应用中的积分范围及提高了放大器应用中的频率范围。

Claims (10)

1.一种集成电路(10),其特征在于包括:
有一个控制极、一个第一电流承载电极和一个第二电流承载电极的互导放大器(11),其中第一电流承载电极连接用于接收一个偏置电流,第二电流承载电极连接用于接收工作电位的第一极;
有一个第一端和一个第二端的负载阻抗(13),其第一端连接用于接收一个差电流,第二端与互导放大器(11)的第一电流承载电极相接,该第二端用作集成电路(10)的输出;
有第一及第二端的二极管(12),其第一端与负载阻抗(13)的第一端相接,第二端与互导放大器(11)的控制极相接;
与二极管(12)的第一端相接的电流源(17);以及
与二极管(12)的第二端相接的电流吸收器(16),使二极管(12)偏置在正向导通工作模式下。
2.如权利要求1的集成电路(10),其中互导放大器(11)是一个晶体管(15)。
3.权利要求1或2的集成电路(10),其中晶体管是一个双极晶体管。
4.权利要求1或2的集成电路(10),其中晶体管(11)是一个场效应晶体管。
5.权利要求1,2,3或4的集成电路(10),其中负载阻抗(13)是一个电容。
6.权利要求1的集成电路(10),进一步包括一个为负载阻抗(13)的第一端提供差电流的偏置级(14)。
7.一种集成电路(30),其特征在于包括:
有一个控制极,一个第一电流承载极和一个第二电流承载极的互导放大器(11),其中第一电流承载极连接用于接收工作电位的第一极;
有第一和第二端的二极管,其中第一端连接用于接收一个偏置电流,第二端与互导放大器(11)的第二电流承载极相接;以及
有一个第一端和一个第二端的负载阻抗(13),其中第一端与互导放大器(11)的控制电极相接,用于接收一个差电流,第二端与二极管(32)的第一端相接。
8.一种互阻抗函数的产生方法,其特征在于包括步骤:
提供一个有一个互导值,一个反相输入和一个输出端的互导放大器(11);
在互导放大器(11)的输出端和相反输入之间提供一个第一阻抗(13),其中信号电流流过第一阻抗(13)并在第一阻抗(13)两端产生一个电压;
提供一个第二阻抗(12),其值是互导放大器(11)的互导值的倒数的函数,其中信号电流流过第二阻抗(12)并在第二阻抗(12)两端产生一个电压;以及
把第一(13)和第二(12)阻抗两端的电压与出现在互导放大器(11)的反相输入端的电压相加,产生一个电压,该电压是第一阻抗(13)和输入电流的函数。
9.权利要求8的方法,其中提供第一阻抗(13)的步骤包括提供一个电容器。
10.权利要求8或9的方法,其中提供第二阻抗(12)的步骤包括提供一个二极管。
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