CN117879512A - 一种宽带跨阻放大电路及带宽拓展方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种宽带跨阻放大电路及带宽拓展方法，属于集成电路领域。其中跨阻放大电路包括输入负容抗全差分放大器、差分转单端电路以及两个电阻反馈回路；所述的输入负容抗全差分放大器第一输出端、第二输出端与所述的差分转单端电路第一输入端、第二输入端连接；所述的电阻反馈回路分别跨接在输入负容抗全差分放大器的第一输入端、第二输出端和第二输入端、第一输出端；与现有技术相比，本发明对于薄膜晶体管，提供了有效的晶体管负载电阻及跨阻放大器的实现方法，且可通过输入可调电容等效的负电容实现带宽拓展，电路结构简单易实现。
Description
技术领域
本发明涉及集成电路领域，尤其涉及一种宽带跨阻放大电路及带宽拓展方法。
背景技术
跨阻放大电路作为读取和转换电流和电压信号的桥梁，在电子系统中必不可少。尤其是在新兴的如生物电信号传感、生物分子信号(由DNA或蛋白质产生)获取、生物光电探测、pH传感等可穿戴电子领域，以及图像传感、显示控制、机械应变检测、压力的空间分布等智能工业领域具有广阔应用空间。
跨阻放大电路的关键性能是保持输入阻抗尽可能低，以最小化输入电压摆幅以实现高线性性能，并最小化输入电容对宽带应用的影响。现有的跨阻放大结构可分为两类：运算放大器反馈型跨阻放大电路及单支路跨阻放大电路。运算放大器反馈型跨阻放大结构，依赖于运算放大器的性能，需要设计高性能的运算放大器，在高增益和宽带宽实现方面存在设计难度，并且还带来设计复杂度高的问题。另一方面，单支路跨阻放大结构可以最小化对输入信号幅度的影响。但这种结构要求支路内信号处理晶体管具有较高的固有增益，以减轻通道电阻引起的隔离度下降，这在实现上也存在难度，尤其是在低成本应用中。
发明内容
为至少一定程度上解决现有技术中存在的技术问题之一，本发明的目的在于提供一种宽带跨阻放大电路及带宽拓展方法。
本发明所采用的技术方案是：
一种宽带跨阻放大电路，其特征在于，由晶体管构成，包括输入负容抗全差分放大器、差分转单端电路以及两个电阻反馈回路；
所述输入负容抗全差分放大器包括栅极自举全差分运算放大电路、两个可调负容阻抗、两个电路结构相同且对称的共源共栅极放大电路；
所述栅极自举全差分运算放大电路用于为宽带跨阻放大电路的输入端产生负电容；
第一个所述共源共栅极放大电路的输入端作为宽带跨阻放大电路的第一输入端，其输出端作为输入负容抗全差分放大器的第一输出端，连接至差分转单端电路的第一输入端；
第二个所述共源共栅极放大电路的输入端作为宽带跨阻放大电路的第二输入端，其输出端作为输入负容抗全差分放大器的第二输出端，连接至差分转单端电路的第二输入端；
两个电阻反馈回路的两极，分别连接至两个共源共栅极放大电路的输入端和输出端；
两个可调负容阻抗，分别连接在两个共源共栅极放大电路中，共源晶体管的栅极和共栅晶体管的栅极之间，等效为在整个宽带跨阻放大器的信号输入端的等效电容器；所述可调负容阻抗上设有负容值调整端口。
进一步地，第一个可调负容阻抗包括串联的第一电容器和第二电容器，所述第一电容器和第二电容器之间的连接点作为负容值调整端口；
第二个可调负容阻抗包括串联的第三电容器和第四电容器，所述第三电容器和第四电容器之间的连接点作为负容值调整端口。
进一步地，电容器采用晶体管来实现，其中，晶体管的源极和漏极短接，作为电容器的一端，晶体管的栅极作为电容器的另一端。
进一步地，所述共源共栅极放大电路包括共源晶体管、共栅晶体管和负载晶体管；
其中，所述共源晶体管的栅极作为共源共栅极放大电路的输入端，共源晶体管的漏极与所述共栅晶体管的源极连接；
共栅晶体管的漏极作为共源共栅极放大电路的输出端，且与负载晶体管连接。
进一步地，所述差分转单端电路包括第一晶体管、第二晶体管；
所述第一晶体管的栅极作为差分转单端电路的第一输入端，所述第二晶体管的栅极作为差分转单端电路的第二输入端；所述第一晶体管的源极与第二晶体管漏极连接，且连接点作为差分转单端电路的输出端。
进一步地，所述电阻反馈回路包括第三晶体管、第四晶体管和第五晶体管；
所述第三晶体管的漏极和源极作为电阻反馈回路的两极，其栅极连接第五晶体管的源极；
第四晶体管的源极和漏极短接，且与第三晶体管的栅极连接，第四晶体管的栅极连接第三晶体管的源极；
第五晶体管的栅极和漏极短接，其中，对于n沟道器件短接到电源，对于p沟道器件短接到地。
进一步地，所述的栅极自举全差分运算放大电路包括电路结构对称的第一侧和第二侧，其中第一侧包括第六晶体管、第七体管、第八晶体管；
所述第六晶体管的栅极作为栅极自举全差分运算放大电路的输入端，其源极与第七晶体管的漏极连接，其漏极作为栅极自举全差分运算放大电路的输出端；
所述第七晶体管的栅极连接至第六晶体管的漏极；
所述第八晶体管的栅极和源极短接，且连接至第六晶体管的漏极；
其中，第一侧中的第六晶体管的源极和第二侧中的第六晶体管的源极短接；第一侧中的输入端与第一个共源共栅极放大电路中共源晶体管的栅极连接，第一侧中的输出端与第二个共源共栅极放大电路中共源晶体管的栅极连接；第二侧中的输入端与第二个共源共栅极放大电路中共栅晶体管的栅极连接，第二侧中的输出端与第一个共源共栅极放大电路中共栅晶体管的栅极连接。
进一步地，所述宽带跨阻放大电路中的晶体管为N型晶体管或者P型晶体管。
进一步地，所述宽带跨阻放大电路采用以下其中一种工艺来实现：硅基工艺、N型金属氧化物薄膜晶体管工艺、非晶硅或多晶硅薄膜晶体管工艺、P型有机薄膜晶体管工艺、CMOS互补金属氧化物半导体工艺、碳纳米管工艺。
本发明所采用的另一技术方案是：
一种应用如上所述的跨阻放大电路的带宽拓展方法，包括如下步骤：
S1：对于与跨阻放大电路的输入端对接的前级信号源或前级电路，进行输出阻抗测量计算，得到容抗值；
S2：在跨阻放大电路总的输入端与最后一级的输入端之间构建自举运算放大器；
S3：在自举运算放大器的同相输入和输出端跨接电容或晶体管电容，根据密勒效应，使其在跨阻放大器的输入端构建负容性等效阻抗；
S4：对于不同的前级输入电容，通过调节步骤S3中跨接电容的容值或跨接晶体管电容的栅极电位，以使跨阻放大器的输入端产生的负容性等效阻抗抵消原电容，从而实现带宽拓展。
本发明的有益效果是：本发明仅需通过改变电压就能调节输入电容以拓展带宽，实现简单，同时根据前级输入电容不同具有较宽的调节范围。另外，栅极自举运算放大电路既提供了负容输入的实现方式，也提高整个跨阻运算放大器的增益，有效提高了电路的复用性。采用薄膜晶体管做电阻反馈回路有效提高了跨阻增益，使之能应用范围前文所述的场景当中。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或者现有技术中的技术方案，下面对本发明实施例或者现有技术中的相关技术方案附图作以下介绍，应当理解的是，下面介绍中的附图仅仅为了方便清晰表述本发明的技术方案中的部分实施例，对于本领域的技术人员而言，在无需付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获取到其他附图。
图1为本申请一个实施例提供的宽带跨阻放大电路的结构示意图；
图2为本申请一个实施例提供的宽带跨阻放大电路中第一级的输入负容抗全差分放大器的结构示意图；
图3为本申请一个实施例提供的输入负容抗全差分放大器等效的可调负容阻抗的结构示意图；
图4为本申请一个实施例提供的宽带跨阻放大电路的差分转单端电路的电路结构示意图；
图5为本申请一个实施例提供的宽带跨阻放大电路的电阻反馈回路的电路结构示意图；
图6为本申请一个实施例提供的宽带跨阻放大电路的栅极自举全差分运算放大电路的结构示意图；
图7为本申请一个实施例提供的宽带跨阻放大电路的输入负容抗全差分放大器的可调负容阻抗的第一电容器和第二电容器的结构示意图；其中第三电容器和第四电容器结构相同与之相同，四个电容器等效为输入端的可调电容器；
图8为本申请一个实施例提供的调节输入电容以拓展带宽的方法的流程示意图；
图9为本申请一个实施例提供的宽带跨阻放大电路使用本申请一个实施例提供的调节输入电容以拓展带宽方法前后获得的增益随频率变化曲线对比图；
图10为本申请一个实施例提供的宽带跨阻放大电路的完整晶体管级电路结构示意图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。对于以下实施例中的步骤编号，其仅为了便于阐述说明而设置，对步骤之间的顺序不做任何限定，实施例中的各步骤的执行顺序均可根据本领域技术人员的理解来进行适应性调整。
在本发明的描述中，需要理解的是，涉及到方位描述，例如上、下、前、后、左、右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。
在本发明的描述中，若干的含义是一个或者多个，多个的含义是两个以上，大于、小于、超过等理解为不包括本数，以上、以下、以内等理解为包括本数。如果有描述到第一、第二只是用于区分技术特征为目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量或者隐含指明所指示的技术特征的先后关系。
此外，在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”是指两个或两个以上。“和/或”，描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。字符“/”一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。
本发明的描述中，除非另有明确的限定，设置、安装、连接等词语应做广义理解，所属技术领域技术人员可以结合技术方案的具体内容合理确定上述词语在本发明中的具体含义。
如图1所示，本实施例提供一种宽带跨阻放大电路，包括第一级的输入负容抗全差分放大器1、第二级的差分转单端电路2，以及电阻反馈回路3；
输入负容抗全差分放大器1的输出端与差分转单端电路2的输入端连接，电阻反馈回路3跨接在输入负容抗全差分放大器1两端，端口14为负容值调整端口。跨阻放大器为基于运放的电阻反馈结构，电阻反馈回路3提供输入负容抗全差分放大器1所需偏置，电流信号经电阻反馈回路3产生跨阻增益，最后通过差分转单端电路2将差分电压信号转为单端输出。
以下结合附图2-10进行详细的解释说明，其中图10为本申请一个实施例提供的宽带跨阻放大电路的完整晶体管级电路结构示意图，其为整个宽带跨阻放大电路的完整晶体管级电路实现。
参见图2，图2为本申请一个实施例提供的宽带跨阻放大电路的输入负容抗全差分放大器1的结构示意图；输入负容抗全差分放大器1包括可调负容阻抗11、共源共栅极放大电路12和栅极自举全差分运算放大电路13。
可调负容阻抗11是从共源共栅放大电路12第一输入端和第二输入端与栅极自举全差分运算放大电路13第一输入端和第二输入端口看进去的等效阻抗，栅极自举全差分运算放大电路13的第一输出端和第二输出端连接共源共栅放大电路12的第三输入端和第四输入端；等效负容性阻抗由端栅极自举全差分运算放大电路13及其电阻反馈回路电容器实现。
参见图3，图3为本申请一个实施例提供的宽带跨阻放大电路的输入负容抗全差分放大器1等效的可调负容阻抗11的结构示意图；包括第一电容器111，第二电容器112，第三电容器113，第四电容器114和容值调节端口14；第一电容器111与第二电容器112串联，第三电容器113与第四电容器114串联，改变容值调节端口14的电位，即可调节输入等效电容。
参见图4和图10，图4为本申请一个实施例提供的宽带跨阻放大电路的差分转单端电路2的电路结构示意图，包括薄膜晶体管21(即第一晶体管)，薄膜晶体管22(即第二晶体管)以及电源和地端口。对于n沟道薄膜晶体管，图4最上方为电源端口，最下方为地端口，薄膜晶体管21栅极为同相输入端，薄膜晶体管22栅极为反相输入端；p沟道薄膜晶体管反之；薄膜晶体管21和薄膜晶体管22实现差分电压信号的求和运算并转换为单端信号。
参见图5和图10，图5为本申请一个实施例提供的宽带跨阻放大电路的电阻反馈回路3的电路结构示意图，包括薄膜晶体管31(即第三晶体管)，薄膜晶体管32(即第四晶体管)，薄膜晶体管33(即第五晶体管)和电源或地端口。为使薄膜晶体管31工作在线性区，对于n沟道薄膜晶体管，端口为电源端口；p沟道薄膜晶体管反之；薄膜晶体管33为薄膜晶体管31栅极提供偏置，薄膜晶体管32提供一定的小信号反馈，以增强薄膜晶体管反馈电阻的线性度。
参见图6和图10，图6为本申请一个实施例提供的宽带跨阻放大电路的栅极自举全差分运算放大电路13的结构示意图，包括薄膜晶体管131(即第六晶体管)，薄膜晶体管132，薄膜晶体管133(即第七晶体管)，薄膜晶体管134，薄膜晶体管135(即第八晶体管)，薄膜晶体管136以及电源和地端口。对于n沟道薄膜晶体管，图6最上方为电源端口，最下方为地端口；p沟道薄膜晶体管反之；薄膜晶体管131和薄膜晶体管132为输入管，薄膜晶体管133和薄膜晶体管134为电流源管，其偏置电压由栅极自举全差分运算放大电路13输出端自给，薄膜晶体管135和薄膜晶体管136为二极管接法的负载管。
参见图7和图10，图7为本申请一个实施例提供的宽带跨阻放大电路的输入负容抗全差分放大器的可调负容阻抗的第一电容器111和第二电容器112的结构示意图，第三电容器113和第四电容器114结构相同与之相同，四个电容器等效为输入端的可调电容器；薄膜晶体管电容与其栅极电压相关，改变端口14的电位即为改变薄膜晶体管电容器栅极电压，以实现调节容值效果。
参见图8，基于上述的宽带跨阻放大电路，本实施例还提供一种通过调节输入电容以拓展带宽的方法，具体包括以下步骤：
S1：对与跨阻放大电路输入端对接的前级信号源或前级电路，进行输出阻抗测量计算，得到包含的容抗值。
S2：对于具有两级或两级以上的多级跨阻放大电路，在跨阻放大电路总的输入端与最后一级的输入端之间构建自举运算放大器(即栅极自举全差分运算放大电路13)。
S3：在自举运算放大器同相输入和输出端跨接晶体管电容器，根据密勒效应，可以使其在跨阻放大器输入端等效阻抗为负容性，设跨接在自举运算放大器同相输入和输出端跨接晶体管电容器的容值为C，那么如果全差分运算放大电路的增益为A，则晶体管电容器在放大器输入端的密勒等效电容Ceq为：
Ceq＝(1-A)C
S4：对于不同的前级输入电容，可以通过调节步骤S3中跨接电容的容值或跨接晶体管电容的栅极电位，使跨阻放大器的输入端产生的负容性等效阻抗抵消原电容，从而实现带宽拓展。设来自前级信号源或电路的容值为Cin，则有效的输入电容Ceff有如下表示：
Ceff＝Cin-(A-1)C
可见，调节晶体管电容器的大小，可以抵消来自于前级的输入电容，以拓展带宽。从频率特性上看，设自举运算放大器的输出阻抗为Rb，则有使用该方法后会得到一个零点和一个频率高于零点的极点，其中，零点的角频率ωz表示为：
极点的角频率ωp表示为：
由于负容的存在，Ceff＜Cin，因此有ωz＜ωp，这个结果在图9更加直观。
其中，栅极自举运算放大电路既提供等效的可调负容阻抗，也增加了共源共栅放大电路的开环增益，该复用一定程度上可以节约额外功耗。
参见图9，图9为本申请一个实施例提供的宽带跨阻放大电路使用本申请一个实施例提供的调节输入电容以拓展带宽方法前后获得的增益随频率变化曲线对比。虚线为使用频率拓展方法后的跨阻放大器频率响应曲线，可以看出其使带宽有所拓展，并且在带外增益有更陡峭的下降，一定程度上增强了该跨阻放大器的选择性和抑制带外干扰的能力。
综上所述，在本申请实施例中，仅需通过改变电压就能调节输入电容以拓展带宽，该方法实现简单，同时根据前级输入电容不同具有较宽的调节范围。栅极自举运算放大电路既提供了负容输入的实现方式，也提高整个跨阻运算放大器的增益，有效提高了电路的复用性。采用薄膜晶体管做电阻反馈回路有效提高了跨阻增益，使之能应用范围前文所述的场景当中。
在本说明书的上述描述中，参考术语“一个实施方式/实施例”、“另一实施方式/实施例”或“某些实施方式/实施例”等的描述意指结合实施方式或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施方式或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施方式或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施方式或示例中以合适的方式结合。
尽管已经示出和描述了本发明的实施方式，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施方式进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。
以上是对本发明的较佳实施进行了具体说明，但本发明并不限于上述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可做作出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。
Claims (10)
1.一种宽带跨阻放大电路，其特征在于，包括输入负容抗全差分放大器、差分转单端电路以及两个电阻反馈回路；
所述输入负容抗全差分放大器包括栅极自举全差分运算放大电路、两个可调负容阻抗、两个电路结构相同且对称的共源共栅极放大电路；
所述栅极自举全差分运算放大电路用于为宽带跨阻放大电路的输入端产生负电容；
第一个所述共源共栅极放大电路的输入端作为宽带跨阻放大电路的第一输入端，其输出端作为输入负容抗全差分放大器的第一输出端，连接至差分转单端电路的第一输入端；
第二个所述共源共栅极放大电路的输入端作为宽带跨阻放大电路的第二输入端，其输出端作为输入负容抗全差分放大器的第二输出端，连接至差分转单端电路的第二输入端；
差分转单端电路的输出端作为宽带跨阻放大电路的输出端；
两个电阻反馈回路的两极，分别连接至两个共源共栅极放大电路的输入端和输出端；
两个可调负容阻抗，分别连接在两个共源共栅极放大电路中，共源晶体管的栅极和共栅晶体管的栅极之间，等效为在整个宽带跨阻放大器的信号输入端的等效电容器；所述可调负容阻抗上设有负容值调整端口。
2.根据权利要求1所述的一种宽带跨阻放大电路，其特征在于，第一个可调负容阻抗包括串联的第一电容器和第二电容器，所述第一电容器和第二电容器之间的连接点作为负容值调整端口；
第二个可调负容阻抗包括串联的第三电容器和第四电容器，所述第三电容器和第四电容器之间的连接点作为负容值调整端口。
3.根据权利要求2所述的一种宽带跨阻放大电路，其特征在于，电容器采用晶体管来实现，其中，晶体管的源极和漏极短接，作为电容器的一端，晶体管的栅极作为电容器的另一端。
4.根据权利要求1所述的一种宽带跨阻放大电路，其特征在于，所述共源共栅极放大电路包括共源晶体管、共栅晶体管和负载晶体管；
其中，所述共源晶体管的栅极作为共源共栅极放大电路的输入端，共源晶体管的漏极与所述共栅晶体管的源极连接；
共栅晶体管的漏极作为共源共栅极放大电路的输出端，且与负载晶体管连接。
5.根据权利要求1所述的一种宽带跨阻放大电路，其特征在于，所述差分转单端电路包括第一晶体管、第二晶体管；
所述第一晶体管的栅极作为差分转单端电路的第一输入端，所述第二晶体管的栅极作为差分转单端电路的第二输入端；所述第一晶体管的源极与第二晶体管漏极连接，且连接点作为差分转单端电路的输出端。
6.根据权利要求1所述的一种宽带跨阻放大电路，其特征在于，所述电阻反馈回路包括第三晶体管、第四晶体管和第五晶体管；
所述第三晶体管的漏极和源极作为电阻反馈回路的两极，其栅极连接第五晶体管的源极；
第四晶体管的源极和漏极短接，且与第三晶体管的栅极连接，第四晶体管的栅极连接第三晶体管的源极；
第五晶体管的栅极和漏极短接，其中，对于n沟道器件短接到电源，对于p沟道器件短接到地。
7.根据权利要求1所述的一种宽带跨阻放大电路，其特征在于，所述的栅极自举全差分运算放大电路包括电路结构对称的第一侧和第二侧，其中第一侧包括第六晶体管、第七体管、第八晶体管；
所述第六晶体管的栅极作为栅极自举全差分运算放大电路的输入端，其源极与第七晶体管的漏极连接，其漏极作为栅极自举全差分运算放大电路的输出端；
所述第七晶体管的栅极连接至第六晶体管的漏极；
所述第八晶体管的栅极和源极短接，且连接至第六晶体管的漏极；
其中，第一侧中的第六晶体管的源极和第二侧中的第六晶体管的源极短接；第一侧中的输入端与第一个共源共栅极放大电路中共源晶体管的栅极连接，第一侧中的输出端与第二个共源共栅极放大电路中共源晶体管的栅极连接；第二侧中的输入端与第二个共源共栅极放大电路中共栅晶体管的栅极连接，第二侧中的输出端与第一个共源共栅极放大电路中共栅晶体管的栅极连接。
8.根据权利要求1-7任一项所述的一种宽带跨阻放大电路，其特征在于，所述宽带跨阻放大电路中的晶体管为N型晶体管或者P型晶体管。
9.根据权利要求1-7任一项所述的一种宽带跨阻放大电路，其特征在于，所述宽带跨阻放大电路采用以下其中一种工艺来实现：硅基工艺、N型金属氧化物薄膜晶体管工艺、非晶硅或多晶硅薄膜晶体管工艺、P型有机薄膜晶体管工艺、CMOS互补金属氧化物半导体工艺、碳纳米管工艺。
10.一种应用如权利要求1-9任意一项所述的跨阻放大电路的带宽拓展方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1：对于与跨阻放大电路的输入端对接的前级信号源或前级电路，进行输出阻抗测量计算，得到容抗值；
S2：在跨阻放大电路总的输入端与最后一级的输入端之间构建自举运算放大器；
S3：在自举运算放大器的同相输入和输出端跨接电容或晶体管电容，根据密勒效应，使其在跨阻放大器的输入端构建负容性等效阻抗；
S4：对于不同的前级输入电容，通过调节步骤S3中跨接电容的容值或跨接晶体管电容的栅极电位，以使跨阻放大器的输入端产生的负容性等效阻抗抵消原电容，从而实现带宽拓展。
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