CN201682459U - 基于cmos精确电压放大器的对数放大器 - Google Patents

基于cmos精确电压放大器的对数放大器 Download PDF

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Abstract

本实用新型涉及一种基于CMOS精确电压放大器的对数放大器。一种基于CMOS精确电压放大器的对数放大器，由CMOS跨导电路和负载电路并联而成，所述CMOS跨导电路包括输入差分对M1和M2，电流源M3、M4和M7、M8，以及与M1、M2构成负反馈回路的M5、M6，所述负载电路由M9、M10和连接在M9和M10栅极上的R2组成。本实用新型可实现对于对数放大器的增益和动态量程的精确控制，从而使得对数放大器的性能不再受工艺、温度、电压变化的影响。

Description

基于CMOS精确电压放大器的对数放大器
技术领域：
本实用新型涉及一种基于CMOS精确电压放大器的对数放大器。
背景技术：
图1是对数放大器的基本结构。其中A是电压放大器(在图1中，有N个电压放大器串联，在本例中N＝4)，Gm是电流发生器(电压电流转换)，∑I则用于将输出电流相加。
假设放大器饱和时，放大器的输入信号为E，则此时放大器输出将不再随输入信号增大而增大，恒为AE，如图2。在这种情况下，由图3可知，当输入信号从E/A3变化到AE的时候，所有放大器输出信号的和由大约AE变化到了大约5AE。即输入信号成倍增加时，输出信号线性增大。这是对数放大器的基本原理。在实际电路应用中，因为电压难以进行加法运算，所以需要电流发生器将电压转换为电流，然后再把电流相加得到最终的输出信号。
对数放大器的性能主要由它的动态量程范围和增益决定。由图3可知这两项属性都由A、E决定。由图3中的电路为例，输入动态量程范围：E/A3到AE，增益：A4。精确的控制A和E就成为当下对数放大器设计中的一个重要课题。
如图4所示，传统的电压放大器通常有两种结构来得到恒定的增益。图4a的电路增益为R2/R1，但是必须满足GmR1＞＞1。也就是说Gm或者R1要足够大，这样的放大器无法由低功耗或小面积的电路来实现。图4b的电路可实现恒定增益为(W1L2/W2L1)1/2，并对功耗和面积没有要求，但其线性度无法控制。
发明内容：
为了解决上述技术问题，本实用新型提供了一种基于CMOS精确电压放大器的对数放大器。
本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：一种基于CMOS精确电压放大器的对数放大器，由CMOS跨导电路和负载电路并联而成，所述CMOS跨导电路包括输入差分对M1和M2，电流源M3、M4和M7、M8，以及与M1、M2构成负反馈回路的M5、M6，所述负载电路由M9、M10和连接在M9和M10栅极上的R2组成。
本实用新型可实现对于对数放大器的增益和动态量程的精确控制，从而使得对数放大器的性能不再受工艺、温度、电压变化的影响。
附图说明：
下面结合附图和实施例对本实用新型进一步说明。
图1是对数放大器的基本结构。
图2是电压放大器的输入输出特性。
图3是对数放大器的基本原理。
图4是基于现有技术的电压放大器示意图。
图5是本实用新型的电压放大器示意图。
具体实施方式：
如图5所示的一种基于CMOS精确电压放大器的对数放大器，由左半部分的CMOS跨导电路和右半部分的负载电路并联而成，所述CMOS跨导电路包括输入差分对M1和M2，电流源M3、M4和M7、M8，以及与M1、M2构成负反馈回路的M5、M6，所述负载电路由M9、M10、和两个R2构成，而其负载电阻R2没有直接接地，而是接在了M9和M10的栅极上。这样做的好处是直流电流不经过R2，输出点的DC电压与R2无关。对于差分电路而言“n4”是虚地，故AC信号视M9和M10为开路，所有小信号电流都会流过R2。因此该电路的功能与R2接地相同。
当有输入信号Vi＝(Vip-Vin)加在放大器输入端时，M5和M6构成的负反馈电路将保证输入差分对M1和M2工作在饱和区。此时M1和M2的电流不变，那么Vi’＝(Vip’-Vin’)将等于Vi。所以流过R1的电流ΔI＝Vi’/R1＝Vi/R1。ΔI流入M5和M6中，并通过电流镜转移到R2上。如果电流镜产生的增益为1，那么整个放大器的增益就等于：2R2/R1。显而易见该放大器的增益只与电阻的比值的有关，与工艺、温度、电压没有关系。
并且只要M1和M2工作在饱和区，Vi’＝(Vip’-Vin’)将恒等于Vi＝(Vip-Vin)，没有GmR1＞＞1的限制(对比图4a的电路)，这样就不需要将电流或者电阻做的很大，节省了功耗和面积。
从图5中还可以看到，I1和I2是电流源电流。当电路工作在线性区时，I1和I2应保持恒定不变。输入信号产生的ΔI应该全部来自于I3，那么当I3＝0，即M5关闭的时候，电路进入非线性区。由图5易知，此时Vi＝(I1-I2)*R1。当放大器完全饱和时，M1、M5和M7都关闭了，此时流过R1的电流为I1，经过电流镜的转移，得到的差分输出电压为I1*2R2。这就是该放大器的最大输出饱和电压。
该放大器的最大输出饱和电压是一个I*R的形式，看起来不是一个恒定值。但考虑I通常是由Bandgap产生的，具有Vref/Rref的形式。放大器的最大输出饱和电压依然可以写成Vref*R/Rref的形式。而Vref通常是由Bandgap产生的一个恒定电压。显而易见该放大器的最大输出饱和电压只随电阻的比值变化，与工艺、温度、电压没有关系。当然这有一个前提：Rref与放大器中的R是同一类型，并且相互匹配。
回到图3，显然易见A是电压放大器增益等于2R2/R1。AE是电压放大器最大输出饱和电压等于I1*2R2。饱和输入电压E应当等于I1*R1。这样对数放大器的基本性能参数：输入动态量程范围(E/A3到AE)，增益(A4)都可以确定下来了。并且这些参数都是可以精确控制的，与工艺、温度、电压无关。
以上仅是本实用新型的较佳实施例而已，并非对本实用新型作任何形式上的限制，凡是依据本实用新型的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本实用新型技术方案的范围内。

Claims (1)

1.一种基于CMOS精确电压放大器的对数放大器，其特征是：所述基于CMOS精确电压放大器的对数放大器由CMOS跨导电路和负载电路并联而成，所述CMOS跨导电路包括输入差分对M1和M2，电流源M3、M4和M7、M8，以及与M1、M2构成负反馈回路的M5、M6，所述负载电路由M9、M10和连接在M9和M10栅极上的R2组成。
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