CN206620105U - 增益可变的cmos两级运算放大器、芯片 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种增益可变的CMOS两级运算放大器、芯片，所述CMOS两级运算放大器包括依次连接的带隙基准源电路、线性可变电阻、第一级放大电路和第二级放大电路；所述带隙基准源电路将输入的电压信号转换为恒温的基准电压，并输出至所述线性可变电阻；所述线性可变电阻将所述基准电压转换为可变电流并输出至所述第一级放大电路；所述第一级放大电路在所述可变电流的作用下，输出增益放大信号至所述第二级放大电路；所述第二级放大电路将所述增益放大信号进行二次放大并输出。本实用新型通过在运算放大器的输入级之前增加带隙基准源电路和线性可变电阻，进而在稳定的带隙电压下为放大器提供稳定的可变输入电流，达到精确控制增益的目的。

Description

增益可变的CMOS两级运算放大器、芯片

技术领域

本实用新型涉及集成电路技术领域，尤其涉及一种增益可变的CMOS两级运算放大器、芯片。

背景技术

在集成电路设计中，运算放大器是搭建复杂电路和扩充电路功能不可或缺的电路结构，增益可变的运算放大器更是目前很多设计人员的研究方向。

现有的增益可变的运算放大器往往是通过在运算放大器的输出级之后采用负载连接的结构，使得增益逐级递减，这种结构虽然可以调节得到不同增益，但是在对增益精确调解时，采用这种结果实现起来不仅复杂，而且性能得不到保障。

实用新型内容

为了解决现有技术的问题，本实用新型实施例提供了一种增益可变的CMOS两级运算放大器、芯片。所述技术方案如下：

一方面，提供了一种增益可变的CMOS两级运算放大器，包括依次连接的带隙基准源电路、线性可变电阻、第一级放大电路和第二级放大电路；

所述带隙基准源电路将输入的电压信号转换为恒温的基准电压，并输出至所述线性可变电阻；

所述线性可变电阻将所述基准电压转换为可变电流并输出至所述第一级放大电路；

所述第一级放大电路在所述可变电流的作用下，输出增益放大信号至所述第二级放大电路；

所述第二级放大电路将所述增益放大信号进行二次放大并输出。

进一步的，所述带隙基准源电路采用与绝对温度无关的电压型带隙基准。

进一步的，所述线性可变电阻为两端电压与通过电流成正比的线性可调节电阻。

进一步的，所述第一级放大电路采用双端输入的差分放大结构。

进一步的，所述第一级放大电路通过电平转换电路与所述第二级放大电路连接，所述电平转换电路将所述增益放大信号转换为双端信号，输出至所述第二级放大电路，所述电平转换电路采用源跟随器结构，所述源跟随器结构以PMOS管作为输入端。

进一步的，所述电平转换电路通过差分转单端电路和所述第二级放大电路连接，所述差分转单端电路将所述双端信号转换为单端信号，输出至所述第二级放大电路。

进一步的，所述第二级放大电路为固定增益放大电路，采用共源级结构。

另一方面，提供了一种芯片，包括芯片本体和所述的增益可变的CMOS两级运算放大器。

本实用新型实施例提供的技术方案带来的有益效果是：

通过在运算放大器的输入级之前增加带隙基准源电路和线性可变电阻，进而在稳定的带隙电压下为放大器提供稳定的可变输入电流，达到精确控制增益的目的。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本实用新型实施例一提供的一种增益可变的CMOS两级运算放大器示意图；

图2是本实用新型实施例一提供的一种带隙基准源电路图；

图3是本实用新型实施例一提供的另一种增益可变的CMOS两级运算放大器示意图；

图4是本实用新型实施例一提供的另一种增益可变的CMOS两级运算放大器示意图；

图5是本实用新型实施例一提供的一种增益可变的CMOS两级运算放大器电路图；

图6是本实用新型实施例一提供的一种线性可变电阻与输出增益的特性曲线图。

具体实施方式

为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本实用新型实施方式作进一步地详细描述。

实施例一

本实用新型实施例提供了一种增益可变的CMOS两级运算放大器，参见图1，包括依次连接的带隙基准源电路10、线性可变电阻20、第一级放大电路30和第二级放大电路40；

所述带隙基准源电路10将输入的电压信号转换为恒温的基准电压，并输出至所述线性可变电阻20；

所述线性可变电阻20将所述基准电压转换为可变电流并输出至所述第一级放大电路30；

所述第一级放大电路30在所述可变电流的作用下，输出增益放大信号至所述第二级放大电路40；

所述第二级放大电路40将所述增益放大信号进行二次放大并输出。

在本实施例中，所述带隙基准源电路10采用与绝对温度无关的电压型带隙基准。

参见图2，图2示出了所述带隙基准源电路10的具体结构，Q1、Q2和Q3为双极结型晶体管，M1、M2、M3为NMOS管，Vref为带隙基准源电路10的输出端。由于双极结型晶体管的基极—发射极具有负的温度系数，同时，由于图2中Q1和Q2的基极相连接，则Q1的V_BEQ1与Q2的V_BEQ2之间的差值ΔV_BE具有正的温度系数，通过改变电阻R2和R1的大小可以将正负温度系数抵消，从而得到一个恒温的基准电压。

在本实施例中，所述线性可变电阻20为两端电压与通过电流成正比的线性可调节电阻。

具体而言，流过所述线性可变电阻20的电流仅仅跟其电阻值和输入电压有关，当电阻值变化、输入电压不变时，输出电流的变化与电阻值的变化成正比例关系，因而在恒温的基准电压之下，通过调节线性可变电阻20，能够得到精确稳定的可变电流。

在本实施例中，所述第一级放大电路30采用双端输入的差分放大结构。

具体而言，考虑到放大器电源电压和共模输入范围，因此采用双端输入的差分放大结构，通过控制输入电流来控制差分放大器输出的增益放大信号。

参见图3，在本实施例中，所述第一级放大电路30通过电平转换电路50与所述第二级放大电路40连接，所述电平转换电路50将所述增益放大信号转换为双端信号，输出至所述第二级放大电路40，所述电平转换电路50采用源跟随器结构，所述源跟随器结构以PMOS管作为输入端。

由于第一级放大电路30的输出负向共模电平较大，为了使第二级放大电路40的MOS管能够工作在饱和区内，可以在第一级放大电路30的差分输出级后增加电平转换电路50，将差分输出级的输出电位提升，同时，电平转换电路50以PMOS管作为输入，能够优化噪声性能。

参见图4，在本实施例中，所述电平转换电路50通过差分转单端电路60和所述第二级放大电路40连接，所述差分转单端电路60将所述双端信号转换为单端信号，输出至所述第二级放大电路40。

为了使电平转换电路50放大的双端信号满足第二级放大电路40的固定增益的单端输入，可以在电平转换电路50和第二级放大电路40之间增加差分转单端电路60，同时，电平转换电路50采用PMOS管作为输入，能够优化噪声性能。

在本实施例中，所述第二级放大电路40为固定增益放大电路，采用共源级结构。

为了提高经过第一级放大电路30输出的增益放大信号以及输出摆幅，所述第二级放大电路40采用共源级结构，并选用PMOS管作为输入，能够优化噪声性能。

参见图5，图5提供了一种增益可变的CMOS两级运算放大器的电路图。在图5中，VDD为输入电压信号，GND为接地符号，Vout为两级运算放大器的增益输出端，具体而言，带隙基准源电路10为后级电路提供稳定精确的输入电压，作为增益可变的CMOS两级运算放大器的输入级；线性可变电阻20与带隙基准源电路10相连接，为后面的两级放大电路提供可变输入电流；第一级放大电路30作为增益可变的CMOS两级运算放大器的第一级增益放大模块；电平转化电路作为第一级运算放大器和差分转单端电路60之间的过渡结构；差分转单端电路60将第一级运算放大器输出的双端信号转换为单端信号，作为第二级放大电路40的输入信号；第二级放大电路40为固定增益电路，作为增益可变的CMOS两级运算放大器的第二级增益放大模块，并作为增益可变的CMOS两级运算放大器的输出级。

对于带隙基准源电路10，带隙基准源电路10为线性可变电阻20提供稳定的、与温度无关的带隙输入电压，其提供的基准电压连接在线性可变电阻20Rx的R_P端。

对于线性可变电阻20，线性可变电阻20Rx的R_P端输入稳定的基准电压时，会在其R_M端输出一个稳定精确的可变电流，作为第一级放大电路30的输入电流信号，并连接在第一级放大电路30中NMOS管M4的漏极，当Rx电阻的阻值发生变化时，输入第一级放大电路30的电流信号会发生变化，进而通过该可变电流精确控制第一级放大电路30的输出增益。

对于第一级放大电路30，第一级放大电路30把线性可变电阻20流出的电流信号作为尾电流源，当尾电流源电流发生变化时，差分放大器的增益会发生变化，因此通过改变可变电阻的阻值大小，能够控制第一级放大电路30输入电流的大小，进而达到放大器增益可变的目的。第一级放大电路30的具体连接方式为，在第一级放大电路30的输入端，线性可变电阻20Rx的Rx_M连接NMOS管M4的漏极，而第一级放大电路30的差分输出端分别接电平转换电路50中NMOS管M15和NMOS管M16的栅极。

对于电平转换电路50，由于第一级放大电路30输出的负向共模电平较大，为了使第二级放大电路40和差分转单端电路60的MOS管能够工作在饱和区内，在第一级放大电路30差分输出级后增加电平转换电路50，将输出电位提升。电平转换电路50的具体连接方式为，电平转换电路50中的NMOS管M15和NMOS管M16的栅极连接第一级放大电路30的输出端，而输出端分别连接所述差分转单端电路60中PMOS管M17、PMOS管M18以及PMOS管M19的栅极。电平转换电路50作为第一级放大电路30和第二级放大电路40的过渡结构。

对于差分转单端电路60，差分转单端电路60将电平转换电路50中提升过的双端共模电位信号转化成单端信号，并输入到第二级放大电路40中；差分转单端电路60的具体连接方式为，PMOS管M17、PMOS管M18以及PMOS管M19的栅极分别连接着所述电平转换电路50的输出端，而其输出端连接着所述模块6中NMOS管M23的栅极。

对于第二级放大电路40，第二级放大电路40采用PMOS输出的共源级结构，将差分转单端电路60输出的有效电平进行二次放大；第二级放大电路40的具体连接方式为，NMOS管M23的栅极连接所述差分转单端电路60的输出端，而其PMOS管M22的栅极连接所述差分转单端电路60中PMOS管M17的栅极。

参见图6，图6示出了增益可变的CMOS两级运算放大器的线性可变电阻20与CMOS两级运算放大器输出增益的特性曲线，其中，横坐标表示线性可变电阻的阻值范围，纵坐标表示放大器输出增益的变化范围。从图6可以得出，线性可变电阻20在100k～150k变化时，放大器增益的调节范围为72.5dB～115.6dB。

需要说明的是，上述曲线的工作条件是：电源工作电压为5V，CMOS工艺采用0.18um工艺。

本实施例通过在运算放大器的输入级之前增加带隙基准源电路10和线性可变电阻20，进而在稳定的带隙电压下为放大器提供稳定的可变输入电流，达到精确控制增益的目的。

实施例二

本实用新型实施例提供了一种芯片，包括芯片本体和实施例一所述的增益可变的CMOS两级运算放大器。

上述本实用新型实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。

以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性的劳动的情况下，即可以理解并实施。

通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到各实施方式可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件。基于这样的理解，上述技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在计算机可读存储介质中，如ROM/RAM、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种增益可变的CMOS两级运算放大器，其特征在于，包括依次连接的带隙基准源电路、线性可变电阻、第一级放大电路和第二级放大电路；

所述带隙基准源电路将输入的电压信号转换为恒温的基准电压，并输出至所述线性可变电阻；

所述线性可变电阻将所述基准电压转换为可变电流并输出至所述第一级放大电路；

所述第一级放大电路在所述可变电流的作用下，输出增益放大信号至所述第二级放大电路；

所述第二级放大电路将所述增益放大信号进行二次放大并输出。

2.根据权利要求1所述的增益可变的CMOS两级运算放大器，其特征在于，所述带隙基准源电路采用与绝对温度无关的电压型带隙基准。

3.根据权利要求2所述的增益可变的CMOS两级运算放大器，其特征在于，所述线性可变电阻为两端电压与通过电流成正比的线性可调节电阻。

4.根据权利要求3所述的增益可变的CMOS两级运算放大器，其特征在于，所述第一级放大电路采用双端输入的差分放大结构。

5.根据权利要求4所述的增益可变的CMOS两级运算放大器，其特征在于，所述第一级放大电路通过电平转换电路与所述第二级放大电路连接，所述电平转换电路将所述增益放大信号转换为双端信号，输出至所述第二级放大电路，所述电平转换电路采用源跟随器结构，所述源跟随器结构以PMOS管作为输入端。

6.根据权利要求5所述的增益可变的CMOS两级运算放大器，其特征在于，所述电平转换电路通过差分转单端电路和所述第二级放大电路连接，所述差分转单端电路将所述双端信号转换为单端信号，并输出至所述第二级放大电路。

7.根据权利要求6所述的增益可变的CMOS两级运算放大器，其特征在于，所述第二级放大电路为固定增益放大电路，采用共源级结构。

8.一种芯片，其特征在于，包括芯片本体和权利要求1至7任意一项所述的增益可变的CMOS两级运算放大器。