CN218387449U

CN218387449U - 运算跨导放大器

Info

Publication number: CN218387449U
Application number: CN202222108545.7U
Authority: CN
Inventors: 高金哲; 邓小东; 郑中万; 张宗楠
Original assignee: IPGoal Microelectronics Sichuan Co Ltd
Current assignee: IPGoal Microelectronics Sichuan Co Ltd
Priority date: 2022-08-11
Filing date: 2022-08-11
Publication date: 2023-01-24
Anticipated expiration: 2032-08-11

Abstract

本实用新型公开了一种运算跨导放大器，包括电流镜电路、输出电阻调节电路及尾电流电路，电流镜电路与外部电源连接，并为输出电阻调节电路提供漏电流，输出电阻调节电路调节整个放大器的输出电阻,以增大放大器的增益，尾电流电路为电阻调节电路提供稳定的尾电流。本实用新型的运算跨导放大器显著提高了电路的增益，且提高了电路的最大输出电压，满足更多的模拟电路对运算放大器增益的需求，提高了运算跨导放大器的使用范围。

Description

运算跨导放大器

技术领域

本实用新型涉及集成电路领域，更具体地涉及一种运算跨导放大器。

背景技术

运算放大器是许多模拟系统和混合信号系统中的一个完整的部分，其中五管运算跨导放大器(Operational Transconductionce Amplifier，简称五管OTA)是一种将电压转化为电流的放大器。五管OTA在CMOS模拟集成电路中应用很多，可以广泛的应用于模数转换电路、滤波器等模拟信号处理电路中，并且其输出是单端的，因此经常被用于将差动信号转换为单端输出信号。而由于五管OTA结构简单且高频特性较好，因此有越来越多的模拟电路用五管OTA来代替电压运算放大器，但五管OTA增益较低和输出电压摆幅较小的问题让其应用在很大程度上受到了限制。

图1为现有的五管OTA的电路图，如图1中电路所示，整个电路由差分输入级晶体管Q1、Q2，电流镜电路Q3、Q4，尾电流源Iss以及负载电容C1构成。信号采用差分输入的主要优势在于对环境噪声具有更强的抗干扰能力；电流镜电路为晶体管Q3、Q4提供了不受工艺和温度影响的精确电流；尾电流源Iss则使差分输入级晶体管Q1、Q2具有固定的尾电流，从而产生独立于输入共模信号Vin的电流ID1+ID2(ID1与ID2分别是晶体管Q1、Q2源极的电流)，在共模输入时，差分对管(晶体管Q1、Q2)的工作电流ID1＝ID2＝Iss/2，并保持恒定，同时输出共模电平也保持恒定，这就解决了差分对管在共模输入时的工作电流变化引起的非线性及输出信号失真等问题。

但是在上述电路结构中，在给定偏置电路的条件下，提高电路增益的方法通常为采用共源共栅结构和增大输入晶体管Q1、Q2的沟道长度。如果偏置电路和晶体管尺寸无法改变，那么只有改变OTA电路的结构从而提高增益；同时五管OTA最大输出电压较小，假设电路完全对称，V_Iss代表电流源Iss两端电压，电路的最大输出电压为V_DD-|V_GS3|，输出电压摆幅为V_DD-(|V_GS3|+|V_GS2|+VIss)+V_TH2，且能达到这种最大输出电压摆幅的条件是输入共模电平足够低，其最小值等于V_GS2+V_Iss；因此，现有的五管OTA电路增益较小，增益曲线如图2所示，且五管OTA电路的最大输出电压较小。

因此，有必要提供一种电路增益更大输出电压足够大的运算跨导放大器来克服上述缺陷。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种运算跨导放大器，本实用新型的运算跨导放大器显著提高了电路的增益，且提高了电路的最大输出电压，满足更多的模拟电路对运算放大器增益的需求，提高了运算跨导放大器的使用范围。

为实现上述目的，本实用新型提供了一种运算跨导放大器，包括电流镜电路、输出电阻调节电路及尾电流电路，电流镜电路与外部电源连接，并为输出电阻调节电路提供漏电流，输出电阻调节电路调节整个放大器的输出电阻,以增大放大器的增益，尾电流电路为电阻调节电路提供稳定的尾电流；其中，输出电阻调节电路包括第三晶体管、第四晶体管、第五晶体管、第六晶体管、第七晶体管及第八晶体管，第三晶体管、第四晶体管的漏极均与电流镜连接，第三晶体管的栅极与第四晶体管的栅极连接，第三晶体管的源极与第五晶体管的漏极连接，第五晶体管的源极与第七晶体管的漏极连接，第四晶体管的源极与第六晶体管的漏极连接，第六晶体管的源极与第八晶体管的漏极连接，第八晶体管的源极与第七晶体管的源极共同连接并与尾电流电路连接，外部偏置电压分别输入第五晶体管、第六晶体管的栅极，外部差分信号输入第七晶体管、第八晶体管的栅极。

较佳地，电流镜电路包括第一晶体管与第二晶体管，第一晶体管与第二晶体管的源极均与外部电源连接，第一晶体管与第二晶体管的栅极共同连接且还与第三晶体管的漏极连接，第二晶体管的漏极分别与第四晶体管的漏极、栅极连接。

较佳地，尾电流电路包括第一电阻、第九晶体管及第十晶体管，第一电阻的一端与第七晶体管、第八晶体管的栅极连接，其另一端与第九晶体管的漏极、第十晶体管的源极共同连接，第九晶体管的源极、第十晶体管的栅极、第十晶体管的漏极均接地，外部偏置电压输入第九晶体管的栅极。

较佳地，运算跨导放大器还包括第一电容，第一电容一端与第二晶体管、第四晶体管的漏极连接，其另一端接地。

与现有技术相比，本实用新型的运算跨导放大器由于还设置有输出电阻调节电路，通过输出电阻调节电路与尾电流电路的配合可大大提高整个放大器的输出电阻，进而提高了电路的最大输出电压，也显著提高了电路的增益，满足更多的模拟电路对运算放大器增益的需求，提高了运算跨导放大器的使用范围。

通过以下的描述并结合附图，本实用新型将变得更加清晰，这些附图用于解释本实用新型的实施例。

附图说明

图1为现有技术的五管运算跨导放大器的电路结构示意图。

图2为图1所示电路的增益曲线图。

图3为本实用新型的运算跨导放大器的电路结构示意图。

图4为图3所示电路的增益曲线图。

具体实施方式

现在参考附图描述本实用新型的实施例，附图中类似的元件标号代表类似的元件。如上，本实用新型提供了一种运算跨导放大器，本实用新型的运算跨导放大器显著提高了电路的增益，且提高了电路的最大输出电压，满足更多的模拟电路对运算放大器增益的需求，提高了运算跨导放大器的使用范围。

请参考图3，图3为本实用新型的运算跨导放大器的电路结构示意图。如图3所示，本实用新型的运算跨导放大器包括电流镜电路、输出电阻调节电路及尾电流电路。电流镜电路与外部电源VDD连接，并为输出电阻调节电路提供漏电流，输出电阻调节电路调节整个放大器的输出电阻,以增大放大器的增益，尾电流电路为电阻调节电路提供稳定的尾电流,降低了共模输入时工作电流的变化引起的非线性和输出信号失真的问题，以保证输出电阻的最终输出电阻值达到设定要求。

具体地，输出电阻调节电路包括第三晶体管Q3、第四晶体管Q4、第五晶体管Q5、第六晶体管Q6、第七晶体管Q7及第八晶体管Q8，第三晶体管Q3、第四晶体管Q4的漏极均与电流镜连接，第三晶体管Q3的栅极与第四晶体管Q4的栅极连接，第三晶体管Q3的源极与第五晶体管Q5的漏极连接，第五晶体管Q5的源极与第七晶体管Q7的漏极连接，第四晶体管Q4的源极与第六晶体管Q6的漏极连接，第六晶体管Q6的源极与第八晶体管Q8的漏极连接，第八晶体管Q8的源极与第七晶体管Q7的源极共同连接并与尾电流电路连接，外部偏置电压L2分别输入第五晶体管Q5、第六晶体管Q6的栅极，外部差分信号Vin输入第七晶体管Q7、第八晶体管Q8的栅极；输出电阻调节电路调节整个放大器的输出电阻,以增大放大器的增益。

作为本实用新型的优选实施方式，电流镜电路包括第一晶体管Q1与第二晶体管Q2，第一晶体管Q1与第二晶体管Q2的源极均与外部电源VDD连接，第一晶体管Q1与第二晶体管Q2的栅极共同连接且还与第三晶体管Q3的漏极连接，第二晶体管Q2的漏极分别与第四晶体管Q4的漏极、栅极连接；尾电流电路包括第一电阻R1、第九晶体管Q9及第十晶体管Q10，第一电阻R1的一端与第七晶体管Q7、第八晶体管Q8的栅极连接，其另一端与第九晶体管Q9的漏极、第十晶体管Q10的源极共同连接，第九晶体管Q9的源极、第十晶体管Q10的栅极、第十晶体管Q10的漏极均接地，外部偏置电压Ly输入第九晶体管Q9的栅极。另外，本实用新型的运算跨导放大器还包括第一电容C1，第一电容C1一端与第二晶体管Q2、第四晶体管Q4的漏极连接，其另一端接地。另外，本实用新型的运算跨导放大器还包括第一电容C1,所述第一电容C1一端与第二晶体管Q2、第四晶体管Q4的漏极连接，其另一端接地；如图3所示，所述第一电容C1连接在输出端上，从而对输出电压Vout进行滤波，以保证输出电压Vout的精准度。

在本实用新型中，给外部电源VDD、差分输入Vin、偏置电压Ly(通常为2.6V)、偏置电压L2(通常为2.9V)各一个合适电压，偏置电路开启，整个运算放大器开始工作。其中，输出电阻调节电阻是由第三晶体管Q3、第四晶体管Q4、第五晶体管Q5、第六晶体管Q6、第七晶体管Q7及第八晶体管Q8构成的三级共源共栅电路结构。众所周知地，两级的共源共栅结构可以看成带有负反馈电阻Rs的共源级放大电路，以便计算其输出阻抗，其输出阻抗Rout＝(1+(gm+gmb)*ro)Rs+ro(其中，gm为晶体管跨导，gmb为晶体管衬底的跨导，ro为考虑沟道长度调制效应的等效电阻，Rs为负反馈电阻)，其将原有电路的输出阻抗提高至原来的(gm+gmb)*ro倍；而本实用新型所使用的三级的共源共栅电路结构的输出电阻相比两级的共源共栅结构还会更大，因此相较于现有的五管OTA电路来说，本实用新型的输出电阻调节电路以进一步的增大运算放大器的输出电阻；根据增益公式Av＝Gm*Rout可知，增大输出电阻Rout即可增大电路的增益。

请再结合参考图4，描述本实用新型的运算跨导放大器的工作原理：第一电阻R1、第九晶体管Q9、第十晶体管Q10构成差分输入电路的尾电流源，为第七晶体管Q7、第八晶体管Q8提供持续且稳定的尾电流，降低了共模输入时工作电流的变化引起的非线性和输出信号失真的问题；第九晶体管Q9作为一个开关管，控制着运算放大器的工作状态，第十晶体管Q10栅极与漏极连接到地，当第九晶体管Q9的偏置电压Ly是高电平(通常为2.6V)时，由于第九晶体管Q9的源极电压为0，因此第九晶体管Q9开启工作且工作于三极管区，使得第九晶体管Q9的压降很小，漏极电压很小且接近于0，因此第十晶体管Q10的漏极电压接近于0，使得第十晶体管Q10工作于截止状态，而第七晶体管Q7与第八晶体管Q8的尾电流都由第九晶体管Q9来提供；导致第一电阻R1上压降较大，第七晶体管Q7与第八Q8的源极电压较小，因此第七晶体管Q7与第八晶体管Q8均工作于饱和区，此时整个运算跨导放大器都处于工作状态；当第九晶体管Q9的偏置电压Ly接近于0时，第九晶体管Q9处于截止状态，尾电流只能由第十晶体管Q10提供，因此第十晶体管Q10源极电压较大，第一电阻R1的压降很小，导致第七晶体管Q7、第八晶体管Q8的源极电压较大，第七晶体管Q7、第八晶体管Q8的V_GS＜V_TH(V_GS为晶体管的栅源极之间的电压，V_TH为晶体管的阈值电压)，导致第七晶体管Q7、第八晶体管Q8工作于亚阈值状态，整个运算跨导放大器停止工作。

用VR1代表第一电阻R1与第七晶体管Q7、第八晶体管Q8源极连接端口的电压，当Vin＝V_R1+V_GS7，且第七晶体管Q7处于饱和的边缘，保证V_L2＝V_GS5+(Vin-V_TH7)时，则最大输出电压为Vout＝VDD-|V_GS1|+V_TH3，相较于现有的五管OTA要更大，从而使得整个运算跨导放大器的增益也大，具体增益曲线如图4所示。

请再对比参考图4与图2，通过两图所示仿真结果可知，现有的五管OTA与本实用新型的运算跨导放大器的方案对比：五管OTA电路，直流增益约为45.54dB，增益相对较小；本实用新型的运算跨导放大器方案的电路，直流增益约为56.67dB，相较于现有的五管OTA电路增益提升明显，能满足更多模拟电路对运算放大器的增益需求，提高了运算跨导放大器的使用范围。

以上结合最佳实施例对本实用新型进行了描述，但本实用新型并不局限于以上揭示的实施例，而应当涵盖各种根据本实用新型的本质进行的修改、等效组合。

Claims

1.一种运算跨导放大器，包括电流镜电路、输出电阻调节电路及尾电流电路，电流镜电路与外部电源连接，并为输出电阻调节电路提供漏电流，输出电阻调节电路调节整个放大器的输出电阻,以增大放大器的增益，尾电流电路为电阻调节电路提供稳定的尾电流；其特征在于，输出电阻调节电路包括第三晶体管、第四晶体管、第五晶体管、第六晶体管、第七晶体管及第八晶体管，第三晶体管、第四晶体管的漏极均与电流镜连接，第三晶体管的栅极与第四晶体管的栅极连接，第三晶体管的源极与第五晶体管的漏极连接，第五晶体管的源极与第七晶体管的漏极连接，第四晶体管的源极与第六晶体管的漏极连接，第六晶体管的源极与第八晶体管的漏极连接，第八晶体管的源极与第七晶体管的源极共同连接并与尾电流电路连接，外部偏置电压分别输入第五晶体管、第六晶体管的栅极，外部差分信号输入第七晶体管、第八晶体管的栅极。

2.如权利要求1所述的运算跨导放大器，其特征在于，电流镜电路包括第一晶体管与第二晶体管，第一晶体管与第二晶体管的源极均与外部电源连接，第一晶体管与第二晶体管的栅极共同连接且还与第三晶体管的漏极连接，第二晶体管的漏极分别与第四晶体管的漏极、栅极连接。

3.如权利要求1所述的运算跨导放大器，其特征在于，尾电流电路包括第一电阻、第九晶体管及第十晶体管，第一电阻的一端与第七晶体管、第八晶体管的栅极连接，其另一端与第九晶体管的漏极、第十晶体管的源极共同连接，第九晶体管的源极、第十晶体管的栅极、第十晶体管的漏极均接地，外部另一偏置电压输入第九晶体管的栅极。

4.如权利要求1所述的运算跨导放大器，其特征在于，还包括第一电容，所述第一电容一端与第二晶体管、第四晶体管的漏极连接，其另一端接地。