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CN109274340B - 一种宽带限幅放大器电路 - Google Patents

一种宽带限幅放大器电路 Download PDF

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Abstract

一种宽带限幅放大器电路，属于模拟集成电路技术领域。包括第一级运放、第二级运放和第三级运放，第一级运放中第一NMOS管和第二NMOS管为输入对管接前端小摆幅信号输出，第一PMOS管和第二PMOS管为负载管，第一级运放的差分输出分别通过一个多晶电阻串接第二级运放中源随器结构的NMOS管栅极，在信号通路中引入高频零点，拓展信号带宽，同时源随器使输出阻抗降低，输出极点推向高频处；第三级运放将前级运放的输出信号放大为峰峰值等于电源电压的满摆幅信号。本发明在拓展带宽的同时不浪费额外的电压裕度，能够工作在低电压域；并且本发明用电阻串接的源随器代替电感器件来提供高频零点，减小电路面积，节省芯片面积；本发明还可以叠加其它拓展带宽的技术。

Description

一种宽带限幅放大器电路
技术领域
本发明属于模拟集成电路技术领域，涉及一种宽带限幅放大器电路，具体涉及一种不使用无源电感且能够应用在低电压域的宽带限幅放大器电路。
背景技术
宽带限幅放大器通常应用于把输入的小摆幅信号放大到满摆幅，对于宽带限幅放大器，最典型的结构是Cherry-Hopper放大器，它的特征在于利用局部并联负反馈技术，改善了两级放大器的频率响应，传统的Cherry-Hooper放大器如图1所示，通过引入电阻负反馈拓展了带宽。但是，该结构的缺陷也非常明显，尾电流流过反馈电阻RF和负载电阻RD，消耗了大量的电压余度，难以应用于低电压域。
除了局部并联负反馈技术，还可以利用引入零点来增大带宽，利用零点增大带宽的原理是通过在电路中引入零点抵消极点对带宽的影响，从而达到拓展带宽的目的。目前主要利用零点拓展带宽的技术有：电感峰值技术及电容峰值技术。
电感峰值技术，又称并联补偿技术，如图2所示。该技术是通过在电路的负载R中增加电感L，利用电感L引入零点扩展带宽。
通过分析图2电路的小信号模型，可得电路的输入输出电压传递函数为：
Figure GDA0002930894850000011
其中gm表示跨导，s表示频率。
通过上式可知，与传统共源放大器相比，并联峰值放大器多出了一个极点和一个零点，适当选择参数设置，可以达到拓展带宽的目的。但是这种方法有一个缺点就是，在CMOS工艺上实现电感需要耗费很大的面积，所以限制了这种技术的应用。
发明内容
针对上述传统宽带限幅放大器存在的难以应用在低电压域和面积大的问题，本发明提出了一种宽带限幅放大器电路，具有很好的拓展带宽的作用且并不浪费额外的电压裕度，能够工作在低电源电压，同时利用电阻串接的源随器代替电感器件来提供高频零点，从而减小了电路面积。
本发明的技术方案是：
一种宽带限幅放大器电路，包括第一级运放、第二级运放和第三级运放，
所述第一级运放包括第一NMOS管M1、第二NMOS管M2、第一PMOS管M3、第二PMOS管M4和第一电流源I1，
第一NMOS管M1的栅极作为所述宽带限幅放大器电路的正向输入端，其漏极连接第二PMOS管M4的漏极，其源极连接第二NMOS管M2的源极并通过第一电流源I1后接地；
第二NMOS管M2的栅极作为所述宽带限幅放大器电路的负向输入端，其漏极连接第一PMOS管M3的漏极；
第一PMOS管M3和第二PMOS管M4的源极连接电源电压；
所述第二级运放包括第三NMOS管M5、第四NMOS管M6、第二电流源I2、第三电流源I3、第一电阻R1和第二电阻R2，其中第一电阻R1和第二电阻R2为多晶电阻，第三NMOS管M5和第四NMOS管M6为耗尽型NMOS管；
第三NMOS管M5的栅极通过第一电阻R1后连接第一级运放中第一PMOS管M3的漏极，其源极作为所述第二级运放的正向输出端连接第一级运放中第一PMOS管M3的栅极并通过第二电流源I2后接地，其漏极连接第四NMOS管M6的漏极并连接电源电压；
第四NMOS管M6的栅极通过第二电阻R2后连接第一级运放中第二PMOS管M4的漏极，其源极作为所述第二级运放的负向输出端连接第一级运放中第二PMOS管M4的栅极并通过第三电流源I3后接地；
所述第三级运放用于将所述第二级运放的正向输出端信号和负向输出端信号放大为峰值等于电源电压的满摆幅信号得到所述宽带限幅放大器电路的输出信号。
具体的，所述第三级运放包括第五NMOS管M7、第六NMOS管M8、第七NMOS管M9、第八NMOS管M10、第九NMOS管M11、第十NMOS管M12、第十一NMOS管M13和第十二NMOS管M14，
第五NMOS管M7的栅极连接第七NMOS管M9的栅极并连接所述第二级运放的正向输出端，其源极连接第九NMOS管M11的栅极和漏极以及第十NMOS管M12的栅极，其漏极连接第六NMOS管M8、第七NMOS管M9和第八NMOS管M10的漏极并连接电源电压；
第六NMOS管M8的栅极连接第八NMOS管M10的栅极并连接所述第二级运放的负向输出端，其源极连接第十NMOS管M12的漏极并作为所述宽带限幅放大器电路的负向输出端；
第十一NMOS管M13的栅漏短接并连接第七NMOS管M9的源极和第十二NMOS管M14的栅极，其源极连接第九NMOS管M11、第十NMOS管M12和第十二NMOS管M14的源极并接地；
第八NMOS管M10的源极连接第十二NMOS管M14的漏极并作为所述宽带限幅放大器电路的正向输出端。
本发明的有益效果为：本发明具有很好的拓展带宽的作用且并不浪费额外的电压裕度，能够工作在低电源电压下；并且本发明不使用电感器件来提供高频零点而是用电阻串接的源随器实现，使电路面积大大减小，节省了芯片面积；另外该技术可以叠加其它拓展带宽的技术例如电容峰值技术、反比例级联技术、电容中和技术等。
附图说明
图1为一种传统的电阻负载的差分Cherry-Hooper放大器的结构示意图。
图2为使用电感峰值技术的放大器的基本电路的结构示意图。
图3为本发明提出的一种宽带限幅放大器电路的结构示意图。
图4为本发明中电阻驱动源随器的电路模型。
图5为本发明中电阻驱动源随器的等效电路。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述；
本发明提出的宽带限幅放大器电路为三级运放，如图3所示，第一级运放包括第一NMOS管M1、第二NMOS管M2、第一PMOS管M3、第二PMOS管M4和第一电流源I1，第一NMOS管M1的栅极作为宽带限幅放大器电路的正向输入端，其漏极连接第二PMOS管M4的漏极，其源极连接第二NMOS管M2的源极并通过第一电流源I1后接地；第二NMOS管M2的栅极作为宽带限幅放大器电路的负向输入端，其漏极连接第一PMOS管M3的漏极；第一PMOS管M3和第二PMOS管M4的源极连接电源电压。第一NMOS管M1和第二NMOS管M2为输入对管，接前端小摆幅信号输出，第一PMOS管M3和第二PMOS管M4为负载管。
第二级运放包括第三NMOS管M5、第四NMOS管M6、第二电流源I2、第三电流源I3、第一电阻R1和第二电阻R2，其中第一电阻R1和第二电阻R2为多晶电阻，第三NMOS管M5和第四NMOS管M6为耗尽型NMOS管；第三NMOS管M5的栅极通过第一电阻R1后连接第一级运放中第一PMOS管M3的漏极，其源极作为第二级运放的正向输出端连接第一级运放中第一PMOS管M3的栅极并通过第二电流源I2后接地，其漏极连接第四NMOS管M6的漏极并连接电源电压；第四NMOS管M6的栅极通过第二电阻R2后连接第一级运放中第二PMOS管M4的漏极，其源极作为第二级运放的负向输出端连接第一级运放中第二PMOS管M4的栅极并通过第三电流源I3后接地。
第一级运放为带二极管接法PMOS管负载的全差分五管运放，其中第一电流源I1为尾电流源也表示一个MOS管；第二级运放中第三NMOS管M5和第四NMOS管M6为均源随器结构；第一级运放的差分输出分别通过一个多晶poly电阻串接第二级运放中源随器结构的NMOS管栅极，即第一NMOS管M1的漏极通过第二电阻R2连接第四NMOS管M6的栅极，第二NMOS管M2的漏极通过第一电阻R1连接第三NMOS管M5的栅极，同时第三NMOS管M5和第四NMOS管M6的源极连接第一级负载管第一PMOS管M3和第二PMOS管M4的栅极，这样第一级负载管可以等效为二极管连接；第二级源随器NMOS输入对管(即第三NMOS管M5和第四NMOS管M6)为耗尽型NMOS管，保证其阈值电压小于第一级运放负载PMOS管(即第一PMOS管M3和第二PMOS管M4)的阈值电压，使得第一PMOS管M3、第二PMOS管M4、第三NMOS管M5和第四NMOS管M6工作在饱和区，电路正常工作。第二级运放中利用多晶poly电阻串接源随器结构引入高频零点来拓展信号带宽，与常用的Cherry-Hooper结构相比不引入无源电感，不需额外消耗电压裕度，而且节省了芯片面积；同时，源随器使输出阻抗降低，输出极点推向高频区。
第二级源随器源级输出端接第三级运放的栅极，第三级运放为单管运放，将前级运放的输出信号放大为峰值等于电源电压的满摆幅信号，如图3所示给出了第三级运放的一种电路实现形式，包括第五NMOS管M7、第六NMOS管M8、第七NMOS管M9、第八NMOS管M10、第九NMOS管M11、第十NMOS管M12、第十一NMOS管M13和第十二NMOS管M14，第五NMOS管M7的栅极连接第七NMOS管M9的栅极并连接第二级运放的正向输出端，其源极连接第九NMOS管M11的栅极和漏极以及第十NMOS管M12的栅极，其漏极连接第六NMOS管M8、第七NMOS管M9和第八NMOS管M10的漏极并连接电源电压；第六NMOS管M8的栅极连接第八NMOS管M10的栅极并连接第二级运放的负向输出端，其源极连接第十NMOS管M12的漏极并作为宽带限幅放大器电路的负向输出端；第十一NMOS管M13的栅漏短接并连接第七NMOS管M9的源极和第十二NMOS管M14的栅极，其源极连接第九NMOS管M11、第十NMOS管M12和第十二NMOS管M14的源极并接地；第八NMOS管M10的源极连接第十二NMOS管M14的漏极并作为宽带限幅放大器电路的正向输出端。
源随器被电阻驱动时，其传输函数中引入一个零点，输出阻抗表现为电感特性。电阻驱动的源随器及等效小信号模型如图4、图5所示。
分析等效小信号模型求得传输函数为：
Figure GDA0002930894850000041
其中gm为MOS管跨导，Cgs为MOS管栅源寄生电容，Cgd为栅漏寄生电容，Rs为串接在MOS管栅极的电阻，CL为负载电容。
由上述传输函数可知，左半平面存在一个零点：
Figure GDA0002930894850000051
同时，还存在两个高频极点，且相距较远，主极点约为：
Figure GDA0002930894850000052
源随器的输出阻抗为：
Figure GDA0002930894850000053
在低频下，源随器的输出阻抗约为1/gm；在高频下，输出阻抗增大，近似为Rs。源随器输出阻抗随频率变化的这种特性类似电感，可以认为是有源电感负载，宽带放大器的第二级正是依靠该源随器结构极大的拓展了带宽。
综上所述，本发明提出的一种宽带限幅放大器电路，具有很好的拓展带宽的作用且并不浪费额外的电压裕度，能够工作在低电源电压；利用电阻串接的源随器代替电感器件来提供高频零点，从而减小了电路面积，节省了芯片面积；同时本发明可以叠加其它拓展带宽的技术例如电容峰值技术、反比例级联技术、电容中和技术等。
本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。

Claims (1)

1.一种宽带限幅放大器电路，其特征在于，包括第一级运放、第二级运放和第三级运放，
所述第一级运放包括第一NMOS管(M1)、第二NMOS管(M2)、第一PMOS管(M3)、第二PMOS管(M4)和第一电流源(I1)，
第一NMOS管(M1)的栅极作为所述宽带限幅放大器电路的正向输入端，其漏极连接第二PMOS管(M4)的漏极，其源极连接第二NMOS管(M2)的源极并通过第一电流源(I1)后接地；
第二NMOS管(M2)的栅极作为所述宽带限幅放大器电路的负向输入端，其漏极连接第一PMOS管(M3)的漏极；
第一PMOS管(M3)和第二PMOS管(M4)的源极连接电源电压；
所述第二级运放包括第三NMOS管(M5)、第四NMOS管(M6)、第二电流源(I2)、第三电流源(I3)、第一电阻(R1)和第二电阻(R2)，其中第一电阻(R1)和第二电阻(R2)为多晶电阻，第三NMOS管(M5)和第四NMOS管(M6)为耗尽型NMOS管；
第三NMOS管(M5)的栅极通过第一电阻(R1)后连接第一级运放中第一PMOS管(M3)的漏极，其源极作为所述第二级运放的正向输出端连接第一级运放中第一PMOS管(M3)的栅极并通过第二电流源(I2)后接地，其漏极连接第四NMOS管(M6)的漏极并连接电源电压；
第四NMOS管(M6)的栅极通过第二电阻(R2)后连接第一级运放中第二PMOS管(M4)的漏极，其源极作为所述第二级运放的负向输出端连接第一级运放中第二PMOS管(M4)的栅极并通过第三电流源(I3)后接地；
所述第三级运放用于将所述第二级运放的正向输出端信号和负向输出端信号放大为峰值等于电源电压的满摆幅信号得到所述宽带限幅放大器电路的输出信号。
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