一种Rail-to-Rail增益恒定的放大器制造技术

本发明专利技术公开了一种基于动态偏置的Rail-to-Rail恒定增益放大电路，可工作于低供电电压下，当共模输入电压发生变化时电路能自适应的生成所需的动态偏置电压，使得本发明专利技术公开的放大器在全共模输入范围内具有恒定增益。本发明专利技术公开的基于动态偏置的Rail-to-Rail恒定增益放大电路由动态偏置生成电路、增益提高电路与衬底输入放大器组成。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于集成电路设计领域，用于增益恒定的放大器设计。具体涉及一种根据共模输入电压对电路偏置电压进行动态调节，从而使放大器在全共模输入范围内具有恒定增益的放大电路结构。
技术介绍
运算放大器(Operational Amplifier, 0PA)作为模拟集成电路的基础部件,在电子系统中有着非常广泛的应用。随着工艺尺寸不断缩减和便携式电子产品的快速发展，集成电路的低压低功耗已成为一种趋势，低供电电压导致放大器的共模输入范围减小，使得传统放大器结构不能满足应用需求，对Rail-to-Rail恒定增益放大器的需求日趋显著。在低供电电压下，放大器的设计一般会遇到以下两个问题 I.在低供电电压电路里，为了克服阈值电压往往会消耗电压裕度，当供电电压仅略高于阈值电压时，典型OPA电路的正常功能及稳定性会受到较大的影响；2.低供电电压导致典型放大器的共模输入范围减小，传统的解决方式是引入PMOS管与NMOS管并联输入来设计Rail-to-Rail放大器，在这种放大器中当输入共模电压发生变化时，输入MOS对管的工作状态可能在“仅PMOS输入对管有效、仅NMOS输入对管有效、PMOS与NMOS输入对管同时有效”这三种状态间徘徊，这会使得放大器的增益难以恒定且给频率补偿带来困难。
技术实现思路
如前文所述，在低供电电压下典型放大器已经不能满足需求，在许多低供电电压电路中需要使用宽共模输入范围且具有恒定增益的放大器。基于这一出发点，本专利技术公开了一种基于动态偏置的Rail-to-Rail恒定增益放大电路，其具体的技术思想可以表述为I.改静态偏置为动态偏置,将输入共模电压经过一定的变换后作为放大器的偏置；2.改典型的栅极输入为衬底输入，将栅极作为偏置端，通过改变栅极偏置电压的大小来使放大器在共模输入发生变化时保持增益恒定，充分利用了 MOS晶体管四端器件的属性，增加了电路灵活性；3.在衬底与动态偏置之间增加了处于截止区的MOS管，再利用电容将输入信号耦合至输入对管的栅极，从而构建一条具有较高直流阻抗和较低交流阻抗的差分信号通路，提高了放大器输入级的增益。与典型的放大器电路不同，基于动态偏置的Rail-to-Rail恒定增益放大电路是通过改变放大器输入对管的栅极偏置电压来达到Rail-to-Rail恒定增益的目的，其优势主要体现为I.电路可以工作在极低的供电电压下，从图3中的实验结果可以看到，电路在0. 5V供电电压下也能达到很好的Rail-to-Rail恒定放大效果；2.仅采用了一对输入对管，在共模电压发生变化时放大器没有了典型Rail-to-Rail放大器的输入对管过渡缺陷，简化了放大器的频率补偿。附图说明图I本专利技术公开的Rail-to-Rail恒定增益放大电路的结构；图2衬底输入放大电路保持增益恒定时Vg-Vcm关系的实验结果；图3图I中电路的实际输出结果；图4本专利技术公开的Rail-to-Rail恒定增益放大电路的一种应用电路；图5图4中电路的实际输出结果。 具体实施例方式以下结合附图，详细说明本专利技术公开的基于动态偏置的Rail-to-Rail恒定增益放大电路的工作过程。详细的说明分三个方面展开，首先进行简单的理论推导，说明达到恒定跨导的条件，然后在这个基础之上对本专利技术公开的基于动态偏置的Rail-to-Rail恒定增益放大电路进行分析，最后介绍一个简单应用实例并给出了实验结果。图I是本专利技术公开的基于动态偏置的Rail-to-Rail恒定增益放大电路，由动态偏置生成电路、增益提高电路与衬底输入放大电路三部分组成。动态偏置生成电路由三个电阻Rl、R2、R3与PMOS管Ml组成，Rl的一端接差分输入信号的同相端，另一端连接至R2的一端及Ml的背栅，R2的另一端接差分输入信号的反相端，Ml的源极接电源，Ml的漏极连接至R3的一端及增益提高电路中两个PMOS管Mbl、Mb2的源极和背栅，Ml的栅极接偏置电压Vbl，R3的另一端接地。增益提高电路由四个？1 5管她1、1&2、1(1、102组成，MbI的栅极和Mb2的栅极均连接至电源，Mcl的漏极、源极、背栅连接在一起并连接至Mbl的漏极以及衬底输入放大电路中PMOS管M4的栅极，Mc2的漏极、源极、背栅连接在一起并连接至Mb2的漏极以及衬底输入放大电路中PMOS管M5的栅极，Mci的栅极接差分输入信号的同相输入端，Mc2的栅极接差分输入信号的反相输入端。衬底输入放大器由两个NMOS管M2、M3及三个PMOS管M4、M5、M6组成，M6的源极及背栅接电源，M6的栅极接偏置电压Vb2，M6的漏极连接至M4的源极和M5的源极，M4的背栅接差分输入信号的同相输入端，M5的背栅接差分输入信号的反相输入端，M4的漏极连接至M2的漏极并作为差分输出的反相端，M5的漏极连接至M3的漏极并作为差分输出的同相端，M2的栅极与M3的栅极相连并连接至偏置电压Vb3，M2的背栅及源极、M3的背栅及源极均接地。衬底输入的PMOS管的跨导可用如下公式表示 dIDgmb =-^7- ^vSB=gmX2」2:F + VSB= ~MpC—\Vgs~\ Kho I + Vsb 丨-」\ Ι)]χ 2^βφ +y "也即权利要求1.一种恒定增益放大器电路结构，包括 在放大器中米用衬底输入的方式，将共模电压经过一定转换后作为输入对管的栅极偏置电压，从而实现Rail-to-Rail增益恒定；具体电路中包括动态偏置生成电路、增益提高电路与衬底输入放大电路三个组成部分；动态偏置生成电路由三个电阻Rl、R2、R3与PMOS管Ml组成，Rl的一端接差分输入信号的同相端，另一端连接至R2的一端及Ml的背栅，R2的另一端接差分输入信号的反相端，Ml的源极接电源，Ml的漏极连接至R3的一端及增益提高电路中两个PMOS管Mbl、Mb2的源极和背栅，Ml的栅极接偏置电压Vbl，R3的另一端接地；增益提高电路由四个？105管她1、1&21(1、102组成，MbI的栅极和Mb2的栅极均连接至电源，Mcl的漏极、源极、背栅连接在一起并连接至Mbl的漏极以及衬底输入放大电路中PMOS管M4的栅极，Mc2的漏极、源极、背栅连接在一起并连接至Mb2的漏极以及衬底输入放大电路中PMOS管M5的栅极，Mcl的栅极接差分输入信号的同相输入端，Mc2的栅极接差分输入信号的反相输入端；衬底输入放大器由两个NMOS管M2、M3及三个PMOS管M4、M5、M6组成，M6的源极及背栅接电源，M6的栅极接偏置电压Vb2，M6的漏极连接至M4的源极和M5的源极，M4的背栅接差分输入信号的同相输入端，M5的背栅接差分输入信号的反相输入端，M4的漏极连接至M2的漏极并作为差分输出的反相端，M5的漏极连接至M3的漏极并作为差分输出的同相端，M2的栅极与M3的栅极相连并连接至偏置电压Vb3，M2的背栅及源极、M3的背栅及源极均接地。全文摘要本专利技术公开了一种基于动态偏置的Rail-to-Rail恒定增益放大电路，可工作于低供电电压下，当共模输入电压发生变化时电路能自适应的生成所需的动态偏置电压，使得本专利技术公开的放大器在全共模输入范围内具有恒定增益。本专利技术公开的基于动态偏置的Rail-to-Rail恒定增益放大电路由动态偏置生成电路、增益提高电路与衬底输入放本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种恒定增益放大器电路结构，包括：在放大器中采用衬底输入的方式，将共模电压经过一定转换后作为输入对管的栅极偏置电压，从而实现Rail？to？Rail增益恒定；具体电路中包括动态偏置生成电路、增益提高电路与衬底输入放大电路三个组成部分；动态偏置生成电路由三个电阻R1、R2、R3与PMOS管M1组成，R1的一端接差分输入信号的同相端，另一端连接至R2的一端及M1的背栅，R2的另一端接差分输入信号的反相端，M1的源极接电源，M1的漏极连接至R3的一端及增益提高电路中两个PMOS管Mb1、Mb2的源极和背栅，M1的栅极接偏置电压Vb1，R3的另一端接地；增益提高电路由四个PMOS管Mb1、Mb2、Mc1、Mc2组成，Mb1的栅极和Mb2的栅极均连接至电源，Mc1的漏极、源极、背栅连接在一起并连接至Mb1的漏极以及衬底输入放大电路中PMOS管M4的栅极，Mc2的漏极、源极、背栅连接在一起并连接至Mb2的漏极以及衬底输入放大电路中PMOS管M5的栅极，Mc1的栅极接差分输入信号的同相输入端，Mc2的栅极接差分输入信号的反相输入端；衬底输入放大器由两个NMOS管M2、M3及三个PMOS管M4、M5、M6组成，M6的源极及背栅接电源，M6的栅极接偏置电压Vb2，M6的漏极连接至M4的源极和M5的源极，M4的背栅接差分输入信号的同相输入端，M5的背栅接差分输入信号的反相输入端，M4的漏极连接至M2的漏极并作为差分输出的反相端，M5的漏极连接至M3的漏极并作为差分输出的同相端，M2的栅极与M3的栅极相连并连接至偏置电压Vb3，M2的背栅及源极、M3的背栅及源极均接地。...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：窦强，赵振宇，杨方杰，李少青，郭阳，马卓，陈吉华，张民选，何小威，孙岩，乐大珩，
申请(专利权)人：中国人民解放军国防科学技术大学，
类型：发明
国别省市：