本發明涉及放大器技術領域，特別涉及一種應用信號衰減技術的跨導放大器及方法。

背景技術：

跨導運算放大器(OTA)是很多模擬電路設計的一個基本的模塊，像是乘法器、連續時間濾波器、壓控振蕩器，連續時間sigma-delta轉換器等等，都包含跨導放大器。這是一個輸入模擬值為電壓，輸出值為電流的模擬器件，輸入電壓與輸出電流的比值稱為跨導。跨導放大器最重要的指標就是線性度，它意味著電壓轉換成電流的失真程度，這個值越小，這個跨導放大器的性能越好，尤其對于sigma-delta模數轉換器這種高分辨率的轉換器，它們需要一個高的線性度去滿足信噪比的實際要求。

帶寬是也運算放大器的重要指標，決定著其的動態特性，然而帶寬往往又由跨導電容比直接決定，跨導在電路運行中不是一個穩定的常量，會隨著溫度的升降、輸入電壓的變化等一系列參數的變化而改變，所以需要一個補償電路來固定跨導，使其相對穩定為一個固定的值，以便于電路的設計及應用。另一方面，過大的電源電壓會導致整體電路功耗上升，不能滿足現在集成電路設計的應用要求。

技術實現要素：

本發明提供一種應用信號衰減技術的跨導放大器及方法，所要解決的技術問題是：如何降低輸入電壓和輸出電壓之間的影響，提高線性度、增益、放大精度。

本發明解決上述技術問題的技術方案如下：一種應用信號衰減技術的跨導放大器，包括差分輸入級、信號衰減電路、偏置電流源、第一電流鏡、第二電流鏡和第三電流鏡；

所述差分輸入級與所述信號衰減電路連接，用于輸入電壓Vin+和電壓Vin-，生成差分輸入電流；

所述信號衰減電路與所述差分輸入級連接，用于接入電源電壓VDD，對差分輸入電流進行信號衰減，生成電流衰減信號；

所述偏置電流源分別與所述差分輸入級、信號衰減電路、第一電流鏡和第二電流鏡連接，用于接入電源電壓VDD，根據電流衰減信號進行導通向所述第一電流鏡和第二電流鏡輸出偏置電流；

所述第一電流鏡和第二電流鏡均與所述第三電流鏡連接，所述第一電流鏡和第二電流鏡均用于對偏置電流進行復制，分別生成復制電流傳輸至第三電流鏡；

所述第三電流鏡，用于增大單位增益帶寬，對復制電流進行增益放大，輸出放大信號I_out。

本發明的有益效果是：差分輸入級能增加對噪聲的抗干擾能力，還能增大電壓擺幅；信號衰減電路能提高線性度；第一電流鏡和第二電流鏡采用低壓共源共柵結構，具有非常低的輸入電阻和非常高的輸出電阻，在起到精準復制電流作用，同時還可以盡可能的減小該模塊對電壓余度的消耗；第三電流鏡能提高壓擺率，增大單位增益帶寬，高開環增益。

在上述技術方案的基礎上，本發明還可以做如下改進。

進一步，所述差分輸入級包括N型MOS管M1～M2和MOS管M5，所述MOS管M1的柵極和MOS管M2的柵極分別接入差分輸入電壓Vin+和電壓Vin-，所述MOS管M1和MOS管M2的源極均與MOS管M5的漏極連接；所述MOS管M5的柵極接地，其源極接入低電平VSS；所述MOS管M1和MOS管M2的漏極均與信號衰減電路連接。

采用上述進一步方案的有益效果是：MOS管M1和MOS管M2能提升對噪聲的抗干擾能力，還能增大電壓擺幅。

進一步，所述MOS管M1和MOS管M2的尺寸相同，所述MOS管M1的跨導與所述MOS管M2的跨導相等，即g_m1＝g_m2。

采用上述進一步方案的有益效果是：能增大電壓擺幅。

進一步，所述信號衰減電路包括P型MOS管M3～M4，所述MOS管M3和MOS管M4的漏極分別與所述MOS管M1和MOS管M2的漏極連接，所述MOS管M3的漏極還與其柵極連接，所述MOS管M4的漏極還與其柵極連接，所述MOS管M3和MOS管M4的源極均與電源電壓VDD連接。

采用上述進一步方案的有益效果是：MOS管M3和MOS管M4能對差分輸入電流進行信號衰減，能控制偏置電流源，改善輸出信號的線性度。

進一步，所述偏置電流源包括MOS管M6～M8，所述MOS管M6的漏極與電源電壓VDD連接，所述MOS管M6的柵極接地，所述MOS管M6的源極分別與MOS管M7的漏極和MOS管M8的漏極連接；MOS管M7的柵極和MOS管M8的柵極分別與MOS管M1的漏極和MOS管M2的漏極連接；所述MOS管M7和MOS管M8的源極分別與所述第一電流鏡和第二電流鏡連接。

采用上述進一步方案的有益效果是：MOS管M6、MOS管M7和MOS管M8能為第一電流鏡和第二電流鏡提供偏置電流，降低輸入電壓對輸出電壓的影響，改善輸出信號的線性度。

進一步，所述第一電流鏡包括N型MOS管M9～M13，所述MOS管M9的漏極接入電源電壓VDD，其柵極接地，其源極與所述MOS管M11的漏極連接；所述MOS管M10和MOS管M11的柵極均接入偏置電壓VB1，所述MOS管M10和MOS管M11的源極分別與所述MOS管M12和MOS管M13的漏極連接，所述MOS管M10的漏極與第三電流鏡連接，所述MOS管M11還與所述MOS管M7的源極連接；所述MOS管M12和MOS管M13的源極均接入低電平VSS，所述MOS管M12和MOS管M13的柵極均與所述M9的源極連接。

進一步，所述第二電流鏡包括N型MOS管M14～M18，所述MOS管M14的漏極接入電源電壓VDD，其柵極接地，其源極與所述MOS管M15的漏極連接；所述MOS管M15和MOS管M16的柵極均接入偏置電壓VB1，所述MOS管M15和MOS管M16的源極分別與所述MOS管M17和MOS管M18的漏極連接，所述MOS管M16的漏極與所述第三電流鏡連接，所述MOS管M15還與所述MOS管M8的源極連接；所述MOS管M17和MOS管M18的源極均接入低電平VSS；所述MOS管M17和MOS管M18的柵極均與所述M16的漏極連接。

采用上述進一步方案的有益效果是：N型MOS管M9～M13和N型MOS管M14～M18構成低壓共源共柵結構，具有非常低的輸入電阻和非常高的輸出電阻，在起到精準復制電流作用的同時還可以盡可能的減小對電壓余度的消耗。

進一步，所述MOS管M10、MOS管M11、MOS管M15和MOS管M16的柵極接入的偏置電壓VB1均為100mV。

采用上述進一步方案的有益效果是：偏置電壓VB1能克服MOS管失配以及工藝角的影響，消除輸出增益的誤差，實現無誤差放大。

進一步，所述第三電流鏡包括P型MOS管M19、MOS管M20、MOS管M22、MOS管M23、MOS管M25、MOS管M27和N型MOS管M21、MOS管M24、MOS管M26，所述MOS管M19和MOS管M22的源極均與電源電壓VDD連接；所述MOS管M19的柵極與MOS管M22的柵極連接，所述MOS管M19的漏極分別與所述MOS管M20的源極和MOS管M10的漏極連接；所述MOS管M22的漏極與所述MOS管M23的源極連接；所述MOS管M20的柵極與所述MOS管M23的柵極連接，所述MOS管M22的漏極分別與所述MOS管M21的漏極和MOS管M19的漏極連接，所述MOS管M21的源極接入低電平VSS，其柵極接地；所述MOS管M23的漏極分別與所述MOS管M24的漏極和所述MOS管M25的柵極連接，所述MOS管M24的源極接入低電平VSS，其柵極接地；所述MOS管M25的源極接入高電平VDD，其漏極分別與所述MOS管M26的漏極和MOS管M27的柵極連接；所述MOS管M26的柵極接地，其源極接入接入低電平VSS；所述MOS管M27的源極與和MOS管M22的漏極連接，所述MOS管M27的漏極分別與MOS管M16的漏極和輸出端連接。

采用上述進一步方案的有益效果是：P型MOS管M19、MOS管M20、MOS管M22、MOS管M23、MOS管M25、MOS管M27和N型MOS管M21、MOS管M24、MOS管M26構成共源共柵結構，提高壓擺率，增大單位增益帶寬，高開環增益。

本發明解決上述技術問題的另一技術方案如下：一種應用信號衰減技術的跨導放大器的運作方法，包括以下步驟：

步驟S1.差分輸入級輸入電壓Vin+和電壓Vin-，生成差分輸入電流；

步驟S2.信號衰減電路接入電源電壓VDD，對差分輸入電流進行信號衰減，生成電流衰減信號；

步驟S3.偏置電流源接入電源電壓VDD，根據電流衰減信號進行導通向所述第一電流鏡和第二電流鏡輸出偏置電流；

步驟S4.第一電流鏡和第二電流鏡均對偏置電流進行復制，分別生成復制電流傳輸至第三電流鏡；

步驟S5。第三電流鏡增大單位增益帶寬，對復制電流進行增益放大，輸出放大信號I_out。

本發明的有益效果是：差分輸入級能增加對噪聲的抗干擾能力，還能增大電壓擺幅；信號衰減電路能提高線性度；第一電流鏡和第二電流鏡采用低壓共源共柵結構，具有非常低的輸入電阻和非常高的輸出電阻，在起到精準復制電流作用，同時還可以盡可能的減小該模塊對電壓余度的消耗；第三電流鏡能提高壓擺率，增大單位增益帶寬，高開環增益。

附圖說明

圖1為本發明一種應用信號衰減技術的跨導放大器的電路原理圖；

圖2為本發明一種應用信號衰減技術的跨導放大器的輸入級小信號模型原理圖；

圖3為本發明一種應用信號衰減技術的跨導放大器的小信號模型原理圖；

圖4為本發明一種應用信號衰減技術的跨導放大器的交流小信號幅頻圖；

圖5為本發明一種應用信號衰減技術的跨導放大器的交流小信號相頻圖；

圖6為本發明一種應用信號衰減技術的跨導放大器運行方法的流程圖。

附圖中，各標號所代表的部件列表如下：

1、差分輸入級，2、信號衰減電路，3、偏置電流源，4、第一電流鏡，5、第二電流鏡，6、第三電流鏡。

具體實施方式

以下結合附圖對本發明的原理和特征進行描述，所舉實例只用于解釋本發明，并非用于限定本發明的范圍。

如圖1所示，一種應用信號衰減技術的跨導放大器，包括差分輸入級1、信號衰減電路2、偏置電流源3、第一電流鏡4、第二電流鏡5和第三電流鏡6；

所述差分輸入級1與所述信號衰減電路2連接，用于輸入電壓Vin+和電壓Vin-，生成差分輸入電流；

所述信號衰減電路2與所述差分輸入級1連接，用于接入電源電壓VDD，對差分輸入電流進行信號衰減，生成電流衰減信號；

所述偏置電流源3分別與所述差分輸入級1、信號衰減電路2、第一電流鏡4和第二電流鏡5連接，用于接入電源電壓VDD，根據電流衰減信號進行導通向所述第一電流鏡4和第二電流鏡5輸出偏置電流；

所述第一電流鏡4和第二電流鏡5均與所述第三電流鏡6連接，所述第一電流鏡4和第二電流鏡5均用于對偏置電流進行復制，分別生成復制電流傳輸至第三電流鏡6；

所述第三電流鏡6，用于增大單位增益帶寬，對復制電流進行增益放大，輸出放大信號I_out；

差分輸入級1能增加對噪聲的抗干擾能力，還能增大電壓擺幅；信號衰減電路2能提高線性度；第一電流鏡4和第二電流鏡5采用低壓共源共柵結構，具有非常低的輸入電阻和非常高的輸出電阻，在起到精準復制電流作用，同時還可以盡可能的減小該模塊對電壓余度的消耗；第三電流鏡6能提高壓擺率，增大單位增益帶寬，高開環增益。

上述實施例中，所述差分輸入級1包括N型MOS管M1～M2和MOS管M5，所述MOS管M1的柵極和MOS管M2的柵極分別接入差分輸入電壓Vin+和電壓Vin-，所述MOS管M1和MOS管M2的源極均與MOS管M5的漏極連接；所述MOS管M5的柵極接地，其源極接入低電平VSS；所述MOS管M1和MOS管M2的漏極均與信號衰減電路2連接；所述MOS管M1和MOS管M2的尺寸相同，所述MOS管M1的跨導與所述MOS管M2的跨導相等，即g_m1＝g_m2；MOS管M1和MOS管M2能提升對噪聲的抗干擾能力，還能增大電壓擺幅。

上述實施例中，所述信號衰減電路2包括P型MOS管M3～M4，所述MOS管M3和MOS管M4的漏極分別與所述MOS管M1和MOS管M2的漏極連接，所述MOS管M3的漏極還與其柵極連接，所述MOS管M4的漏極還與其柵極連接，所述MOS管M3和MOS管M4的源極均與電源電壓VDD連接；MOS管M3和MOS管M4能對差分輸入電流進行信號衰減，能控制偏置電流源，改善輸出信號的線性度。

上述實施例中，所述偏置電流源3包括MOS管M6～M8，所述MOS管M6的漏極與電源電壓VDD連接，所述MOS管M6的柵極接地，所述MOS管M6的源極分別與MOS管M7的漏極和MOS管M8的漏極連接；MOS管M7的柵極和MOS管M8的柵極分別與MOS管M1的漏極和MOS管M2的漏極連接；所述MOS管M7和MOS管M8的源極分別與所述第一電流鏡4和第二電流鏡5連接；MOS管M6、MOS管M7和MOS管M8能為第一電流鏡4和第二電流鏡5提供偏置電流，降低輸入電壓對輸出電壓的影響，改善輸出信號的線性度。

上述實施例中，所述第一電流鏡4包括N型MOS管M9～M13，所述MOS管M9的漏極接入電源電壓VDD，其柵極接地，其源極與所述MOS管M11的漏極連接；所述MOS管M10和MOS管M11的柵極均接入偏置電壓VB1，所述MOS管M10和MOS管M11的源極分別與所述MOS管M12和MOS管M13的漏極連接，所述MOS管M10的漏極與第三電流鏡6連接，所述MOS管M11還與所述MOS管M7的源極連接；所述MOS管M12和MOS管M13的源極均接入低電平VSS，所述MOS管M12和MOS管M13的柵極均與所述M9的源極連接；所述第二電流鏡5包括N型MOS管M14～M18，所述MOS管M14的漏極接入電源電壓VDD，其柵極接地，其源極與所述MOS管M15的漏極連接；所述MOS管M15和MOS管M16的柵極均接入偏置電壓VB1，所述MOS管M15和MOS管M16的源極分別與所述MOS管M17和MOS管M18的漏極連接，所述MOS管M16的漏極與所述第三電流鏡6連接，所述MOS管M15還與所述MOS管M8的源極連接；所述MOS管M17和MOS管M18的源極均接入低電平VSS；所述MOS管M17和MOS管M18的柵極均與所述M16的漏極連接；N型MOS管M9～M13和N型MOS管M14～M18構成低壓共源共柵結構，具有非常低的輸入電阻和非常高的輸出電阻，在起到精準復制電流作用的同時還可以盡可能的減小對電壓余度的消耗；所述MOS管M10、MOS管M11、MOS管M15和MOS管M16的柵極接入的偏置電壓VB1均為100mV；偏置電壓VB1能克服MOS管失配以及工藝角的影響，消除輸出增益的誤差，實現無誤差放大；

上述實施例中，所述第三電流鏡6包括P型MOS管M19、MOS管M20、MOS管M22、MOS管M23、MOS管M25、MOS管M27和N型MOS管M21、MOS管M24、MOS管M26，所述MOS管M19和MOS管M22的源極均與電源電壓VDD連接；所述MOS管M19的柵極與MOS管M22的柵極連接，所述MOS管M19的漏極分別與所述MOS管M20的源極和MOS管M10的漏極連接；所述MOS管M22的漏極與所述MOS管M23的源極連接；所述MOS管M20的柵極與所述MOS管M23的柵極連接，所述MOS管M22的漏極分別與所述MOS管M21的漏極和MOS管M19的漏極連接，所述MOS管M21的源極接入低電平VSS，其柵極接地；所述MOS管M23的漏極分別與所述MOS管M24的漏極和所述MOS管M25的柵極連接，所述MOS管M24的源極接入低電平VSS，其柵極接地；所述MOS管M25的源極接入高電平VDD，其漏極分別與所述MOS管M26的漏極和MOS管M27的柵極連接；所述MOS管M26的柵極接地，其源極接入接入低電平VSS；所述MOS管M27的源極與和MOS管M22的漏極連接，所述MOS管M27的漏極分別與MOS管M16的漏極和輸出端連接；

P型MOS管M19、MOS管M20、MOS管M22、MOS管M23、MOS管M25、MOS管M27和N型MOS管M21、MOS管M24、MOS管M26構成共源共柵結構，提高壓擺率，增大單位增益帶寬，高開環增益。

MOS管M3和MOS管M4工作在飽和區，然后連接所產生的電壓V_G3.4為:

V_G3.4＝V_dd-V_SG3.4

同時，

V_SG3.4＝V_SD3.4＝V_{SD3.4_sat}+|V_TH|

上式中V_G3.4分別為MOS管M3、M4的柵極電壓，V_DD為電源電壓，V_SG3.4為MOS管M3、M4的源級與柵極之間的電壓，V_TH為MOS管的閾值電壓；

β_p是晶體管的跨導。

MOS管M9、MOS管M10、MOS管M11、MOS管M12、MOS管M13和MOS管M14、MOS管M15、MOS管M16、MOS管M17、MOS管M18分別組成了第一電流鏡4和第二電流鏡5，第一電流鏡4和第二電流鏡5作為翻轉電壓跟隨器，達到一個低的輸入阻抗、搞輸出阻抗的目的，他們的輸入輸出電阻如下：

R_out＝r₁₀r₁₂g_m12

其中g_m為MOS管的跨導，r_o為對應MOS管的輸出電阻。

MOS管M19、MOS管M20、MOS管M21、MOS管M22、MOS管M23、MOS管M24、MOS管M25、MOS管M26和MOS管M27構成了第三電流鏡6，其中輸入級作為一個翻轉電壓跟隨器，輸出級則以共源共柵晶體管的形式來實現，因此，這個電流鏡具有一個大擺率、大的單位增益帶寬一個高的開環增益等優點。第三電流鏡6具有一個很低的輸入阻抗，很高的輸出阻抗的優點，它的輸入輸出電阻如下式所示：

R_out＝g_m25r_o25g_m27g_m23r₀₂₃r_o22。

MOS管M3和MOS管M4工作工作在飽和區，這個差分輸入對的電壓如下式所示：

I_ds1和I_ds2是兩個干路電流可以表述為：

二極管形式連接的P型MOS管的差分柵極電壓可以描述為：

在上式中高階的因子可以忽略，所以上式等于

其中

m為衰減因子，

現在這個差分電壓輸入到一個通用跨導放大器其輸出電流可以表示為：

代入ΔV_g，這個輸出電流可以寫成：

忽略高階因子，跨導和三階諧波失真為：

上述等式顯示該運算放大器的跨導G_m與的值成反比，三階諧波失真HD₃與m的值成反比，所以增加m的值可以減小三階諧波失真并增加線性度。

輸入級的小信號衰減如圖2所示，差分輸入級Vin+和Vin-如下式所示：

基于上式，差分輸入電壓可以描述為：

式中

F₁＝r_o5(1+g_m3r_o3)+r_o3

F₃＝r_o5(1+g_m3r_o3)

F₂＝r_o5(1+g_m4r_o4)+r_o4

F₄＝r_o5(1+g_m4r_o4)

考慮到g_mir_oi遠遠大于1，且MOS管M1和MOS管M2的長寬比還相等，所以該差分輸入的電壓可以描述為：

圖3是整個電路的小信號模型，由圖可知：

由上式可知，差分輸入電壓可以描述為：

式中

V_ds13＝E₁I_ds1

V_ds17＝E₂I_ds2

其中

將上式代入V_d13和V_d17，并通過近似1+g_mir_oi＝g_mir_oi，MOS管M1和MOS管M2的長寬比也是相同的，E₁和E₂也相等，所以說輸出電流可以描述為：

本專利所得交流小信號幅頻結果如圖4所示，圖4中橫坐標為頻率，單位為Hz，縱坐標為增益，單位為dB；圖5為本專利多的交流小信號的相頻曲線，圖5中橫坐標為頻率，單位為Hz，縱坐標為相位，單位為deg。

圖4和圖5可以看到本專利的相位裕度為70.5°，可以保證電路系統的穩定，且直流增益為72.7dB，單位增益帶寬為207.3MHz。

實施例2：

一種應用信號衰減技術的跨導放大器的運作方法，包括以下步驟：

步驟S1.差分輸入級1輸入電壓Vin+和電壓Vin-，生成差分輸入電流；

步驟S2.信號衰減電路2接入電源電壓VDD，對差分輸入電流進行信號衰減，生成電流衰減信號；

步驟S3.偏置電流源3接入電源電壓VDD，根據電流衰減信號進行導通向所述第一電流鏡4和第二電流鏡5輸出偏置電流；

步驟S4.第一電流鏡4和第二電流鏡5均對偏置電流進行復制，分別生成復制電流傳輸至第三電流鏡6；

步驟S5。第三電流鏡6增大單位增益帶寬，對復制電流進行增益放大，輸出放大信號I_out。

差分輸入級1能增加對噪聲的抗干擾能力，還能增大電壓擺幅；信號衰減電路2能提高線性度；第一電流鏡4和第二電流鏡5采用低壓共源共柵結構，具有非常低的輸入電阻和非常高的輸出電阻，在起到精準復制電流作用，同時還可以盡可能的減小該模塊對電壓余度的消耗；第三電流鏡6能提高壓擺率，增大單位增益帶寬，高開環增益。

以上所述僅為本發明的較佳實施例，并不用以限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護范圍之內。