一种宽范围线性连续可调的高精度电流放大器

摘要

本发明将提供了一种电流放大器的新结构，通过使得电流放大器中NMOS管工作在三极管区，从而得到一种宽范围线性连续可调的高精度的电流放大器。

权利要求

1.一种电流放大器，其特征在于：

所述电流放大器具有由NMOS管M1、M2、MI1 、MI2和M5以及M6构成的高精度电流镜；

所述NMOS管MI1的源极和漏极分别连接NMOS管M1的漏极和NMOS管M5的漏极，所述NMOS管MI2的源极和漏极分别连接NMOS管M2的漏极和NMOS管M6的漏极；所述NMOS管M1和M2的漏极之间接有电阻R2，NMOS管M5和M6的漏极之间接有电阻R1，并且NMOS管M1和M2的栅极分别连接NMOS管M6和M5的漏极；

所述电流放大器还包括NMOS管M4，该NMOS管M4和M5构成的共源共栅电流镜，从而使得NMOS管M4漏极端的输入电流Iin与NMOS管M5的漏电流ID5相等；

所述电流放大器还具有NMOS管M3、MI3、M7以及M8，其中NMOS管MI3的源极和漏极分别连接NMOS管M3的漏极和NMOS管M7的漏极；NMOS管M2与M3、M6与M7以及M7与M8分别构成共源共栅电流镜，从而使得NMOS管M8漏极端的输出电流IOUT、NMOS管M2的漏电流ID2以及NMOS管M6的漏电流ID6相等；

所述电流放大器还进一步包括三个运算放大器A1、A2和A3，所述运算放大器A1的正输入端的输入电压为VA，其负输入端连接NMOS管M1的漏极，其输出端连接NMOS管MI1的栅极，从而使得NMOS管M1的漏极电压被钳制为VA；所述运算放大器A2和A3的正输入端相互连接，负输入端分别连接NMOS管M2和M3的漏极，而输出端分别连接NMOS管MI2和MI3的栅极，从而使得NMOS管M2的漏极电压被钳制为运算放大器A2和A3的正输入端电压VB;所述NMOS管M4、M5、M6、M7和M8的源极连接电源，NMOS管M1、M2和M3的源极接地。

2.根据权利要求1所述的电流放大器，其特征在于：

所述电阻R2的阻值为电阻R1的两倍，从而使得所述电流放大器的增益满足等式： 。

3.根据权利要求1所述的电流放大器，其特征在于：

所述NMOS管M1、M2与M3的宽长比相同，NMOS管MI1和MI2的宽长比相同，NMOS管M4、M5、M6、M7和M8的宽长比相同。

说明书

一种宽范围线性连续可调的高精度电流放大器

技术领域

[0001] 本申请涉及一种电流放大器，特别是一种宽范围线性连续可调的高精度电流放大器。

背景技术

[0002] 增益可调放大器(VGA，Variable Gain Amplify)是通信电路中的一个常用模块，其主要作用是当输入信号幅度变化很大时，调整收发链路的增益使得输出信号幅度基本稳定，便于后续处理模块对信号再处理。电流调节式(Current Steering)结构的增益可调放大器是一种常见的线性增益结构的增益可调放大器，其通常是通过调整控制电压来调节输入输出电流的比例，从而来改变放大器的增益。

[0003] 图1为传统的线性增益结构的电流放大器。这个线性增益结构的电流放大器的电流增益Ai为：

[0004]

[0005] (1.1)

[0006] 由于MOS管M4和M5构成一组电流镜，而MOS管M6和M7构成另一组电流镜，可以得出下式：

[0007] IOUT＝IDM6＝IDM2

[0008] (1.2)

[0009] IIN＝IDM5＝IDM1

[0010] (1.3)

[0011] 调节VA和VB，从而使M1和M2工作在深三极管区，所以M1和M2的漏极电流为：

[0012]

[0013] (1.4)

[0014]

[0015] (1.5)

[0016] 式(1.4)和(1.5)中，(W/L)1和(W/L)2分别为NMOS管M1和M2的宽长比、VGSM1和VGSM2分别为NMOS管M1和M2的栅源电压、VDSM1和VDSM2分别为NMOS管M1和M2的漏源电压、VthM1和VthM2分别为NMOS管M1和M2的阈值电压：

[0017] 参见图1，M1的漏源电压VDSM1被运算放大器(opamp)A1和NMOS管M11钳制在VA。如果VA足够小，M1将工作在深三极管区并且 足够小，可以将其忽略。所以式(1.4)可以被写为：

[0018]

[0019] (1.6)

[0020] 同理，M2的漏源电压VDSM2被运算放大器(opamp)A2和NMOS管M12钳制在VB。如果VB足够小，M2将工作在深三极管区并且 足够小，可以将其忽略，式(1.5)可以被写为：

[0021]

[0022] (1.7)

[0023] 如果M1和M2采用完全相同的MOS管，那么(W/L)1＝(W/L)2、VGSM1＝VGSM2、VthM1＝VthM2，根据式(1.1)、(1.2)、(1.3)、(1.6)和(1.7)，因此电流增益Ai为：

[0024]

[0025] (1.8)

[0026] 由式(1.8)可知，这个电流放大器的增益等于VB和VA的比。通过调整VB和VA的比例，电流放大器的增益是可以调节的。

[0027] 然而这个结构的缺陷在于，M1和M2必须工作在深三极管区。增益与VB、VA之比之间的线性关系很大程度上依赖于VB和VA的值。这就是说VB和VA必须足够小，因此受限于此，传统电流放大器的可调范围不大。

发明内容

[0028] 针对传统的电流放大器增益与VB、VA之比之间的线性关系很大程度上依赖于足够小的VB和VA的值，本发明将提供了一种电流放大器的新结构，这个新结构提供了一种宽范围线性连续可调的高精度电流放大器。

[0029] 本发明的电流放大器包括：具有由NMOS管M1、M2、MI1、MI2和M5以及M6构成的高精度电流镜；所述NMOS管MI1的源极和漏极分别连接NMOS管M1的漏极和NMOS管M5的漏极，所述NMOS管MI2的源极和漏极分别连接NMOS管M2的漏极和NMOS管M6的漏极；所述NMOS管M1和M2的漏极之间接有电阻R2，NMOS管M5和M6的漏极之间接有电阻R1，并且NMOS管M1和M2的栅极分别连接NMOS管M6和M5的漏极；所述电流放大器还包括NMOS管M4，该NMOS管M4和M5构成的共源共栅电流镜，从而使得NMOS管M4漏极端的输入电流Iin与NMOS管M5的漏电流ID5相等；所述电流放大器还具有NMOS管M3、MI3、M7以及M8，其中NMOS管MI3的源极和漏极分别连接NMOS管M3的漏极和NMOS管M7的漏极；NMOS管M2与M3、M6与M7以及M7与M8分别构成共源共栅电流镜，从而使得NMOS管M8漏极端的输出电流IOUT、NMOS管M2的漏电流ID2以及NMOS管M6的漏电流ID6相等；所述电流放大器还进一步包括三个运算放大器A1、A2和A3，所述运算放大器A1的正输入端的输入电压为VA，其负输入端连接NMOS管M1的漏极，其输出端连接NMOS管MI1的栅极，从而使得NMOS管M1的漏极电压被钳制为VA；所述运算放大器A2和A3的正输入端相互连接，负输入端分别连接NMOS管M2和M3的漏极，而输出端分别连接NMOS管MI2和MI3的栅极，从而使得NMOS管M2的漏极电压被钳制为运算放大器的正输入端电压VB；所述NMOS管M4、M5、M6、M7和M8的源极连接电源，NMOS管M1、M2和M3的源极接地。

[0030] 所述电阻R2的阻值为电阻R1的两倍，从而使得所述电流放大器的增益满足等式：

[0031] 所述NMOS管M1、M2与M3的宽长比相同，NMOS管MI1和MI2的宽长比相同，NMOS管M4、M5、M6、M7和M8的宽长比相同。

附图说明

[0032] 图1为传统的线性增益结构电流放大器的电路结构；

[0033] 图2为本发明提出的宽可调范围、高线性度以及高精度电流放大器的电路结构；

[0034] 图3为本发明提出的基于华虹NEC的BCD工艺的电流放大器的电路结构；

[0035] 图4为图3所示电路结构的仿真结果。

具体实施方式

[0036] 图2为本发明提出的宽可调范围、高线性度以及高精度电流放大器的电路结构。

[0037] 由图2可知，通过分别让VDSM1等于VA和让VDSM2等于VB，使得M1和M2工作在三极管区。所以M1和M2的漏极电流分别为：

[0038]

[0039] (2.1)

[0040]

[0041] (2.2)

[0042] 由式(2.1)和(2.2)，可得：

[0043]

[0044] (2.3)

[0045] 选用一对宽长比相同，且匹配良好的NMOS管作为M2和M3，由图2可知，M2与M3构成一对共源共栅电流镜，同时用运算放大器A3和NMOS管MI3构成一个与运算放大器A2和NMOS管MI2相同的结构，使得M3的漏极电压等于M2的漏极电压。于是由于M1和M2所构成的电流镜的作用，M2的漏极电流ID2等于M3的漏极电流ID3。即

[0046] ID2＝ID3

[0047] (2.4)

[0048] 在图2中，对于MOS管M7、MI3和M3构成的结构，电流从电源经过M7、MI3、M3到接地只有一条电流通路，所以流经M7、MI3和M3的电流都相同，即：

[0049] ID3＝ID7

[0050] (2.5)

[0051] 同时，由于M6和M7构成了一对共源共栅电流镜，只要M6和M7的宽长比相同，我们就可以得到：

[0052] ID7＝ID6

[0053] (2.6)

[0054] 综合式(2.4)、(2.5)和(2.6)，可以得到：

[0055] ID2＝ID6

[0056] (2.7)

[0057] 将M1，M2看作一个广义电流点，流入它们的电流有ID5，ID6，流出它们的电流有ID1，ID2。由基尔霍夫定律(KCL)，我们可以得到等式：

[0058] ID5+ID6＝ID1+ID2

[0059] (2.8)

[0060] 由式(2.7)和(2.8)，我们可以得到：

[0061] ID1＝ID5

[0062] (2.9)

[0063] 同理，将MI1和MI2看作一个广义电流点，由KCL定律，可得出：

[0064] ID5+ID6+IR1＝ID1+ID2+IR2

[0065] (2.10)

[0066] 综合式(2.7)、(2.9)和(2.10)，我们可以得到：

[0067] IR1＝IR2

[0068] (2.11)

[0069] 再次参见图2，IR1和IR2可通过下面的公式计算得出：

[0070]

[0071] (2.12)

[0072]

[0073] (2.13)

[0074] 通过选取合适的电阻，使得R1＝R，R2＝2R＝2R1，结合式(2.11)、(2.12)和(2.13)，我们可以得到如下结果：

[0075]

[0076] (2.14)

[0077] 再次参见图2，节点G1的电压即为MOS管M1的栅源电压，即VG1＝VGSM1，同样的，节点G2的电压即为MOS管M2的栅源电压，即VG2＝VGSM2，因此式(2.14)可以改写为：

[0078]

[0079] (2.15)

[0080] 通过采用宽长比相同并且匹配良好的MOS管M1和M2，从而使得MOS管M1和M2的阈值电压VthM1和VthM2相同，由式(2.15)，式(2.3)可以被改写：

[0081]

[0082] (2.16)

[0083] 如图2，基于电流镜M4与M5，M7与M8，这个电流放大器的增益Ai如下式所示[0084]

[0085] (2.17)

[0086] 由上式可见，增益Ai与两个输入电压VB和VA的比成线性关系。并且从上面的分析可知，由于本发明的电流放大器的增益无需忽略 和 因此，本发明的电流放大器具有更优的线性度和精确度。并且，该电流放大器中的M1和M2都工作在三极管区，而非传统电流放大器所要工作的深三极管区，因此其可调范围较传统的电流放大器更广。

[0087] 下面将根据图3和图4来说明本发明的电流放大器的一个优选实施例。

[0088] 在图3所示的电路结构中，其与图2所示的电路结构基本相同。图2和图3的区别仅在于图2中M6、M7和M8构成基本的共源共栅电流镜，而图3中该电流镜则由M6、M61、M7、M71、M8和M81构成低压共源共栅电流镜，这可以使得电流镜的输出摆幅更小，从而提高精度。同样的，在图2中M4和M5构成的基本共源共栅电流镜也相应的改为低压共源共栅电流镜。除此以外，图3的电路结构与图2的电路结构相同，并且图3所示电路的工作原理与图2也完全相同，在此不再赘述。

[0089] 根据图3所示的电路结构，采用华虹NEC的BCD工艺，并且将图3中各个元件的参数设定如下：

[0090] MOS管M1、M2、M3：宽长比(W/L)＝15μm/8μm；

[0091] MOS管MI1、MI2：宽长比(W/L)＝50μm/0.8μm；

[0092] MOS管M4、M5、M6、M7、M8：宽长比(W/L)＝80μm/2μm；

[0093] MOS管M41、M51、M61、M71、M81：宽长比(W/L)＝50μm/0.8μm；

[0094] 电阻：R1＝40kΩ、R2＝80kΩ、R3＝50kΩ；

[0095] 通过计算机仿真软件对图3所示电路结构进行仿真，得出如图4所示的仿真结果。

[0096] 如图4所示，仿真时设置Iin＝40μA，VA＝100mV，VB从50mV变化到200mV，输出结果Iout从20.25μA变化到78.41μA。并且从图4可以清晰的得出，电流增益呈现线性变化。

[0097] 再次参见图4，当VB＝200mV时，仿真结果IOUT＝-78.41μA，即：VB/VA＝200mV/100mV＝2，而Iout/Iin＝-78.41μA/(40μA)＝1.96，因此，通过调整VB和VA，可以得到精确的电流增益，其误差仅为(2-1.96)/2＝2％。

[0098] 通过上文的详细叙述，本发明提供了一种电流放大器的新结构，这个新结构的电流放大器具有宽范围、线性连续可调以及高精度。

[0099] 应当注意的是，上述实施例仅仅只是为了便于说明本发明，而并非限制本发明。本领域技术人员在不脱离本发明精神的情况下，可以对本发明做出适当的修改。而本发明的保护范围由所附的权利要求书来限定。