CN103001596A - 一种带输出共模失调校正的增益可编程的全差分放大器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种带输出共模失调校正的增益可编程的全差分放大器。本电路由两个单端放大器AMP₁、AMP₂以及一个电阻R₀组成，通过调节R₀的值，可以改变全差分放大器的增益，通过改变运放内的电阻可以改变输出共模电平，从而实现一种带输出共模失调校正的增益可编程的全差分放大器。

Description

一种带输出共模失调校正的增益可编程的全差分放大器

技术领域

本发明主要涉及全差分放大器的设计领域，特指一种带输出共模失调校正的增益可编程的全差分放大器。

背景技术

在现在的模拟CMOS集成电路设计中，特别是射频信号接收器中，由于需要对微弱的射频信号进行量化，通常用ADC将其量化成数字信号，由于射频信号的变化范围通常较大，为了达到ADC最好的特性，通常在ADC的前端都会增加一个可编程增益放大器，其目的是根据射频信号的幅度控制其增益，使得ADC的输入尽可能保持一定的幅度，从而提高ADC的性能；为了保证抗干扰能力强，此可变增益放大器通常采用全差分结构，然而全差分运放都存在一个问题，即输出共模失调。当然有很多的方法可解决输出共模失调的问题，如共模反馈，但无论采用那一种方式，或多或少都存在不足，或精度不够，或非常复杂，而ADC前全差分运放输出共模失调会直接影响到ADC的性能，所以如何解决全差分运放的输出共模失调一直都是一个难点。

发明内容

本发明要解决的问题就在于：针对现有技术存在的技术问题，提出一种带输出共模失调校正的增益可编程的全差分放大器。

本发明提出的解决方案为：电路由两个单端放大器AMP₁、AMP₂以及一个电阻R₀组成，通过调节R₀的值，可以改变全差分放大器的增益，通过改变运放内可变电阻来改变输出共模电平，从而实现一种带输出共模失调校正的增益可编程的全差分放大器。

附图说明

图1是本发明的电路原理示意图；图2是本发明电路的仿真结果示意图；

具体实施方式

以下将结合附图和具体实施对本发明做进一步详细说明。

如图1所示，本电路由两个单端放大器AMP₁、AMP₂以及一个电阻R₀组成，通过调节R₀的值，可以改变全差分放大器的增益，通过改变运放内的电阻可以改变输出共模电平，从而实现一种带输出共模失调校正的增益可编程的全差分放大器；下面对增益控制和输出共模校正两种模式分别予以说明。

◆增益控制

根据如图1的电路结构进行小信号分析，可以推出

$\frac{V_{\mathrm{OUT}1}}{V_{\mathrm{IN}1}}=1+2\·\frac{R_1}{R_0}---\left(1\right)$

$\frac{V_{\mathrm{OUT}2}}{V_{\mathrm{IN}2}}=1+2\·\frac{R_4}{R_0}---\left(2\right)$

AMP₁和AMP₂的电路参数完全相同，即R₁=R₄，所两路增益变化也是相同的，改变R₀，即可改变电路的增益。

◆输出共模校正

如图1所示，在AMP1中，假设PMOS管M0的漏极电流为I₀，在平衡点即输入和输出相等时，流过电阻R₂和电阻R₃的电流相同，即I₀/2，由于偏置电压VB不变，M5、M6处于饱和区，其直流电流相同，即

$I_{M5}=\frac{1}{2}{\mathrm{\μ}}_p{c}_{\mathrm{ox}}{(\mathrm{VDD}-\mathrm{VB}-|V_{\mathrm{THP}}\left|\right)}^2\·[1+{\mathrm{\λ}}_5(\mathrm{VDD}-V_{\mathrm{OUT}1})]---\left(3\right)$

$I_{M6}=\frac{1}{2}{\mathrm{\μ}}_n{c}_{\mathrm{ox}}{(V_{\mathrm{GS}6}-V_{\mathrm{THN}})}^2\·(1+{\mathrm{\λ}}_6{V}_{\mathrm{OUT}1})---\left(4\right)$

现在假设电阻R₂增大r，则NMOS管M₆栅极电压增大rI₀/2，由于M6的V_GS增大，所以I_M6增大，为了保证I_M5=I_M6，V_OUT1必须降低，假设V_OUT1降低ΔV，则

${\mathrm{\ΔI}}_{M5}=\frac{1}{2}{\mathrm{\μ}}_p{c}_{\mathrm{ox}}{(\mathrm{VDD}-\mathrm{VB}-|V_{\mathrm{THP}}\left|\right)}^2\·{\mathrm{\λ}}_5\mathrm{\ΔV}---\left(5\right)$

${\mathrm{\ΔI}}_{M6}=\frac{1}{2}{\mathrm{\μ}}_n{c}_{\mathrm{ox}}{(\frac{I_{0}r}{2}+V_{\mathrm{GS}6}-V_{\mathrm{THN}})}^2\·[1+{\mathrm{\λ}}_6(V_{\mathrm{OUT}1}-\mathrm{\ΔV})]-\frac{1}{2}{\mathrm{\μ}}_n{c}_{\mathrm{ox}}{(V_{\mathrm{GS}6}-V_{\mathrm{THN}})}^2\·(1+{\mathrm{\λ}}_6{V}_{\mathrm{OUT}1})---\left(6\right)$

$\mathrm{\ΔV}=\frac{\frac{1}{2}{\mathrm{\μ}}_n{c}_{\mathrm{ox}}{(\frac{I_{0}r}{2}+V_{\mathrm{GS}6}-V_{\mathrm{THN}})}^2\·(1+{\mathrm{\λ}}_6{V}_{\mathrm{OUT}1})-\frac{1}{2}{\mathrm{\μ}}_n{c}_{\mathrm{ox}}{(V_{\mathrm{GS}6}-V_{\mathrm{THN}})}^2\·(1+{\mathrm{\λ}}_6{V}_{\mathrm{OUT}1})}{\frac{1}{2}{\mathrm{\μ}}_n{c}_{\mathrm{ox}}{(\frac{I_{0}r}{2}+V_{\mathrm{GS}6}-V_{\mathrm{THN}})}^2\·{\mathrm{\λ}}_6+\frac{1}{2}{\mathrm{\μ}}_p{c}_{\mathrm{ox}}{(\mathrm{VDD}-\mathrm{VB}-|V_{\mathrm{THP}}\left|\right)}^2\·{\mathrm{\λ}}_5}---\left(7\right)$

可见ΔV的值取决于电阻变化量r和NMOS管M₆的原始V_GS6；由于运放特性，PMOS管M1、M2栅极电压近似相等，所以R₃的电阻须减小r，以保证两边直流电平平衡，所以R2和R3的电阻值变化的绝对值相同，但方向相反，即一个变大，一个变小。由此可知输出OUT₁的直流电平可以通过改变R₂和R₃的阻值进行调节，同理可以调节AMP₂的电阻R₅和R₆来调节OUT₂的直流电平，且R₅和R₆电阻值变化也是绝对值相同，但方向相反，即一个变大，一个变小，且R₂和R₅变化相同，R₃和R₆变化相同，如此V_OUT1和V_OUT2都变化了ΔV，但是一个是正向变化，一个是反向变化，其输出共模电压的变化量

ΔV_CM＝2·ΔV                                                       (8)

若电源电压VDD、偏置电压VB恒定，则ΔV_CM的正负取决于电阻R₂、R₃、R₅以及R₆的变化方向，其变化的绝对值取决于电阻R₂、R₃、R₅以及R₆变化的绝对值，如图2所示是将R₂和R₅先变大再变小，R₃和R₆按相反的方式变化所得的电路仿真结果示意图。

综上所述，本发明可以实现一种带输出共模失调校正的增益可编程的全差分放大器，具有结构简单，控制精度可调，控制方式灵活的优点。

Claims (1)

1.一种带输出共模失调校正的增益可编程的全差分放大器，其特征在于：

由两个放大器AMP₁、AMP₂以及一个电阻R₀组成； AMP₁由PMOS管M₀、PMOS管M₁、PMOS管M₂、PMOS管M₅、NMOS管M₃、NMOS管M₄、NMOS管M₆、电阻R₁、电阻R₂、电阻R₃以及电容C₁组成，IN₁是AMP₁的输入端口，接到PMOS管M₁的栅极，OUT₁为输出端口，接到PMOS管M₅和NMOS管M₆的漏极以及电阻R₁、电容C₁的一端，电阻R₁另一端连接到PMOS管M₂的栅极，电容C₁另一端连接到NMOS管M₆的栅极、PMOS管M₁的漏极以及NMOS管M₃的漏极，PMOS管M₀、PMOS管M₅的栅极连接到偏置信号VB，它们的源极连接到电源，PMOS管M₁、PMOS管M₂的源极和PMOS管M₀的漏极相连，NMOS管M₄的栅漏短接，并与NMOS管M₃的栅极相连形成电流镜结构，PMOS管M₂漏极与NMOS管M₄的漏极相连，可变电阻R₂、R₃的一端分别连接到NMOS管M₃、M₄的源极，另一端接地，NMOS管M₆的源极接地；AMP₂由PMOS管M₇、PMOS管M₉、PMOS管M₁₀、PMOS管M₁₁、NMOS管M₁₂、NMOS管M₁₃、NMOS管M₈、电阻R₄、电阻R₅、电阻R₆以及电容C₂组成，其连接方式与AMP₁完全一致，IN₂为AMP₂输入端口，OUT₂为输出端口；电阻R₀两端分别连接到AMP₁中PMOS管M₂的栅极和AMP₂中PMOS管M₁₀的栅极；通过调节R₀的值，可以改变全差分放大器的增益，通过调节运放内的可变电阻R₂、R₃、R₅和R₆，可以校正输出共模电平，从而实现一种带输出共模失调校正的增益可编程的全差分放大器。

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