CN112039444B - 一种提升正温度系数变化范围的增益放大器 - Google Patents

一种提升正温度系数变化范围的增益放大器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种提升正温度系数变化范围的增益放大器，解决了传统温度补偿电路温度系数小，不足以完全将放大器的负温度系数补偿到零温度系数，同时不具备较宽范围的温度系数调节能力的缺陷。本发明包括增益电路、尾电流管电路、可变温度系数电流电路、正温度系数电流电路和负温度系数电流电路，通过将正温度系数电流电路的输入端、输出端以及可变温度系数电流电路的输出端分别连接至尾电流管电路实现扩大正温度系数变化范围的功能，同时通过可变温度系数电流电路实现温度系数可调节功能。本发明具有更大的正温度系数范围以及可以实现零温度系数到更大正温度系数的不同温度系数调节功能的优点。

Description

一种提升正温度系数变化范围的增益放大器
技术领域
本发明涉及半导体集成电路领域，具体涉及一种提升正温度系数变化范围的增益放大器。
背景技术
常见的正温度系数放大器如图1，一般用带正温度系数的电阻R1,R2做负载，正温度系数电流流过输入对管M1，M2，产生正温度系数跨导，但一般工艺厂提供的电阻，其温度系数较小，当需要较大的正温度系数放大器时，显得温度补偿范围不够。
在射频放大***当中，放大器链路常常具有负温度系数，即其增益从-45℃~125℃，增益会随温度的升高而显著下降。因此我们常常需要对射频链路的中频放大器做正温度系数的补偿，让补偿后的射频链路增益尽量不随温度变化而变化。传统的温度补偿电路，其温补系数较小，不足以完全将放大器的负温度系数补偿到零温度系数来，同时一般的温补电路，其温度系数很少具有较宽范围的温度系数可调。
发明内容
本发明所要解决的问题是，提升增益放大器的正温度系数变化范围，同时使得增益放大器在较宽范围内实现正温度系数可调的功能。
本发明通过下述技术方案实现：
一种提升正温度系数变化范围的增益放大器，包括放大器电路和放大器偏置电路，其中：
所述放大器电路包括增益电路和尾电流管电路，所述尾电流管电路的输出接入所述增益电路；
所述放大器偏置电路包括可变温度系数电流电路、正温度系数电流电路、负温度系数电流电路；
所述正温度系数电流电路的输入端、输出端以及可变温度系数电流电路的输出端分别连接至所述尾电流管电路。
上述方案的有益效果是，通过增益电路的改进和尾电流管电路的设置，扩大了正温度系数的变化范围。通过可变温度系数电流电路选择不同的电流组合输出至尾电流管电路，产生不同温度系数的电流，实现增益温度系数的可调节
进一步的，
所述增益电路包括放大器差分输入对管M1和M2、放大器负载对管M3和M4、放大器调整管M0，其中，M3的源极与M1的漏极相连，M4的源极与M2的漏极相连；M0漏极与M1和M2的源极相连且M0源极接地，M3和M4的漏极和栅极均与***电源相连，M1和M2的栅极分别接入第二偏置电压。
上述进一步方案的有益效果是，使用流过负温度系数电流的MOS管替代传统工艺的电阻，能获得更大温度系数的正温度系数放大器，避免使用传统电阻做负载时，在需要较大正温度系数放大器时，温度补偿范围不够的问题。
进一步的，所述尾电流管电路包括并联于M1上的第一输入对管调整管M5、并联于M2上的第二输入对管调整管M6、并联于M3上的第一负载对管调整管M7和并联于M4上的第二负载对管调整管M8，其中，M5的漏极与M1的漏极相连、M6的漏极与M2的漏极相连、M7的源极与M3的漏极相连、M8的源极与M4的漏极相连，M5和M6的栅极接入第二偏置电压，M7和M8的栅极分别接入第三偏置电压M3和M4的栅极分别接入第三偏置电压。
上述进一步方案的有益效果是，通过增益放大电路的改进，无论在输入跨导，还是负载阻抗，都体现出正温度系数，即该结构放大器的增益可以获得更大的正温度系数。
进一步的，所述正温度系数电流电路包括正温度系数电流源I1、正温度系数电流输入对管M11与M12、正温度系数电流输出调整管M16，其中M11的栅极与M12的栅极相连，且M11和M12的源极接地，正温度系数电流源I1的电流经过M11，由M12复制M11的电流并输出至正温度系数电流输出调整管M16，M11的栅极电压作为第一偏置电压接入放大器调整管M0的栅极，M16的栅极电压作为第三偏置电压接入第一负载对管调整管M7和第二负载对管调整管M8的栅极。
上述进一步方案的有益效果是，通过设置具有正温度系数的第一偏置电压和第三偏置电压，使得流过放大器调整管M0的电流与流过第一负载对管调整管M7与第二负载对管调整管M8的电流之和都为正温度系数电流，且在任何温度下都相等。
进一步的，所述负温度系数电流电路包括负温度系数电流源I2、负温度系数电流输入对管M13与M14、负温度系数电流输出调整管M15，其中，M13的栅极和M14的栅极相连，且M13和M14的源极接地，负温度系数电流源I2的电流经过M13，由M14复制M13的电流输出至负温度系数电流输出调整管M15。
上述有进一步方案的有益效果是，通过具有负温度系数的第二偏置电压，使第一输入对管调整管M5和第二输入对管调整管M6流过的电流具有负温度系数特性，根据电流基尔霍夫定律，使得M5和M6的电流被注入了放大器负载对管M3和M4，使得负载端跨导具有负温度系数特性，负载阻抗亦即呈现正温度特性。
进一步的，所述可变温度系数电流电路包括第一选择开关组和第二选择开关组，所述第一选择开关组和第二选择开关组均包括多组电流复制管和开关管，每组电流复制管的源极接入***电源，漏极接入开关管的源极；所述第一选择开关组中的多组电流复制管栅极均接入正温度系数电流输出调整管M16的栅极，所述第二选择开关组中的多组电流复制管栅极均接入负温度系数电流输出调整管M15的栅极；所述可变温度系数电流电路的输出端接入可变温度系数电流电路输出调整管M10的漏极，产生第二偏置电压接入第一输入对管调整管M5和第二输入对管调整管M6的栅极，可变温度系数电流电路输出调整管M10源极接地。
上述方案的有益效果是，通过不同的开关管的配置，放大器将获得不同温度系数的电流，从而实现该放大器增益温度系数可调节的功能。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：
图1为常规放大器电路结构示意图。
图2为本发明放大器增益电路示意图。
图3为本发明实施例偏置电路示意图。
具体实施方式
在下文中，可在本发明的各种实施例中使用的术语“包括”或“可包括”指示所发明的功能、操作或元件的存在，并且不限制一个或更多个功能、操作或元件的增加。此外，如在本发明的各种实施例中所使用，术语“包括”、“具有”及其同源词仅意在表示特定特征、数字、步骤、操作、元件、组件或前述项的组合，并且不应被理解为首先排除一个或更多个其它特征、数字、步骤、操作、元件、组件或前述项的组合的存在或增加一个或更多个特征、数字、步骤、操作、元件、组件或前述项的组合的可能性。
在本发明的各种实施例中，表述“或”或“A或/和B中的至少一个”包括同时列出的文字的任何组合或所有组合。例如，表述“A或B”或“A或/和B中的至少一个”可包括A、可包括B或可包括A和B二者。
在本发明的各种实施例中使用的表述(诸如“第一”、“第二”等)可修饰在各种实施例中的各种组成元件，不过可不限制相应组成元件。例如，以上表述并不限制所述元件的顺序和/或重要性。以上表述仅用于将一个元件与其它元件区别开的目的。例如，第一用户装置和第二用户装置指示不同用户装置，尽管二者都是用户装置。例如，在不脱离本发明的各种实施例的范围的情况下，第一元件可被称为第二元件，同样地，第二元件也可被称为第一元件。
应注意到：如果描述将一个组成元件“连接”到另一组成元件，则可将第一组成元件直接连接到第二组成元件，并且可在第一组成元件和第二组成元件之间“连接”第三组成元件。相反地，当将一个组成元件“直接连接”到另一组成元件时，可理解为在第一组成元件和第二组成元件之间不存在第三组成元件。
在本发明的各种实施例中使用的术语仅用于描述特定实施例的目的并且并非意在限制本发明的各种实施例。如在此所使用，单数形式意在也包括复数形式，除非上下文清楚地另有指示。除非另有限定，否则在这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明的各种实施例所属领域普通技术人员通常理解的含义相同的含义。所述术语(诸如在一般使用的词典中限定的术语)将被解释为具有与在相关技术领域中的语境含义相同的含义并且将不被解释为具有理想化的含义或过于正式的含义，除非在本发明的各种实施例中被清楚地限定。
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。
实施例1
一种提升正温度系数变化范围的增益放大器，包括放大器电路和放大器偏置电路，其中，
放大器电路包括增益电路和尾电流管电路，尾电流管电路的输出接入增益电路；
放大器偏置电路包括可变温度系数电流电路、正温度系数电流电路、负温度系数电流电路；
正温度系数电流电路的输入端、输出端以及可变温度系数电流电路的输出端分别连接至尾电流管电路。
具体而言，
如图2所示，增益电路包括放大器差分输入对管M1和M2、放大器负载对管M3和M4、放大器调整管M0，其中，M3的源极与M1的漏极相连，M4的源极与M2的漏极相连；M0漏极与M1和M2的源极相连且M0源极接地，M3和M4的漏极和栅极均与***电源相连。
尾电流管电路包括并联于M1上的第一输入对管调整管M5、并联于M2上的第二输入对管调整管M6、并联于M3上的第一负载对管调整管M7和并联于M4上的第二负载对管调整管M8，其中，M5的漏极与M1的漏极相连、M6的漏极与M2的漏极相连、M7的源极与M3的漏极相连、M8的源极与M4的漏极相连。
M0由VB1偏置产生正温度系数电流。M5、M6由VB2偏置产生负温度系数电流。M7、M8由VB3偏置产生正温度系数电流。
如图2所示，设定具有正温度系数特性的第一偏置电压VB1和第三偏置电压VB3，使得M0流过的电流，同时也是流过M1与M2的电流，与M7、M8流过的电流都为正温度系数电流，且在任何温度下都相等，即电流大小满足如下关系，
Figure 469703DEST_PATH_IMAGE001
Figure 682379DEST_PATH_IMAGE002
其中， IM0、IM1、IM2、IM3、IM4、IM5、IM6、IM7、IM8分别为流经M0-M8的电流。
设定具有负温度系数特性的第二偏置电压VB2，使得M5与M6流过的电流为负温度系数电流，且有，
Figure 74046DEST_PATH_IMAGE003
根据电流基尔霍夫定律，流入电流等于流出电流，则有，
Figure 663159DEST_PATH_IMAGE004
因此，流过M5、M6的负温度系数电流，被强行注入到了M3与M4，即有，
Figure 456671DEST_PATH_IMAGE005
而其中
Figure 840248DEST_PATH_IMAGE006
；
因此可以得出：
Figure 984791DEST_PATH_IMAGE007
；
因此，M5与M6的负温度系数到了电流流入M3、M4中，形成负温度系数的跨导做放大器的负载，以此来扩大放大器的正温度系数。
而，该放大器的小信号电压增益为，
Figure 112015DEST_PATH_IMAGE008
其中，Av为放大器的小信号电压增益，GM12和GM34分别为差分输入对管M1、M2和负载对管M3、M4的跨导，由于M1、M2流过的为正温度系数电流，因此其跨导GM12亦为正温度系数。M3、M4流过的是M5、M6的电流，其温度系数被设定为负温度系数，因此其跨导为负温度系数。由于GM34出现在分母，所以在小信号电压增益公式里，亦体现出正温度特性。因此，对于该电压增益，无论在输入跨导还是负载阻抗都体现出正温度系数，即该结构放大器的增益可以获得更大的正温度系数。
在上述实施例中，第一偏置电压VB1、第二偏置电压VB2和第三偏置电压VB3分别由放大器的偏置电路提供，如图3所示，
正温度系数电流电路包括正温度系数电流源I1、正温度系数电流输入对管M11与M12、正温度系数电流输出调整管M16，其中M11的栅极与M12的栅极相连，且M11和M12的源极接地，正温度系数电流源I1的电流经过M11，由M12复制M11的电流并输出至正温度系数电流输出调整管M16，M11的栅极电压作为第一偏置电压VB1接入放大器调整管M0的栅极，M16的栅极电压作为第三偏置电压VB3接入第一负载对管调整管M7和第二负载对管调整管M8的栅极。由于M7和M8电流都通过复制来自于同一电流源I1，所以能够保证在任何温度下都能保证基本相等，即IM0=IM7+IM8。
负温度系数电流电路包括负温度系数电流源I2、负温度系数电流输入对管M13与M14、负温度系数电流输出调整管M15，其中，M13的栅极和M14的栅极相连，且M13和M14的源极接地，负温度系数电流源I2的电流经过M13，由M14复制M13的电流输出至负温度系数电流输出调整管M15。
在本实施例中，可变温度系数电流电路以三对选择开关为例，
M21、M22、M23的栅极分别连接M16的栅极，复制M16的电流，其输出电流为正温度系数电流；
M24、M25、M26的栅极分别连接M15的栅极，复制M15的电流，其输出电流为负温度系数电流。
M31、M32、M33、M34、M35、M36为开关管，分别串联在M21、M22、M23、M24、M25、M26上，可以控制M21、M22、M23、M24、M25、M26的电流是否流入可变温度系数电流电路输出调整管M10。开关管的不同开关配置可以使得放大器获得不同温度系数的电压增益，具体而言：
若M31、M32、M33全部关闭，则流入M10管的全为负温度系数的电流，使得GM34为负温度系数，从而获得的小信号电压增益具有最大的正温度系数；
若M34、M35、M36全部关闭，则流入M10管的全为正温度系数的电流，其产生的偏置电压会使M3、M4、M5、M6流过的电流为正温度系数电流，使得GM34为正温度系数，由于GM12也为正温度系数，根据放大器的小信号电压增益公式
Figure 760035DEST_PATH_IMAGE009
可以知道，两个正温度系数被相互抵消，从而获得的小信号电压增益具有零温度系数。因此，通过开关管的不同设置，将获得不同温度系数的电流，从而实现放大器增益温度系数可调节的功能，并且，设置的选择开关组越多，则调控精度更高。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种提升正温度系数变化范围的增益放大器，包括放大器电路和放大器偏置电路，其特征在于，
所述放大器电路包括增益电路和尾电流管电路，所述尾电流管电路的输出接入所述增益电路；
所述放大器偏置电路包括可变温度系数电流电路、正温度系数电流电路、负温度系数电流电路；所述正温度系数电流电路和负温度系数电流电路的输出分别接入所述可变温度系数电流电路；
所述正温度系数电流电路的输入端、输出端以及可变温度系数电流电路的输出端分别连接至所述尾电流管电路;
所述增益电路包括放大器差分输入对管M1和M2、放大器负载对管M3和M4、放大器调整管M0，其中，M3的源极与M1的漏极相连，M4的源极与M2的漏极相连；M0漏极与M1和M2的源极相连且M0源极接地，M3和M4的漏极和栅极均与***电源相连;
所述尾电流管电路包括并联于M1上的第一输入对管调整管M5、并联于M2上的第二输入对管调整管M6、并联于M3上的第一负载对管调整管M7和并联于M4上的第二负载对管调整管M8，其中，M5的漏极与M1的漏极相连、M6的漏极与M2的漏极相连、M7的源极与M3的漏极相连、M8的源极与M4的漏极相连，M5和M6的栅极接入第二偏置电压，M7和M8的栅极分别接入第三偏置电压;
所述正温度系数电流电路包括正温度系数电流源I1、正温度系数电流输入对管M11与M12、正温度系数电流输出调整管M16，其中M11的栅极与M12的栅极相连，且M11和M12的源极接地，正温度系数电流源I1的电流经过M11，由M12复制M11的电流并输出至正温度系数电流输出调整管M16，M11的栅极电压作为第一偏置电压接入放大器调整管M0的栅极，M16的栅极电压作为第三偏置电压接入第一负载对管调整管M7和第二负载对管调整管M8的栅极；所述可变温度系数电流电路的输出端电压作为第二偏置电压接入第一输入对管调整管M5和第二输入对管调整管M6的栅极。
2.根据权利要求1所述的一种提升正温度系数变化范围的增益放大器，其特征在于，所述负温度系数电流电路包括负温度系数电流源I2、负温度系数电流输入对管M13与M14、负温度系数电流输出调整管M15，其中，M13的栅极和M14的栅极相连，且M13和M14的源极接地，负温度系数电流源I2的电流经过M13，由M14复制M13的电流输出至负温度系数电流输出调整管M15。
3.根据权利要求1所述的一种提升正温度系数变化范围的增益放大器，其特征在于，所述可变温度系数电流电路包括第一选择开关组和第二选择开关组，所述第一选择开关组和第二选择开关组均包括多组电流复制管和开关管，每组电流复制管的源极接入***电源，漏极接入开关管的源极；所述第一选择开关组中的多组电流复制管栅极均接入正温度系数电流输出调整管M16的栅极，所述第二选择开关组中的多组电流复制管栅极均接入负温度系数电流输出调整管M15的栅极；所述可变温度系数电流电路的输出端接入可变温度系数电流电路输出调整管M10的漏极，可变温度系数电流电路输出调整管M10源极接地。
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