CN1198855A - 放大电路 - Google Patents

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Abstract

一种包括第一和第二双输入差分输入电路的放大电路。第一输入电路有第一和第二输入端,第二输入电路有第三和第四输入端。第一输入端与第一电路输入相连,第四输入端与第四电路输入相连。可编程电路用来有选择地把第二和第三输入端连到第二和第三电路输入或连到第四和第一输入。

Description

放大电路
本发明涉及具有可编程结构的放大电路，尤其(但不仅仅)涉及结构可以由用户任意选择的放大电路。本发明还涉及给放大器施加输入的方法。
过去模拟信号处理电路一直是由分立元件组成的。在这种装置中，对于具体应用，一开始选择的电路的拓扑逻辑及元件值就要“正确”。这种电路有个缺点：在要求电路发生变化时，可能很难使电路改接成不同的拓扑结构。
最近出现了模拟集成电路。这种电路的目标是把许多或所有需要的各整体都包括在集成电路中。然而，用于制造各种可能的不同应用的集成电路的成本可能过高，因此众所周知要提供多种目的的模拟集成电路(也称为集成电路模拟***)，它具有可以把定制电路选择成使能或禁止以用于特殊应用的电路部分，以及具有可以被编程以提供例如期望的阻抗的电路元件。
在已知的集成电路模拟***中，能与矩阵的其它单元互连的可设置的模拟单元矩阵能单独连接，以把该单元中各种可编程电阻和电容设置为期望的值。该设置电路包括结构可以根据期望编程的放大器。
本发明的一个实施方式提供适用于集成电路模拟***、具有上述可编程结构的放大电路。
根据本发明的第一方面，所提供的放大电路包括第一和第二双输入差分输入电路，第一差分输入电路具有第一和第二输入端，第二差分输入电路具有第三和第四输入端，第一输入端连接到第一电路输入，第四输入端连接到第四电路输入，还包括可编程电路，它用于把第二和第三电路输入端选择性地分别连接到第二和第三电路输入，或分别连接到第四和第一输入端。
根据本发明的第二方面，所提供的放大电路包括第一和第二双输入差分输入电路，第一差分输入电路具有第一和第二输入端，第二差分输入电路具有第三和第四输入端，第一输入端连接到第一电路输入，第四输入端连接到第四电路输入，还包括可编程电路，它用于把第二和第三电路输入端选择性地分别连接到第二和第三电路输入，或分别连接到第四和第一电路输入，或二者都连接到第五电路输入。
最好第一差分输入电路由第一和第二放大元件组成，第二差分输入电路由第三和第四放大元件组成，所述的每一个放大元件各自都具有主要的电路通路及连接到各个输入端的控制端。
可以方便地用一对主电流电极来定义每一个主电流通路，第一放大元件的一个主电流电极和第二放大元件相应的主电流电极形成第一节点，第三放大元件的一个主电流电极和第四放大元件相应的主电流电极形成第二节点。
该放大电路最好进一步包括用来选择性地把第一和第二节点连接在一起的连接电路。
有利的是，该放大电路具有用于提供从第一节点到参考电位的第一电流通路、用于提供从第二节点到参考电位的第二电流通路的第一偏置电路。
该放大电路方便地由第一和第二跨阻电路组成，第一跨阻电路受第一和第二放大元件的主电流通路中的电流控制，第二跨阻电路受第三和第四放大元件的主电流通路中的电流控制。
第一和第二跨阻电路都包括电流镜电路，这很有益。
第一和第二跨阻电路方便地由折叠共源共栅电路(folded cascodecircuitry)组成。
第一和第二跨阻电路最好由各自的第一和第二可控失调电路和模式选择电路组成，该模式选择电路用来把一个跨阻电路的可控失调电路的控制端选择性地连接到另外的跨阻电路的输出，因此可以控制共模输出电平。
该可编程电路最好有用于数字信号的输入，由此决定第二和第三放大元件的控制电极的连接。
另一个可编程电路是一次可编程的，由此决定第二和第三放大元件的控制电极的连接。
最好第一和第四输入端是反相端，第二和第三输入端是同相输入端。
根据本发明的第三方面，提供一种由根据第一和第二方面的放大电路组成的集成电路模拟***。
根据本发明的第四方面，提供一种方法，该方法用来给具有第一和第二双输入差分输入电路的放大电路提供输入，其中第一差分输入电路具有第一和第二输入端，第二差分输入电路具有第三和第四输入端，该方法还包括第一电路输入到第一输入端的连接，第四电路输入到第四输入端的连接；以及把第二和第三输入端选择性地各自连接到第二和第三电路输入，或各自连接到第四和第一输入端。
现在参考附图描述本发明的实施方式：
图1表示根据本发明的放大电路的第一实施方式的方框图。
图2表示根据本发明的放大电路的第二实施方式的方框图。
图3表示根据本发明的放大电路的第三实施方式的部分电路图。
图4表示根据本发明的放大电路的第四实施方式的部分电路图。
图5表示给图3增加了典型的跨阻电路，形成了完整的放大器，或放大器输入级的图3的电路。
图6表示利用了图3和4的实施方式的跨阻电路的另一个例子。
图7-9表示具有用于理解本发明的另外的跨阻电路的已知的晶体管放大器输入级。
附图中，相同的标号表示相同的部件。
首先参考图1，第一差分放大器(60)由具有第一和第二输入端(61，62)及输出端(6 3)的第一差分输入电路组成。其输出端(63)的输出由其同相端(61)的电压与反相输入端(62)的电压之差决定。图1的电路还包括具有第三和第四输入端(71，72)及输出端(73)的第二差分输入电路组成的第二放大器(70)。其输出端(73)的电压由其同相第三输入端(71)的电压与第四反相输入端(72)的电压之差决定。图1所述电路还具有连接到第一放大器(60)的第一输入端(61)的第一电路输入(81)、连接到第二放大器(71)的第四输入端(72)的第四电路输入(84)。该电路还具有第二和第三输入端(82，83)，它们通过开关(90，91)可以选择性地分别连接到第一放大器(60)的第二输入端(62)，及第二放大器(71)的第三输入端(71)。如图1所示，开关(91)有第一位置，在这个位置处，它把第二电路输入(82)连接到第一放大器(60)的第二输入端(62)，开关(91)还有第二位置，在这个位置处，它把第四电路输入(84)连接到第一放大器(60)的第二输入端(62)。同样，开关(91)有第一位置，在这个位置处，它把第三电路输入(83)连接到第二放大器(71)的第三输入端(71)，开关(91)还有第二位置，在这个位置处，它把第一输入(81)连接到第二放大器(71)的第三输入端(71)。开关(90，91)的位置是可编程的，在图1中，提供数字控制输入端(92)，用于把第一和第二两个开关(90，91)编程在二者都为第一位置，或二者都为第二位置。开关(90，91)的位置也可以由其它可编程装置决定，例如熔丝。
当开关(90，91)位于第一个位置，第一和第二电路输入(81，82)只送到第一放大器(60)，第三和第四电路输入(83，84)只送到第二放大器(71)。因此，二个放大器是相互独立的。对于开关(90，91)的第二个位置，只有第一输入(81)和第四输入(84)在放大器(60，71)间“共享”。由于这二个输入加到两个放大器的异相端上，因此对于熟练的技术人员很明显，两个放大器的输出符号相反。因此在第二种接法中，图1所示电路能提供差分输入差分输出放大器。
现在参考图2描述本发明的第二实施方式。和图1比较可以看出，除了每一个开关都有第三个位置外，图2的实施方式和图1的基本相同，在第三位置处第一放大器(60)的第二输入(62)与第二放大器(71)的第三输入(71)都连接到第五电路输入(95)。
在开关(93，94)的前两个工作位置处，图2的电路可以和前面图1所描述的方法完全一样地工作。然而当开关(93，94)位于第三位置时，第二和第三输入端(62，71)连接到第五电路输入(95)，在输出端(63)的第一放大器(60)的输出相应于增益因子与第一输入端(81)的输入电压和第五输入端(95)的电压之差的乘积；在第二输出端(73)的第二放大器(71)的输出相应于增益因子与第四电路输入(84)的电压和第五电路输入(95)的电压之差的乘积。
应该可以理解的是，图1和图2中的第一和第二放大器(60，71)输入端的指定并不受限。例如在本发明的另一个实施方式中，哪一个放大器的第一输入端(61)都可以是反相端，哪一个放大器的第二输入端(62)也都可以是同相输入端。
放大器的输入级经常使用差分晶体管对。这样的晶体管对可以由例如两个场效应晶体管组成、两个双极晶体管组成，或由两个复合晶体管组成。术语“对”通常意味着对中的两个晶体管基本相同；然而也可能由于条件的限制而使用不同的晶体管，这里使用的术语“对”也包括这层意思。
为了简明起见，这里的描述指场效应晶体管，用术语漏、源和栅来代表这种晶体管的电极。然而，也可以用双极晶体管来代替场效应晶体管，这种情况下，连接双极晶体管时要用收集极相应于所述的漏电极，发射极相应于所述的源电极，基极相应于所述的栅极。
现在参考图3，根据本发明的放大器电路的第三实施方式的放大器输入电路(200)具有由四个晶体管(100，101，102，103)组成的跨导电路。晶体管(100，101，102，103)中每一个的栅电极都根据所加的电压来控制在漏和源之间沟道中的电流。第一和第二晶体管(100，101)的源电极形成第一公共节点(104)，第一电流源(105)提供第一公共节点104到参考电源(106)的第一电流通路。第三和第四晶体管(102，103)的源电极形成第二公共节点(107)，第二电流源(108)提供第二公共节点(107)到参考电位(106)的第二电流通路。输入电路具有第一至第四输入端(110，111，112，113)。第一输入端(110)连接到第一晶体管(100)的栅电极，第四输入端(113)连接到第四晶体管(103)的栅电极。第一选择电路(120)的一个输入连接到第二输入端(111)，另一个输入连接到第四输入端(113)。第一选择电路(120)的输出122连接到第二晶体管(101)的栅电极，因而第二晶体管(101)的栅电极在工作时选择接收来自第二输入端(111)或来自第四输入端(113)的信号。与此类似，第二选择电路(121)的一个输入连接到第三输入端(112)，另一个输入连接到第一输入端(110)。第二选择电路(121)的输出(123)连接到第三晶体管(102)的栅电极，因而第三晶体管(102)的栅电极在工作时选择接收来自第三输入端(112)或来自第一输入端(110)的信号。
施加的数字控制信号(130)控制第一和第二选择电路(120，121)。该控制信号作用于这两个选择电路，因此这两个选择电路在它们的两个输入间同步开关。这样对于第一数字控制信号，第一选择电路(120)把第二输入端(111)连接到第二晶体管(101)的栅电极，第二选择电路(121)把在第三输入端(112)的信号连接到第三晶体管(102)的栅电极。对于第二数字控制信号，第一选择电路(120)把第四输入端(113)的第四输入信号连接到第二晶体管(101)的栅电极，第二选择电路(121)把在第一输入端(110)的第一输入信号连接到第三晶体管(102)的栅电极。
图3中还有连接开关131，施加的控制信号(130)控制其选择性地使第一和第二节点104，(107)互连。上述第二数字控制信号使连接开关(131)关闭，而上述第一数字控制信号使其打开。10-3
如上所述，图3所示电路一般用来把输入电压转变成电流。如果希望提供电压输出，则需要图5所例示的另一个电路(201，202)。该另一个电路的另一个跨阻电路形式的例子可以由图7-9得到。该跨阻电路形式的优点将在后面结合图6描述。
现在参考图4，这是根据本发明的放大器电路的另一个实施方式的放大器输入电路。除了图3中的第一和第二选择电路(120，121)只有两个选择输入、图4中的第一和第二选择电路(160，161)每个都有三个选择输入外，图4所示电路和图3所示电路基本相同。前两个选择输入同样连接到图3所述之处，第三选择输入由公共输入端(162)提供。类似于图5的电路，该第一和第二选择电路(160，161)可以数字化控制，而且受三个数字控制信号控制。和前面所描述的方法一样，对于第一数字控制信号，第二输入端(111)连接到第二晶体管(101)的栅，第三输入端(112)的信号连接到第三晶体管(102)，而对于第二数字控制信号，第四输入端(113)连接到第二晶体管(101)的栅电极，第一输入端(110)连接到第三晶体管(102)的栅。对于第三数字控制信号，第二和第三晶体管(101，102)的栅都连接到公共的第五输入端(162)。连接开关(131)受数字控制信号的控制，使在第二和第三数字状态第一和第二节点(104，107)连接在一起。
如上面对图3的描述，可以给图4的输入电路加上如图6-9所示的另外的电路，以提供完整的放大级。具有如图3所示的跨导电路以及类似于图9所示的跨阻电路的完整增益级的例子示于图5。
现在参考图6描述可以和图3或图4的跨导电路一起使用的跨阻电路的另一个例子。该跨阻电路的第一和第二输入(201，202)连接到第一和第二晶体管(100，101)各自的漏，第三和第四输入连接到第三和第四晶体管(102，103)各自的漏，参考图3和图4的描述。
总的来说，图6的电路由连接在第一电源电位(109)和参考电位(106)之间的四个分支组成。第一电路分支由一端连接到上述电源电位(109)、另一端连接到第一输入端(201)的串接电流源组成。第一输入端(201)连接到P型场效应晶体管(220)的源，它的栅连接到偏置电位输入端(219)。该P-FET(220)的漏连接到电流镜电路(218)的控制电路(216)，该控制电路(216)的另一端连接到上述的参考电位(106)。第二电路分支具有第二电流源(215)，它的一端连接到电源电位(109)，另一端连接到第二输入端(202)。该第二输入端(202)连接到第二P型场效应晶体管(222)的源，它的栅连接到偏置电位输入端(219)。第二P-FET(222)的漏连接到电流镜电路(218)的控制电路(217)，控制电路(217)的另一端连接到第一n型场效应晶体管(223)的漏，它的源连接到参考电位节点(106)。
该电路的第三分支类似于第一分支，电流源(314)串接在第三输入(203)和电源电位(109)之间，第三输入(203)连接到第三P-FET(320)的源。该第三P-FET(320)的漏通过第二电流镜电路(318)的控制电路(316)连接到参考电位(106)。该电路的第四分支类似于上述的第二分支，在电源电位(109)和第四输入端(204)之间串接着第五电流源。第四输入端(204)连接到第四P-FET(322)的源，它的漏串联连接第二电流镜(318)的控制电路(317)和第二n-FET(323)的漏-源通路。第三和第四P-FET(320，322)的栅共同连接到偏置电位输入端(219)。
如图6所示，跨阻电路进一步由用于控制共模电平的开关装置组成，这将被描述如下：
第二和第四P-FETS(222，322)的漏连接到各自的输出端(240，340)。第一输出端240连接到第一双输入开关电路(241)的第一输入，其第二输入连接到上述的电源电位(109)。第一开关电路(241)的输出连接到第二n-FET(323)的栅。同样，第二双输入开关电路(341)的第一输入连接到第二输出端(340)，第二输入连接到电源电位端(109)，输出连接到第一n-FET(223)的栅。第三开关器件(242)连接在第一和第二n-FETS(223，323)的漏之间。
图6的跨阻电路的工作现在描述如下：
图6的电路有两个工作模式。在第一模式，第一和第二n-FETS(223，323)的栅通过各自的开关电路连接到电源电位端(109)，因而第一和第二n-NFETS每个都给各自的电流镜(218，318)的控制支路和参考节点(106)之间提供低阻连接。在第二模式中，输出电压交耦合到各自另外的分支的n-FET，以提供共模补偿。
由第一和第二双输入开关电路(241，341)和第三开关器件(242)组成的选择电路提供在两个模式之间的开关。该选择电路的控制是通过在(350)端的数字控制信号输入，它可以使该选择电路的元件同时开关。
在第一工作模式，在由第一和第二分支组成的一半电路和由第三和第四分支组成的另一半电路之间没有交互作用。因此每一半的输出都由流进那一半的电流决定。
在第二工作模式，连接开关(242)关闭。因此，第一n-FET(223)和第二n-FET(323)的漏电位相同。第一n-FET(223)的栅受在第二输出端(340)的输出电压控制，第二n-FET(323)的栅电位受第一输出端(240)的输出电压控制。第二模式使得在该电路的输出建立所要求的共模工作电压，然而它本身并不提供确定的共模输出电压。
在第二工作模式，输出级不再指参考节点(106)上的电压，而是指第一n-FET(223)和第二n-FET(323)的漏的电压。这两个n-FETS都工作在它们的线性区，因而在漏电流和栅漏电压之间具有近似的线形关系。这意味着漏电位通过两个并联的电阻有效地连接到参考电位(106)，这两个电阻的值和栅电压成线性关系。由于每一个n-FET的栅电压都来自于对面的一半电路的输出，因此在第二工作模式，该电路具有自补偿功能。这样，只要两个输出是互补的，这两个n-FETS的组合电阻就不会变化，漏电位维持不变。然而，如果例如两个输出电压上升，即如果共模输出发生变化，则两个电阻的值都会减小，使共模漏电位降低，因此该输出电平又反过来变成正确的输出电平，即共模补偿。
参考图7，已知的放大级由通常和图3和4的跨导电路的一半相同的差分对组成。该差分对由两个晶体管(1，2)组成，每个晶体管的栅电极都连接到各自的输入端(3，4)。晶体管(1，2)的源电极在节点(5)连接在一起，电流源(6)把该节点连接到参考电位(7)的源。对于差分工作，加到两个晶体管的栅电极的输入电压是严格互补的。
晶体管的漏电极(8，9)通过构成用来把该对各自的电流转换成电压的跨阻电路各自的负载(L1，L2)连接到电源电位(10)的源。应该可以理解的是，晶体管(1，2)通过的电流和各自的漏电压有关。通过加在各自负载上的电流，在两个漏电极之间得到差分输出电压。差分对的每一个晶体管都工作在A类。15-中
该电路的缺点是差分对中的每个晶体管的电源抑制比低。当电源电位变化时，各个晶体管的漏电压同样会变化。因而例如电源电压的噪音会出现在每个晶体管的漏电压上，但是如果输出取两个晶体管的漏之间的差，噪声就会被抑制。
参考图8，在图7的放大器的改进电路中，两个晶体管(1，2)的漏通过具有电流镜的输出电路(13)各自的分支(11，12)连接到电源电位(10)。通常所说的共模输入的变化在该输入电平相对于参考电位的变化是共同的，即变化的方向相同时基本被抑制掉了。业界周知，这种电路具有良好的电源电压抑制比。相应于图8所述的电路工作在AB类。
在另一个已知的放大电路中，如图9所示，两个负载(14，15)提供在跨导输入晶体管和电源电位之间的电流通路。由栅接固定电压(对于共栅工作)的各自晶体管的沟道和电流镜(18)各自的分支(16，17)的串联形成在漏和参考电位之间的另外的电流通路。这种共源共栅电路形成折叠共源共栅工作，因此输入共模范围得到改进。在该电路中，负载、共栅晶体管和电流镜组成跨阻电路。
图9的电路以大体上和图8类似的方式工作。

Claims (15)

1.一种放大电路包括第一和第二双输入差分输入电路，该第一差分输入电路具有第一和第二输入端，该第二差分输入电路具有第三和第四输入端，第一输入端连接到第一电路输入，第四输入端连接到第四电路输入，该放大电路还包括可编程电路，用于把第二和第三输入端选择性地各自连接到第二和第三电路输入，或各自连接到第四和第一输入端。
2.一种放大电路包括第一和第二双输入差分输入电路，该第一差分输入电路具有第一和第二输入端，该第二差分输入电路具有第三和第四输入端，第一输入端连接到第一电路输入，第四输入端连接到第四电路输入，该放大电路还包括可编程电路，该可编程电路用于把第二和第三输入端选择性地各自连接到第二和第三电路输入，或各自连接到第四和第一电路输入，或者二者都连接到第五电路输入。
3.根据权利要求1或权利要求2的放大电路，其中第一差分输入电路由第一和第二放大元件组成，第二差分输入电路由第三和第四放大元件组成，每一个所述的放大元件都具有各自的主要电流通路以及连接到各自输入端的控制端。
4.根据权利要求3的放大电路，其中每一个主电流通路都由一对主电流电极决定，一个主电流电极和第二放大元件相应的主电流电极形成第一节点，第三放大元件的一个主电流电极和第四放大元件相应的主电流电极形成第二节点。
5.根据权利要求4的放大电路，进一步包括用来选择性地把第一和第二节点连接在一起的连接电路。
6.根据权利要求4或权利要求5的放大电路，进一步包括在第一节点和参考电位间提供第一电流通路以及在第二节点和参考电位间提供第二电流通路的第一偏置电路。
7.根据权利要求3-6中任意一个放大电路，进一步包括第一和第二跨阻电路，第一跨阻电路受第一和第二放大元件的主电流通路的电流控制，第二跨阻电路受第三和第四放大元件的主电流通路的电流控制。
8.根据权利要求7的放大电路，其中第一和第二跨阻电路的每一个都包括各自的电流镜电路。
9.根据权利要求7或8的放大电路，其中第一和第二跨阻电路由折叠共源共栅电路组成。
10.根据权利要求7或8的放大电路，其中第一和第二跨阻电路分别由第一和第二可控失调电路和模式选择电路组成，模式选择电路用来把一个跨阻电路的可控失调电路的控制的选择性地连接到另外的跨阻电路的输出，因而可以控制共模输出电平。
11.根据前面所述的任何权利要求的放大电路，其中可编程电路的一个输入用于数字信号，因此决定第二和第三放大元件的控制电极的连接。
12.根据前面所述的任一项权利要求的放大电路，其中可编程电路是一次可编程的，由此决定第二和第三放大元件的控制电极的连接。
13.根据前面所述的任一项权利要求的放大电路，其中第一和第四输入端是反向输入端，第二和第三输入端是同相输入端。
14.一种集成电路模拟***，包括根据前面所述的任一项权利要求的放大电路。
15.给具有第一和第二双输入差分输入电路的放大电路提供输入的方法，其中该第一差分输入电路具有第一和第二输入端，第二差分输入电路具有第三和第四输入端，该方法包括：
把第一电路输入连接到第一输入端；
把第四电路输入连接到第四输入端；以及
把第二和第三输入端选择性地各自连接到第二和第三电路输入，或各自连接到第四和第一输入端。
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