TW201838327A

TW201838327A - 跨導放大器

Info

Publication number: TW201838327A
Application number: TW107109269A
Authority: TW
Inventors: 杉浦正一
Original assignee: 日商艾普凌科有限公司
Priority date: 2017-03-31
Filing date: 2018-03-19
Publication date: 2018-10-16
Also published as: KR20180111577A; JP2018174477A; CN108696260A; US20180287576A1; US10574200B2

Abstract

本發明提供一種具備不對跨導放大器的動作造成影響的同相反饋電路的跨導放大器。跨導放大器具備生成基於輸入電壓的輸出電流的跨導放大電路及決定該跨導放大電路的輸出的直流動作點的同相反饋電路，將該同相反饋電路的、使所輸入的電壓位準移位並輸出的多個位準移位電路連接於多個電晶體的控制端子。

Description

跨導放大器

本發明是有關於一種具備決定輸出的直流動作點的同相反饋電路的跨導放大器（以下，記為GM放大器）。

通常，大多數具有高差動增益的差動放大型GM放大器的同相增益亦高，為了將GM放大器保持為所期望的動作範圍，而使用決定輸出的直流動作點的同相反饋電路。輸出的直流動作點有時表現為輸出常用電壓（common voltage）（例如專利文獻1）、直流偏壓電位（例如專利文獻2）、共用電位（common potential）（例如專利文獻3）。

圖4中示出習知的GM放大器200的一例。GM放大器200於作為本體的GM放大器202上具備決定GM放大器202的輸出的直流動作點的同相反饋電路201。同相反饋電路201具備電阻211、212與放大器221。GM放大器202具備電晶體241、242、251、252、電流源231、輸入端子281、282、輸出端子291、292。輸入端子281為正輸入INP，輸入端子282為負輸入INN。同樣地，輸出端子291為正輸出OUTP，輸出端子292為負輸出OUTN。

GM放大器202的輸入端子281、282分別連接於電晶體241、242的閘極端子。電晶體241、242的源極端子一起連接於電流源231的一端子。電流源231的另一端子連接於電源VDD。電晶體241、242的汲極端子分別與輸出端子292、291、電晶體251、252的汲極端子及電阻211、212的一端子連接。電晶體251、252的閘極端子一起連接於同相反饋電路201的放大器221的輸出端子。電晶體251、252的源極端子一起連接於VSS。同相反饋電路201的放大器221的正輸入端子連接於電阻211與電阻212的連接點。放大器221的負輸入端子連接於基準電壓Vref1。

對GM放大器202的動作進行說明。將輸入端子281的電壓設為V（281），將輸入端子282的電壓設為V（282）。若輸入電壓差V（281）-V（282）為正，則其輸入電壓差的大小越大，電晶體241受到越高程度的斷開控制，電晶體242受到越高程度的導通控制。電流源231的電流以電晶體242大於電晶體241的比例進行分配。若輸入電壓差V（281）-V（282）為負，則其輸入電壓差的絕對值的大小越大，電晶體241受到越高程度的導通控制，電晶體242受到越高程度的斷開控制。電流源231的電流以電晶體241大於電晶體242的比例進行分配。

此處，若GM放大器202的輸出端子291、292的同相電壓上升，則連接於兩端子間的同相反饋電路201的電阻211、212的中點電壓亦上升。若電阻211、212的中點電壓大於Vref1，則放大器221以對電晶體251、252進行導通控制而使輸出端子291、292的同相電壓變小的方式進行控制。若電阻211、212的中點電壓小於Vref1，則放大器221以對電晶體251、252進行斷開控制而使輸出端子291、292的同相電壓變大的方式進行控制。如此，同相反饋電路201決定GM放大器200的輸出的直流動作點。 [現有技術文獻] [專利文獻]

[專利文獻1]日本專利特開平5-226950號公報 [專利文獻2]日本專利特開2005-286822號公報 [專利文獻3]日本專利特開2010-273009號公報

[發明所欲解決之課題] GM放大器內的連接於差動放大電路的電流源通常為高阻抗（high impedance），因此存在如下課題：若將電阻連接於差動放大電路的輸出，則GM放大器的增益會降低。進而，亦存在如下課題：設計方面原本應獲得的增益的降低會引起GM放大器的輸入偏移電壓的增加等影響。

本發明是為了消除以上所述的課題而完成者，提供一種使用不對GM放大器的動作造成影響的同相反饋電路的GM放大器。 [解決課題之手段]

一種GM放大器，其具備同相反饋電路，所述同相反饋電路連接於生成基於輸入電壓的輸出電流的GM放大器並決定GM放大器的輸出的直流動作點，並且所述同相反饋電路具備使所輸入的電壓位準移位並輸出的多個位準移位電路，所述多個位凖移位電路連接於GM放大器的多個電晶體的控制端子。 [發明的效果]

根據本發明的同相反饋電路，不存在作為GM放大器的輸出負載而進行影響的電阻，因此可提供使用不對GM放大器的動作造成影響的同相反饋電路的GM放大器。藉此，存在不引起GM放大器的增益降低的優點，進而亦存在抑制GM放大器的輸入偏移電壓的增加的優點。

以下，基於圖式對本發明的實施形態進行說明。（第一實施形態）圖1是表示本發明的第一實施形態的GM放大器100的一例的說明圖。GM放大器100於作為本體的GM放大器102上具備決定GM放大器102的輸出的直流動作點的同相反饋電路101。同相反饋電路101具備位凖移位電路111、112。位凖移位電路111具備電晶體121、電流源131，位凖移位電路112具備電晶體122、電流源132。GM放大器102具備電晶體141、142、151、152、161、162、電流源171、輸入端子181、182、輸出端子191、192。輸入端子181為正輸入INP，輸入端子182為負輸入INN。同樣地，輸出端子191為正輸出OUTP，輸出端子192為負輸出OUTN。

於位凖移位電路111中，電晶體121的汲極端子連接於電源端子VDD1。電晶體121的閘極端子連接於GM放大器102的輸出端子191。電晶體121的源極端子與電流源131的一端子及GM放大器102的電晶體151、152的閘極端子連接。電流源131的另一端子連接於電源端子VSS1。於位凖移位電路112中，電晶體122的汲極端子連接於電源端子VDD1。電晶體122的閘極端子連接於GM放大器102的輸出端子192。電晶體122的源極端子與電流源132的一端子及GM放大器102的電晶體161、162的閘極端子連接。電流源132的另一端子連接於電源端子VSS1。

於GM放大器102中，電流源171的一端子連接於電源端子VDD2，另一端子連接於電晶體141、142的源極端子。電晶體141的閘極端子連接於輸入端子181。電晶體142的閘極端子連接於輸入端子182。電晶體141的汲極端子與輸出端子192、電晶體151、161的汲極端子及位凖移位電路112的電晶體122的閘極端子連接。電晶體142的汲極端子與輸出端子191、電晶體152、162的汲極端子及位凖移位電路111的電晶體121的閘極端子連接。電晶體151、152、161、162的源極端子連接於電源端子VSS2。

對GM放大器102的動作進行說明。將輸入端子181的電壓設為V（181），將輸入端子182的電壓設為V（182）。若輸入電壓差V（181）-V（182）為正，則其輸入電壓差的大小越大，電晶體141受到越高程度的斷開控制，電晶體142受到越高程度的導通控制。電流源171的電流以電晶體142大於電晶體141的比例進行分配。若輸入電壓差V（181）-V（182）為負，則其輸入電壓差的絕對值的大小越大，電晶體141受到越高程度的導通控制，電晶體142受到越高程度的斷開控制。電流源171的電流以電晶體141大於電晶體142的比例進行分配。

與電晶體141、142的汲極端子連接的電晶體151、152的閘極×源極間電壓相等，另外，由於存在電流鏡（current mirror）的關係，因此電晶體151、152的汲極電流亦相等。同樣地，電晶體161、162的閘極×源極間電壓相等，另外，由於存在電流鏡的關係，因此電晶體161、162的汲極電流亦相等。因而，並聯連接於電晶體141的汲極端子的電晶體151、161的汲極電流的和與並聯連接於電晶體142的汲極端子的電晶體152、162的汲極電流的和相等。

最終，GM放大器102中，若輸入電壓差V（181）-V（182）為正，則其大小越大，越大的電流流入輸出端子192並自輸出端子191流出。另外，同樣地，GM放大器102中，若輸入電壓差V（181）-V（182）為負，則其輸入電壓差的絕對值的大小越大，越大的電流自輸出端子191流入並自輸出端子192流出。

另一方面，GM放大器102的輸出端子191、192亦連接於位凖移位電路111、112。位凖移位電路111具備電晶體121、電流源131。本位凖移位電路為利用在電源端子VDD1、VSS1之間串聯***有金屬氧化物半導體場效電晶體（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor，MOSFET）與電流源的源極隨耦電路（source follower circuit）的典型位凖移位電路。輸入至電晶體121的閘極端子的GM放大器102的輸出端子191的電壓V（191）藉由電晶體121的源極隨耦電路而與閘極-源極間電壓Vgs的量對應地進行電壓位凖移位並以電晶體121的源極電壓的形式輸出。若電晶體121的源極電壓大，則以對電晶體151、152進行導通控制而使V（191）、V（192）的同相電壓變小的方式進行控制。若電晶體121的源極電壓小，則以對電晶體151、152進行斷開控制而使V（191）、V（192）的同相電壓變大的方式進行控制。關於位凖移位電路112，亦設為相同的動作。如此，同相反饋電路101決定GM放大器100的輸出的直流動作點。

於圖1所示的本實施形態的GM放大器100中，作為GM放大器102的輸出負載而進行影響的電阻不存在於同相反饋電路101內，因此可提供不對GM放大器102的動作造成影響的同相反饋電路101。藉此，存在不引起GM放大器100的增益降低的優點，進而亦存在抑制GM放大器100的輸入偏移電壓的增加的優點。

於如圖1般構成位凖移位電路的情況下，由於存在電流源131、132，因此電晶體121、122的閘極×源極間電壓被保持為固定。即便輸出端子電壓V（191）、V（192）發生變化，亦不進行電荷對於電晶體121、122的閘極×源極間電容的充放電。其是指電晶體121、122的閘極×源極間電容不會妨礙動作速度。因而，根據本實施形態的同相反饋電路101，存在抑制GM放大器100的動作速度降低的追加優點。

以上的說明中，對GM放大器100、同相反饋電路101、位凖移位電路111、112的功能進行了說明。只要與發揮此處所說明的功能的條件相關，則其具體構成、其具體實施形態並不受到任何限定。

另外，以上的說明中，說明了位凖移位電路111、112具備電晶體、電流源。此處，明確的是：即便將電流源替換為電阻，對於其功能而言亦不存在障礙。

另外，以上的說明中，說明了位凖移位電路111、112的輸出是以電晶體121、122的源極電壓的形式輸出。此處，明確的是：進而使其源極電壓降低並加以電壓位凖移位，因此即便進而追加PN接面或經飽和連接的電晶體或電阻等可擔負電壓的元件並加以介隔，對於其功能而言亦不存在任何障礙，可同樣地獲得優點。

另外，於以上的說明中，同相反饋電路101的電源端子VDD1的電壓、GM放大器102的電源端子VDD2的電壓可為相同條件，亦可為不同條件。於設為相同條件的情況下，可進行動作電壓的合理實施，於設為不同條件的情況下，實現電力最佳化。

（第二實施形態）圖2是表示本發明的第二實施形態的GM放大器100的一例的說明圖。本實施形態中，為將第一實施形態的同相反饋電路與不同構成的GM放大器本體組合而成的示例。

本實施形態的作為本體的GM放大器104中，在連接於GM放大器104的輸入端子181、輸入端子182的電晶體141、142與輸出端子191、192之間追加有閘極端子經偏電壓Vref2偏壓的電晶體145、146。為所謂的折疊級聯（folded cascode）構成中的GM放大器104的示例。同相反饋電路101的構成與第一實施形態相同。電源條件亦與第一實施形態相同，且同相反饋電路101與電源端子VDD1及電源端子VSS1連接。GM放大器104與電源端子VDD2及電源端子VSS2連接。基本上可說明為進行與第一實施形態中的GM放大器102的動作相同的動作。通常折疊級聯構成的GM放大器為高阻抗輸出，因此無法使用習知的電阻負載影響輸出的同相反饋電路。藉由具備本實施形態中所揭示的構成的同相反饋電路，可不導致利益減低地決定輸出的直流動作點。

（第三實施形態）圖3是表示本發明的第三實施形態的同相反饋電路的一例的說明圖。第三實施形態與第一實施形態的差異在於同相反饋電路105、作為本體的GM放大器106的構成不同。即，表示以與第一實施形態不同的構成實現同相反饋電路105的功能與GM放大器106的功能。為將GM放大器106設為N通道金屬氧化物半導體（N-channel Metal Oxide Semiconductor，NMOS）電晶體輸入，並與第一實施形態相輔地構成且加以修正而得的實施。

GM放大器100於GM放大器106的本體上具備決定GM放大器106的輸出的直流動作點的同相反饋電路105。同相反饋電路105具備位凖移位電路113、114。位凖移位電路113具備電晶體123、電流源133，位凖移位電路114具備電晶體124、電流源134。GM放大器106具備電晶體143、144、153、154、163、164、電流源172、輸入端子183、184、輸出端子193、194。輸入端子183為正輸入INP，輸入端子184為負輸入INN。同樣地，輸出端子193為正輸出OUTP，輸出端子194為負輸出OUTN。

於位凖移位電路113中，電晶體123的汲極端子連接於電源端子VSS1。電晶體123的閘極端子連接於GM放大器106的輸出端子193。電晶體123的源極端子與電流源133的一端子及GM放大器106的電晶體153、154的閘極端子連接。電流源133的另一端子連接於電源端子VDD1。於位凖移位電路114中，電晶體124的汲極端子連接於電源端子VSS1。電晶體124的閘極端子連接於GM放大器102的輸出端子194。電晶體124的源極端子與電流源134的一端子及GM放大器106的電晶體163、164的閘極端子連接。電流源134的另一端子連接於電源端子VDD1。

於GM放大器106中，電流源172的一端子連接於電源端子VSS2，另一端子連接於電晶體143、144的源極端子。電晶體143的閘極端子連接於輸入端子183。電晶體144的閘極端子連接於輸入端子184。電晶體143的汲極端子與輸出端子194、電晶體153、163的汲極端子及位凖移位電路114的電晶體124的閘極端子連接。電晶體144的汲極端子與輸出端子193、電晶體154、164的汲極端子及位凖移位電路113的電晶體123的閘極端子連接。電晶體153、154、163、164的源極端子連接於電源端子VDD2。本第三實施形態的動作可說明為進行與第一實施形態相同的動作。

如以上所說明般，根據本發明的同相反饋電路，不存在作為GM放大器的輸出負載而進行影響的電阻，因此可提供不對GM放大器的動作造成影響的同相反饋電路。藉此，存在不引起直流增益降低的優點，進而存在抑制輸入偏移的增加的優點。另外，位凖移位電路不會妨礙動作速度，因此存在抑制動作速度降低的優點。

100、200‧‧‧GM放大器

101、105、201‧‧‧同相反饋電路

102、104、106、202‧‧‧GM放大器本體

111、112、113、114‧‧‧位準移位電路

121、122、123、124、141、142、143、144、145、146、151、152、153、154、161、162、163、164、241、242、251、252‧‧‧電晶體

131、132、133、134、171、172、231‧‧‧電流源

181、182、183、184、281、282‧‧‧輸入端子

191、192、193、194、291、292‧‧‧輸出端子

211、212‧‧‧電阻

221‧‧‧放大器

INN‧‧‧負輸入

INP‧‧‧正輸入

OUTN‧‧‧負輸出

OUTP‧‧‧正輸出

VDD‧‧‧電源

VDD1、VDD2、VSS1、VSS2‧‧‧電源端子

Vref1‧‧‧基準電壓

Vref2‧‧‧偏電壓

圖1是表示本發明的實施形態的GM放大器的一例的說明圖。圖2是表示本發明的實施形態的GM放大器的一例的說明圖。圖3是表示本發明的實施形態的GM放大器的一例的說明圖。圖4是表示習知的GM放大器的說明圖。

Claims

一種跨導放大器，其包括同相反饋電路，所述同相反饋電路連接於生成基於輸入電壓的輸出電流的跨導放大電路並決定所述跨導放大電路的輸出的直流動作點，並且所述同相反饋電路包括連接於所述跨導放大電路的輸出端子的多個位準移位電路，所述多個位凖移位電路連接於多個電晶體的控制端子。
如申請專利範圍第1項所述的跨導放大器，其中控制不同的所述位凖移位電路的輸出的電流源並聯連接。
如申請專利範圍第1項或第2項所述的跨導放大器，其中所述位凖移位電路包括電晶體與電流源。
如申請專利範圍第1項或第2項所述的跨導放大器，其中所述位凖移位電路包括電晶體與電阻。
如申請專利範圍第1項或第2項所述的跨導放大器，其中所述位凖移位電路包括電晶體、電阻及PN接面。
如申請專利範圍第1項至第5項中任一項所述的跨導放大器，其中所述跨導放大電路為折疊級聯構成。
如申請專利範圍第1項至第6項中任一項所述的跨導放大器，其中所述跨導放大電路的動作電壓與所述同相反饋電路的動作電壓相等。