[发明专利]差动放大器

说明书

技术领域

本发明为差动放大器，尤其是一种全向差动放大器。

背景技术

通常使用运算放大器时，会将其输出端与其反相输入端(inverting input node)连接，形成负反馈(negative feedback)组态。原因是运算放大器的电压增益非常大，范围从数百至数万倍不等，使用负反馈才能保证电路的稳定运作。

运算放大器11作为模拟系统和混合信号系统中的一个重要电路单元，广泛应用于数字/模拟转换器(ADC converter)、有源滤波器(一种含有运算放大器的滤波器，优点为体积小、效率高、频率特性好)、波形产生器(产生一定频率、振幅的波形)和视频放大器等各种电路中。伴随着每一代CMOS工艺的发展，电源电压(voltage source)和晶体管沟道(transistor channel)长度的持续减小，不断为运算放大器的设计提出了复杂的课题。在A/D转换器中，运算放大器是最关键的部件。比如，有限增益、带宽(bandwidth)和有限转换速率(slew rate)等运算放大器的非理想特性都会造成积分器中的电荷转移不完全，从而引起A/D转换器的非线性(nonlinearity)。与单端输出的运算放大器相比，全差动运算放大器如图1所示，能提供更大的输出电压摆幅，并具有不易受共模(common mode)噪声影响、更高的线性度、减少偶次谐波(even hormonics)干扰以及偏置电路更简单等优点。然而，图1的全差动运算放大器虽有上述优点，但其低频宽的特性与需要一个共模反馈(common mode feedback)电路12，使得其应用范围并未被广泛采用。

差动放大器也叫差分放大器，是一种将两个输入端电压的差以固定增益放大的电子放大器，有时简称为“差放”。差动放大器通常被用作功率放大器和发射极耦合逻辑电路(ECL，Emitter Coupled Logic)的输入级。差动放大器具有下列三项特点：(1)高输入阻抗，低输出阻抗。(2)输出信号大小与两输入信号的差值成比例。(3)频率响应较一般放大器宽广。晶体管差动放大器20，如图2所示，为使用晶体管而不用运算放大器的简单方法，其特性为不易受晶体管栅极与源极间电压的影响，及拥有放大倍率为Gain≈R₂₂/(R₂₁+1/G_m)，其中G_m为输入端PMOS的跨导值(transconductance)，由于跨导值G_m并非定值且随制造的不同而变动。如果我们需要该放大倍率不会随着跨导值G_m的改变与不确定性而变动，则应该选择电阻R₂₁＞＞1/G_m，若G_m的值无法大幅提高，则电阻R₂₁势必选择较大的值，此限制条件进一步影响其适用于不同电路设计的需求。

由图2得知，当我们将电阻值R₂₁与电阻值R₂₂增加相同的K倍，则全部的该放大倍率受跨导值G_m的影响比较小。然而，为了保持V_op与V_on在相同的操作点与操作动态范围，通过电阻4*R₃₂的电流必须减少为1/K倍，所以，(1-1/K)I的电流降低效应必须加到V_op与V_on，如图3所示为晶体管差动放大器加入电流源30，其中在此例子上K＝4。

本发明申请人鉴于现有技术中的不足，经过悉心试验与研究，并本着锲而不舍的精神，终构思出本发明差动放大器的技术，能有效在低成本考虑下，克服现有技术的不足，以下为本发明的简要说明。

发明内容

本发明揭露一种采用晶体管的全向差动放大器，其具有可变增益的功能，能通过单纯地调整电阻比值，放大信号数倍甚至上千倍。设计上加入由NMOS晶体管与电流源(current source)构成的区域反馈电路，来增加输入控制中PMOS或NMOS晶体管的跨导值G_m，以大幅降低半导体制造元件的漂移特性对此放大器电路造成的放大倍率的不确定性。

根据上述构想，本发明提出一种差动放大器，包括：放大模块，具有电阻比值，接收输入电压，并根据所述电阻比值而将所述输入电压放大为输出电压；以及反馈模块，耦合于所述放大模块并根据所述输入电压与反馈信号所产生的负向电压位准调整所述输出电压。