[发明专利]一种提高增益的放大器及其设计方法

摘要

本发明公开一种提高增益的放大器及其设计方法，该放大器结构由一个基本的差分对结构改进而成，在此基础上增加了两个负阻单元，其中第一个负阻单元加在主放大管的源极，用来增大主放大管的跨导，第二个负阻单元和负载管并联，用来增大输出电阻，通过增大跨导和输出电阻的方法，提高电路的增益。本发明通过匹配负阻单元与原MOS管的尺寸，可以使得放大器的增益提高一个确定的倍数。本发明提高了增益，具有结构简单，增益可精确控制的特点。经过验证，通过匹配晶体管的尺寸，可以提高电路增益10倍以上。

主权项

一种提高运算放大器增益的方法，其特征在于，所述方法为：主放大管为M1、M1n，M1的漏端连接到M3的栅端、M3的漏端、M4的漏端、M4n的栅端和输出端Vout+，M1的栅端连接到输入Vin+，M1的源端连接到M2的漏端和M2n的栅端；差分的主放大管M1n的漏端连接到M3n的栅端、M3n的漏端、M4n的漏端、M4的栅端和输出端Vout‑，M1n的栅端连接到输入Vin‑，M1n的源端连接到M2n的漏端和M2的栅端；M2和M2n构成了第一个负阻单元，M2的漏端连接到M2n的栅端和M1的源端，M2的栅端连接到M2n的漏端和M1n的源端，M2的源端连接到M5的漏端；对应的差分管M2n的漏端连接到M2的栅端和M1n的源端，M2n的栅端连接到M2的漏端和M1的源端，M2n的源端连接到M5的漏端；负载管M3的漏端接M3的栅端、M4的漏端、M4n的栅端、M1的漏端和Vout+，M3的栅端接M3的漏端、M4的漏端、M4n的栅端、M1的漏端和Vout+，M3的源端接电源VDD；差分的负载管M3n的漏端接M3n的栅端、M4n的漏端、M4的栅端、M1n的漏端和Vout‑，M3n的栅端接M3n的漏端、M4n的漏端、M4的栅端、M1n的漏端和Vout‑，M3n的源端接电源VDD；M4和M4n构成了第二个负阻单元，M4的漏端连接到M3的栅端、M3的漏端、M4n的栅端和Vout+，M4的栅端连接到M4n的漏端、M3n的漏端和栅端、M1n的漏端和Vout‑，M4的源端接VDD；对应的差分管M4n的漏端连接到M3n的栅端、M3n的漏端、M4的栅端和Vout‑，M4n的栅端连接到M4的漏端、M3的漏端和栅端、M1的漏端和Vout+，M4n的源端接VDD；尾电流源M5的漏端接M2和M2n的源端，M5的栅端接偏置电压Vbias，M5的源端接地；在主放大管M1和M1n的源端加上了M2和M2n构成的第一个负阻单元，第一个负阻单元对主放大管构成了反馈，且第一个负阻单元的阻抗为‑1/g_m2，放大器的跨导变为：$g_m=\frac{g_{m1}}{1+g_{m1}\&CenterDot;(-\frac{1}{g_{m2}})}=\frac{g_{m1}}{1-\frac{g_{m1}}{g_{m2}}}---\left(1\right)$在负载管M3和M3n的源端加上了M4和M4n构成的第二个负阻单元，这样总的负载电阻R_L变为：$R_L=\frac{1}{g_{m3}-g_{m4}}---\left(2\right)$则放大器电路的增益为：$A_v=\frac{g_{m1}}{1-\frac{g_{m1}}{g_{m2}}}\&CenterDot;\frac{1}{g_{m3}-g_{m4}}---\left(3\right)$由于M1管和M2管流过的直流电流相等，如果M2管的宽长比是M1管的p²倍，p>1，则g_m2＝p×g_m1，或g_m1＝(1/p)g_m2；由于M4管的栅源电压和M3管的栅源电压相等，如果M4的宽长比是M3的q倍，q<1，则g_m4＝q×g_m3，则放大器电路的增益为：$A_v=\frac{g_{m1}}{1-\frac{g_{m1}}{g_{m2}}}\&CenterDot;\frac{1}{g_{m3}-g_{m4}}=\frac{1}{(1-\frac{1}{p})(1-q)}\&CenterDot;\frac{g_{m1}}{g_{m3}}---\left(4\right)$当M2管的宽长比是M1管的2倍，则1‑(1/p)＝0.3；当M4管的宽长比是M3管的0.7倍，q＝0.7，则其中g_m1为M1管的跨导；g_m2为M2管的跨导；g_m3为M3管的跨导；g_m4为M4管的跨导。