本發(fā)明屬于模擬集成電路技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種帶有溫度補(bǔ)償?shù)木€性跨導(dǎo)誤差放大器。

背景技術(shù)：

誤差放大器是模擬集成電路中非常重要的集成電路模塊，主要用于模擬信號的誤差檢測及放大。例如在DC-DC轉(zhuǎn)換器中，誤差放大器檢測輸出反饋采樣電壓，并以固定電壓為基準(zhǔn)，放大反饋電壓差量，輸出信號參與后級電路調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)換器的最終輸出。因此，誤差放大器在DC-DC轉(zhuǎn)換器的整個調(diào)整環(huán)路中起到至關(guān)重要的作用。其對系統(tǒng)精度、速度、穩(wěn)定性的影響要求具有高增益、高共模抑制比、大輸入動態(tài)范圍以及高且穩(wěn)定的跨導(dǎo)值的特點。從電路結(jié)構(gòu)來看，誤差放大器是一個差動輸入，單端輸出的跨導(dǎo)放大器，差分對的尾電流通常由固定的基準(zhǔn)電流源提供。

傳統(tǒng)的輸入差分對如圖2所示，其輸入輸出電流關(guān)系為

其中i_C1+i_C2＝I₀，V_BE1-V_BE2＝V_IN。

對于一個平衡差分對來說，將式(1)泰勒展開，則有

為了使差分對線性工作，線性部分要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于三次項部分，這里假設(shè)其比例為十倍，則

±25mV為差分對能線性放大的理論小信號值，而實際線性放大范圍僅為±5mV。這個值遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足誤差放大器的性能需求。因此，多種方法已經(jīng)被用來改善放大器的線性，包括：前饋控制、預(yù)修正、射極負(fù)反饋以及非線性消除。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明目的在于構(gòu)造一種適用于DC-DC轉(zhuǎn)換器的結(jié)構(gòu)簡單且動態(tài)范圍大、共模抑制比高且電源抑制比高的線性跨導(dǎo)放大器，并引入溫度補(bǔ)償減弱放大器跨導(dǎo)隨溫度變化的不穩(wěn)定性。

該線性跨導(dǎo)放大器包括PTAT電流源，共集電極電平移位電路，不平衡差分對構(gòu)成的跨導(dǎo)放大器以及C1、C2、R1構(gòu)成的頻率補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)。共集電極電平移位電路將較低的電壓值抬升到較高值，為第二級跨導(dǎo)放大器提供正常工作所需的電壓；利用多雙曲正切法則，第二級跨導(dǎo)放大器由不平衡差分對組成，其有效電壓輸入范圍得到了擴(kuò)展，線性度提高；PTAT電流源為差分對提供尾電流，補(bǔ)償溫度變化造成的放大器跨導(dǎo)不穩(wěn)定；頻率補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生了合適的零極點，使跨導(dǎo)誤差放大器相位裕度達(dá)到60度，工作穩(wěn)定。

本發(fā)明的創(chuàng)造性在于誤差放大器的輸入差分對由利用多雙曲正切法則的不平衡差分對構(gòu)成，拓寬了輸入動態(tài)范圍；輸出端加入共柵對提高了電源抑制比；同時，差分對尾電流改為由PTAT電流源來提供，提高了溫度穩(wěn)定性。

多雙曲正切法則可描述為：通過將多個帶有獨立基極偏置電壓的差分對并聯(lián),對跨導(dǎo)沿電壓輸入軸進(jìn)行拆分,以擴(kuò)展差分對的有效電壓輸入范圍。由于每個差分單元在較小的輸入范圍上是線性的,因此將多個這樣的差分對沿輸入軸合理搬移,所輸出的表現(xiàn)為多個線性區(qū)間的疊加,總體上獲得一個較大的線性度。

具體實施方式

不平衡差分對在雙極型晶體管電路中有兩種典型的電路結(jié)構(gòu):多補(bǔ)償偏置結(jié)構(gòu)和多發(fā)射極面積結(jié)構(gòu)，本發(fā)明基于多發(fā)射極面積結(jié)構(gòu)來設(shè)計,不平衡差分對如圖3所示。搬移后的差分對輸出電流為

所以，為了使放大器線性放大，按照前面的假設(shè)，只需要

因為本發(fā)明基于多寬長比結(jié)構(gòu)的不平衡差分對來設(shè)計，所以圖3所示結(jié)構(gòu)的輸出電流可表示為

因此，對于兩級的非平衡差分對來說，

根據(jù)式(5)，若要使線性范圍為±50mV，則ΔV≥30mV，而實際上60mV能得到更好的效果。本發(fā)明中設(shè)計為A₂/A₁＝4，則ΔVopm＝72mV。

本文采用多寬長比結(jié)構(gòu)構(gòu)成不平衡差分對。隨著溫度的升高，會出現(xiàn)以下兩種現(xiàn)象：①原始的以及被搬移的傳輸函數(shù)都會變得更低更寬，被搬移的傳輸函數(shù)還會向右移；②式(7)所示的失調(diào)電壓隨著溫度的升高而增大。兩種現(xiàn)象自動形成補(bǔ)償，使得恒定跨導(dǎo)區(qū)依舊保持水平。

另外，從上面的分析我們可以看出，恒定跨導(dǎo)區(qū)雖然水平，但是其峰值會隨著溫度的升高而減小。

可見，由于式(8)中V_T的存在，g_m峰值會隨著溫度的升高而減小。為了使g_m峰值不受溫度影響，采用PTAT電流源為差分對提供尾電流，形成溫度補(bǔ)償。因此，尾電流為

采用PTAT電流源為差分對提供尾電流形成溫度補(bǔ)償后，

由式(10)可以看出，g_m峰值大小與溫度無關(guān)。

因此，該差分放大結(jié)構(gòu)有著較寬的動態(tài)范圍，差分對的尾電流由PTAT電流源提供，實現(xiàn)溫度補(bǔ)償，使得線性放大區(qū)域基本不受溫度影響。同時，輸出級添加的共柵對提高了電源抑制比。輸入級采用共射極電平移位結(jié)構(gòu)將VFB抬升到差分放大器正常工作所需的電壓值。

附圖說明

為使本發(fā)明的上述特征和優(yōu)點更加清晰，下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的具體實施方式做詳細(xì)的說明。

圖1為摘要附圖。

圖2所示為傳統(tǒng)的差分結(jié)構(gòu)，包括兩個雙極型晶體管構(gòu)成的差分輸入對以及電流基準(zhǔn)提供的尾電流。

圖3所示為不平衡差分對結(jié)構(gòu)。其原理是多雙曲正切法則，實現(xiàn)方法是采用不同發(fā)射極面積的雙極型晶體管構(gòu)成差分對，使得兩個管子的傳輸特性曲線在水平方向上左右分離從而實現(xiàn)線性區(qū)域的疊加，拓寬了線性放大范圍。在本發(fā)明中。事實上，使得線性放大區(qū)跨導(dǎo)恒定的最佳面積比為3.75:1。但是由于仿真工藝庫中元件模型尺寸的限制，本發(fā)明將其面積比設(shè)為4:1，仍能得到較大的線性放大范圍。此時，ΔV＝2V_Tln(A2/A1)

圖4所示為第一級電平移位電路。

圖5所示為第二級跨導(dǎo)放大器電路。其中包含:Q1、Q2、Q3、Q4構(gòu)成的不平衡差分輸入對；NMOS管MN1、MN2、MN3構(gòu)成的電流鏡，為差分對提供尾電流；PMOS管MP5、MP6、MP7組成的共柵對，提高輸出電阻，增大PSRR；PMOS管MP1、MP2、MP3、MP4以及NMOS管MN3、MN4、MN5、MN6完成雙端電壓輸出到單端電流輸出的轉(zhuǎn)換。

圖6所示為PTAT電流源。PTAT電流源產(chǎn)生的電流大小為(V_TlnN)/R，其中N為QA與QB的面積比。因此差分對的尾電流I₀＝(V_TlnN)/R，與溫度成正比。于是便得到g_m＝(lnN/2R)sech²[(V_IN±ΔV)/2V_T]，可見g_m峰值與溫度無關(guān)。

整體電路工作原理如下：(1)第一級共集電極電平移位：VREFIN電壓值為0.6V，VFB電壓為輸出反饋電壓。經(jīng)過共集電極PNP管以及電阻R3和R5，VIN+和VIN-會被抬高到1.5V左右，保證第二級正常工作。(2)第二級跨導(dǎo)放大器由不平衡差分對組成，提高了線性放大范圍，同時其尾電流由PTAT電流源提供，構(gòu)成了溫度補(bǔ)償，使得放大器跨導(dǎo)基本不隨溫度變化。

上面對本發(fā)明的實施方式做了詳細(xì)說明。但是本發(fā)明并不限于上述實施方式，在所屬技術(shù)領(lǐng)域普通技術(shù)人員所具備的知識范圍內(nèi)，還可以在不脫離本發(fā)明宗旨的前提下做出各種變化。因此，凡是未脫離本發(fā)明技術(shù)方案的內(nèi)容，依據(jù)本發(fā)明的技術(shù)實質(zhì)對以上實施例所做的任何簡單修改、等同變化及修飾，均仍屬于本發(fā)明技術(shù)方案保護(hù)的范圍內(nèi)。