本實(shí)用新型涉及集成電路技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種增益可變的CMOS兩級(jí)運(yùn)算放大器、芯片。

背景技術(shù)：

在集成電路設(shè)計(jì)中，運(yùn)算放大器是搭建復(fù)雜電路和擴(kuò)充電路功能不可或缺的電路結(jié)構(gòu)，增益可變的運(yùn)算放大器更是目前很多設(shè)計(jì)人員的研究方向。

現(xiàn)有的增益可變的運(yùn)算放大器往往是通過(guò)在運(yùn)算放大器的輸出級(jí)之后采用負(fù)載連接的結(jié)構(gòu)，使得增益逐級(jí)遞減，這種結(jié)構(gòu)雖然可以調(diào)節(jié)得到不同增益，但是在對(duì)增益精確調(diào)解時(shí)，采用這種結(jié)果實(shí)現(xiàn)起來(lái)不僅復(fù)雜，而且性能得不到保障。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了解決現(xiàn)有技術(shù)的問(wèn)題，本實(shí)用新型實(shí)施例提供了一種增益可變的CMOS兩級(jí)運(yùn)算放大器、芯片。所述技術(shù)方案如下：

一方面，提供了一種增益可變的CMOS兩級(jí)運(yùn)算放大器，包括依次連接的帶隙基準(zhǔn)源電路、線性可變電阻、第一級(jí)放大電路和第二級(jí)放大電路；

所述帶隙基準(zhǔn)源電路將輸入的電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為恒溫的基準(zhǔn)電壓，并輸出至所述線性可變電阻；

所述線性可變電阻將所述基準(zhǔn)電壓轉(zhuǎn)換為可變電流并輸出至所述第一級(jí)放大電路；

所述第一級(jí)放大電路在所述可變電流的作用下，輸出增益放大信號(hào)至所述第二級(jí)放大電路；

所述第二級(jí)放大電路將所述增益放大信號(hào)進(jìn)行二次放大并輸出。

進(jìn)一步的，所述帶隙基準(zhǔn)源電路采用與絕對(duì)溫度無(wú)關(guān)的電壓型帶隙基準(zhǔn)。

進(jìn)一步的，所述線性可變電阻為兩端電壓與通過(guò)電流成正比的線性可調(diào)節(jié)電阻。

進(jìn)一步的，所述第一級(jí)放大電路采用雙端輸入的差分放大結(jié)構(gòu)。

進(jìn)一步的，所述第一級(jí)放大電路通過(guò)電平轉(zhuǎn)換電路與所述第二級(jí)放大電路連接，所述電平轉(zhuǎn)換電路將所述增益放大信號(hào)轉(zhuǎn)換為雙端信號(hào)，輸出至所述第二級(jí)放大電路，所述電平轉(zhuǎn)換電路采用源跟隨器結(jié)構(gòu)，所述源跟隨器結(jié)構(gòu)以PMOS管作為輸入端。

進(jìn)一步的，所述電平轉(zhuǎn)換電路通過(guò)差分轉(zhuǎn)單端電路和所述第二級(jí)放大電路連接，所述差分轉(zhuǎn)單端電路將所述雙端信號(hào)轉(zhuǎn)換為單端信號(hào)，輸出至所述第二級(jí)放大電路。

進(jìn)一步的，所述第二級(jí)放大電路為固定增益放大電路，采用共源級(jí)結(jié)構(gòu)。

另一方面，提供了一種芯片，包括芯片本體和所述的增益可變的CMOS兩級(jí)運(yùn)算放大器。

本實(shí)用新型實(shí)施例提供的技術(shù)方案帶來(lái)的有益效果是：

通過(guò)在運(yùn)算放大器的輸入級(jí)之前增加帶隙基準(zhǔn)源電路和線性可變電阻，進(jìn)而在穩(wěn)定的帶隙電壓下為放大器提供穩(wěn)定的可變輸入電流，達(dá)到精確控制增益的目的。

附圖說(shuō)明

為了更清楚地說(shuō)明本實(shí)用新型實(shí)施例中的技術(shù)方案，下面將對(duì)實(shí)施例描述中所需要使用的附圖作簡(jiǎn)單地介紹，顯而易見(jiàn)地，下面描述中的附圖僅僅是本實(shí)用新型的一些實(shí)施例，對(duì)于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來(lái)講，在不付出創(chuàng)造性勞動(dòng)的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。

圖1是本實(shí)用新型實(shí)施例一提供的一種增益可變的CMOS兩級(jí)運(yùn)算放大器示意圖；

圖2是本實(shí)用新型實(shí)施例一提供的一種帶隙基準(zhǔn)源電路圖；

圖3是本實(shí)用新型實(shí)施例一提供的另一種增益可變的CMOS兩級(jí)運(yùn)算放大器示意圖；

圖4是本實(shí)用新型實(shí)施例一提供的另一種增益可變的CMOS兩級(jí)運(yùn)算放大器示意圖；

圖5是本實(shí)用新型實(shí)施例一提供的一種增益可變的CMOS兩級(jí)運(yùn)算放大器電路圖；

圖6是本實(shí)用新型實(shí)施例一提供的一種線性可變電阻與輸出增益的特性曲線圖。

具體實(shí)施方式

為使本實(shí)用新型的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚，下面將結(jié)合附圖對(duì)本實(shí)用新型實(shí)施方式作進(jìn)一步地詳細(xì)描述。

實(shí)施例一

本實(shí)用新型實(shí)施例提供了一種增益可變的CMOS兩級(jí)運(yùn)算放大器，參見(jiàn)圖1，包括依次連接的帶隙基準(zhǔn)源電路10、線性可變電阻20、第一級(jí)放大電路30和第二級(jí)放大電路40；

所述帶隙基準(zhǔn)源電路10將輸入的電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為恒溫的基準(zhǔn)電壓，并輸出至所述線性可變電阻20；

所述線性可變電阻20將所述基準(zhǔn)電壓轉(zhuǎn)換為可變電流并輸出至所述第一級(jí)放大電路30；

所述第一級(jí)放大電路30在所述可變電流的作用下，輸出增益放大信號(hào)至所述第二級(jí)放大電路40；

所述第二級(jí)放大電路40將所述增益放大信號(hào)進(jìn)行二次放大并輸出。

在本實(shí)施例中，所述帶隙基準(zhǔn)源電路10采用與絕對(duì)溫度無(wú)關(guān)的電壓型帶隙基準(zhǔn)。

參見(jiàn)圖2，圖2示出了所述帶隙基準(zhǔn)源電路10的具體結(jié)構(gòu)，Q1、Q2和Q3為雙極結(jié)型晶體管，M1、M2、M3為NMOS管，Vref為帶隙基準(zhǔn)源電路10的輸出端。由于雙極結(jié)型晶體管的基極—發(fā)射極具有負(fù)的溫度系數(shù)，同時(shí)，由于圖2中Q1和Q2的基極相連接，則Q1的V_BEQ1與Q2的V_BEQ2之間的差值ΔV_BE具有正的溫度系數(shù)，通過(guò)改變電阻R2和R1的大小可以將正負(fù)溫度系數(shù)抵消，從而得到一個(gè)恒溫的基準(zhǔn)電壓。

在本實(shí)施例中，所述線性可變電阻20為兩端電壓與通過(guò)電流成正比的線性可調(diào)節(jié)電阻。

具體而言，流過(guò)所述線性可變電阻20的電流僅僅跟其電阻值和輸入電壓有關(guān)，當(dāng)電阻值變化、輸入電壓不變時(shí)，輸出電流的變化與電阻值的變化成正比例關(guān)系，因而在恒溫的基準(zhǔn)電壓之下，通過(guò)調(diào)節(jié)線性可變電阻20，能夠得到精確穩(wěn)定的可變電流。

在本實(shí)施例中，所述第一級(jí)放大電路30采用雙端輸入的差分放大結(jié)構(gòu)。

具體而言，考慮到放大器電源電壓和共模輸入范圍，因此采用雙端輸入的差分放大結(jié)構(gòu)，通過(guò)控制輸入電流來(lái)控制差分放大器輸出的增益放大信號(hào)。

參見(jiàn)圖3，在本實(shí)施例中，所述第一級(jí)放大電路30通過(guò)電平轉(zhuǎn)換電路50與所述第二級(jí)放大電路40連接，所述電平轉(zhuǎn)換電路50將所述增益放大信號(hào)轉(zhuǎn)換為雙端信號(hào)，輸出至所述第二級(jí)放大電路40，所述電平轉(zhuǎn)換電路50采用源跟隨器結(jié)構(gòu)，所述源跟隨器結(jié)構(gòu)以PMOS管作為輸入端。

由于第一級(jí)放大電路30的輸出負(fù)向共模電平較大，為了使第二級(jí)放大電路40的MOS管能夠工作在飽和區(qū)內(nèi)，可以在第一級(jí)放大電路30的差分輸出級(jí)后增加電平轉(zhuǎn)換電路50，將差分輸出級(jí)的輸出電位提升，同時(shí)，電平轉(zhuǎn)換電路50以PMOS管作為輸入，能夠優(yōu)化噪聲性能。

參見(jiàn)圖4，在本實(shí)施例中，所述電平轉(zhuǎn)換電路50通過(guò)差分轉(zhuǎn)單端電路60和所述第二級(jí)放大電路40連接，所述差分轉(zhuǎn)單端電路60將所述雙端信號(hào)轉(zhuǎn)換為單端信號(hào)，輸出至所述第二級(jí)放大電路40。

為了使電平轉(zhuǎn)換電路50放大的雙端信號(hào)滿(mǎn)足第二級(jí)放大電路40的固定增益的單端輸入，可以在電平轉(zhuǎn)換電路50和第二級(jí)放大電路40之間增加差分轉(zhuǎn)單端電路60，同時(shí)，電平轉(zhuǎn)換電路50采用PMOS管作為輸入，能夠優(yōu)化噪聲性能。

在本實(shí)施例中，所述第二級(jí)放大電路40為固定增益放大電路，采用共源級(jí)結(jié)構(gòu)。

為了提高經(jīng)過(guò)第一級(jí)放大電路30輸出的增益放大信號(hào)以及輸出擺幅，所述第二級(jí)放大電路40采用共源級(jí)結(jié)構(gòu)，并選用PMOS管作為輸入，能夠優(yōu)化噪聲性能。

參見(jiàn)圖5，圖5提供了一種增益可變的CMOS兩級(jí)運(yùn)算放大器的電路圖。在圖5中，VDD為輸入電壓信號(hào)，GND為接地符號(hào)，Vout為兩級(jí)運(yùn)算放大器的增益輸出端，具體而言，帶隙基準(zhǔn)源電路10為后級(jí)電路提供穩(wěn)定精確的輸入電壓，作為增益可變的CMOS兩級(jí)運(yùn)算放大器的輸入級(jí)；線性可變電阻20與帶隙基準(zhǔn)源電路10相連接，為后面的兩級(jí)放大電路提供可變輸入電流；第一級(jí)放大電路30作為增益可變的CMOS兩級(jí)運(yùn)算放大器的第一級(jí)增益放大模塊；電平轉(zhuǎn)化電路作為第一級(jí)運(yùn)算放大器和差分轉(zhuǎn)單端電路60之間的過(guò)渡結(jié)構(gòu)；差分轉(zhuǎn)單端電路60將第一級(jí)運(yùn)算放大器輸出的雙端信號(hào)轉(zhuǎn)換為單端信號(hào)，作為第二級(jí)放大電路40的輸入信號(hào)；第二級(jí)放大電路40為固定增益電路，作為增益可變的CMOS兩級(jí)運(yùn)算放大器的第二級(jí)增益放大模塊，并作為增益可變的CMOS兩級(jí)運(yùn)算放大器的輸出級(jí)。

對(duì)于帶隙基準(zhǔn)源電路10，帶隙基準(zhǔn)源電路10為線性可變電阻20提供穩(wěn)定的、與溫度無(wú)關(guān)的帶隙輸入電壓，其提供的基準(zhǔn)電壓連接在線性可變電阻20Rx的R_P端。

對(duì)于線性可變電阻20，線性可變電阻20Rx的R_P端輸入穩(wěn)定的基準(zhǔn)電壓時(shí)，會(huì)在其R_M端輸出一個(gè)穩(wěn)定精確的可變電流，作為第一級(jí)放大電路30的輸入電流信號(hào)，并連接在第一級(jí)放大電路30中NMOS管M4的漏極，當(dāng)Rx電阻的阻值發(fā)生變化時(shí)，輸入第一級(jí)放大電路30的電流信號(hào)會(huì)發(fā)生變化，進(jìn)而通過(guò)該可變電流精確控制第一級(jí)放大電路30的輸出增益。

對(duì)于第一級(jí)放大電路30，第一級(jí)放大電路30把線性可變電阻20流出的電流信號(hào)作為尾電流源，當(dāng)尾電流源電流發(fā)生變化時(shí)，差分放大器的增益會(huì)發(fā)生變化，因此通過(guò)改變可變電阻的阻值大小，能夠控制第一級(jí)放大電路30輸入電流的大小，進(jìn)而達(dá)到放大器增益可變的目的。第一級(jí)放大電路30的具體連接方式為，在第一級(jí)放大電路30的輸入端，線性可變電阻20Rx的Rx_M連接NMOS管M4的漏極，而第一級(jí)放大電路30的差分輸出端分別接電平轉(zhuǎn)換電路50中NMOS管M15和NMOS管M16的柵極。

對(duì)于電平轉(zhuǎn)換電路50，由于第一級(jí)放大電路30輸出的負(fù)向共模電平較大，為了使第二級(jí)放大電路40和差分轉(zhuǎn)單端電路60的MOS管能夠工作在飽和區(qū)內(nèi)，在第一級(jí)放大電路30差分輸出級(jí)后增加電平轉(zhuǎn)換電路50，將輸出電位提升。電平轉(zhuǎn)換電路50的具體連接方式為，電平轉(zhuǎn)換電路50中的NMOS管M15和NMOS管M16的柵極連接第一級(jí)放大電路30的輸出端，而輸出端分別連接所述差分轉(zhuǎn)單端電路60中PMOS管M17、PMOS管M18以及PMOS管M19的柵極。電平轉(zhuǎn)換電路50作為第一級(jí)放大電路30和第二級(jí)放大電路40的過(guò)渡結(jié)構(gòu)。

對(duì)于差分轉(zhuǎn)單端電路60，差分轉(zhuǎn)單端電路60將電平轉(zhuǎn)換電路50中提升過(guò)的雙端共模電位信號(hào)轉(zhuǎn)化成單端信號(hào)，并輸入到第二級(jí)放大電路40中；差分轉(zhuǎn)單端電路60的具體連接方式為，PMOS管M17、PMOS管M18以及PMOS管M19的柵極分別連接著所述電平轉(zhuǎn)換電路50的輸出端，而其輸出端連接著所述模塊6中NMOS管M23的柵極。

對(duì)于第二級(jí)放大電路40，第二級(jí)放大電路40采用PMOS輸出的共源級(jí)結(jié)構(gòu)，將差分轉(zhuǎn)單端電路60輸出的有效電平進(jìn)行二次放大；第二級(jí)放大電路40的具體連接方式為，NMOS管M23的柵極連接所述差分轉(zhuǎn)單端電路60的輸出端，而其PMOS管M22的柵極連接所述差分轉(zhuǎn)單端電路60中PMOS管M17的柵極。

參見(jiàn)圖6，圖6示出了增益可變的CMOS兩級(jí)運(yùn)算放大器的線性可變電阻20與CMOS兩級(jí)運(yùn)算放大器輸出增益的特性曲線，其中，橫坐標(biāo)表示線性可變電阻的阻值范圍，縱坐標(biāo)表示放大器輸出增益的變化范圍。從圖6可以得出，線性可變電阻20在100k～150k變化時(shí)，放大器增益的調(diào)節(jié)范圍為72.5dB～115.6dB。

需要說(shuō)明的是，上述曲線的工作條件是：電源工作電壓為5V，CMOS工藝采用0.18um工藝。

本實(shí)施例通過(guò)在運(yùn)算放大器的輸入級(jí)之前增加帶隙基準(zhǔn)源電路10和線性可變電阻20，進(jìn)而在穩(wěn)定的帶隙電壓下為放大器提供穩(wěn)定的可變輸入電流，達(dá)到精確控制增益的目的。

實(shí)施例二

本實(shí)用新型實(shí)施例提供了一種芯片，包括芯片本體和實(shí)施例一所述的增益可變的CMOS兩級(jí)運(yùn)算放大器。

上述本實(shí)用新型實(shí)施例序號(hào)僅僅為了描述，不代表實(shí)施例的優(yōu)劣。

以上所描述的裝置實(shí)施例僅僅是示意性的，其中所述作為分離部件說(shuō)明的單元可以是或者也可以不是物理上分開(kāi)的，作為單元顯示的部件可以是或者也可以不是物理單元，即可以位于一個(gè)地方，或者也可以分布到多個(gè)網(wǎng)絡(luò)單元上?？梢愿鶕?jù)實(shí)際的需要選擇其中的部分或者全部模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)本實(shí)施例方案的目的。本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在不付出創(chuàng)造性的勞動(dòng)的情況下，即可以理解并實(shí)施。

通過(guò)以上的實(shí)施方式的描述，本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以清楚地了解到各實(shí)施方式可借助軟件加必需的通用硬件平臺(tái)的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)，當(dāng)然也可以通過(guò)硬件?；谶@樣的理解，上述技術(shù)方案本質(zhì)上或者說(shuō)對(duì)現(xiàn)有技術(shù)做出貢獻(xiàn)的部分可以以軟件產(chǎn)品的形式體現(xiàn)出來(lái)，該計(jì)算機(jī)軟件產(chǎn)品可以存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)可讀存儲(chǔ)介質(zhì)中，如ROM/RAM、磁碟、光盤(pán)等，包括若干指令用以使得一臺(tái)計(jì)算機(jī)設(shè)備(可以是個(gè)人計(jì)算機(jī)，服務(wù)器，或者網(wǎng)絡(luò)設(shè)備等)執(zhí)行各個(gè)實(shí)施例或者實(shí)施例的某些部分所述的方法。

以上所述僅為本實(shí)用新型的較佳實(shí)施例，并不用以限制本實(shí)用新型，凡在本實(shí)用新型的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本實(shí)用新型的保護(hù)范圍之內(nèi)。