CN114650019A - 一种任意增益温度系数放大器电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种任意增益温度系数放大器电路，包括跨导产生电路、信号放大器电路、偏置电路，其中，所述跨导产生电路分别与所述信号放大器电路和所述偏置电路连接，用于分别为所述信号放大器电路和所述偏置电路提供偏置电压；所述偏置电路用于为所述放大器电路提供偏置电压。通过上述方式，本发明的可通过调节正温度系数电流温度系数TC_p、TC_n，恒定偏置电流I_0p、I_0n，比例系数k₁、k₂来实现放大器增益温度系数的任意调整。

Description

一种任意增益温度系数放大器电路

技术领域

本发明涉及放大器电路领域，具体涉及一种任意增益温度系数放大器电路。

背景技术

传统放大器电路结构如图5所示，包含耦合电容CC，偏置电阻Rb，放大晶体管M1，以及负载电阻RL。信号由Vin端输入，Vo端输出，Vb为放大晶体管提供偏置电压。

传统放大器增益为：

其中gm为放大晶体管跨导，un为电子迁移率，Cox为晶体管栅极氧化层厚度，W为晶体管沟通宽度，L为晶体管沟道长度，ID为晶体管漏极电流，RL为负载电阻值。

由于电子迁移率以及晶体管漏极电流随温度变化较大。且不同工艺，不同偏置电压下，电子迁移率和漏极电流随温度变化关系不同，导致传统放大器电路增益随温度变化大，且增益温度系数不定，导致电路性能不确定。

另一方面，电路系统中通常需要温度增益补偿电路弥补其他电路由于温度变化产生的增益波动。且不同系统增益随温度波动状态不同，因此，具有增益温度系数任意可调的放大器具有广泛、重要的应用价值。

发明内容

针对现有技术中的上述不足，本发明提供了一种任意增益温度系数放大器电路。

为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案为：

一种任意增益温度系数放大器电路，包括跨导产生电路、信号放大器电路、偏置电路，其中，

所述跨导产生电路分别与所述信号放大器电路和所述偏置电路连接，用于分别为所述信号放大器电路和所述偏置电路提供偏置电压；所述偏置电路用于为所述放大器电路提供偏置电压。

进一步的，所述信号放大器电路包括耦合电容Cc、偏置电阻R_b，信号放大晶体管M1和负载晶体管M2，其中，所述耦合电容Cc的一端连接放大晶体管M1的栅极，另一端连接输入电压信号；所述偏置电阻R_b的一端连接放大晶体管M1的栅极，另一端连接所述跨导产生电路的输出端；所述放大晶体管M1的源极接地，漏极连接所述负载晶体管M2的漏极；所述负载晶体管M2的栅极和源极连接所述偏置电路。

进一步的，所述偏置电路包括晶体管M_b1、晶体管M_b2、晶体管M_b3、晶体管M_b4，其中，所述晶体管M_b1和晶体管M_b4的栅极连接所述跨导产生电路，所述晶体管M_b4的源极接地，漏极连接所述晶体管M_b3的源极；所述晶体管M_b1的源极接地，漏极连接所述晶体管M_b2的源极；所述晶体管M_b1和晶体管M_b2的栅极互联，漏极均连接至所述负载晶体管M2的栅极，且晶体管M_b2的栅极和源极互联。

进一步的，所述跨导产生电路包括正温度系数跨导产生电路和负温度系数跨导产生电路，其中，当所述负温度系数跨导产生电路连接所述晶体管M_b4、正温度系数跨导产生电路连接所述晶体管M_b1时，所述任意增益温度系数放大器电路产生正温度系数放大输出；当所述正温度系数跨导产生电路连接所述晶体管M_b1，负温度系数跨导产生电路连接所述晶体管M_b4时，所述任意增益温度系数放大器电路产生负温度系数放大输出。

进一步的，所述负温度系数跨导产生电路包括晶体管M3、晶体管M4、晶体管M5、晶体管M6、第一误差放大器EA1、第一漏极电压电阻R_1n、第一正温度系数电流源I_PTATn，第一恒流源I_0n，其中，所述晶体管M4和晶体管M5的栅极和漏极均互联，并在其源极连接系统电压VCC；晶体管M4和晶体管M5的栅极连接第一误差放大器EA1的输出端；晶体管M5的源极连接第一误差放大器EA1的一个比较端，并通过晶体管M3接地；晶体管M3的漏极与栅极互联，且漏极连接所述晶体管M5的源极；晶体管M3的源极接地；晶体管M6的源极连接第一误差放大器EA1的另一个比较端，并连接通过晶体管M4接地；晶体管M4的源极接地，漏极连接晶体管M6的源极，栅极为负温度系数跨导产生电路的输出V_{b_neg}；所述晶体管M6的源极还依次通过漏极电压电阻R_1n和第一正温度系数电流源I_PTATn的串联电路接地；所述晶体管M6的源极还通过第一恒流源I_0n接地；所述晶体管M3和晶体管M4尺寸相同，所述晶体管M5和M6尺寸相同。

进一步的，所述正温度系数跨导产生电路包括晶体管M7、晶体管M8、晶体管M9、晶体管M10、第二误差放大器EA2、第二漏极电压电阻R_1p、第二恒流源I_0p，第二正温度系数电流源I_PTATp，其中，所述晶体管M9和晶体管M10的栅极和漏极均互联，并在其源极连接系统电压VCC；晶体管M9和晶体管M10的栅极连接第二误差放大器EA2的输出端；晶体管M9的源极连接第二误差放大器EA2的一个比较端，并通过晶体管M7接地；晶体管M7的漏极与栅极互联，且漏极连接所述晶体管M9的源极；晶体管M7的源极接地；晶体管M10的源极连接第二误差放大器EA2的另一个比较端，并连接通过晶体管M8接地；晶体管M8的源极接地，漏极连接晶体管M10的源极，栅极为负温度系数跨导产生电路的输出V_{b_pos}；所述晶体管M10的源极还依次通过第二漏极电压电阻R_1p和第二恒流源I_0p的串联电路接地；所述晶体管M10的源极还通过第二正温度系数电流源I_PTATp接地；所述晶体管M7和晶体管M8尺寸相同，所述晶体管M9和晶体管M10尺寸相同。

进一步的，当所述任意增益温度系数放大器电路产生正温度系数放大输出时，其输出增益为：

其中，

为晶体管M1与晶体管M8的尺寸比例；

为晶体管M_b4与晶体管M8的尺寸比 例，

为第一正温度系数电流源I_PTATn产生的电流大小，

为第二正温度系数电流 源I_PTATp产生的电流大小，

为第一漏极电压电阻R_1n的阻值；

为第二漏极电压电阻R_1p 阻值；

为第二恒流源的电流值；

为第一恒流源的电流值。

进一步的，当所述任意增益温度系数放大器电路产生负温度系数放大输出时，其输出增益为：

其中，其中，

为晶体管M1与晶体管M8的尺寸比例；

为晶体管M_b4与晶体管M8的 尺寸比例，

为正温度系数电流源I_PTATn产生的电流大小，

为第二正温度系数电 流源I_PTATp产生的电流大小，

为第一漏极电压电阻R_1n的阻值；

为第二漏极电压电阻 R_1p阻值；

。

本发明具有以下有益效果：

本发明的任意增益温度系数放大器电路具有增益温度系数任意、准确的调节功能，能够弥补传统放大器增益随温度波动不确定的缺陷，同时可用于补偿系统中其他电路增益随温度波动的负面影响，提升整体系统可靠性。

附图说明

图1为本发明实施例负温度系数跨导产生电路示意图。

图2为本发明实施例正温度系数跨导产生电路示意图。

图3为本发明实施例正温度系数放大器电路示意图。

图4为本发明实施例负温度系数放大器电路示意图。

图5为现有技术中的传统放大器电路结构示意图。

具体实施方式

下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

一种任意增益温度系数放大器电路，包括跨导产生电路、信号放大器电路、偏置电路，其中，

所述跨导产生电路分别与所述信号放大器电路和所述偏置电路连接，用于分别为所述信号放大器电路和所述偏置电路提供偏置电压；所述偏置电路用于为所述放大器电路提供偏置电压。

具体而言，如图1所示，所述负温度系数跨导产生电路包括晶体管M3、晶体管M4、晶体管M5、晶体管M6、第一误差放大器EA1、第一漏极电压电阻R_1n、第一正温度系数电流源I_PTATn，第一恒流源I_0n，其中，所述晶体管M4和晶体管M5的栅极和漏极均互联，并在其源极连接系统电压VCC；晶体管M4和晶体管M5的栅极连接第一误差放大器EA1的输出端；晶体管M5的源极连接第一误差放大器EA1的一个比较端，并通过晶体管M3接地；晶体管M3的漏极与栅极互联，且漏极连接所述晶体管M5的源极；晶体管M3的源极接地；晶体管M6的源极连接第一误差放大器EA1的另一个比较端，并连接通过晶体管M4接地；晶体管M4的源极接地，漏极连接晶体管M6的源极，栅极为负温度系数跨导产生电路的输出V_{b_neg}；所述晶体管M6的源极还依次通过漏极电压电阻R_1n和第一正温度系数电流源I_PTATn的串联电路接地；所述晶体管M6的源极还通过第一恒流源I_on接地；所述晶体管M3和晶体管M4尺寸相同，所述晶体管M5和M6尺寸相同。

图1中晶体管M₃/M₄具有相同尺寸，M₅/M₆具有相同尺寸。负反馈环路通过误差放大器EA将M₃漏极电压与M₄漏极电压钳位至相等。因为M₃栅极与漏极电压相同，M₄栅极比漏极电压低电阻R_1n上的电压差，即I_PTATn*R_1n；另一方面，M₅与M₆具有相同漏极电流，M₃漏极电流与M₅相同，M₄漏极电流、偏置电流I_PTATn、偏置电流I_0n-I_PTATn之和等于M₆漏极电流，因此M₃与M₄的漏极电流差为I_PTATn+I_0n-I_PTATn，即I_0n。其中I_PTATn为正温度系数电流，I_0n为恒定电流。因此，M₄的跨导可近似为M₃与M₄漏极电流差与栅极电压差的比值，即I_0n/(I_PTATn*R_1n)。因I_PTATn具有正温度系数，因此其跨导为负温度系数。

所述正温度系数跨导产生电路包括晶体管M7、晶体管M8、晶体管M9、晶体管M10、第二误差放大器EA2、第二漏极电压电阻R_1p、第二恒流源I_0p，第二正温度系数电流源I_PTATp，其中，所述晶体管M9和晶体管M10的栅极和漏极均互联，并在其源极连接系统电压VCC；晶体管M9和晶体管M10的栅极连接第二误差放大器EA2的输出端；晶体管M9的源极连接第二误差放大器EA2的一个比较端，并通过晶体管M7接地；晶体管M7的漏极与栅极互联，且漏极连接所述晶体管M9的源极；晶体管M7的源极接地；晶体管M10的源极连接第二误差放大器EA2的另一个比较端，并连接通过晶体管M8接地；晶体管M8的源极接地，漏极连接晶体管M10的源极，栅极为负温度系数跨导产生电路的输出V_{b_pos}；所述晶体管M10的源极还依次通过第二漏极电压电阻R_1p和第二恒流源I_0p的串联电路接地；所述晶体管M10的源极还通过第二正温度系数电流源I_PTATp接地；所述晶体管M7和晶体管M8尺寸相同，所述晶体管M9和晶体管M10尺寸相同。

如图2所示，图中晶体管M₇/M₈具有相同尺寸，M₉/M₁₀具有相同尺寸。负反馈环路通过误差放大器EA将M₁漏极电压与M₂漏极电压钳位至相等。因为M₇栅极与漏极电压相同，M₈栅极比漏极电压低电阻R_1p上的电压差，即I_0p*R_1p；另一方面，M₉与M₁₀具有相同漏极电流，M₇漏极电流与M₉相同，M₈漏极电流、偏置电流I_0p、偏置电流I_PTATp-I_0p之和等于M₁₀漏极电流，因此M₇与M₈的漏极电流差为I_0p+I_PTATp-I_0p，即I_PTATp。其中I_PTATp为正温度系数电流，I_0p为恒定电流。因此，M₂的跨导可近似为M₇与M₈漏极电流差与栅极电压差的比值，即I_PTATp/(I_0p*R_1p)。因I_PTATp具有正温度系数，因此其跨导为负温度系数。

所述信号放大器电路如图3或图4所示，包括耦合电容Cc、偏置电阻R_b，信号放大晶体管M1和负载晶体管M2，其中，所述耦合电容Cc的一端连接放大晶体管M1的栅极，另一端连接输入电压信号；所述偏置电阻R_b的一端连接放大晶体管M1的栅极，另一端连接所述跨导产生电路的输出端；所述放大晶体管M1的源极接地，漏极连接所述负载晶体管M2的漏极；所述负载晶体管M2的栅极和源极连接所述偏置电路。

所述偏置电路包括晶体管M_b1、晶体管M_b2、晶体管M_b3、晶体管M_b4，其中，所述晶体管M_b1和晶体管M_b4的栅极连接所述跨导产生电路，所述晶体管M_b4的源极接地，漏极连接所述晶体管M_b3的源极；所述晶体管M_b1的源极接地，漏极连接所述晶体管M_b2的源极；所述晶体管M_b1和晶体管M_b2的栅极互联，漏极均连接至所述负载晶体管M2的栅极，且晶体管M_b2的栅极和源极互联。

所述跨导产生电路包括正温度系数跨导产生电路和负温度系数跨导产生电路，其中，当所述负温度系数跨导产生电路连接所述晶体管M_b4、正温度系数跨导产生电路连接所述晶体管M_b1时，所述任意增益温度系数放大器电路产生正温度系数放大输出；当所述正温度系数跨导产生电路连接所述晶体管M_b1，负温度系数跨导产生电路连接所述晶体管M_b4时，所述任意增益温度系数放大器电路产生负温度系数放大输出。

如图3所示，其信号放大器部分由信号耦合电容C_C，偏置电阻R_b，信号放大作用晶体管管M₁，负载晶体管M₂组成，其偏置电路部分由M_b1、M_b2、M_b3、M_b4组成。其中M₁偏置电压由正温度系数跨导产生电路产生，放大器电路中M₁与正温度系数跨导产生电路中M₂尺寸比为k₁；偏置电路中M_b1的偏置电压由正温度系数跨导产生电路提供，M_b1尺寸与正温度系数跨导产生电路中M₂的尺寸比也为k₁；偏置电路中M_b4的偏置电压由负温度系数跨导产生电路提供，M_b4尺寸与正温度系数跨导产生电路中M2的尺寸比也为k₂。此外M_b2与M_b3具有相同尺寸，负载晶体管M₂与负温度系数产生电路中M₂尺寸比同样为k₂。则图3所示放大电路中，放大晶体管M₁电流由偏置电压V_{b_pos}决定，与正温度系数跨导产生电路中M₂电流比为k₁，则放大晶体管M₁跨导为正温度系数跨导产生电路中M₂跨导的k₁倍；负载体管M₂电流由偏置电压V_{b_neg}决定，与负温度系数跨导产生电路中M₂电流比为k₂，则负载体管M₂跨导为负温度系数跨导产生电路中M₂跨导的k₂倍。因此，当所述任意增益温度系数放大器电路产生正温度系数放大输出时，其输出增益为：

其中，

为晶体管M1与晶体管M8的尺寸比例；

为晶体管M_b4与晶体管M8的尺寸比 例，

为第一正温度系数电流源I_PTATn产生的电流大小，

为第二正温度系数电流 源I_PTATp产生的电流大小，

为第一漏极电压电阻R_1n的阻值；

为第二漏极电压电阻R_1p 阻值；

为第二恒流源的电流值；

为第一恒流源的电流值。

若I_PTATp的温度系数为TC_p，I_PATAn的温度系数为TC_n，则放大器增益的温度系数为

因此，可通过调整正温度系数电流温度系数TC_p、TC_n，恒定偏置电流I_0p、I_0n，比例系数k₁、k₂调整放大器温度系数。

若交换图3中V_{b_pos}与V_{b_neg}的连接关系，则可得到负温度系数增益，如图4所示，当所述任意增益温度系数放大器电路产生负温度系数放大输出时，其输出增益为：

其中，其中，

为晶体管M1与晶体管M8的尺寸比例；

为晶体管M_b4与晶体管M8的 尺寸比例，

为正温度系数电流源I_PTATn产生的电流大小，

为第二正温度系数电 流源I_PTATp产生的电流大小，

为第一漏极电压电阻R_1n的阻值；

为第二漏极电压电阻 R_1p阻值；

为第二恒流源的电流值；

为第一恒流源的电流值。

其温度系数为负，且同样可通过调整正温度系数电流温度系数TC_p、TC_n，恒定偏置电流I_0p、I_0n，比例系数k₁、k₂调整放大器温度系数。

本发明中应用了具体实施例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。

Claims (8)

1.一种任意增益温度系数放大器电路，其特征在于，包括跨导产生电路、信号放大器电路、偏置电路，其中，

所述跨导产生电路分别与所述信号放大器电路和所述偏置电路连接，用于分别为所述信号放大器电路和所述偏置电路提供偏置电压；所述偏置电路用于为所述放大器电路提供偏置电压。

2.根据权利要求1所述的一种任意增益温度系数放大器电路，其特征在于，所述信号放大器电路包括耦合电容Cc、偏置电阻R_b，信号放大晶体管M1和负载晶体管M2，其中，所述耦合电容Cc的一端连接放大晶体管M1的栅极，另一端连接输入电压信号；所述偏置电阻R_b的一端连接放大晶体管M1的栅极，另一端连接所述跨导产生电路的输出端；所述放大晶体管M1的源极接地，漏极连接所述负载晶体管M2的漏极；所述负载晶体管M2的栅极和源极连接所述偏置电路。

3.根据权利要求2所述的一种任意增益温度系数放大器电路，其特征在于，所述偏置电路包括晶体管M_b1、晶体管M_b2、晶体管M_b3、晶体管M_b4，其中，所述晶体管M_b1和晶体管M_b4的栅极连接所述跨导产生电路，所述晶体管M_b4的源极接地，漏极连接所述晶体管M_b3的源极；所述晶体管M_b1的源极接地，漏极连接所述晶体管M_b2的源极；所述晶体管M_b1和晶体管M_b2的栅极互联，漏极均连接至所述负载晶体管M2的栅极，且晶体管M_b2的栅极和源极互联。

4.根据权利要求3所述的一种任意增益温度系数放大器电路，其特征在于，所述跨导产生电路包括正温度系数跨导产生电路和负温度系数跨导产生电路，其中，当所述负温度系数跨导产生电路连接所述晶体管M_b4、正温度系数跨导产生电路连接所述晶体管M_b1时，所述任意增益温度系数放大器电路产生正温度系数放大输出；当所述正温度系数跨导产生电路连接所述晶体管M_b1，负温度系数跨导产生电路连接所述晶体管M_b4时，所述任意增益温度系数放大器电路产生负温度系数放大输出。

5.根据权利要求4所述的一种任意增益温度系数放大器电路，其特征在于，所述负温度系数跨导产生电路包括晶体管M3、晶体管M4、晶体管M5、晶体管M6、第一误差放大器EA1、第一漏极电压电阻R_1n、第一正温度系数电流源I_PTATn，第一恒流源I_0n，其中，所述晶体管M4和晶体管M5的栅极和漏极均互联，并在其源极连接系统电压VCC；晶体管M4和晶体管M5的栅极连接第一误差放大器EA1的输出端；晶体管M5的源极连接第一误差放大器EA1的一个比较端，并通过晶体管M3接地；晶体管M3的漏极与栅极互联，且漏极连接所述晶体管M5的源极；晶体管M3的源极接地；晶体管M6的源极连接第一误差放大器EA1的另一个比较端，并连接通过晶体管M4接地；晶体管M4的源极接地，漏极连接晶体管M6的源极，栅极为负温度系数跨导产生电路的输出V_{b_neg}；所述晶体管M6的源极还依次通过漏极电压电阻R_1n和正温度系数电流源I_PTATn的串联电路接地；所述晶体管M6的源极还通过第一恒流源接地；所述晶体管M3和晶体管M4尺寸相同，所述晶体管M5和M6尺寸相同。

6.根据权利要求5所述的一种任意增益温度系数放大器电路，其特征在于，所述正温度系数跨导产生电路包括晶体管M7、晶体管M8、晶体管M9、晶体管M10、第二误差放大器EA2、第二漏极电压电阻R_1p、第二恒流源I_0p，第二正温度系数电流源I_PTATp，其中，所述晶体管M9和晶体管M10的栅极和漏极均互联，并在其源极连接系统电压VCC；晶体管M9和晶体管M10的栅极连接第二误差放大器EA2的输出端；晶体管M9的源极连接第二误差放大器EA2的一个比较端，并通过晶体管M7接地；晶体管M7的漏极与栅极互联，且漏极连接所述晶体管M9的源极；晶体管M7的源极接地；晶体管M10的源极连接第二误差放大器EA2的另一个比较端，并连接通过晶体管M8接地；晶体管M8的源极接地，漏极连接晶体管M10的源极，栅极为负温度系数跨导产生电路的输出V_{b_pos}；所述晶体管M10的源极还依次通过第二漏极电压电阻R_1p和第二恒流源I_0p的串联电路接地；所述晶体管M10的源极还通过第二正温度系数电流源I_PTATp接地；所述晶体管M7和晶体管M8尺寸相同，所述晶体管M9和晶体管M10尺寸相同。

7.根据权利要求6所述的一种任意增益温度系数放大器电路，其特征在于，当所述任意增益温度系数放大器电路产生正温度系数放大输出时，其输出增益为：

其中，

为晶体管M1与晶体管M8的尺寸比例；

为晶体管M_b4与晶体管M8的尺寸比例，

为正温度系数电流源I_PTATn产生的电流大小，

为第二正温度系数电流源I_PTATp产生的电流大小，

为第一漏极电压电阻R_1n的阻值；

为第二漏极电压电阻R_1p阻值；

为正温度系数恒流源的电流值；

为负温度系数恒流源的电流值。

8.根据权利要求6所述的一种任意增益温度系数放大器电路，其特征在于，当所述任意增益温度系数放大器电路产生负温度系数放大输出时，其输出增益为：

其中，其中，

为晶体管M1与晶体管M8的尺寸比例；

为晶体管M_b4与晶体管M8的尺寸比例，

为正温度系数电流源I_PTATn产生的电流大小，

为第二正温度系数电流源I_PTATp产生的电流大小，

为第一漏极电压电阻R_1n的阻值；

为第二漏极电压电阻R_1p阻值；

为正温度系数恒流源的电流值；

为负温度系数恒流源的电流值。

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