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一种适用于大动态范围对数放大器的限幅整流连接电路
申请号	CN202311099650.1	申请日	2023-08-29	公开(公告)号	CN117081520A	公开(公告)日	2023-11-17
申请人	中国电子科技集团公司第二十四研究所; 西安电子科技大学重庆集成电路创新研究院;			发明人	周远杰; 张键; 黄治华; 卢梦晨; 何峥嵘; 王国强; 王成鹤; 裴洪松; 范国亮; 杨阳;
摘要	本发明属于集成电路领域，特别涉及一种适用于大动态范围对数放大器的限幅整流连接电路，包括基于射随器的限幅放大器和整流器；基于射随器的限幅放大器中设有连接点A、连接点B和连接点C；其中，连接点A与整流器的差模输入结构的负相输入端相连，连接点B与整流器的差模输入结构的正相输入端相连，连接点C与整流器的直流输入管的输入端相连；本发明在不影响整流器功能的情况下，减小了整流器输入管的面积，从而减小整流器的输入电容，增大电路带宽，减小芯片面积，节省成本。
权利要求	1.一种适用于大动态范围对数放大器的限幅整流连接电路，其特征在于，所述限幅整流连接电路包括基于射随器的限幅放大器和整流器；基于射随器的限幅放大器中设有连接点A、连接点B和连接点C；其中，连接点A与整流器的差模输入结构的负相输入端相连，连接点B与整流器的差模输入结构的正相输入端相连，连接点C与整流器的直流输入管的输入端相连。 2.根据权利要求1所述的一种适用于大动态范围对数放大器的限幅整流连接电路，其特征在于，基于射随器的限幅放大器包括电阻R7、电阻R8、电阻R9、电阻R10、电阻R11、电阻R12、电阻R13、电阻R14、NPN管Q8、NPN管Q9、NPN管Q10、NPN管Q11、NPN管Q12、NPN管Q13、NPN管Q14、NPN管Q15和NPN管Q16，其中： NPN管Q8的基极、NPN管Q9的基极、NPN管Q10的基极和NPN管Q11的基极均连接偏置电压VBIAS3；NPN管Q8的发射极连接电阻R7的一端，且电阻R7的另一端接地；NPN管Q8的集电极连接NPN管Q12的发射极和NPN管Q13的发射极； NPN管Q9的发射极连接电阻R8的一端，且电阻R8的另一端接地；NPN管Q9的集电极连接NPN管Q14的发射极，并记连接点A； NPN管Q10的发射极连接电阻R9的一端，且电阻R9的另一端接地；NPN管Q10的集电极连接NPN管Q15的发射极，并记连接点B； NPN管Q11的发射极连接电阻R10的一端，且电阻R10的另一端接地；NPN管Q11的集电极连接NPN管Q16的发射极，并记连接点C； NPN管Q12的基极连接差模输入电压Vid的正端；NPN管Q12的集电极连接电阻R11的一端、电阻R13的一端和NPN管14的基极，且为基于射随器的限幅放大器的差模输出电压Vod的负相端； NPN管Q13的基极连接差模输入电压Vid的负端；NPN管Q13的集电极连接电阻R14的下端； NPN管Q13的集电极连接电阻R12的一端、电阻R14的一端和NPN管15的基极，且为基于射随器的限幅放大器的差模输出电压Vod的正相端； NPN管Q14的集电极、NPN管Q15的集电极、NPN管Q16的集电极、电阻R13的另一端和电阻R14的另一端均连接电源VCC； NPN管Q16的基极连接电阻R11的另一端和电阻R12的另一端，且为输出电压Vod的共模电压VCM2输出端。 3.根据权利要求2所述的一种适用于大动态范围对数放大器的限幅整流连接电路，其特征在于，NPN管Q14、NPN管Q15和NPN管Q16的发射极面积相同；同时，NPN管Q9、NPN管Q10和NPN管Q11的发射极面积相同；且电阻R8和电阻R9的阻值相同，电阻R10的阻值是电阻R8和电阻R9的两倍。 4.根据权利要求1所述的一种适用于大动态范围对数放大器的限幅整流连接电路，其特征在于，整流器包括NPN管Q17、NPN管Q18、NPN管Q19、NPN管Q20和电阻R15；其中，NPN管Q17和NPN管Q18组成整流器的差模输入结构，NPN管Q17的基极为差模输入结构的负相输入端，NPN管Q18的基极为差模输入结构的正相输入端；NPN管Q19为整流器的直流输入管，且NPN管Q19的基极为直流输入管的输入端。 5.根据权利要求4所述的一种适用于大动态范围对数放大器的限幅整流连接电路，其特征在于，整流器的连接关系为： NPN管Q17的集电极与NPN管Q18的集电极相连；NPN管Q17的发射极与NPN管Q18的发射极、NPN管Q19的发射极、NPN管Q20的集电极相连；NPN管Q20的基极连接偏置电压VBIAS4，NPN管Q20的发射极连接电阻R15的一端，电阻R15的另一端接地。 6.根据权利要求4所述的一种适用于大动态范围对数放大器的限幅整流连接电路，其特征在于，NPN管Q17、NPN管Q18和NPN管Q19的发射极面积相同。
说明书全文	一种适用于大动态范围对数放大器的限幅整流连接电路技术领域 [0001] 本发明属于集成电路领域，特别涉及一种适用于大动态范围对数放大器的限幅整流连接电路。背景技术 [0002] 现有的大动态范围对数放大器主要结构如图1所示，采用六级限幅放大器串联，并在每一级限幅放大器输出端接一级整流器；然后对整流器输出电流求和，并通过跨阻输出级将求和后的整流电流转换为输出电压，从而得到输出电压与输入功率的线性关系。 [0003] 在大动态范围对数放大器中，限幅放大器与整流器的连接结构如图2所示，NPN管Q2和NPN管Q3构成限幅放大器的差分输入对管，NPN管Q2和NPN管Q3的基极分别连接差模输入电压id的正端和负端，NPN管Q2和NPN管Q3的发射极与NPN管Q1的集电极连接，NPN管Q1的基极接偏置电压VBIAS1，NPN管Q1的发射极与电阻R1的上端连接，电阻R1的下端接地，因此偏置电压VBIAS1、NPN管Q1和电阻R1组成了尾电流源ITAIL1。NPN管Q2的集电极接电阻R4的下端、电阻R2的左端和NPN管Q5的基极，且该连接点作为差模输出电压Vod的负相端；NPN管Q3的集电极接电阻R5的下端、电阻R3的右端和NPN管Q4的基极，且该连接点作为差模输出电压Vod的正相端。其中，电阻R4和电阻R5为限幅放大器的负载电阻，且上端均与电源VCC相连，同时两者阻值相同，将阻值大小记为RC；电阻R2的右端接电阻R3的左端和NPN管Q6的基极，将连接点作为Vod的共模电压VCM1输出端。NPN管Q4、NPN管Q5和NPN管Q6构成整流器的共发射极差分对结构，NPN管Q4和NPN管Q5的基极分别连接差模输入信号VID的正端和负端，此处所述差模输入信号VID也就是限幅放大器输出端产生的差模输出电压Vod，NPN管Q6的基极连接共模输入信号VCM1，NPN管Q4、NPN管Q5和NPN管Q6的发射极与NPN管Q7的集电极连接，NPN管Q7的基极接偏置电压VBIAS2，因此偏置电压VBIAS2、NPN管Q7和电阻R6组成了尾电流源ITAIL2。NPN管Q4的集电极产生电流I1，NPN管Q5的集电极产生电流I2，NPN管Q6的集电极产生电流I3。其中，限幅放大器中差模输出电压Vod与差模输入电压Vid的关系为： [0004] [0005] 其中，整流器中强调NPN管Q6的发射极面积必须为NPN管Q4和NPN管Q5的2倍，则输出差分电流△I与差模输入电压VID的关系为： [0006] [0007] △I表示整流器的输出差分电流，与差模输入电压VID呈近似指数关系，VT为随温度变化的热电压。后续阶段所有整流器的输出差分电流之和通过跨阻输出级转换为输出电压。 [0008] 随着大动态范围对数放大器的动态范围越来越大，单级限幅放大器增益越来越高，带宽越来越小。在现有的大动态范围对数放大器架构中的限幅放大器串联级联链中，由于前级限幅放大器与后级限幅放大器和整流器直接耦合，后级的输入电阻与前级的输出电阻的分压导致电路的动态范围在规定带宽下有所下降，电路稳定性降低。且整流器中要求Q6的发射极面积为Q4和Q5的2倍，会使整流器的输入电容较大，电路带宽较小，且版图面积较大，芯片成本较高。发明内容 [0009] 为克服上述大动态范围对数放大器的动态范围在规定带宽下有所下降、电路稳定性降低、电路带宽较小以及芯片面积较大的缺点，本发明提出了适用于大动态范围对数放大器的限幅整流连接电路，通过在现有的限幅放大器接整流器电路中增加射随器作缓冲器，使得在不影响限幅放大器功能的情况下，改善动态范围降低、稳定性降低问题，通过调整射随器电流比例，使得在不影响整流器功能的情况下，减小了整流器输入管的面积，从而减小整流器的输入电容，增大电路带宽，减小芯片面积，节省成本。 [0010] 为达到上述发明目的，本发明提供如下技术方案： [0011] 所述限幅整流连接电路包括基于射随器的限幅放大器和整流器；基于射随器的限幅放大器中设有连接点A、连接点B和连接点C；其中，连接点A与整流器的差模输入结构的负相输入端相连，连接点B与整流器的差模输入结构的正相输入端相连，连接点C与整流器的直流输入管的输入端相连。 [0012] 进一步的，基于射随器的限幅放大器包括电阻R7、电阻R8、电阻R9、电阻R10、电阻R11、电阻R12、电阻R13、电阻R14、NPN管Q8、NPN管Q9、NPN管Q10、NPN管Q11、NPN管Q12、NPN管Q13、NPN管Q14、NPN管Q15和NPN管Q16，其中： [0013] NPN管Q8的基极、NPN管Q9的基极、NPN管Q10的基极和NPN管Q11的基极均连接偏置电压VBIAS3；NPN管Q8的发射极连接电阻R7的一端，且电阻R7的另一端接地；NPN管Q8的集电极连接NPN管Q12的发射极和NPN管Q13的发射极； [0014] NPN管Q9的发射极连接电阻R8的一端，且电阻R8的另一端接地；NPN管Q9的集电极连接NPN管Q14的发射极，并记连接点A； [0015] NPN管Q10的发射极连接电阻R9的一端，且电阻R9的另一端接地；NPN管Q10的集电极连接NPN管Q15的发射极，并记连接点B； [0016] NPN管Q11的发射极连接电阻R10的一端，且电阻R10的另一端接地； [0017] NPN管Q11的集电极连接NPN管Q16的发射极，并记连接点C； [0018] NPN管Q12的基极连接差模输入电压Vid的正端；NPN管Q12的集电极连接电阻R11的一端、电阻R13的一端和NPN管14的基极，且为基于射随器的限幅放大器的差模输出电压Vod的负相端； [0019] NPN管Q13的基极连接差模输入电压Vid的负端；NPN管Q13的集电极连接电阻R14的下端；NPN管Q13的集电极连接电阻R12的一端、电阻R14的一端和NPN管15的基极，且为基于射随器的限幅放大器的差模输出电压Vod的正相端； [0020] NPN管Q14的集电极、NPN管Q15的集电极、NPN管Q16的集电极、电阻R13的另一端和电阻R14的另一端均连接电源VCC； [0021] NPN管Q16的基极连接电阻R11的另一端和电阻R12的另一端，且为输出电压Vod的共模电压VCM2输出端。 [0022] 进一步的，NPN管Q14、NPN管Q15和NPN管Q16的发射极面积相同；同时，NPN管Q9、NPN管Q10和NPN管Q11的发射极面积相同；且电阻R8和电阻R9的阻值相同，电阻R10的阻值是电阻R8和电阻R9的两倍。 [0023] 进一步的，整流器包括NPN管Q17、NPN管Q18、NPN管Q19、NPN管Q20和电阻R15；其中，NPN管Q17和NPN管Q18组成整流器的差模输入结构，NPN管Q17的基极为差模输入结构的负相输入端，NPN管Q18的基极为差模输入结构的正相输入端；NPN管Q19为整流器的直流输入管，且NPN管Q19的基极为直流输入管的输入端。 [0024] 进一步的，整流器的连接关系为： [0025] NPN管Q17的集电极与NPN管Q18的集电极相连；NPN管Q17的发射极与NPN管Q18的发射极、NPN管Q19的发射极、NPN管Q20的集电极相连；NPN管Q20的基极连接偏置电压VBIAS4，NPN管Q20的发射极连接电阻R15的一端，电阻R15的另一端接地。 [0026] 进一步的，NPN管Q17、NPN管Q18和NPN管Q19的发射极面积相同。 [0027] 本发明的有益效果： [0028] 本发明所提出的限幅整流连接电路利用射随器输入阻抗高和输出阻抗低的特点，用于前级限幅放大器与其接的整流器和后级限幅放大器的连接，起缓冲作用，使得动态范围在规定带宽下有所下降以及电路稳定性降低的问题得以解决。 [0029] 本发明所提出的限幅整流连接电路中的整流器，打破现有的输入管面积成比例，通过调整限幅放大器中Vod的射随器支路的电流与其共模输出电压的射随器支路电流的比例，从而产生用于整流器的两个具有一定差值的DC输出电压，使得整流器输入管面积相同的情况下，功能不变，且减小了输入电容，带宽得以增加，芯片面积减小，芯片成本得以减少。 [0030] 本发明通用性强，适用于双极性工艺，适合多级限幅放大器接整流器级联结构。附图说明 [0031] 图1为现有的大动态范围对数放大器主要结构图； [0032] 图2为现有的限幅放大器接整流器结构线路图； [0033] 图3为本发明实施例的限幅整流连接电路线路图。具体实施方式 [0034] 下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。 [0035] 本发明提供了一种适用于大动态范围对数放大器的限幅整流连接电路，如图3所示，所述限幅整流连接电路包括基于射随器的限幅放大器和整流器；基于射随器的限幅放大器中设有连接点A、连接点B和连接点C；其中，连接点A与整流器的差模输入结构的负相输入端相连，连接点B与整流器的差模输入结构的正相输入端相连，连接点C与整流器的直流输入管的输入端相连。 [0036] 具体地，基于射随器的限幅放大器包括电阻R7、电阻R8、电阻R9、电阻R10、电阻R11、电阻R12、电阻R13、电阻R14、NPN管Q8、NPN管Q9、NPN管Q10、NPN管Q11、NPN管Q12、NPN管Q13、NPN管Q14、NPN管Q15和NPN管Q16，其中： [0037] NPN管Q8的集电极连接NPN管Q12的发射极和NPN管Q13的发射极；NPN管Q8的基极、NPN管Q9的基极、NPN管Q10的基极和NPN管Q11的基极均连接偏置电压VBIAS3；NPN管Q8的发射极连接电阻R7的一端，且电阻R7的另一端接地；因此偏置电压VBIAS3、NPN管Q8和电阻R7组成了尾电流源ITAIL3。 [0038] NPN管Q9的发射极连接电阻R8的一端，且电阻R8的另一端接地；NPN管Q9的集电极连接NPN管Q14的发射极，并记连接点A。 [0039] NPN管Q10的发射极连接电阻R9的一端，且电阻R9的另一端接地；NPN管Q10的集电极连接NPN管Q15的发射极，并记连接点B。 [0040] NPN管Q11的发射极连接电阻R10的一端，且电阻R10的另一端接地；NPN管Q11的集电极连接NPN管Q16的发射极，并记连接点C。 [0041] NPN管Q12和NPN管Q13为限幅放大器的差分输入对管，其中： [0042] NPN管Q12的基极连接差模输入电压Vid的正端；NPN管Q12的集电极连接电阻R11的一端、电阻R13的一端和NPN管14的基极，且为基于射随器的限幅放大器的差模输出电压Vod的负相端； [0043] NPN管Q13的基极连接差模输入电压Vid的负端；NPN管Q13的集电极连接电阻R14的下端；NPN管Q13的集电极连接电阻R12的一端、电阻R14的一端和NPN管15的基极，且为基于射随器的限幅放大器的差模输出电压Vod的正相端。 [0044] NPN管Q14的集电极、NPN管Q15的集电极、NPN管Q16的集电极、电阻R13的另一端和电阻R14的另一端均连接电源VCC。 [0045] NPN管Q16的基极连接电阻R11的另一端和电阻R12的另一端，且为输出电压Vod的共模电压VCM2输出端。 [0046] 具体地，电阻R13和电阻R14为限幅放大器的负载电阻，均等于RC。 [0047] 具体地，整流器包括NPN管Q17、NPN管Q18、NPN管Q19、NPN管Q20和电阻R15；其中，NPN管Q17和NPN管Q18组成整流器的差模输入结构，NPN管Q17的基极为差模输入结构的负相输入端，与连接点A相连；NPN管Q18的基极为差模输入结构的正相输入端，与连接点B相连；NPN管Q19为整流器的直流输入管，且NPN管Q19的基极为直流输入管的输入端，与连接点C相连。 [0048] 具体地，整流器的连接关系为： [0049] NPN管Q17的集电极与NPN管Q18的集电极相连；NPN管Q17的发射极与NPN管Q18的发射极、NPN管Q19的发射极、NPN管Q20的集电极相连；NPN管Q20的基极连接偏置电压VBIAS4，NPN管Q20的发射极连接电阻R15的一端，电阻R15的另一端接地。因此偏置电压VBIAS4、NPN管Q20和电阻R15组成了尾电流源ITAIL4。 [0050] 具体地，NPN管Q17的集电极处产生的电流记为I4，NPN管Q18的集电极处产生的电流记为I5，NPN管Q19的集电极处产生的电流记为I6。 [0051] 具体地，对于本发明提出的基于射随器的限幅放大器，差模输出电压Vod与差模输入电压Vid的关系为： [0052] [0053] 结合式(1)可以看出，本发明所提基于射随器的限幅放大器与现有限幅放大器，差模输出电压Vod与差模输入电压Vid的关系是相同的。说明本发明实施例的限幅放大器与现有的限幅放大器的功能相同，Vod通过射随器管Q14和Q15，为整流器提供差模输入电压VID，由于射随器电压放大倍数小于1而接近于1，且输出电压与输入电压相位相同，因此VID跟随Vod，二者仅仅是直流电压相差了一个VBEQ14。由于射随器的输入电阻高，输出电阻低，使得限幅放大器串联级联链中，信号在每级限幅放大器输出电阻处消耗非常小，信号经多级放大，效率高，动态范围宽，且电路稳定。 [0054] 具体地，对于整流器电路，DC情况下，I6＝2I4＝2I5，△I＝0。因此，当Q17、Q18和Q19的发射极面积相等时，有ISQ17＝ISQ18＝ISQ19，ISQ17、ISQ18、ISQ19表示NPN管Q17、NPN管Q18、NPN管Q19的传输特性常数，与晶体管发射极面积成正比，则 [0055] [0056] 其中，VBEQ19表示NPN管Q19的基极与发射极的压差，VBEQ17表示NPN管Q17的基极与发射极的压差，VT表示热电压；通过式(4)可以得到：VBEQ19＝VBEQ17+VTln2，即VBQ19＝VBQ17+VTln2；其中，VBQ19表示NPN管Q19的基极对地的电压，VBQ17表示NPN管Q17的基极对地的电压，记此时的VBQ17＝VCM2，VBQ19＝VCM2+VTln2，且均为直流电压。AC情况下，整流器差模输入端信号为VID，存在： [0057] [0058] [0059] 由此可以推导出： [0060] [0061] [0062] 上式中，ICQ17即为I4，ICQ18即为I5，ICQ19即为I6，结合I4+I5+I6＝ITAIL4，解得： [0063] [0064] [0065] [0066] [0067] 可以发现，式(12)与式(2)具有相同形式，说明本实施例所涉及的整流器与现有的整流器功能相同。但是本实施例所涉及的整流器的输入管面积比现有的整流器输入管面积减小了一个NPN管Q14的面积，输入电容减小，与前级限幅放大器的低输出电阻构成的极点增大，带宽增加，且芯片面积减小，成本得以减少。 [0068] 与式(4)同理，保持NPN管Q14、NPN管Q15和NPN管Q16的发射极面积相同，NPN管Q9、NPN管Q10和NPN管Q11的发射极面积相同，使R10＝2R8＝2R9，则VEQ16＝VEQ14+VTln2，VEQ16表示NPN管Q16的发射极电压，VEQ14表示NPN管Q14的发射极电压，VT表示热电压，即整流器输入端的直流压差得以实现。 [0069] 因此，本发明所涉及的限幅放大器接整流器电路相比于现有的限幅放大器接整流器电路更适用于大动态范围对数放大器，具有宽动态范围、高稳定性、宽带、小面积低成本等优点。 [0070] 在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“设置”、“连接”、“固定”、“旋转”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。 [0071] 尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

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