專利名稱：放大器輸出級的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種如權(quán)利要求1的前序部分所述的放大器輸出級。
在必須提供大電流來驅(qū)動大負載的放大器中，互補射極/源極跟隨器通常作為末級而應(yīng)用在推挽AB驅(qū)動中(U.Tietze,Ch.Schenck,“半導(dǎo)體電路技術(shù)”，第9版，516至518頁和521頁至523頁)。在這種驅(qū)動方式中，互補末級晶體管在放大器的不調(diào)制狀態(tài)時將固定流過一個漏電流，該漏電流被稱為靜態(tài)電流。該靜態(tài)電流會帶來消耗功率，從而使末級晶體管升溫。若想跨越一個大的溫度范圍把該與溫度有關(guān)的靜態(tài)電流調(diào)節(jié)到小而恒定的值，以減少末級中的電流消耗和避免失真，這證明是非常困難的。
在IEEE固態(tài)電路期刊，第27卷，第4號，539-544頁，1992年4月，“用于ISDN應(yīng)用的具有80dB線性的CMOS線路驅(qū)動器”，作者H.Khorramabadi，公開了一種用于ISDN U接口的線路驅(qū)動放大器，其中應(yīng)用了一種控制末級的所謂差錯放大器。這種裝置的缺點是差錯放大器直接位于放大器的信號回路中，并且影響放大器的帶寬。此外，流過末級晶體管的靜態(tài)電流依賴于差錯放大器的偏置電壓。
在IEEE固態(tài)電路期刊，第32卷，第32號，169-176頁，1997年2月，“用于實時圖像應(yīng)用的、從軌到軌的增益恒定的緩沖運放”，作者L.Moldovan,H.H.Li,以及IEEE固態(tài)電路期刊，第29卷，第1號，63-65頁，1994年1月，“具有軌到軌輸入和輸出范圍的數(shù)字兼容的高性能運放”，作者W.-CH.S.Wu,W.J.Helms,J.A.Kuhn,B.E.Byrkett，其中描述了一些放大器，在這些放大器中，末級的靜態(tài)電流由輸入級來調(diào)節(jié)，并由此直接依賴于輸入級的輸入信號和電流及電壓波動。
在“集成電路”，作者A.Schlachetzki,W.v.Muench,Teubner 1978中，第144頁的圖4.8中描繪了一種帶有靜態(tài)電流調(diào)節(jié)的互補射極跟隨器，其中，待調(diào)節(jié)的靜態(tài)電流通過聯(lián)接成二極管形式的晶體管T3和T4而被鏡像到末級晶體管T1和T2中。然而在該裝置中，靜態(tài)電流不能自由地調(diào)節(jié)。
因此，本發(fā)明的任務(wù)在于，提供一種放大器輸出級，它對末級靜態(tài)電流具有較好的調(diào)節(jié)和控制功能，并且靜態(tài)電流的控制和調(diào)節(jié)位于放大器的信號回路之外。
該任務(wù)由具有權(quán)利要求1的特征的放大器輸出級而得到解決。該放大器輸出級的優(yōu)選擴展方案由各從屬權(quán)利要求給出。
放大器輸出級的一種實施方案包括前級、末級和控制裝置。其中流過末級晶體管的靜態(tài)電流由與控制裝置相聯(lián)的前級來調(diào)節(jié)。前級具有可控電流源，并通過它來調(diào)節(jié)末級晶體管的控制聯(lián)接點上的電壓。該電壓確定了流經(jīng)末級晶體管的靜態(tài)電流。在控制裝置中，調(diào)節(jié)與流經(jīng)末級晶體管的靜態(tài)電流成比例的控制電流。由此在前級中產(chǎn)生用來調(diào)節(jié)電流源的控制電壓，再由該電壓調(diào)節(jié)末級中的靜態(tài)電流。有利的是，控制裝置位于放大器輸出級的信號回路之外，因而不會限制放大器輸出級的帶寬。此外，在控制裝置中，控制電流可調(diào)節(jié)到一個任意的精確值，從而靜態(tài)電流也可這樣。
在本發(fā)明的一種優(yōu)選實施方案中，放大器輸出級的前級具有兩個射極或源極跟隨器電路，末級把它們從用于控制放大器輸出級的放大器輸入級脫離開來。由此放大器輸入級被優(yōu)選地去載，原因是，由放大器輸入級控制的前級晶體管所呈現(xiàn)的容性負載要比輸入級的末級晶體管小。各射極或源極跟隨器電路具有一個調(diào)節(jié)流經(jīng)末級晶體管的靜態(tài)電流的可控電流源。在這種實施方案中，放大器輸出級的信號回路中優(yōu)選地只有一個晶體管，其極限頻率高得使放大器的帶寬不受限制。
控制裝置的一種優(yōu)選實施方案具有一個第一和第二射極或源極跟隨器電路，它們均模仿了不調(diào)制狀態(tài)時的前級的射極及源極跟隨器電路。每個射極及源極跟隨器電路均具有一個可控電流源。兩個射極及源極跟隨器電路的輸入與一個電壓相聯(lián)，該電壓與放大器輸出級在靜止?fàn)顟B(tài)時的輸出電壓相對應(yīng)。有利的是，前級和控制裝置的射極及源極跟隨器電路具有相似的運行條件。
在一種優(yōu)選的實施方案中，末級具有運行在推挽AB驅(qū)動模式下的第一和第二晶體管。優(yōu)點是，其中的畸變系數(shù)比A類驅(qū)動的末級小，并且電流消耗比B類驅(qū)動的末級小。
在一種優(yōu)選的實施方案中，控制裝置還具有一個第一和第二晶體管以及一個可控電流源。其中這兩個晶體管模仿了末級的兩個晶體管，并且電流源給兩個晶體管提供控制電流。有利的是，所提供的控制電流是可控的，并且與末級中的靜態(tài)電流成比例。
在一種優(yōu)選的實施方案中，控制裝置具有一個第一和第二鏡像晶體管，其中第一鏡像晶體管通過第一晶體管來鏡像電流，而第二鏡像晶體管通過第二晶體管來鏡像電流。有利的是，鏡像晶體管的控制聯(lián)接點上的電壓被用來生成控制電壓。
尤其優(yōu)選的是，控制裝置具有一個第一和第二控制晶體管，其中，控制晶體管把射極或源極跟隨器電路的輸入上的輸入電壓傳送到第一和第二晶體管上。從而所模仿的末級具有一個靜態(tài)輸出電位，有利的是，該電位與射極或源極跟隨器電路的輸入上的輸入電壓相對應(yīng)，并且該靜態(tài)輸出電位能夠通過射極或源極跟隨器電路的輸入電壓來進行調(diào)節(jié)。
在控制裝置的一個特別優(yōu)選的實施方案中，一個第一和第二運算放大器控制包含在射極或源極跟隨器電路中的電流源，使得能夠使用運算放大器的輸出上的電壓來調(diào)節(jié)前級中的電流源。其中有利的是，該電壓只取決于幾mV的運算放大器偏置電壓、以及取決于電流鏡像器的幾個晶體管及末級晶體管的比值?？刂齐妷旱目刂凭哂腥缦峦怀鰞?yōu)點，即這種控制是非常精確的，并且干擾影響(運放偏置電壓、晶體管比值)對控制電壓的作用可忽略不計。
在本發(fā)明的一個實施方案中，尤其優(yōu)選的是，放大器輸出級以CMOS技術(shù)來實施。這種實施方案的優(yōu)點在于與其它CMOS技術(shù)電路的可集成性和對COMS的進一步擴展，以及與其它技術(shù)相比具有相對較小的面積要求。
在一種優(yōu)選的實施方案中，放大器輸出級的控制裝置的電流鏡像器具有如下的晶體管比值，該比值把饋入兩個電流鏡像器的電流幾乎全部地導(dǎo)入電流鏡像器的兩個晶體管中的每一個。這樣，有利的是，在兩個電流鏡像晶體管公共的控制接點上對一個電位進行調(diào)整，該電位被加到末級晶體管的控制接點上，并生成流經(jīng)末級晶體管的一個確定的靜態(tài)電流。
通過對電流鏡像器的各晶體管及末級晶體管比值進行優(yōu)選選擇，流經(jīng)末級晶體管的靜態(tài)電流可以非常精確地進行調(diào)節(jié)。其中尤其優(yōu)選的是比值為20，該比值可以非常簡單地通過選擇晶體管來調(diào)整。
把放大器輸出級集成到集成電路中是一種優(yōu)選的實施方案。在此，極大的優(yōu)點是晶體管幾何形狀的比值有較好的可調(diào)節(jié)性。
在一個特別優(yōu)選的實施方案中，前級的射極或源極跟隨器電路和控制裝置被位置相鄰地放到集成電路中。這樣，有利的是，處理過程的變化對流經(jīng)末級晶體管的靜態(tài)電流的影響降低了。此外，放大器輸出級的各電路部分之間的溫差對靜態(tài)電流只有可忽略的影響。
結(jié)合附圖，本發(fā)明的其它優(yōu)點、特征和應(yīng)用可能性可從下文實施例的說明中得出。在附圖中，

圖1示出了本發(fā)明放大器的實施例的電路圖，圖2示出了本發(fā)明用來調(diào)節(jié)放大器末級中的靜態(tài)電流的控制裝置構(gòu)造。
下文所述的實施例涉及的是在CMOS技術(shù)中實施本發(fā)明。
根據(jù)附圖1，放大器輸出級包含前級2、末級4和控制裝置3，其中前級通過兩個導(dǎo)線61和62與末級4相聯(lián)，而控制裝置3通過兩個導(dǎo)線71和72與前級2相聯(lián)。通過放大器輸出級的輸入1饋入信號，該信號比如來自高增益的輸入級。在輸出5上提供放大信號。
前級2由兩個源極跟隨器電路組成。
第一個源極跟隨器電路包含一個第一n溝道MOSFET TN1A，其漏極接點與放大器的第一電壓源VDD相聯(lián)，并且其門極接點與放大器輸出級的輸入1相聯(lián)。第一個晶體管TN1A還通過與源極接點相聯(lián)的電阻RNA與第二個n溝道MOSFET晶體管TN2A的漏極接點相聯(lián)，TN2A的源極接點與第二電壓源VSS相聯(lián)。
第二個源極跟隨器與第一個源極跟隨器成鏡像地用p溝道技術(shù)來構(gòu)造，并且包含有第一p溝道MOSFET TP1A,TP1A的漏極接點與放大器的第一電壓源VDD相聯(lián)，并且其源極接點通過電阻RPA與第二p溝道MOSFET TP2A的漏極接點相聯(lián)，TP2A的源極接點也與第二電壓源VSS相聯(lián)。第二個晶體管TP2A的門極接點與放大器輸出級的輸入1相聯(lián)。
前級2通過兩個導(dǎo)線61和62與末級4相聯(lián)。第一源極跟隨器的第二個晶體管TN2A的門極接點和第二源極跟隨的第一個晶體管TP1A的門極接點通過導(dǎo)線71和72與控制裝置3相聯(lián)。由控制裝置3控制通過導(dǎo)線71和72加到晶體管TN2A和TP1A的門極接點上的電壓，使得晶體管TN2A和TP1A象可控電流源一樣工作。通過改變該電壓來調(diào)節(jié)流經(jīng)第一和第二源極跟隨器的電流I10和I11。這樣，通過導(dǎo)線61和62加到末級4的晶體管TPAUS和TNAUS的門極接點上的電壓就能得到調(diào)節(jié)。通過調(diào)節(jié)該電壓，流經(jīng)末級的兩個晶體管TPAUS和TNAUS的靜態(tài)電流IQ就能被調(diào)節(jié)。另外，放大器末級4的接點5上的靜態(tài)電位也得到了調(diào)節(jié)。
末級4是作為互補源極跟隨器或共源極電路來構(gòu)造的，并且包含有其漏極接點與放大器第一電壓源VDD相聯(lián)的p溝道MOSFET TPAUS,還包含有其源極接點與第二電壓源VSS相聯(lián)的n溝道MOSFET TNAUS。晶體管TPAUS的源極接點與晶體管TNAUS的漏極接點相聯(lián)，并構(gòu)成放大器的輸出5。假如末級不調(diào)制，那么在兩個晶體管TPAUS和TNAUS中將流過一個與末級的靜態(tài)電流相對應(yīng)的漏電流IQ。末級晶體管被設(shè)計成大電流強度型，并由此具有很大的溝道寬度。
控制裝置3用于調(diào)節(jié)和控制末級4中的靜態(tài)電流，并具有兩個類似于前級的源極跟隨器電路TN1B、RNB、TN2B和TP1B、RPB、TP2B，一個類似于末級的末級電路TP2S、TN2S，兩個用于靜態(tài)電流控制的運算放大器OPP、OPN，兩個鏡像晶體管TPS1、TNS1，還有兩個控制晶體管TNS3、TPS3和一個可調(diào)電流源I2。
第一源極跟隨器是如同前級的第一源極跟隨器TN1A、RNA、TN2A一樣來構(gòu)造的，并且包含有其源極和漏極接點通過電阻RNB相聯(lián)的n溝道MOSFET TN1B和TN2B。晶體管TN1B的漏極接點與放大器的第一電壓源VDD相聯(lián)，并且晶體管TN2B的源極接點與第二電壓源VSS相聯(lián)。
第二源極跟隨器是如同前級的第二源極跟隨器TP1A、RPA、TP2A一樣來構(gòu)造的，并且包含有其源極和漏極接點通過電阻RPB相聯(lián)的p溝道MOSFET TP1B和TP2B。晶體管TP1B的漏極接點與放大器的第一電壓源VDD相聯(lián)，并且晶體管TP2B的源極接點與第二電壓源VSS相聯(lián)。
晶體管TN1B和TP2B的門極接點與電壓源10相聯(lián)。這兩個源極跟隨器電路13模仿了在放大器不調(diào)制、即靜止?fàn)顟B(tài)時的前級2的兩個源極跟隨器電路。對此，電壓源10的電壓VCM被規(guī)定為由第一電壓源VDD和第二電壓源VSS所限定的范圍內(nèi)的一個值，并且對應(yīng)于放大器輸出級的靜態(tài)輸出電位。電壓VCM優(yōu)選地調(diào)節(jié)到電位(VDD+VSS)/2，當(dāng)放大器不放大信號的時候，該電位可在放大器輸出級的輸出5上進行調(diào)節(jié)。
控制晶體管TPS3和TNS3的作用在于，在節(jié)點15和16上調(diào)節(jié)電壓源10的電壓VCM。所以，TPS2、I2和TNS2模仿了具有輸出電位VCM和靜態(tài)電流I2的靜止?fàn)顟B(tài)時的末級4。為了在節(jié)點15和16上獲得電位VCM，如此來設(shè)計控制晶體管TPS3和TNS3，使得通過晶體管TP2B和TN1B來消除截止電壓損耗。
此時，通過末級4的晶體管TPAUS和TNAUS對由可調(diào)電流源饋入的電流I2進行調(diào)節(jié)，且與靜態(tài)電流IQ成比例，即I2=IQ/N。
由MOSFET TNS2和TNAUS的、以及TPS2和TPAUS的溝道寬/長比W/L得到系數(shù)N，即W/L(TNS2)=W/L(TNAUS)/NW/L(TPS2)=W/L(TPAUS)/N。
為了獲得晶體管TNS2和TNAUS的、以及TPS2和TPAUS的盡可能精確的比值，這些晶體管在集成電路中的位置盡可能地相鄰。因而大大避免了由于工藝變化而產(chǎn)生的不精確性。
電流I2總是通過鏡像晶體管TPS1和TNS1被鏡像成一個很小的電流，并且可在節(jié)點12和11上調(diào)節(jié)與末級4的晶體管TPAUS和TNAUS的控制電壓相對應(yīng)的電壓VGTPS2和VGTPS1，以獲得流經(jīng)末級晶體管的靜態(tài)電流IQ。為此，MOSFET TNS1和TNS2的、以及TPS1和TPS2的寬/長比W/L適用于W/L(TNS1)＜＜W/L(TNS2)以及W/L(TPS1)＜＜W/L(TPS2)。
第一運算放大器OPP把電壓VGTPS2與不調(diào)制的源極跟隨器電路TP2B、RPB、TP1B的電壓VDTP1B相比較，并通過饋接在晶體管TP1B的控制接點上的運放輸出來象電壓VGTPS2一樣調(diào)節(jié)電壓VDTP1B。反饋的輸出電壓通過接點720被用來控制前級2的電流源TP1A。采用這種方式，電壓VGTPS2被傳送到末級4的晶體管TPAUS上，并在那里調(diào)節(jié)所期望的靜態(tài)電流IQ。
第二運算放大器OPN把電壓VGTNS2與不調(diào)制的源極跟隨器電路TN2B、RNB、TN1B的電壓VDTN2B相比較，并通過饋接在晶體管TN2B的控制接點上的運放輸出來象電壓VGTNS2一樣調(diào)節(jié)電壓VDTN2B。反饋的輸出電壓通過接點710被用來控制前級2的電流源TN2A。采用這種方式，電壓VGTNS2被傳送到末級4的晶體管TNAUS上，并在那里調(diào)節(jié)所期望的靜態(tài)電流IQ。
在電壓源VDD和VSS較小或者晶體管截止電壓絕對值較大的情況下，電阻RNA、RNB、RPA和RPB可省略。
因此，流經(jīng)末級晶體管TPAUS和TNAUS的靜態(tài)電流IQ的調(diào)節(jié)僅僅依賴于控制裝置3的兩個運放OPN和OPP的偏置電壓，以及依賴于由晶體管TNAUS和TNS2的、及TPAUS和TPS2的比值得出的系數(shù)N的精度。
與晶體管TN2B和TN2A的、以及TP1B和TP1A的門極接點上的電壓相比，兩個運放的偏置電壓非常微小(幾mV或比門極電壓小1-2個數(shù)量級)，由此，偏置電壓對于靜態(tài)電流控制精度的影響可以忽略不計。
同樣，溫度波動僅在微小的程度內(nèi)對靜態(tài)電流產(chǎn)生影響，原因是，尤其在放大器輸出級集成的情況下，各晶體管的溫差由于其位置相鄰而可以忽略。
在放大器的信號回路中，前級2的晶體管TN1A和TP2A自由放置在輸入級和末級的晶體管旁邊。由此所產(chǎn)生的極在放大器的傳輸功能中只對放大器帶寬有微小的影響，因為該極具有非常高的頻率。
為了實現(xiàn)放大器的低電流損耗，流經(jīng)末級晶體管的靜態(tài)電流IQ被調(diào)節(jié)得盡可能小。通過調(diào)節(jié)僅為靜態(tài)電流IQ一小部分的可調(diào)電流源電流I2，可自由調(diào)節(jié)末級中的靜態(tài)電流IQ。
權(quán)利要求
1．具有末級(4)和前級(2)的放大器輸出級，其中前級與末級相聯(lián)接，其特征在于-前級(2)具有多個可控電流源(TN2A、TP1A)，通過這些電流源可以調(diào)節(jié)末級中的靜態(tài)電流(IQ)，-在控制裝置(3)中，用控制電流(I2)并根據(jù)前級(2)中的多個可控電流源(TN2A、TP1A)來生成和調(diào)整控制電壓(710、720)，其中各控制電壓恰好控制前級中多個可控電流源(TN2A、TP1A)中的一個，-在控制裝置中，控制電流(I2)與末級中的靜態(tài)電流(IQ)成比例。
2．根據(jù)權(quán)利要求1所述的放大器輸出級，其特征在于前級(2)具有兩個射極或源極跟隨器電路(TP1A、RPA、TP2A；TN1A、RNA、TN2A)，其中每個射極或源極跟隨器電路恰好包含多個可控電流源(TP1A、TN2A)之一。
3．根據(jù)權(quán)利要求2所述的放大器輸出級，其特征在于控制裝置(3)具有兩個射極或源極跟隨器電路(TN1B、RNB、TN2B；TP1B、RPB、TP2B)，其中兩個射極或源極跟隨器電路模仿了在不調(diào)制狀態(tài)時的前級的兩個射極或源極跟隨器電路(TN1A、RNA、TN2A；TP1A、RPA、TP2A)。
4．根據(jù)前述權(quán)利要求之一所述的放大器輸出級，其特征在于末級(4)具有推挽AB驅(qū)動的第一(TPAUS)和第二(TNAUS)晶體管。
5．根據(jù)權(quán)利要求4所述的放大器輸出級，其特征在于控制裝置(3)具有第一(TPS2)和第二(TNS2)晶體管以及可控電流源(I2)，其中第一晶體管(TPS2)模仿末級(4)的第一晶體管(TPAUS)，第二晶體管(TNS2)模仿末級(4)的第二晶體管(TNAUS)，并由可控電流源提供這兩個晶體管中的控制電流。
6．根據(jù)權(quán)利要求5所述的放大器輸出級，其特征在于控制裝置(3)具有第一(TPS1)和第二(TNS1)鏡像晶體管，其中第一鏡像晶體管(TPS1)通過第一晶體管(TPS2)來鏡像電流，第二鏡像晶體管(TNS1)通過第二晶體管(TNS2)來鏡像電流。
7．根據(jù)權(quán)利要求6所述的放大器輸出級，其特征在于控制裝置(3)具有第一(TNS3)和第二(TPS3)控制晶體管，其中第一控制晶體管(TNS3)調(diào)節(jié)流入第一鏡像晶體管(TPS1)中的電流，第二控制晶體管(TPS3)調(diào)節(jié)流入第二鏡像晶體管(TNS1)中的電流。
8．根據(jù)權(quán)利要求3、4、5、6或7所述的放大器輸出級，其特征在于控制裝置(3)具有第一(OPP)和第二(OPN)控制運放器，其中第一控制運放器(OPP)控制第一射極或源極跟隨器電路的可控電流源(TP1B)的控制電壓(720)，第二控制運放器(OPN)控制第二射極或源極跟隨器的可控電流源(TN2B)的控制電壓(710)。
9．根據(jù)前述權(quán)利要求之一所述的放大器輸出級，其特征在于放大器輸出級具有采用CMOS技術(shù)的p溝道和n溝道MOSFET晶體管。
10．根據(jù)權(quán)利要求9所述的放大器輸出級，其特征在于在控制裝置(3)中，第二鏡像晶體管(TNS1)的和第二晶體管(TNS2)的溝道寬/長比WL1和WL2、以及第一鏡像晶體管(TPS1)的和第一晶體管(TPS2)的WL3和WL4適用下述關(guān)系式WL1＞＞W(wǎng)L2和WL3＞＞W(wǎng)L4。
11．根據(jù)權(quán)利要求9或10所述的放大器輸出級，其特征在于控制裝置中的控制電流(I2)是流經(jīng)末級(4)晶體管(TNAUS、TPAUS)的靜態(tài)電流(IQ)的N分之一，其中分母N由第二晶體管(TNS2)的溝道寬/長比WL5和末級第一晶體管(TNAUS)的WL6、以及第二晶體管(TPS2)的WL7和末級第二晶體管(TPAUS)的WL8來確定WL5=WL6/N和WL7=WL8/N。
12．根據(jù)前述權(quán)利要求之一所述的放大器輸出級，其特征在于放大器輸出級是作為集成電路來實施的。
13．根據(jù)權(quán)利要求12所述的放大器輸出級，其特征在于前級的第一射極或源極跟隨器電路(TN1A、TN2A)和控制裝置的第一射極或源極跟隨器電路(TN1B、TN2B)、以及前級的第二射極或源極跟隨器電路(TP1A、TP2A)和控制裝置的第二射極或源極跟隨器電路(TP1B、TP2B)直接相鄰地位于集成電路中。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種包含前級、末級和控制裝置的放大器輸出級。流源末級晶體管的靜態(tài)電流由前級來調(diào)節(jié)。為此,在控制裝置中產(chǎn)生一個與靜態(tài)電流成比例的電流,并由它來生成和調(diào)整控制電壓。前級具有用于調(diào)節(jié)末級中靜態(tài)電流的電流源,并由該控制電壓來控制該電流源。
文檔編號H03F3/18GK1309831SQ99808771
公開日2001年8月22日 申請日期1999年7月9日 優(yōu)先權(quán)日1998年7月29日
發(fā)明者P·拉爾瑟爾 申請人:因芬尼昂技術(shù)股份公司