專利名稱：用于減少大差分信號(hào)導(dǎo)致的熱誘發(fā)偏移的差分放大器電路和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明大體上涉及與集成電路芯片中由穩(wěn)態(tài)或瞬態(tài)功率失衡導(dǎo)致的差分熱效應(yīng)相關(guān) 聯(lián)的問(wèn)題，且更確切地說(shuō)，涉及用于減少?gòu)拇朔N差分熱效應(yīng)中恢復(fù)所需的時(shí)間的電路和 技術(shù)。
技術(shù)背景眾所周知，瞬態(tài)或穩(wěn)態(tài)大信號(hào)輸入情形可能導(dǎo)致會(huì)在集成電路內(nèi)產(chǎn)生較大的功率失 衡的電路操作。在有些情況下，必須操作集成電路以便允許其有充分的時(shí)間從大功率失 衡中"恢復(fù)"，然后才能繼續(xù)正確的電路操作。功率失衡可導(dǎo)致暫時(shí)的溫度失衡，溫度失 衡會(huì)實(shí)質(zhì)上改變位于溫度失衡區(qū)域中的電路組件(例如晶體管)的操作特性。這可能會(huì) 導(dǎo)致出現(xiàn)不可接受程度上的不準(zhǔn)確的電路性能，直到已逝去足夠的"恢復(fù)時(shí)間"以允許 溫度在該區(qū)域內(nèi)平衡為止。已知各種其它情形會(huì)在集成電路芯片中導(dǎo)致類似的失衡的熱情形。舉例來(lái)說(shuō)，大信 號(hào)靜置情形或瞬態(tài)失衡可能會(huì)導(dǎo)致電路的輸出響應(yīng)中出現(xiàn)恢復(fù)穩(wěn)定"拖尾"。超出放大器 及其反饋回路的線性范圍的輸入信號(hào)過(guò)驅(qū)動(dòng)情形可能會(huì)導(dǎo)致長(zhǎng)持續(xù)時(shí)間的熱失衡情形。 此外，導(dǎo)致放大器電路中的線性反饋受到中斷或限制的各種特殊用途應(yīng)用(例如，在采 樣/保持放大器、峰值檢測(cè)器電路和限幅/箝位放大器中)可能會(huì)導(dǎo)致上文涉及到的類型的 熱失衡情形。雖然因?yàn)楹?jiǎn)單的瞬態(tài)靜置可發(fā)生熱失衡情形，但其可能在反饋回路被中斷 相對(duì)較長(zhǎng)的時(shí)間間隔中的應(yīng)用(例如，在采樣/保持放大器、峰值檢測(cè)器電路和限幅或箝 位放大器或多工放大器中)中最成問(wèn)題。圖1展示常規(guī)的閉合回路反饋網(wǎng)絡(luò)，其包含運(yùn)算放大器1，所述運(yùn)算放大器1接收 在(一)輸入導(dǎo)體3和(+ )輸入導(dǎo)體4之間施加的差分輸入信號(hào)Vin。輸入導(dǎo)體3和4 連接到放大器1的輸入級(jí)2的電路2A中的差分輸入晶體管對(duì)的輸入。輸入級(jí)2通常還包 含折疊式級(jí)聯(lián)電路，所述折疊式級(jí)聯(lián)電路的輸出驅(qū)動(dòng)高阻抗補(bǔ)償節(jié)點(diǎn)5 (即，折疊式級(jí) 聯(lián)級(jí)2A的"comp"節(jié)點(diǎn)5連接到輸出級(jí)6的常規(guī)輸出驅(qū)動(dòng)器電路6A的輸入。輸出驅(qū)動(dòng) 器電路6A在導(dǎo)體7上產(chǎn)生輸出信號(hào)Vout，其連接到反饋網(wǎng)絡(luò)8 (其通常簡(jiǎn)單地為反饋電 阻器)的輸入。反饋網(wǎng)絡(luò)8的輸出連接到反相輸入3。圖2展示可用作圖1的輸入級(jí)2 的常規(guī)差分輸入電路和折疊式級(jí)聯(lián)級(jí)的示意圖。
參看圖2，將Vin —施加到NPN輸入晶體管Ql的基極，并將Vin+施加到NPN輸 入晶體管Q2的基極，所述Q2的發(fā)射極通過(guò)導(dǎo)體27耦合到NPN電流源晶體管Q12的集 極。晶體管Q12的發(fā)射極通過(guò)電阻器R3耦合到電源電壓VEE。輸入晶體管Ql的發(fā)射 極通過(guò)導(dǎo)體26連接到電流源晶體管Qll的集極，所述電流源晶體管Qll的發(fā)射極通過(guò) 電阻器R2耦合到VEE。電阻器Rl連接在導(dǎo)體26與27之間。電流源晶體管Qll和Q12 的基極連接到導(dǎo)體22上的偏壓VB1。輸入晶體管Ql的集極通過(guò)導(dǎo)體24耦合到折疊式 級(jí)聯(lián)PNP晶體管Q6的發(fā)射極，并耦合到耦合在導(dǎo)體24與電源電壓VCC之間的電阻器 R5的一個(gè)端子。類似地，輸入晶體管Q2的集極通過(guò)導(dǎo)體25耦合到折疊式級(jí)聯(lián)PNP晶 體管Q5的發(fā)射極，并耦合到耦合在導(dǎo)體24與VCC之間的電阻器R4的一個(gè)端子。級(jí)聯(lián) 晶體管Q5和Q6的基極通過(guò)導(dǎo)體28連接到偏壓VB2。通常，整個(gè)電路2的高阻抗補(bǔ)償 或"comp"節(jié)點(diǎn)是晶體管Q6的集極。在圖2中，晶體管Q5的集極耦合到電流鏡30的 輸出。晶體管Q6的集極通過(guò)導(dǎo)體5連接到電流鏡30的輸入。導(dǎo)體5上的電壓標(biāo)記為 Vcomp。在圖1的常規(guī)閉合回路反饋網(wǎng)絡(luò)中，反饋回路強(qiáng)制使差分輸入誤差電壓接近零。因 此，將輸入級(jí)2驅(qū)動(dòng)成平衡情形。集成電路芯片上的此種電路的典型對(duì)稱構(gòu)造連同因Vin 的接近零誤差電壓值引起的平衡操作情形，導(dǎo)致功率耗散電路元件中的每一者相對(duì)于對(duì) 稱構(gòu)造的每一側(cè)的相應(yīng)平衡組件的熱平衡情形。然而，如果晶體管Ql與Q2的基極之間的差分輸入電壓Vin過(guò)大，那么晶體管Ql 和Q2中的一者比另一者承載多得多的電流，且因此耗散遠(yuǎn)遠(yuǎn)多于正常功率量的功率量， 且因此提高所述晶體管的溫度。計(jì)算機(jī)分析和實(shí)驗(yàn)室測(cè)量已表明，提高的溫度可導(dǎo)致晶 體管Q1、 Q2、 Q5和Q6中出現(xiàn)顯著的熱誘發(fā)偏移電壓。這對(duì)輸出電壓Vout (圖1)造成 的影響表現(xiàn)為圖6中展示的波形"A"中的延遲。舉例來(lái)說(shuō)，如果Vin+遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于Vin—，那么輸入晶體管Ql關(guān)斷且不耗散功率，且 有大電流流動(dòng)通過(guò)輸入晶體管Q2，從而導(dǎo)致其耗散大量功率。這導(dǎo)致輸入晶體管Q2中 的溫度實(shí)質(zhì)上高于輸入晶體管Q1中的溫度，這可相對(duì)于晶體管Q1而實(shí)質(zhì)上改變晶體管 Q2的操作特性。在上述Vin輸入"過(guò)驅(qū)動(dòng)"情形結(jié)束后，反饋回路導(dǎo)致Vin-Vin十一 Vin—本質(zhì)上為零，因此反饋回路得以恰當(dāng)?shù)仄胶?，且輸入晶體管Q2的溫度需要一定量 的時(shí)間(即，熱恢復(fù)時(shí)間或"拖尾")恢復(fù)到輸入晶體管Q1的溫度，使得包含晶體管Q1 和Q2的熱敏感電路得以平衡，且熱誘發(fā)的輸入偏移電壓穩(wěn)定為可以忽略的值。只有這時(shí) 才能從反饋放大器中獲得Vout的可靠的精確值。然而，圖6的波形"A"中展示的熱恢 復(fù)時(shí)間或"拖尾"可能長(zhǎng)達(dá)不可接受的程度。此外，在Vin過(guò)驅(qū)動(dòng)情形期間，從流動(dòng)穿 過(guò)級(jí)聯(lián)晶體管Q5的電流中減去流動(dòng)穿過(guò)晶體管Q2的同一電流，這會(huì)減少晶體管Q5中 的功率耗散。這導(dǎo)致級(jí)聯(lián)晶體管Q5與Q6之間出現(xiàn)熱失衡。已知現(xiàn)有技術(shù)用于在單個(gè)運(yùn)算放大器的分離的差分輸入級(jí)之間前后切換放大器信號(hào) 路徑。舉例來(lái)說(shuō)，受讓人的SWOP AMP運(yùn)算放大器(可切換op amp)系列便使用這種 技術(shù)。然而，其中響應(yīng)于定時(shí)的外部信號(hào)(例如時(shí)鐘信號(hào)或控制信號(hào))對(duì)差分輸入級(jí)進(jìn) 行切換。似乎沒(méi)有任何先前已知的現(xiàn)實(shí)的解決方案能減少上述較長(zhǎng)的熱恢復(fù)"拖尾"。因此，存在一個(gè)未滿足的需要即需要一種用于減少或防止集成電路放大器中會(huì)導(dǎo)致放大器產(chǎn)生的輸出信號(hào)中出現(xiàn)瞬態(tài)不準(zhǔn)確性的瞬態(tài)或暫時(shí)功率失衡的電路和技術(shù)。還存在一個(gè)未滿足的需要即需要一種用于減少或防止集成電路放大器的特定區(qū)域中會(huì)導(dǎo)致放大器產(chǎn)生的信號(hào)出現(xiàn)熱拖尾的瞬態(tài)或暫時(shí)功率失衡的電路和技術(shù)。還存在一個(gè)未滿足的需要即需要一種用于減少或防止集成電路放大器的特定區(qū)域中因過(guò)大的輸入信號(hào)而導(dǎo)致的瞬態(tài)或暫時(shí)功率失衡的電路和技術(shù)。還存在一個(gè)未滿足的需要即需要一種用于減少或防止集成電路放大器的特定區(qū)域中因放大器中的反饋回路中出現(xiàn)中斷而導(dǎo)致的瞬態(tài)或暫時(shí)功率失衡的電路和技術(shù)。還存在一個(gè)未滿足的需要即需要一種用于減少或防止集成電路中的差分輸入電路放大器和折疊式級(jí)聯(lián)電路兩者的區(qū)域中因過(guò)大的輸入信號(hào)而導(dǎo)致的瞬態(tài)或暫時(shí)功率失衡 的電路和技術(shù)。還存在一個(gè)未滿足的需要即需要一種無(wú)需依賴系統(tǒng)定時(shí)或控制信號(hào)即可對(duì)導(dǎo)致集 成電路中出現(xiàn)瞬態(tài)或暫時(shí)熱失衡的信號(hào)情形進(jìn)行電檢測(cè)的電路和技術(shù)。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的是提供一種用于減少或防止集成電路放大器中會(huì)導(dǎo)致放大器產(chǎn)生的輸 出信號(hào)中出現(xiàn)瞬態(tài)不準(zhǔn)確性的瞬態(tài)或暫時(shí)功率失衡的電路和技術(shù)。本發(fā)明的目的是提供一種用于減少或防止集成電路放大器的特定區(qū)域中會(huì)導(dǎo)致放大 器產(chǎn)生的信號(hào)出現(xiàn)熱拖尾的瞬態(tài)或暫時(shí)功率失衡的電路和技術(shù)。本發(fā)明的目的是提供一種用于減少或防止集成電路放大器的特定區(qū)域中因過(guò)大的輸 入信號(hào)而導(dǎo)致的瞬態(tài)或暫時(shí)功率失衡的電路和技術(shù)。本發(fā)明的目的是提供一種用于減少或防止集成電路放大器的特定區(qū)域中因放大器的 反饋回路中出現(xiàn)中斷而導(dǎo)致的瞬態(tài)或暫時(shí)功率失衡的電路和技術(shù)。
本發(fā)明的目的是提供一種用于減少或防止集成電路放大器中的差分輸入電路和/或 折疊式級(jí)聯(lián)電路的區(qū)域中因過(guò)大的輸入信號(hào)而導(dǎo)致的瞬態(tài)或暫時(shí)功率失衡的電路和技 術(shù)。本發(fā)明的另一目的是在集成電路放大器內(nèi)提供一種控制信號(hào)，所述控制信號(hào)僅響應(yīng) 于放大器的輸入信號(hào)而指示所述輸入信號(hào)的值是否在預(yù)定范圍內(nèi)，并利用所述控制信號(hào) 來(lái)防止集成電路放大器中因輸入信號(hào)的值超出范圍而導(dǎo)致的瞬態(tài)或暫時(shí)功率失衡。本發(fā)明的另一目的是提供一種無(wú)需依賴系統(tǒng)定時(shí)或控制信號(hào)即可對(duì)導(dǎo)致集成電路中 出現(xiàn)瞬態(tài)或暫時(shí)熱失衡的信號(hào)情形進(jìn)行電檢測(cè)的電路和技術(shù)。本發(fā)明的另一目的是提供一種用于減少或防止集成電路放大器中會(huì)導(dǎo)致放大器產(chǎn)生 的輸出信號(hào)中出現(xiàn)瞬態(tài)不準(zhǔn)確性且可容易延伸到放大器的多個(gè)信號(hào)處理級(jí)的瞬態(tài)或暫時(shí) 熱失衡的電路和技術(shù)。簡(jiǎn)而言之且根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，本發(fā)明提供一種包含差分放大器(10)的放大器，所 述差分放大器具有輸入級(jí)(20),用于放大差分輸入信號(hào)(Vin);和輸出級(jí)(6),其耦 合到所述輸入級(jí)(20)，用于產(chǎn)生輸出信號(hào)(Vout)。所述輸入級(jí)(20)包含主輸入電 路(20A)，用于放大小信號(hào)值的所述輸入信號(hào)(Vin);和替代的輸入電路(20B),用于 在導(dǎo)致所述主輸入電路(20B)中出現(xiàn)熱失衡的情形期間放大所述輸入信號(hào)(Vin)。所述 輸入級(jí)(20)包含切換電路(12)，用于在正常小信號(hào)操作情形期間將輸入信號(hào)(Vin) 耦合到所述主輸入電路(20A)，并在導(dǎo)致所述主輸入電路(20B)中出現(xiàn)熱失衡的情形 期間將輸入信號(hào)(Vin)耦合到所述替代的輸入電路(20A)。在所描述的實(shí)施例中，輸入級(jí)(20)包含主輸入電路(20A)，所述主輸入電路包含 第一級(jí)(200A)的第一部分(例如，Ql、 2、 11、 12或Q5、 6、 15、 16)以用于放大差 分輸入信號(hào)(Vin)的信號(hào)路徑中的相對(duì)小值的信號(hào)；且還包含替代的輸入電路(20B)， 所述替代的輸入電路(20B)包含第一級(jí)(200A)的第二部分(例如，Q3、 4、 13、 14 或Q7、 8、 15、 16)以用于放大差分輸入信號(hào)(Vin)的信號(hào)路徑中的相對(duì)大值的信號(hào)， 在主輸入電路(20A)放大所述相對(duì)大值的信號(hào)時(shí)會(huì)導(dǎo)致主輸入電路(20A)中出現(xiàn)熱失 衡。輸入級(jí)(20)還包含切換電路(12),用于將差分輸入信號(hào)(Vin)的信號(hào)路徑中的 信號(hào)選擇性地耦合到第一級(jí)(200A)的第一部分(Ql、 2、 11、 12)或第一級(jí)(200A) 的第二部分(Q3、 4、 13、 14);且還包含檢測(cè)電路(60)，其經(jīng)耦合以接收差分輸入信號(hào) (Vin)的信號(hào)路徑中的信號(hào)。檢測(cè)電路(60)在小信號(hào)操作情形期間耦合到第一級(jí)(200A) 的第一部分(Ql、 2、 11、 12)，以使得第一級(jí)(200A)的第一部分(Ql、 2、 11、 12)
放大差分輸入信號(hào)(Vin)的信號(hào)路徑中的信號(hào)；且還在大信號(hào)操作情形期間耦合到第一 級(jí)(200A)的第二部分(Q3、 4、 13、 14)，以使得第一級(jí)(200A)的第二部分(Q3、 4、 13、 14)放大差分輸入信號(hào)(Vin)的信號(hào)路徑中的信號(hào)，以便減少主輸入電路(20A) 中的熱失衡。輸入級(jí)(20)還可包含第二級(jí)(200B),其耦合在差分輸入信號(hào)(Vin)的 路徑中，其中主電路(20A)包含第二級(jí)(200B)的第一部分(例如，Q5、 6、 15、 16), 以用于放大差分輸入信號(hào)(Vin)的信號(hào)路徑中的相對(duì)小值的信號(hào)，其中替代的電路(20B) 包含第二級(jí)(200B)的第二部分(例如，Q7、 8、 15、 16)，以用于放大差分輸入信號(hào)(Vin) 的信號(hào)路徑中的相對(duì)大值的信號(hào)。檢測(cè)電路(60)在小信號(hào)操作情形期間耦合到第二級(jí)(200B)的第一部分(例如，Q5、 6、 15、 16)，以使得第二級(jí)(200B)的第一部分(例 如，Q5、 6、 15、 16)放大差分輸入信號(hào)(Vin)的信號(hào)路徑中的信號(hào)；且還在大信號(hào)操 作情形期間耦合到第二級(jí)(200B)的第二部分(例如，Q7、 8、 15、 16)，以使得第二級(jí)(200B)的第二部分(例如，Q7、 8、 15、 16)放大差分輸入信號(hào)(Vin)的信號(hào)路徑中 的信號(hào)，以便進(jìn)一步減少主輸入電路(20A)中的熱失衡。在所描述的實(shí)施例中，第一級(jí)(200A)包含經(jīng)耦合以接收差分輸入信號(hào)(Vin)的信號(hào)路徑中的信號(hào)的差分級(jí)聯(lián)級(jí)，且 第二級(jí)(200B)包含經(jīng)耦合以接收差分輸入信號(hào)(Vin)的信號(hào)路徑中的信號(hào)的差分級(jí)聯(lián) 級(jí)。差分輸入信號(hào)(Vin)可等于第一 (Vin+)與第二 (Vin—)時(shí)間varVing信號(hào)之間 的差，或等于第一時(shí)間varVing信號(hào)(例如Vin+)與固定的參考信號(hào)(例如，地面)之 間的差。在所描述的實(shí)施例中，檢測(cè)電路(60)可操作以產(chǎn)生第一控制信號(hào)(VBmaiii), 其指示差分輸入信號(hào)(Vin)何時(shí)是相對(duì)小值的信號(hào)，以用于控制第一級(jí)(200A)的第一 部分(Ql、 2、 11、 12);和第二控制信號(hào)(VBalt)，其指示差分輸入信號(hào)(Vin)何時(shí)是 相對(duì)大值的信號(hào)，以用于控制第一級(jí)(200A)的第二部分(Q3、 4、 13、 14)。切換電路 (12)還將輸入信號(hào)(Vin)與主輸入電路(20A)和替代的輸入電路(20B)中的第一 者去耦，同時(shí)將輸入信號(hào)(Vin)耦合到主輸入電路(20A)和替代的輸入電路(20B) 中的另一者。在所描述的實(shí)施例中，輸入級(jí)(20)包含切換差分放大器區(qū)段，其包含第一 (Ql)、 第二 (Q2)、第三(Q3)和第四(Q4)輸入晶體管，以及第一 (Qll)、第二 (Q12)、第 三(Q13)和第四(Q14)切換晶體管。第一 (Ql)和第三(Q3)輸入晶體管的集極通 過(guò)第一導(dǎo)體(32)耦合到第一負(fù)載裝置(R5)的第一端子，第二 (Q2)和第四(Q4)的 集極通過(guò)第二導(dǎo)體(33)耦合到第二負(fù)載裝置(R4)的第一端子，第一 (Ql)和第三(Q3)
輸入晶體管的基極耦合到第一輸入信號(hào)(Vin—)，第二 (Q2)和第四(Q4)輸入晶體管 的基極耦合到第二輸入信號(hào)(Vin+)。第一輸入晶體管(Ql)的發(fā)射極通過(guò)第一二極管
(Dl)耦合到第一切換晶體管(Q11)的集極，第二輸入晶體管(Q2)的發(fā)射極通過(guò)第 二二極管(D2)耦合到第二切換晶體管(Q12)的集極，第三輸入晶體管(Q3)的發(fā)射 極通過(guò)第三二極管(D3)耦合到第三切換晶體管(Q13)的集極，第四輸入晶體管(Q4) 的發(fā)射極通過(guò)第四二極管(D4)耦合到第四切換晶體管(Q14)的集極，第一 (Q11)和 第三(Q13)切換晶體管的發(fā)射極耦合到第一電流源(R2)的第一端子，且第二 (Q12) 和第四(Q14)切換晶體管的發(fā)射極耦合到第二電流源(R3)的第一端子。第一發(fā)射極 負(fù)反饋電阻器(Rl)耦合在第一 (Ql)和第二 (Q2)輸入晶體管的發(fā)射極之間，第二發(fā) 射極負(fù)反饋電阻器(R6)耦合在第三(Q3)與第四(Q4)輸入晶體管的發(fā)射極之間。第 一 (Qll)、第二 (Q12)、第三(Q13)和第四(Q14)切換晶體管的基極耦合到切換電 路(12)。第一發(fā)射極負(fù)反饋電阻器(Rl)耦合在第一 (Dl)和第二 (D2) 二極管的陰 極之間以及第一 (Q11)和第二 (Q12)切換晶體管的集極之間，且第二發(fā)射極負(fù)反饋電 阻器(R6)耦合在第三(D3)和第四(D4) 二極管的陰極之間以及第三(Q13)和第四(Q14)切換晶體管的集極之間。第一電阻器(R10)耦合在第一二極管(Dl)的陽(yáng)極與 第三二極管(D3)的陰極之間。第二電阻器(R11)耦合在第二二極管(D2)的陽(yáng)極與 第四二極管(D4)的陰極之間。第一、第二、第三和第四切換晶體管的基極耦合到切換 電路(12)，以在正常小信號(hào)操作情形期間接通第一 (Q11)和第二 (Q12)切換晶體管， 并在導(dǎo)致熱失衡的情形期間接通第三(Q13)和第四(Q14)切換晶體管。檢測(cè)電路(60) 可操作以產(chǎn)生第一控制信號(hào)(VBmain)，其指示差分輸入信號(hào)(Vin)何時(shí)是相對(duì)小值 的信號(hào)，以用于控制第一級(jí)(200A)的第一部分(Ql、2、ll、12);和第二控制信號(hào)(VBalt)， 其指示差分輸入信號(hào)(Vin)何時(shí)是相對(duì)大值的信號(hào)，以用于控制第一級(jí)(200A)的第二 部分(Q3、 4、 13、 14)，所述第一控制信號(hào)(VBmain)耦合到第一 (Q11)和第二 (Q12) 切換晶體管的基極，第二控制信號(hào)(VBalt)耦合到第三(Q13)和第四(Q14)切換晶 體管的基極。
在所描述的實(shí)施例中，輸入級(jí)(20)包含切換折疊式級(jí)聯(lián)區(qū)段，其包含第一主級(jí) 聯(lián)晶體管(Q5)，其集極耦合到電流鏡(30)的輸出，且基極耦合到切換電路(12);第 二主級(jí)聯(lián)晶體管(Q6),其集極耦合到電流鏡(30)的輸入，且基極耦合到切換電路(12); 第一替代級(jí)聯(lián)晶體管(Q7),其集極耦合到第一主級(jí)聯(lián)晶體管(Q5)的集極，且基極耦 合到切換電路(12);和第二替代級(jí)聯(lián)晶體管(Q8)，其集極耦合到第二主級(jí)聯(lián)晶體管(Q6)
的集極，且基極耦合到切換電路(12)。第一主級(jí)聯(lián)晶體管(Q5)的集極借助第一串聯(lián)級(jí) 聯(lián)晶體管(Q9)耦合到電流鏡(30)的輸出，且第二主級(jí)聯(lián)晶體管(Q6)的集極借助第 二串聯(lián)級(jí)聯(lián)晶體管(Q10)耦合到電流鏡(30)的輸入。第一 (Q5)和第二 (Q6)主級(jí) 聯(lián)晶體管的基極在小信號(hào)操作情形期間耦合到切換電路(12)以將其接通，且其中第一 (Q7)和第二 (Q8)替代級(jí)聯(lián)晶體管的基極在大信號(hào)操作情形期間耦合到切換電路(12) 以將其接通。在所描述的實(shí)施例中，檢測(cè)電路(60)包含第一檢測(cè)器輸入級(jí)，其包含第一檢測(cè) 器輸入晶體管(Q30)，其第一端子耦合到第一電流源(11)、控制端子耦合到第一輸入導(dǎo) 體(4)且第二端子耦合到第一導(dǎo)體(47);第二檢測(cè)器輸入晶體管(Q17)，其第一端子 耦合到第一檢測(cè)器二極管(D6)的第一端子(所述第一檢測(cè)器二極管(D6)的第二端子 耦合到第一電流源(Il))、控制端子耦合到第二輸入導(dǎo)體(3)且第二端子耦合到第二導(dǎo) 體(48)。第二檢測(cè)器輸入級(jí)包含第三檢測(cè)器輸入晶體管(Q31)，其第一端子耦合到第 二電流源(12)、控制端子耦合到第二輸入導(dǎo)體(3)且第二端子耦合到第一導(dǎo)體(47); 第四檢測(cè)器輸入晶體管(Q18),其第一端子耦合到第二檢測(cè)器二極管(D7)的第一端子(第二檢測(cè)器二極管(D7)的第二端子耦合到第二電流源(12))、控制端子耦合到第一 輸入導(dǎo)體(4)且第二端子耦合到第二導(dǎo)體(48)。檢測(cè)器輸出級(jí)包含耦合到第一導(dǎo)體(47)的第三電流源(13)、第一端子耦合到第二導(dǎo)體(48)且第二端子耦合到參考電壓 源(VB1)的第一檢測(cè)器電阻器(R15)以及第一端子耦合到第一導(dǎo)體(47)且第二端子 耦合到參考電壓源(VB1)的第二檢測(cè)器電阻器(R15);第一導(dǎo)體(47)耦合到第一級(jí)(200A)的第一部分(Ql、 2、 11、 12)并且傳導(dǎo)用于指示差分輸入信號(hào)(Vin)具有小 信號(hào)值的信號(hào)(VBmain);第二導(dǎo)體(48)耦合到第一級(jí)(200A)的第二部分并且傳導(dǎo) 用于指示差分輸入信號(hào)(Vin)具有大信號(hào)值的信號(hào)(VBalt)。輸入級(jí)(20)還包含切換 折疊式級(jí)聯(lián)區(qū)段，其包含第一主級(jí)聯(lián)晶體管(Q5)，其集極耦合到電流鏡(30)的輸出 且基極耦合到切換電路(12);第二主級(jí)聯(lián)晶體管(Q6)，其集極耦合到電流鏡(30)的 輸入且基極耦合到切換電路(12);第一替代級(jí)聯(lián)晶體管(Q7)，其集極耦合到第一主級(jí) 聯(lián)晶體管(Q5)的集極且基極耦合到切換電路(12);和第二替代級(jí)聯(lián)晶體管(Q8)，其 集極耦合到第二主級(jí)聯(lián)晶體管(Q6)的集極且基極耦合到切換電路(12)。第一主級(jí)聯(lián)晶 體管(Q5)的集極借助第一串聯(lián)級(jí)聯(lián)晶體管(Q9)耦合到電流鏡(30)的輸出，且第二 主級(jí)聯(lián)晶體管(Q6)的集極借助第二串聯(lián)級(jí)聯(lián)晶體管(Q10)耦合到電流鏡(30)的輸 入。


圖1 (現(xiàn)有技術(shù))是常規(guī)反饋放大器的方框圖。圖2 (現(xiàn)有技術(shù))是圖1的反饋放大器的折疊式級(jí)聯(lián)輸入級(jí)的示意圖。 圖3是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例的方框圖。圖4是圖3的折疊式級(jí)聯(lián)輸入級(jí)20的基本示意圖，其在輸入信號(hào)路徑中包含分離的 可選擇的級(jí)，以用于單獨(dú)處理所述輸入信號(hào)路徑中的小值和大值信號(hào)。圖5是說(shuō)明用于產(chǎn)生圖4中的切換控制信號(hào)VBmain和VBalt的電路的示意圖。 圖6是說(shuō)明展示圖2的現(xiàn)有技術(shù)電路和圖4所示的本發(fā)明的電路的Vout的恢復(fù)的波 形圖。圖7是展示在不會(huì)導(dǎo)致折疊式級(jí)聯(lián)輸入級(jí)進(jìn)行切換的小信號(hào)情形下圖4的電路的Viii 和Vout的波形圖。圖8是展示在會(huì)導(dǎo)致折疊式級(jí)聯(lián)輸入級(jí)進(jìn)行切換的大信號(hào)情形下圖4的電路的Vin 和Vout的波形圖。圖9A和9B構(gòu)成說(shuō)明圖4和圖5的電路的優(yōu)選實(shí)施方案的詳細(xì)示意圖。
具體實(shí)施方式
本發(fā)明提供這樣一種電路和技術(shù)其可減輕或幾乎消除上述由于集成電路放大器中 的熱失衡而導(dǎo)致的輸出信號(hào)恢復(fù)拖尾，所述熱失衡是由大信號(hào)輸入、大信號(hào)內(nèi)部操作情 形和/或反饋回路的中斷而造成的。圖3展示包含運(yùn)算放大器10的反饋放大器的方框圖，所述運(yùn)算放大器10包含根據(jù) 本發(fā)明的切換輸入級(jí)20，且還包含常規(guī)的輸出級(jí)6。在方框12中"概念上"說(shuō)明的切換 電路的輸入導(dǎo)體3與4之間施加輸入信號(hào)Vin-Vin+—Vin—。實(shí)際上，切換電路12經(jīng) 由信號(hào)路徑14向主輸入電路20A的輸入施加Vin,或者經(jīng)由信號(hào)路徑15向替代的輸入 電路20B的輸入施加Vin。切換電路12還可耦合到運(yùn)算放大器10的各個(gè)其它部分中的 主輸入電路和替代的輸入電路，例如在隨后描述的圖4的區(qū)段200B中的輸入級(jí)20的PNP 級(jí)聯(lián)晶體管Q5和Q6、輸出電路6A和/或其中會(huì)因可變信號(hào)情形或其它可變情形而出現(xiàn) 熱失衡并導(dǎo)致棘手的準(zhǔn)確性問(wèn)題的任何其它電路中。方框12中的切換電路或元件12A在概念上說(shuō)明通過(guò)主輸入電路20A或替代的輸入 電路20B中的一者或另一者對(duì)Vin進(jìn)行切換。主輸入電路20A和替代的輸入電路20B的 輸出均連接到comp節(jié)點(diǎn)導(dǎo)體5，所述comp節(jié)點(diǎn)導(dǎo)體5連接到輸出級(jí)6的輸出放大器或 緩沖器電路6A的輸入。切換電路/元件12A由檢測(cè)器電路60的控制，檢測(cè)器電路60的 輸入連接到Vin。檢測(cè)器電路60檢測(cè)Vin當(dāng)前是處于正?；虻碗娖叫盘?hào)值還是處于可能 會(huì)導(dǎo)致上述類型的棘手的熱失衡的過(guò)高電平的信號(hào)值。輸出電路6A在導(dǎo)體7上產(chǎn)生Vout， 將所述Vout施加到方框16的輸入。應(yīng)了解，在概念上指示為位于圖3的方框12中的切 換電路中的一些或全部可能包含在主輸入電路20A和替代的輸入電路20B中的一者或兩 者中。請(qǐng)注意，當(dāng)在大信號(hào)操作情形期間將Vin從主輸入電路20A切換到替代的輸入電路 20B時(shí)，輸入級(jí)20的功率耗散的總量未必改變。而是，由Vin的大信號(hào)值導(dǎo)致的高功率 耗散量和相關(guān)聯(lián)的功率失衡從主輸入電路20A轉(zhuǎn)移到替代的輸入電路20B。因此，用于 小信號(hào)操作的通過(guò)主輸入電路20A的Vin的主信號(hào)路徑不受Vin的大信號(hào)值所導(dǎo)致的熱 失衡影響。圖3中的方框16在概念上表示包含反饋網(wǎng)絡(luò)8的反饋回路中的可能的中斷。2003 年6月27日申請(qǐng)的題為"Output Stage, Amplifier and Associated Method for Limiting and Amplifier Output"的第10/609,209號(hào)共同轉(zhuǎn)讓專利申請(qǐng)案中揭示了此類中斷的一實(shí)例， 所述申請(qǐng)案以引用的方式并入本文中。上述專利申請(qǐng)案描述了由圖3的反饋回路中的方 框16表示的中斷類型，其是因在替代的輸出級(jí)之前進(jìn)行切換以便適當(dāng)?shù)叵拗戚敵鲂盘?hào)的 范圍而出現(xiàn)的。當(dāng)反饋回路被中斷時(shí)，對(duì)反相輸入導(dǎo)體3的反饋毫無(wú)意義。雖然以上專 利申請(qǐng)案中描述的電路具有本文先前描述的熱拖尾恢復(fù)問(wèn)題，但其并未提出任何對(duì)所述問(wèn)題的解決方案。方框16的輸出通過(guò)導(dǎo)體17耦合到反饋網(wǎng)絡(luò)8 (其通常簡(jiǎn)單地為反饋電阻器)的輸 入。反饋網(wǎng)絡(luò)8的輸出連接到放大器10的反相輸入3。(請(qǐng)注意，圖3中的方框16實(shí)際 上并不表示物理切換電路，而是表示通過(guò)運(yùn)算放大器10和反饋網(wǎng)絡(luò)8的反饋回路存在中 斷或不連續(xù)。)當(dāng)反饋回路閉合時(shí)，放大器10具有非常高的增益且因此試圖強(qiáng)制Vin為 零。但是如果反饋回路受到中斷，那么即使是Vin的非常微小的值也會(huì)導(dǎo)致Vout擺動(dòng)到 最大拖尾電壓或者最小拖尾電壓，這一般會(huì)引起熱失衡，且從而會(huì)導(dǎo)致圖6中的波形"A" 所示的熱恢復(fù)拖尾(不具有本發(fā)明的替代的輸入電路20B和相關(guān)聯(lián)的切換電路的益處)。計(jì)算機(jī)模擬表明，因熱誘發(fā)的輸入偏移電壓而導(dǎo)致長(zhǎng)熱恢復(fù)的熱失衡的主要起因與 輸入晶體管Q1和Q2以及級(jí)聯(lián)晶體管Q5和Q6相關(guān)聯(lián)。(計(jì)算機(jī)模擬還指示(但程度低 得多)還可能存在與隨后描述的圖4的電流鏡30相關(guān)聯(lián)的熱誘發(fā)偏移電壓。)具體來(lái)說(shuō)， 模擬表明，熱失衡對(duì)運(yùn)算放大器10的影響對(duì)于差分輸入級(jí)為約30%、對(duì)于級(jí)聯(lián)晶體管 為約65%且對(duì)于運(yùn)算放大器10的其余部分為約5%。 圖4是圖3的折疊式級(jí)聯(lián)輸入級(jí)20的基本示意圖，所述折疊式級(jí)聯(lián)輸入級(jí)20包含 分離的小信號(hào)處理主輸入電路20A和大信號(hào)處理替代的輸入電路20B。參看圖4,折疊 式級(jí)聯(lián)輸入級(jí)20包含切換差分輸入電路200A和切換折疊式級(jí)聯(lián)電路200B。切換差分輸 入電路200A包含NPN輸入晶體管Ql、 Q2、 Q3禾B Q4， 二極管D1、 D2、 D3禾卩D4，以 及NPN切換電流源晶體管Qll、 Q12、 Q13和Q14。 Vin +連接到輸入晶體管Q2和Q4 的基極，且Vin —連接到輸入晶體管Ql和Q3的基極，Vin等于Vin +減去Vin—。輸入 晶體管Ql和Q3的集極通過(guò)導(dǎo)體32連接到切換折疊式級(jí)聯(lián)電路200B的一個(gè)輸入，且輸 入晶體管Q2和Q4的集極通過(guò)導(dǎo)體33連接到切換折疊式級(jí)聯(lián)電路200B的另一輸入。輸入晶體管Ql的發(fā)射極通過(guò)導(dǎo)體34連接到二極管Dl的陽(yáng)極并連接到電阻器R10 的一個(gè)端子，所述電阻器R10的另一端子連接到導(dǎo)體35。 二極管D1的陰極通過(guò)導(dǎo)體38 連接到NPN切換電流源晶體管Qll的集極，所述NPN切換電流源晶體管Qll的發(fā)射極 連接到電流源或電阻器R2的一個(gè)端子。電阻器R2的另一端子連接到VEE。導(dǎo)體38也 連接到電阻器R1的一個(gè)端子，所述電阻器R1的另一端子連接到導(dǎo)體39。類似地，晶體 管Q3的發(fā)射極連接到二極管D3的陽(yáng)極，所述二極管D3的陰極通過(guò)導(dǎo)體35連接到電阻 器R6的一個(gè)端子，所述電阻器R6的另一端子連接到導(dǎo)體36。導(dǎo)體35也連接到NPN切 換電流源晶體管Q13的集極，所述NPN切換電流源晶體管Q13的發(fā)射極連接到切換電 流源晶體管Qll的發(fā)射極。切換電流源晶體管Qll的基極通過(guò)導(dǎo)體54連接到控制信號(hào)VBmain，且切換電流源 晶體管Q13的基極通過(guò)導(dǎo)體55連接到控制信號(hào)VBalt。輸入晶體管Q2的發(fā)射極通過(guò)導(dǎo) 體37連接到電阻器R11的一個(gè)端子，電阻器Rll的另一端子連接到導(dǎo)體36。導(dǎo)體37也 連接到二極管D2的陽(yáng)極，二極管D2的陰極連接到導(dǎo)體39。導(dǎo)體39連接到NPN切換電 流源晶體管Q12的集極，NPN切換電流源晶體管Q12的基極通過(guò)導(dǎo)體54連接到VBmain。 輸入晶體管Q4的發(fā)射極連接到二極管D4的陽(yáng)極，二極管D4的陰極通過(guò)導(dǎo)體36連接到 NPN切換電流源晶體管Q14的集極，NPN切換電流源晶體管Q14的發(fā)射極連接到切換 電流源晶體管Q12的發(fā)射極并連接到電流源或電阻器R3的一個(gè)端子，電流源或電阻器 R3的另一端子連接到VEE。因此，輸入級(jí)20的區(qū)段200A在小信號(hào)操作情形期間響應(yīng)于VBmaiii而借助主輸入 電路20A的輸入晶體管Ql和Q2放大差分輸入信號(hào)Vin，并在大信號(hào)操作情形期間響應(yīng) 于VBalt而借助替代的輸入電路20B的輸入晶體管Q3和Q4放大差分輸入信號(hào)Vin。因 此，大信號(hào)操作情形期間耗散的大量功率在大信號(hào)操作情形期間從主輸入電路20A的輸 入晶體管Ql或Q2轉(zhuǎn)移到替代的輸入電路20B的替代的輸入晶體管Q3或Q4，且因此 不會(huì)導(dǎo)致主輸入晶體管Q1和Q2之間出現(xiàn)熱失衡，且因此不會(huì)在二者之間產(chǎn)生熱誘發(fā)的 偏移。切換折疊式級(jí)聯(lián)電路200B包含PNP切換折疊式級(jí)聯(lián)晶體管Q5、 Q6、 Q7禾BQ8，差 分耦合的NPN切換晶體管Q15和Q16，以及PNP級(jí)聯(lián)晶體管Q9和QIO。切換晶體管 Q15的基極連接到VBmain，且其發(fā)射極連接到切換晶體管Q16的發(fā)射極并連接到電流 源或電阻器R7的一個(gè)端子，電流源或電阻器R7的另一端子連接到VEE。切換晶體管 Q16的基極連接到VBalt。切換晶體管Q15的集極通過(guò)導(dǎo)體40連接到負(fù)載電阻器R8的 一個(gè)端子，負(fù)載電阻器R8的另一端子通過(guò)導(dǎo)體45連接到電壓電平轉(zhuǎn)移電路VB2的(一 ) 端子，電壓電平轉(zhuǎn)移電路VB2的(+ )端子連接到VCC。類似地，切換晶體管Q16的 集極通過(guò)導(dǎo)體41連接到負(fù)載電阻器R9的一個(gè)端子，負(fù)載電阻器R9的另一端子連接到 導(dǎo)體45。導(dǎo)體40還連接到切換級(jí)聯(lián)晶體管Q5和Q6的基極。導(dǎo)體41連接到切換級(jí)聯(lián)晶體管 Q7和Q8的基極。切換級(jí)聯(lián)晶體管Q5和Q7的發(fā)射極連接到導(dǎo)體33，導(dǎo)體33連接到負(fù) 載電阻器R4的一個(gè)端子，負(fù)載電阻器R4的另一端子連接到VCC。類似地，切換級(jí)聯(lián)晶 體管Q8和Q6的發(fā)射極通過(guò)導(dǎo)體32連接到負(fù)載電阻器R5的一個(gè)端子，負(fù)載電阻器R5 的另一端子連接到VCC。切換級(jí)聯(lián)晶體管Q5和Q7的集極通過(guò)導(dǎo)體42連接到級(jí)聯(lián)晶體 管Q9的發(fā)射極，級(jí)聯(lián)晶體管Q9的集極通過(guò)導(dǎo)體44連接到電流鏡電路30的輸出。類似 地，切換級(jí)聯(lián)晶體管Q8和Q6的集極通過(guò)導(dǎo)體43連接到級(jí)聯(lián)晶體管Q10的發(fā)射極，級(jí) 聯(lián)晶體管Q10的集極通過(guò)導(dǎo)體5連接到Vcomp并連接到電流鏡電路30的輸入。級(jí)聯(lián)晶 體管Q9和Q10的基極連接到偏壓VB1。切換級(jí)聯(lián)晶體管Q5和Q6包含在主輸入電路20A (圖3)中，且在小信號(hào)操作情形 期間響應(yīng)于VBmain而接通。切換級(jí)聯(lián)晶體管Q7和Q8包含在替代的輸入電路20B (圖 3)中，且在大信號(hào)操作情形期間響應(yīng)于VBalt而接通。額外的串聯(lián)級(jí)聯(lián)晶體管Q9和Q10 用以減少額外偏移，如果晶體管Q5和Q6的集極-發(fā)射極電壓不相等則會(huì)導(dǎo)致所述額外 偏移，如果串聯(lián)級(jí)聯(lián)晶體管Q9和Q10被省略而是分別將導(dǎo)體42和43連接到導(dǎo)體44和 5，則在電路操作期間會(huì)發(fā)生以上情況。即使將功率從主輸入晶體管Q5和Q6切換到替 代的輸入晶體管Q7和Q8仍會(huì)發(fā)生這種情況，因?yàn)樵陔娐凡僮髌陂g，導(dǎo)體44的電壓實(shí) 質(zhì)上恒定(在電流鏡輸入電壓處)，同時(shí)導(dǎo)體5上的Vcomp可能具有廣泛范圍的值。在 大信號(hào)操作情形期間，大值的Vcomp會(huì)在主輸入晶體管Q5與Q6之間造成顯著偏移，
即使已將Vin信號(hào)路徑切換到替代的輸入晶體管Q7和Q8也是如此，除非如圖所示提供 串聯(lián)級(jí)聯(lián)晶體管Q9和QIO。因此，輸入級(jí)20的區(qū)段200B進(jìn)一步在小信號(hào)操作情形期間響應(yīng)于VBmain而借助 主輸入電路20A的級(jí)聯(lián)晶體管Q5和Q6放大差分輸入信號(hào)Vin,且進(jìn)一步在大信號(hào)操作 情形期間響應(yīng)于VBalt而借助替代的輸入電路20B的級(jí)聯(lián)晶體管Q7和Q8放大差分輸入 信號(hào)Vin。因此，大信號(hào)操作情形期間耗散的大量功率在大信號(hào)操作情形期間從主輸入電 路20A的級(jí)聯(lián)晶體管Q5或Q6轉(zhuǎn)移到替代的輸入電路20B的替代級(jí)聯(lián)晶體管Q7或Q8， 且因此不會(huì)在主級(jí)聯(lián)晶體管Q5與Q6之間引起熱失衡，且因此不會(huì)在二者之間產(chǎn)生熱誘 發(fā)的偏移。請(qǐng)注意，圖4中的晶體管Q1、 Q2、 Qll、 Q12、 Q5和Q6與圖2所示的常規(guī)折疊式 級(jí)聯(lián)電路中相同，且包含在圖3中的主輸入電路20A中。在正?；蛐⌒盘?hào)操作模式期間， 以上晶體管執(zhí)行輸入級(jí)20的信號(hào)"差分"和"增益"功能。晶體管Q3、 Q4、 Q13、 Q14、 Q7和Q8包含在圖3的輸入級(jí)20的替代的輸入電路20B中。應(yīng)了解，可在沒(méi)有二極管Dl-4的情況下實(shí)施圖4中的電路。電阻器R1和R6是分 別用于差分晶體管對(duì)Q1、 2和Q3、 4的發(fā)射極負(fù)反饋電阻器，且通常具有約300歐姆的 電阻，以便進(jìn)行負(fù)反饋和線性化放大。電阻器RlO和Rll是值非常大的電阻器，通常為 50到100千歐姆，且可被省略，因?yàn)槠渲皇怯靡苑乐箤?dǎo)體34、 35、 36和37漂移到不確 定的電壓電平，且因此當(dāng)在主輸入電路20A與替代的輸入電路20B之間切換Vin的信號(hào) 路徑時(shí)產(chǎn)生較平滑的過(guò)渡。這一點(diǎn)是重要的，因?yàn)樵谥鬏斎腚娐?0A與替代的輸入電路20B之間切換Vin的信 號(hào)路徑的過(guò)渡應(yīng)當(dāng)是平滑的，以便提供較低的放大器信號(hào)失真。圖8的切換波形是針對(duì) Vin的值超出大信號(hào)閾值的情況。如果圖8中的水平比例被放大，那么可容易地認(rèn)識(shí)到表 示主輸入電路20A與替代的輸入電路20B之間的相當(dāng)平滑的過(guò)渡的相對(duì)線性部分。舉例 來(lái)說(shuō)，如果差分輸入信號(hào)Vin以小步遞增，那么可發(fā)現(xiàn)主輸入電路20A和替代的輸入電 路20B相等地接通且對(duì)Vout有相等貢獻(xiàn)的點(diǎn)。也就是說(shuō)，切換電路12可經(jīng)設(shè)計(jì)以具有 適當(dāng)量的增益，以便在主輸入電路20A與替代的輸入電路20B之間切換Vin的信號(hào)路徑 的過(guò)渡中提供所需平滑程度。圖4中的二極管Dl-4的用途是在有大電壓越過(guò)晶體管Ql-4而所述晶體管關(guān)斷時(shí)保 護(hù)晶體管Ql-4，以便在實(shí)際上提高其擊穿電壓并同時(shí)增加晶體管Ql-4的發(fā)射極負(fù)反饋 電阻。電阻器RlO和Rll的電阻較大，使得其實(shí)際上不傳導(dǎo)任何電流，而是防止導(dǎo)體34、35、 36和37在晶體管Ql-4關(guān)斷時(shí)發(fā)生電漂移。這在主電路20A與替代的輸入電路20B 之間產(chǎn)生較平滑的切換。雖然圖4中展示本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，但應(yīng)了解，可通過(guò)省略 二極管Dl-4和電阻器R10及Rll而簡(jiǎn)化差分輸入級(jí)200A，因此電阻器R6為與晶體管 Q3和Q4相關(guān)聯(lián)的負(fù)反饋電阻器，且電阻器Rl是與晶體管Ql和Q2相關(guān)聯(lián)的負(fù)反饋電 阻器。有各種用于檢測(cè)圖4的電路中是否存在大信號(hào)情形并相應(yīng)地將Vin的放大器信號(hào)路 徑切換到主輸入電路20A與替代的輸入電路20B中的一者或另一者的實(shí)用方法。借助兩 個(gè)控制信號(hào)VBmain和VBalt來(lái)控制切換。在小信號(hào)操作期間，VBmain處于較高電壓， 從而導(dǎo)致通過(guò)主輸入電路20A來(lái)放大Vin。然而，在大信號(hào)操作期間，VBalt處于比VBmain 高的電壓，這導(dǎo)致替代的輸入電路20B "接收"對(duì)Viii的放大并導(dǎo)致主輸入級(jí)20A關(guān)閉 且因此保持熱平衡。因此，當(dāng)Vin切換回主輸入電路20A的輸入時(shí)，需要短得多的熱拖 尾恢復(fù)時(shí)間。圖5展示用來(lái)直接根據(jù)差分輸入信號(hào)Vin產(chǎn)生上述控制信號(hào)VBmain和VBalt的電路。 參看圖5，檢測(cè)器電路60包含PNP輸入晶體管Q30、 Q31、 Q17和Q18以及二極管D6 和D7。 Vin +通過(guò)導(dǎo)體4連接到晶體管Q30和Q18的基極。類似地，Vin —通過(guò)導(dǎo)體3 連接到晶體管Q31和Q17的基極。晶體管Q30的發(fā)射極連接到拖尾電流源II，拖尾電流 源II還耦合到二極管D6的陽(yáng)極，而二極管D6的陰極連接到晶體管Q17的發(fā)射極。晶 體管Q31的發(fā)射極連接到另一拖尾電流源12，拖尾電流源12還連接到二極管D7的陽(yáng)極， 而二極管D7的陰極連接到晶體管Q18的發(fā)射極。(二極管D6和D7可為低電壓肖特基 二極管。)晶體管Q17和Q18的集極通過(guò)導(dǎo)體48連接到單位增益緩沖器50的輸入并連 接到負(fù)載電阻器R15的一個(gè)端子，負(fù)載電阻器R15的另一端子連接到導(dǎo)體51。類似地， 晶體管Q30和Q31的集極通過(guò)導(dǎo)體47連接到單位增益緩沖器49的輸入并連接到電阻器 R16的一個(gè)端子，電阻器R16的另一端子連接到導(dǎo)體51。導(dǎo)體51耦合到電平轉(zhuǎn)移電路 VB1的(+ )端子，電平轉(zhuǎn)移電路VB1的(一)端子連接到VEE。導(dǎo)體47還連接到偏 壓電流源13。因此，在運(yùn)算放大器輸入級(jí)20的差分輸入處出現(xiàn)的同一輸入信號(hào)Vin也被施加到圖 5的檢測(cè)器電路60中的晶體管Q30、 Q17、 Q18和Q31的基極，使得晶體管Q30和Q31 在小信號(hào)操作期間均接通，且因此分別傳導(dǎo)拖尾電流II和12。優(yōu)選的是，拖尾電流II 和12以及偏壓電流13每一者均具有值Iswitch。接著，針對(duì)小信號(hào)操作，將來(lái)自拖尾電 流源II和12的等于2*Iswitch的電流供應(yīng)到電阻器R16中，并從2*Iswitch中減去來(lái)自
偏壓電流源13的值Iswitch。結(jié)果是電阻器R16具有等于Iswitch的凈電流，且電阻器R15 中的電流為零。這導(dǎo)致VBmain處于比VBalt高的電平，因?yàn)闆](méi)有電流流動(dòng)通過(guò)電阻器 R15且因此其中間沒(méi)有形成電壓。當(dāng)電壓Vin = Vin+ — Vin—的值5接近二極管D6和D7的接通電壓的值時(shí)，晶體管 Q17或晶體管Q18也將開(kāi)始傳導(dǎo)電流。用于切換閾值電壓的此輸入電壓差(其粗略地決 定"大信號(hào)"情形的開(kāi)始)在某種程度上是任意的，且可通過(guò)微小的鏡電路設(shè)計(jì)修改而 設(shè)定成各種不同的值，如隨后解釋。在大信號(hào)情形下，如果Vin +》Vin —或者如果Vin+ Vin—，則晶體管Q17、 Q18、 Q30和Q31全部接通。g卩，如果Vin= (Vin —減去Vin+)的量值超過(guò)特定閾值電壓， 則供應(yīng)拖尾電流源I1或I2的值，且從其減去偏壓電流源I3的值，且電阻器R15接收值 為Iswitch的電流(來(lái)自拖尾電流源Il或12)，同時(shí)電阻器R16接收凈電流0。因此，在 大信號(hào)情形期間VBalt的值高于VBmaiii的值，因此替代的輸入電路20B從主輸入電路 20A處"接收"對(duì)Vin的放大，且主輸入電路20A被關(guān)閉并因此保持處于熱平衡情形， 且熱恢復(fù)拖尾將較短。對(duì)于典型的半導(dǎo)體制造過(guò)程，二極管D6和D7的"接通"電壓為約0.4伏特，且所 述"接通"電壓建立用于確定差分輸入電壓Vin是否為"高電平"信號(hào)的閾值。通過(guò)將 一個(gè)或一個(gè)以上額外二極管(未圖示)與二極管D6和D7中的每一者串聯(lián)"堆疊"，可 成比例地提高認(rèn)為Vin超過(guò)后即為"高電平"信號(hào)的閾值。為了在主輸入電路20A與替 代的輸入電路20B之間較平滑地切換，可用圖5中虛線所示的可選電阻器來(lái)替換二極管 D6和D7，且通過(guò)可選電阻器的電流與其各自的電阻相乘建立用于從主輸入電路20A切 換成替代的輸入電路20B的閾值。本發(fā)明的上述實(shí)施例通過(guò)每當(dāng)操作情形會(huì)導(dǎo)致主輸入電路20A中出現(xiàn)熱失衡時(shí)便切 換Vin信號(hào)路徑使其通過(guò)替代的輸入級(jí)20B，而避免了前述原本會(huì)在低電平Vin情形期 間在主輸入電路20A中出現(xiàn)的熱失衡效應(yīng)。舉例來(lái)說(shuō)，圖6中的模擬波形"B"展示與 圖2的現(xiàn)有技術(shù)電路的長(zhǎng)得多的相應(yīng)熱恢復(fù)時(shí)間和大得多的千擾量值相比，由特定模擬 的較大熱失衡導(dǎo)致的對(duì)圖4的電路的Vout的干擾的熱恢復(fù)的實(shí)質(zhì)上減少的改進(jìn)時(shí)間。此 外，由較大熱失衡導(dǎo)致的對(duì)Vout的干擾的量值遠(yuǎn)低于圖2的現(xiàn)有技術(shù)電路的量值。圖7 展示正常小信號(hào)操作的VBmain和VBalt的模擬波形，其中沒(méi)有發(fā)生任何輸入級(jí)切換。 圖8展示大信號(hào)操作的模擬波形，其中發(fā)生了輸入級(jí)切換。已執(zhí)行分析以將圖4中與圖1、 2的現(xiàn)有技術(shù)電路相關(guān)聯(lián)的電路的諧振失真與圖4的
包含切換折疊式級(jí)聯(lián)電路200B的切換差分輸入電路的諧振失真進(jìn)行比較。所述分析的結(jié) 果指示，圖1、 2的現(xiàn)有技術(shù)電路與圖3、 4的電路之間的諧振失真的差異在所關(guān)注的頻 率范圍內(nèi)是不顯著的。確切地說(shuō)，在每種情況下，諧振失真在1 MHz與7MHz之間的范 圍內(nèi)低于-65 dB。圖9A和9B包含圖4和5的上述電路的略微詳細(xì)的實(shí)施方案，其具有相應(yīng)的參考符 號(hào)，其中展示了電壓源VB1、 VB2、緩沖器49和50以及各種電流源和電流鏡電路的特 定實(shí)施方案。應(yīng)了解，上述運(yùn)算放大器10的輸入級(jí)可為與圖4所說(shuō)明的Vin不同的Vin。舉例來(lái) 說(shuō)，不再使用圖4所示的級(jí)聯(lián)級(jí)200B，而是可使用另一差分級(jí)，所述另一差分級(jí)的輸入 連接到差分級(jí)200A的輸出。還應(yīng)了解，僅在差分輸入級(jí)200A中或僅在級(jí)聯(lián)級(jí)200B中使用主信號(hào)路徑級(jí)與替代 信號(hào)路徑級(jí)之間的切換技術(shù)將是一優(yōu)點(diǎn)，但所述優(yōu)點(diǎn)不及在兩者中使用上述Vin信號(hào)路 徑切換技術(shù)。此外，所屬領(lǐng)域的技術(shù)人員將認(rèn)識(shí)到，在小信號(hào)情形期間利用主電路與大 信號(hào)情形期間利用另一高功率路徑之間使用信號(hào)路徑切換技術(shù)的點(diǎn)之前，信號(hào)路徑中的 增益越多，通過(guò)切換獲得的優(yōu)勢(shì)將越??；這是因?yàn)樵鲆?參考回到"運(yùn)算放大器的輸入。 因此，通常在較靠近放大器輸入而不是放大器輸出處使用本發(fā)明的技術(shù)會(huì)更加有利。此 外，應(yīng)注意，可通過(guò)減少信號(hào)路徑中的晶體管的集極-發(fā)射極電壓來(lái)減少Vin的信號(hào)路徑 中任何位置處的熱失衡。本文中通過(guò)定義用來(lái)描述(例如)差分輸入級(jí)或差分信號(hào)的術(shù)語(yǔ)"差分"并不意欲 限于本文說(shuō)明的大體上"對(duì)稱"的輸入級(jí)。希望術(shù)語(yǔ)"差分信號(hào)"包括與另一時(shí)間可變 信號(hào)或與例如接地的固定參考信號(hào)(如圖3中展示為連接到Vin—的虛線所指示)進(jìn)行參考的任何信號(hào)，且可使用術(shù)語(yǔ)"差分"來(lái)指代為此種差分信號(hào)提供信號(hào)路徑的任何電路。 雖然已參照本發(fā)明的若干特定實(shí)施例描述了本發(fā)明，但所屬領(lǐng)域的技術(shù)人員將能夠 在不偏離本發(fā)明范圍的情況下對(duì)所描述的本發(fā)明實(shí)施例作出各種修改。希望所有與所列 舉的元件或步驟沒(méi)有實(shí)質(zhì)區(qū)別但分別以實(shí)質(zhì)相同的方式執(zhí)行實(shí)質(zhì)相同的功能以實(shí)現(xiàn)與所 主張的內(nèi)容相同的結(jié)果的元件或步驟屬于本發(fā)明的范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種放大器，其包括(a)輸入級(jí)，其用于放大差分輸入信號(hào)的信號(hào)路徑中的信號(hào)；和輸出級(jí)，其耦合到所述輸入級(jí)的信號(hào)路徑以用于產(chǎn)生輸出信號(hào)；(b)所述輸入級(jí)包含主輸入電路，以用于放大所述差分輸入信號(hào)的信號(hào)路徑中的相對(duì)小值的信號(hào)，所述輸入級(jí)還包含替代的輸入電路，以用于在原本會(huì)導(dǎo)致所述主輸入電路中出現(xiàn)熱失衡的情形期間放大所述差分輸入信號(hào)的信號(hào)路徑中的信號(hào)；以及(c)所述輸入級(jí)包含切換電路，以用于在正常小信號(hào)操作情形期間將所述差分輸入信號(hào)的信號(hào)路徑中的信號(hào)耦合到所述主輸入電路，并用于在所述原本會(huì)導(dǎo)致所述主輸入電路中出現(xiàn)熱失衡的情形期間將所述輸入信號(hào)的信號(hào)路徑中的信號(hào)耦合到所述替代的輸入電路。
2. —種放大器，其包括(a) 輸入級(jí)，其用于放大差分輸入信號(hào)；和輸出級(jí)，其耦合到所述輸入級(jí)以用于 產(chǎn)生輸出信號(hào)，所述輸入級(jí)包含耦合到所述差分輸入信號(hào)的信號(hào)路徑的至少第一 級(jí)；(b) 所述輸入級(jí)包含主輸入電路，所述主輸入電路包含所述第一級(jí)的第一部分， 以用于放大所述差分輸入信號(hào)的信號(hào)路徑中的相對(duì)小值的信號(hào)，所述輸入級(jí)還包含 替代的輸入電路，所述替代的輸入電路包含所述第一級(jí)的第二部分，以用于放大所 述差分輸入信號(hào)的信號(hào)路徑中的相對(duì)大值的信號(hào)，如果由所述主輸入電路放大所述 相對(duì)大值的信號(hào)則會(huì)導(dǎo)致所述主輸入電路中出現(xiàn)熱失衡；以及(c) 所述輸入級(jí)包含切換電路，其用于將所述差分輸入信號(hào)的信號(hào)路徑中的信 號(hào)選擇性地耦合到所述第一級(jí)的第一部分或所述第一級(jí)的第二部分；且還包含檢測(cè) 電路，其經(jīng)耦合以接收所述差分輸入信號(hào)的信號(hào)路徑中的信號(hào)，所述檢測(cè)電路在小 信號(hào)操作情形期間耦合到所述第一級(jí)的第一部分以使所述第一級(jí)的第一部分放大 所述差分輸入信號(hào)的信號(hào)路徑中的信號(hào)，所述檢測(cè)電路在大信號(hào)操作情形期間耦合 到所述第一級(jí)的第二部分以使所述第一級(jí)的第二部分放大所述差分輸入信號(hào)的信 號(hào)路徑中的信號(hào)，以便減少所述主輸入電路中的熱失衡。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的放大器，其中所述輸入級(jí)還包含耦合在所述差分輸入信號(hào)的 路徑中的第二級(jí)，其中所述主電路包含所述第二級(jí)的第一部分，以用于放大所述差 分輸入信號(hào)的信號(hào)路徑中的相對(duì)小值的信號(hào)，其中所述替代電路包含所述第二級(jí)的 第二部分，以用于放大所述差分輸入信號(hào)的信號(hào)路徑中的相對(duì)大值的信號(hào)，其中所 述檢測(cè)電路在小信號(hào)操作情形期間耦合到所述第二級(jí)的第一部分以使所述第二級(jí) 的第一部分放大所述差分輸入信號(hào)的信號(hào)路徑中的信號(hào)，且其中所述檢測(cè)電路在大 信號(hào)操作情形期間耦合到所述第二級(jí)的第二部分以使所述第二級(jí)的第二部分放大 所述差分輸入信號(hào)的信號(hào)路徑中的信號(hào)，以便進(jìn)一步減少所述主輸入電路中的熱失 衡。
4. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的放大器，其包含耦合在所述輸出信號(hào)與所述輸入級(jí)的輸入之 間的反饋網(wǎng)絡(luò)。
5. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的放大器，其中所述輸入級(jí)包含切換差分放大器區(qū)段，所述切換差分放大器區(qū)段包含第一、第二、第三和第四輸入晶體管以及第一、第二、第三和第四切換晶體管；其中所述第一和第三輸入晶體管的集極通過(guò)第一導(dǎo)體耦合到第一負(fù)載裝置的第一端子；其中所述第二和第四的集極通過(guò)第二導(dǎo)體耦合到第二負(fù)載裝置的第一端子；其中所述第一和第三輸入晶體管的基極耦合到第一輸入信號(hào)；其中所述第二和第四輸入晶體管的基極耦合到第二輸入信號(hào)；其中所述第一輸入晶體管的發(fā)射極通過(guò)第一二極管耦合到所述第一切換晶體管的集極；其中所述第二輸入晶體管的發(fā)射極通過(guò)第二二極管耦合到所述第二切換晶體管的集極；其中所述第三輸入晶體管的發(fā)射極通過(guò)第三二極管耦合到所述第三切換晶體管的集極；其中所述第四輸入晶體管的發(fā)射極通過(guò)第四二極管耦合到所述第四切換晶體管的集極；其中所述第一和第三切換晶體管的發(fā)射極耦合到第一電流源的第一端子；其中所述第二 和第四切換晶體管的發(fā)射極耦合到第二電流源的第一端子；其中第一發(fā)射極負(fù)反饋電阻器耦合在所述第一和第二輸入晶體管的發(fā)射極之間；其中第二發(fā)射極負(fù)反饋電 阻器耦合在所述第三和第四輸入晶體管的發(fā)射極之間；且其中所述第一、第二、第 三和第四切換晶體管的基極耦合到所述切換電路。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的放大器，其中所述第一發(fā)射極負(fù)反饋電阻器耦合在所述第一 和第二二極管的陰極之間以及所述第一和第二切換晶體管的集極之間；且其中所述 第二發(fā)射極負(fù)反饋電阻器耦合在所述第三和第四二極管的陰極之間以及所述第三 和第四切換晶體管的集極之間。
7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的放大器，其包含耦合在所述第一二極管的陽(yáng)極與所述第三二 極管的陰極之間的第一電阻器；且還包含耦合在所述第二二極管的陽(yáng)極與所述第四二極管的陰極之間的第二電阻器。
8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的放大器，其中所述第一、第二、第三和第四切換晶體管的基 極耦合到所述切換電路，以便在所述正常小信號(hào)操作情形期間接通所述第一和第二 切換晶體管，且在導(dǎo)致所述熱失衡的情形期間接通所述第三和第四切換晶體管。
9. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的放大器，其中所述檢測(cè)電路可操作以產(chǎn)生第一控制信號(hào)， 其指示所述差分輸入信號(hào)何時(shí)為相對(duì)小值的信號(hào)，以用于控制所述第一級(jí)的第一部 分；和第二控制信號(hào)，其指示所述差分輸入信號(hào)何時(shí)為相對(duì)大值的信號(hào)，以用于控 制所述第一級(jí)的第二部分，所述第一控制信號(hào)耦合到所述第一和第二切換晶體管的 基極，所述第二控制信號(hào)耦合到所述第三和第四切換晶體管的基極。
10. —種減少放大器中的熱失衡的方法，所述放大器包含差分放大器，其具有用于放 大差分輸入信號(hào)的路徑中的信號(hào)的輸入級(jí)和耦合到所述輸入級(jí)以用于產(chǎn)生輸出信 號(hào)的輸出級(jí)；以及反饋網(wǎng)絡(luò)，其耦合在所述輸出信號(hào)與所述輸入級(jí)的反相輸入之間， 所述方法包括(a) 在所述輸入級(jí)中提供主輸入電路，以用于放大具有小信號(hào)值的輸入信號(hào)；并 且還在所述輸入級(jí)中提供替代的輸入電路，以用于在原本會(huì)導(dǎo)致所述主輸入電路中 出現(xiàn)熱失衡的情形期間放大所述輸入信號(hào)；(b) 在正常小信號(hào)操作情形期間將所述輸入信號(hào)耦合到所述主輸入電路；以及(c) 在原本會(huì)導(dǎo)致所述主輸入電路中出現(xiàn)熱失衡的情形期間將所述輸入信號(hào)耦合 到所述替代的輸入電路。
11. 一種減少放大器中的熱失衡的方法，所述放大器包含差分放大器，所述差分放大器 具有用于放大差分輸入信號(hào)的信號(hào)路徑中的信號(hào)的輸入級(jí)和耦合到所述輸入級(jí)以 用于產(chǎn)生輸出信號(hào)的輸出級(jí)，所述方法包括(a) 在所述輸入級(jí)中提供主輸入電路，以用于放大所述差分輸入信號(hào)的信號(hào)路徑 中的相對(duì)小值的信號(hào)；且還在所述輸入級(jí)中提供替代的輸入電路，以用于在原本會(huì) 導(dǎo)致所述主輸入電路中出現(xiàn)熱失衡的情形期間放大所述差分輸入信號(hào)的信號(hào)路徑 中的信號(hào)；(b) 在所述相對(duì)小值信號(hào)操作情形期間將所述主輸入電路耦合到所述差分輸入 信號(hào)的信號(hào)路徑；(c) 在所述原本會(huì)導(dǎo)致所述主輸入電路中出現(xiàn)熱失衡的情形期間將所述主輸入電 路與所述差分輸入信號(hào)去耦；以及(d) 在所述情形期間將所述替代的輸入電路耦合到所述差分輸入信號(hào)的路徑， 以使所述熱失衡發(fā)生在所述替代的輸入電路中而不是發(fā)生所述主輸入電路中。
全文摘要
一種放大器包含差分放大器(10)，所述差分放大器具有輸入級(jí)(20)，其用于放大差分輸入信號(hào)(Vin)；和輸出級(jí)(6)，其耦合到所述輸入級(jí)(20)，用于產(chǎn)生輸出信號(hào)(Vout)。所述輸入級(jí)(20)包含主輸入電路(20A)，其用于放大輸入信號(hào)(Vin)的小信號(hào)值；和替代的輸入電路(20B)，其用于在導(dǎo)致所述主輸入電路(20B)中出現(xiàn)熱失衡的情形期間放大所述輸入信號(hào)(Vin)。所述輸入級(jí)(20)包含切換電路(12)，用于在正常小信號(hào)操作情形期間將所述輸入信號(hào)(Vin)耦合到所述主輸入電路(20A)，并在導(dǎo)致所述主輸入電路(20B)中出現(xiàn)熱失衡的大信號(hào)操作情形期間將所述輸入信號(hào)(Vin)耦合到所述替代的輸入電路(20A)。
文檔編號(hào)H03F3/45GK101133551SQ200680007175
公開(kāi)日2008年2月27日 申請(qǐng)日期2006年1月10日 優(yōu)先權(quán)日2005年1月10日
發(fā)明者喬爾·M·哈爾伯特, 艾哈邁德·達(dá)什泰斯塔尼 申請(qǐng)人:德州儀器公司