本发明涉及微电子技术领域，尤其涉及一种跨导放大器。
背景技术：
在微电子领域，存在着大量的微弱信号，以霍尔电压为例，由于霍尔电压信号非常微弱且范围大，一般在几百微伏到几毫伏之间，故要求前端放大器必须具有很高的性能，例如高线性度、低噪声、低失调电压等，确保信号被采样放大之后不会发生失真现象。
传统的源极退化电路是一种常用的有效提高线性度的放大器，利用连接在两个输入对管的源极的电阻，使得三次谐波失真减小(1 n)2倍，其中n(＝gmr)为源极退化因子，从而达到提高线性度的目的。但是，由于电路结构本身的缺陷，两个尾电流源引入了差分误差，导致后期采样精度低。
技术实现要素：
有鉴于此，本发明提供了一种跨导放大器，用以解决由于电路结构本身的缺陷，两个尾电流源引入了差分误差，使得电路存在着较高的噪声和失调电压，产生的噪声和失调电压会覆盖我们所需要的霍尔电压信号，使得后期采样不理想的问题，具体方案如下：
一种跨导放大器，包括：第一级放大电路a1、第二级放大电路a2、误差放大电路ea和负跨导电路fb，其中，
所述第一级放大电路a1，用于对输入信号进行放大；
所述第二级放大电路a2，用于将所述第一级放大电路a1的输出信号进行缓冲；
所述误差放大电路ea，用于对所述第一级放大电路a1进行调节；
所述负跨导电路fb，用于采用负反馈的方式抑制所述第一级放大电路a1的差分误差。
上述的放大器，可选的，所述第一级放大电路a1为射级退化电路。
上述的放大器，可选的，其特征在于，所述第二级放大电路a2为射极跟随器。
上述的放大器，可选的，所述负跨导电路fb为共射差分电路。
上述的放大器，可选的，所述第一级放大电路a1、所述第二级放大电路a2、所述误差放大电路ea和所述负跨导电路fb的输入端对管为双极型晶体管。
上述的放大器，可选的，所述第一级放大电路a1包括：第一晶体管m1、第二晶体管m2、第三晶体管m3、第四晶体管m4、第五晶体管m5、第六晶体管m6、第一电容c1和第二电容c2，其中：
所述第一晶体管m1和所述第二晶体管m2等效为电流源；
所述第三晶体管m3和所述第四晶体管m4的集电极作为所述第一级放大电路a1的输出信号，所述输出信号与所述第二级放大电路a2的输入端相连接；
所述第五晶体管m5和所述第六晶体管m6的栅极与所述误差放大电路的输出端相连接；
所述第一电容c1和所述第二电容c2为密勒补偿电容。
上述的放大器，可选的，还包括：电阻r1，其中，
所述电阻r1连接于所述第三晶体管m3和所述第四晶体管m4的发射极之间。
上述的放大器，可选的，所述误差放大电路ea的输入为共模电平cm和参考电压vref。
上述的放大器，可选的，所述负跨导电路fb包括第七晶体管m7和第八晶体管m8，其中，
所述第七晶体管m7和所述第八晶体管m8的基级为所述负跨导电路fb的输入端，接收所述第二级放大电路a2的输出信号；
所述第七晶体管m7和所述第八晶体管m8的集电极作为所述负跨导电路的输出端分别连接至所述电阻r1的两端。
上述的放大器，可选的，所述第七晶体管m7和所述第八晶体管m8为三极管。
与现有技术相比，本发明包括以下优点：
本发明公开了一种跨导放大器，包括：第一级放大电路a1、第二级放大电路a2、误差放大电路ea和负跨导电路fb，其中，所述第一级放大电路a1，用于对输入信号进行放大；所述第二级放大电路a2，用于将所述第一级放大电路a1的输出信号进行缓冲；所述误差放大电路ea，用于对所述第一级放大电路a1进行调节；所述负跨导电路fb，用于采用负反馈的方式抑制所述第一级放大电路a1的差分误差。上述的放大器中，负跨导电路fb把第一级放大电路a1产生的差分误差经过负反馈抵消，从而抑制了由所述第一级放大电路a1的差分误差导致的噪声和失调电压，令输入信号中的噪声和失调电压减小，有利于后期提高采样精度。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为现有技术中一种跨导放大器的简化电路图；
图2为本申请实施例公开的一种跨导放大器的简化电路图。
具体实施方式
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。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
本发明公开了一种跨导放大器，应用于微电子领域对微弱信号的放大过程中，本发明实施例中以霍尔电压为例进行说明，其中，霍尔电压是基于霍尔效应，即电流垂直于磁场流过半导体时，半导体会在垂直于磁场和电流的方向上产生电势差，该电势差即为霍尔电压。近几十年来，由于永磁材料和稳压源的发展，霍尔效应得到广泛应用。利用霍尔效应制成的传感器，有着低成本、高灵敏度、宽工作温度范围等优点，被广泛应用于汽车、家用电器等领域中。
由于霍尔电压信号非常微弱且范围大，一般在几百微伏到几毫伏之间，故要求前端放大器必须具有很高的性能，例如高线性度、低噪声、低失调电压等，确保信号被采样放大之后不会发生失真现象。
传统的源极退化电路是一种常用的有效提高线性度的电路，利用连接在两个输入对管的源极的电阻，使得三次谐波失真减小(1 n)2倍，其中n(＝gmr)为源极退化因子，从而达到提高线性度的目的。但是，由于电路结构本身的缺陷，两个尾电流源引入了差分误差，使得电路存在着较高的噪声和失调电压，产生的噪声和失调电压会覆盖我们所需要的霍尔电压信号，使得后期采样精度低。
现有技术中，具有源极退化电路跨导放大器简化电路图如图1所示，所述第一晶体管m1、所述第二晶体管m2、初始第三晶体管m3’、初始第四晶体管m4’、所述第五晶体管m5、所述第六晶体管m6、所述电阻r1、所述第一电容c1和所述第二电容c2组成第一级放大电路a1。其中，所述第一晶体管m1、所述第二晶体管m2、初始第三晶体管m3’、初始第四晶体管m4’、所述第五晶体管m5和所述第六晶体管m6均为mos管。基准电压vb1为所述第一晶体管m1和所述第二晶体管m2提供偏置，使所述第一晶体管m1和所述第二晶体管m2工作在饱和区，将其等效为电流源。所述初始第三晶体管m3’和所述初始第四晶体管m4’的栅极为初始第一级放大电路a1’的输入端vin 和vin-，也为所述跨导放大器的输入端，且所述初始第三晶体管m3’和所述初始第四晶体管m4’的源极之间连接电阻r1。所述初始第三晶体管m3’和所述初始第四晶体管m4’的漏级为所述初始第一级放大电路a1’的输出端，与所述第二级放大电路a2的输入端连接。第二级放大电路a2的输出端vout-和vout 为整个跨导放大器的输出端。误差放大电路ea的输入端为跨导放大器输出的共模电平cm和参考电压vref，输出端连接所述第五晶体管m5和所述第六晶体管m6的栅极，所述第一电容c1和所述第二电容c2为密勒补偿电容。
其中，源极退化结构即在晶体管所述初始第三晶体管m3’和第四晶体管m4’的源极之间连接电阻r1，实现负反馈，减小晶体管栅源之间施加的信号摆幅，使得输入-输出特性具有更好的线性。但是，等效为电流源的晶体管所述第一晶体管m1和所述第二晶体管m2产生的噪声表现为差分电流噪声，即引入了噪声和失调电压。
为了抑制噪声和失调电压的影响，本发明提出了一跨导放大器，所述跨导放大器的示意图如图2所示。包括：第一级放大电路a1、第二级放大电路a2、误差放大电路ea和负跨导电路fb，其中，
所述第一级放大电路a1，用于对输入信号进行放大；
所述第二级放大电路a2，用于将所述第一级放大电路a1的输出信号进行缓冲；
所述误差放大电路ea，用于对所述第一级放大电路a1进行调节；
所述负跨导电路fb，用于采用负反馈的方式抑制所述第一级放大电路a1的差分误差。
其中，所述第一级放大电路为射极退化电路，包括：第一晶体管m1、第二晶体管m2、第三晶体管m3、第四晶体管m4、第五晶体管m5、第六晶体管m6、第一电容c1和第二电容c2，其中：
所述第一晶体管m1和所述第二晶体管m2等效为电流源；
所述第三晶体管m3和所述第四晶体管m4的集电极作为所述第一级放大电路a1的输出信号，所述第三晶体管m3和所述第四晶体管m4的基级作为第一级放大电路a1的输入端vin 和vin-，所述输出信号与所述第二级放大电路a2的输入端相连接；
所述第五晶体管m5和所述第六晶体管m6的栅极与所述误差放大电路的输出端相连接；
所述第一电容c1和所述第二电容c2为密勒补偿电容。
其中，所述第一级放大电路a1为射极退化电路，优选的，所述第三晶体管m3和所述第四晶体管m4为双极型晶体管，所述第一晶体管m1、所述第二晶体管m2、所述第五晶体管m5和所述第六晶体管m6为mos管。利用电阻r1的射极负反馈作用，减小所述第三晶体管m3和所述第四晶体管m4之间施加的信号的摆幅，使得输入输出特性具有更好的线性。但是，由于电路结构本身的缺陷，所述第一晶体管m1和所述第二晶体管m2等效的电流源会引入一些差动误差，使得电路产生较高的噪声和失调电压。其中，电容c1和c2为密勒补偿电容，使主极点明显地移向复频面的原点，增加相位裕度，从而提高电路的稳定性。本发明利用cadence的spectre工具进行交流仿真，输入电源电压为3v，并设置合理的偏置使所有的mos管工作在饱和区，所有的双极型晶体管工作在放大区，分别测出无第一电容c1和第二电容c2时的相位裕度以及存在第一电容c1和第二电容c2时的相位裕度。仿真得到第一电容c1和第二c2补偿前的相位裕度为31.86°，补偿后的相位裕度为86.26°，因此第一电容c1和第二电容c2的补偿明显地提高了相位裕度。另外，第一电容c1和第二电容c2的容值越大，补偿的相位裕度越大。
所述第二级放大电路a2为全差分的射极跟随器结构。经过第一级放大器a1放大的信号，输入到双极性晶体管的基极，利用射极驱动负载，使射极电压跟随基极电压变化。另外，射极跟随器可以使输出阻抗减少(1 β)倍，从而提高了跨导放大器的带负载能力。
所述误差放大电路ea把检测到的跨导放大器的输出共模电平cm和参考电压vref进行比较，将两者的差值以负反馈的方式加到等效为电流源的第五晶体管m5和第六晶体管m6上，调节因电流失配效应产生的电路不稳定现象。其中，所述第五晶体管m5和所述第六晶体管m6均为由两个晶体管并联的mos管，一个偏置在固定的电流，另一个由误差放大器驱动。
所述负跨导电路fb的简化结构如图2的虚线框所示，为共射差分电路。输入端为第七晶体管m7和第八晶体管m8的基极，其中，所述第七晶体管m7和所述第八晶体管m8为双极型晶体管。接收来自经第一级放大电路a1和第二级放大电路a2放大的信号vout-和vout 。输出端为所述第七晶体管m7和所述第八晶体管m8的集电极，输出至连接电阻r1的两条支路上。产生电流i的尾电流把所述第七晶体管m7和和所述第八晶体管m8的发射极连接在一起。当第一级放大电路a1的两支路因两个电流源产生了差分误差时，所述第一级放大电路a1的输出端产生了差分误差电压δv。电压δv经第二级放大电路a2放大后，值仍为δv。电压δv输入到负跨导电路后，输出电压δv′。电压δv′输入回第一级放大电路a1，与失配产生的差分误差抵消，从而抑制了第一级放大电路a1的电流源引入的差分误差，则降低了电路的失调电压和噪声。
进一步的，cmos器件因其高输入阻抗、低功耗和高集成度的优点，被广泛应用于数字电路、模拟电路以及数模混合电路中。然而，对于一些性能要求高的电路，cmos器件有着较高的失调电压和等效输入噪声，这是限制电路性能优化的一个的弊端。另一方面，双极型器件有着不同于cmos器件的高频性能优异、大电流驱动能力和低噪声低失调电压等的优点。因此，同时可使用cmos器件和双极型器件的bicmos工艺在高性能电路的应用中有着巨大的优势。本发明为了进一步抑制噪声和失调电压的影响，第二级放大电路a2和误差放大电路ea的输入对管均改进为双极型晶体管，采用了在bicmos工艺下的射极退化结构。
本发明公开了一种跨导放大器，包括：第一级放大电路a1、第二级放大电路a2、误差放大电路ea和负跨导电路fb，其中，所述第一级放大电路a1，用于对输入信号进行放大；所述第二级放大电路a2，用于将所述第一级放大电路a1的输出信号进行缓冲；所述误差放大电路ea，用于对所述第一级放大电路a1进行调节；所述负跨导电路fb，用于采用负反馈的方式抑制所述第一级放大电路a1的差分误差。上述的放大器中，负跨导电路fb把第一级放大电路a1产生的差分误差经过负反馈抵消，从而抑制了由所述第一级放大电路a1的差分误差导致的噪声和失调电压，令输入信号中的噪声和失调电压减小，有利于后期提高采样精度。
需要说明的是，各个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可。对于装置类实施例而言，由于其与方法实施例基本相似，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。
最后，还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
为了描述的方便，描述以上装置时以功能分为各种单元分别描述。当然，在实施本发明时可以把各单元的功能在同一个或多个软件和/或硬件中实现。
通过以上的实施方式的描述可知，本领域的技术人员可以清楚地了解到本发明可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在存储介质中，如rom/ram、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。
以上对本发明所提供的一种跨导放大器进行了详细介绍，本文中应用了具体个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。
1.一种跨导放大器，其特征在于，包括：第一级放大电路a1、第二级放大电路a2、误差放大电路ea和负跨导电路fb，其中，
所述第一级放大电路a1，用于对输入信号进行放大；
所述第二级放大电路a2，用于将所述第一级放大电路a1的输出信号进行缓冲；
所述误差放大电路ea，用于对所述第一级放大电路a1进行调节；
所述负跨导电路fb，用于采用负反馈的方式抑制所述第一级放大电路a1的差分误差。
2.根据权利要求1所述的放大器，其特征在于，所述第一级放大电路a1为射级退化电路。
3.根据权利要求1所述的放大器，其特征在于，所述第二级放大电路a2为射极跟随器。
4.根据权利要求1所述的放大器，其特征在于，所述负跨导电路fb为共射差分电路。
5.根据权利要求1所述的放大器，其特征在于，所述第一级放大电路a1、所述第二级放大电路a2、所述误差放大电路ea和所述负跨导电路fb的输入端对管为双极型晶体管。
6.根据权利要求1所述的放大器，其特征在于，所述第一级放大电路a1包括：第一晶体管m1、第二晶体管m2、第三晶体管m3、第四晶体管m4、第五晶体管m5、第六晶体管m6、第一电容c1和第二电容c2，其中：
所述第一晶体管m1和所述第二晶体管m2等效为电流源；
所述第三晶体管m3和所述第四晶体管m4的集电极作为所述第一级放大电路a1的输出信号，所述输出信号与所述第二级放大电路a2的输入端相连接；
所述第五晶体管m5和所述第六晶体管m6的栅极与所述误差放大电路的输出端相连接；
所述第一电容c1和所述第二电容c2为密勒补偿电容。
7.根据权利要求6所述的放大器，其特征在于，还包括：电阻r1，其中，
所述电阻r1连接于所述第三晶体管m3和所述第四晶体管m4的发射极之间。
8.根据权利要求1所述的放大器，其特征在于，所述误差放大电路ea的输入为共模电平cm和参考电压vref。
9.根据权利要求7所述的放大器，其特征在于，所述负跨导电路fb包括第七晶体管m7和第八晶体管m8，其中，
所述第七晶体管m7和所述第八晶体管m8的基级为所述负跨导电路fb的输入端，接收所述第二级放大电路a2的输出信号；
所述第七晶体管m7和所述第八晶体管m8的集电极作为所述负跨导电路的输出端分别连接至所述电阻r1的两端。
10.根据权利要求9所述的放大器，其特征在于，所述第七晶体管m7和所述第八晶体管m8为双极型晶体管。
技术总结