[发明专利]具有高增益的电平转换电路

说明书

技术领域

本发明涉及到集成电路放大器性能的提高。更特别的是，本发明涉及到一个放大器的电平转换级的提高。

背景技术

在典型的电压放大器中，几个NPN共发射极通常串联来得到一个高的电压增益。在离散的放大器中，大额电容器可用于把来自一个增益阶段的交流信号和下一个在放大器中没有影响直流偏置的电平相结合。然而，在集成放大器中，大额电容器通常是不可利用的，因为它们需要大量的芯片面积。因此，为了确保有足够的低频响应，集成放大器的增益级通常是直流耦合。然而，在一个NPN共发射极增益级的输出直流电平比它的输入直流电平高。因此，在一个如此增益级的级联上，该直流电平递增，并且它在最后一级的输出上比第一级输入要高出相当多。因此输出的直流电平接近真实的电源电压，这样减少了放大器输出电压可能的摆动范围。

用互补的NPN和PNP增益级可以避免直流电平的增加，但是通常不使用这种方法，因为单片PNP三极管的增益与频率特性比较差。

克服直流电平增益增加的一个更好的方式是在每一对增益级中插入一个电平转换级。插入如此一个电平转换级的目的是使直流电平减小，并且在同样的时间里可以给交流信号提供统一的增益缓冲区去执行。为了实现一个缓冲区所扮演的角色，同时为了拥有一个相对高的输入阻抗和一个相对低的输出阻抗，一个电平转换级是必要的。

各式的电路都提及到电平转换级。一个普及常用的电平转换电路是LM118运算放大器，采用一个微分的PNP跨导级来驱动一个差分的电流镜。电平转换级放在差分输入级和一个主增益级之间。在这样的设计中，电平转换级的PNP三极管的有害的影响可以通过前馈补偿的使用得到减少。

在放大电路中，前馈补偿可以绕过缓慢的PNP电平转换级，在高频阶段把差动输入信号转换到单端信号提供的电平转换级是可行的。这已经在LM118里得到实现，比如，用一个旁路电容可以消除提供给电平转换级的高频信号的一半，并且它扩展了运算放大器的有用带宽。但这个旁路电容可能会导致设置时间的问题。

申请人已经发明了一种改良的方法：从差动输入级提供一个单端信号给随后没有旁路电容的电平转换级(或是其他类型的第二级电路)。这里通过直接耦合成功的只有输入级的耦合到电平转换级的一个端子，给输入产生一个参考信号到电平转换级的另一端来追踪直接耦合的信号的无控直流组成部分。

用在LM118常规的电平转换级的类型有不足，因为它减少了放大器共模输入电压范围的上限，导致这个值明显低于正电源电压。这是因为，有一些限制需要电平转换级的输入直流电平要比放大器的正电源电压低至少一个伏特。这种不利在放大器设计时或在低电源电压工作时会特别明显。

电平转换电路的LM118类型也有不足，差分PNP三极管和电流镜相结合，会引入一个相位延迟，对于给定的带宽，会削弱放大器的稳定性。在LM118里，一半的高频信号在进入电平转移级会被旁路电容消除，另一半的高频信号在同一时间会被反馈到电平转换级，它一直围绕着这一级进行反馈。该高频信号通过电平转换级出现在电平转换级的输出会异相端伴随着前馈高频信号。通过电平转换级的产生相位转移的一个主要原因是信号通过电流镜的PNP三极管的需要进行差分运算。这个相位转移导致信号通过电平转换级来干预前馈信号，产生上述对于稳定性的干扰。然而，电平转换电路不需要高频信号去通过电流镜将会有相对较少的相位平移，为了用在电平转换级前是单端的前馈补偿放大器，我们将提供一个更合适的电平转换电路。

在其他已知的运算放大电路中，LM101A和LM741，电平转换和差分到单端的转换在输入级已经被实现了。该输入级包括一对差分的NPN三极管，其发射级耦合到一对电平转移的PNP三极管，从而驱动电流镜电路。该PNP三极管通常由电流源驱动连接到每个PNP三极管基极。被每个PNP三极管传导的电流都是差分的，这样在每一个差动输入的变化会让PNP三极管传导的电流产生变化，也会导致电流镜每端传导的电流产生变化。不利的是，PNP三极管的差分运算和电流镜在高频信号上会产生显著的相位延迟，类似于LM118的电平转换级。

鉴于上述情况，最好给电平转换级提供一个不需要它的输入电压明显比正电源电压低的电路，从而避免该电平转换级将限制共模输入电压的范围和放大电路的在低压情况下运算的可能性。

它最好还提供一个不需要单端高频信号来通过电流镜的电平转换级，从而避免在电平转换级上多余的相位延迟。

发明内容

本发明的一个目的是提供一个改进的不会限制共模输入电压范围以及集成电路差分放大器的低压运算的电平转换级电路。