一种闭环增益可调的运算放大器.pdf

摘要
申请专利号：	CN201210154229.1	申请日：	2012.05.18
公开号：	CN103427772A	公开日：	2013.12.04
当前法律状态：	驳回	有效性：	无权
法律详情：	发明专利申请公布后的驳回IPC(主分类):H03F 3/45申请公布日:20131204\|\|\|实质审查的生效IPC(主分类):H03F 3/45申请日:20120518\|\|\|公开
IPC分类号：	H03F3/45	主分类号：	H03F3/45
申请人：	电子科技大学
发明人：	吕坚; 周云; 廖宝斌; 于彩灯; 陈长龙
地址：	611731 四川省成都市高新区（西区）西源大道2006号
优先权：
专利代理机构：	成都华典专利事务所(普通合伙) 51223	代理人：	徐丰;杨保刚
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内容摘要

本发明涉及红外焦平面读出电路技术领域，提供了一种闭环增益可调的运算放大器，其主旨在于提供一种增益可调的运算放大器，该放大器包括第一MOS管、第二MOS管、第三MOS管、第四MOS管、第五MOS管和第六MOS管,其中第一MOS管与第四MOS管相连，第二MOS管与第五MOS管相连，第三MOS管与第一MOS管并联，第一MOS管的源极与第二MOS管的源极相连并与第六MOS管漏极相连，第四MOS管与第五MOS管栅极相连并连接到第四MOS管的漏极，通过调节第三MOS管的栅极电压可实现运算放大器闭环增益大小的变化。本发明应用于红外焦平面读出电路。

权利要求书

权利要求书
1.  一种闭环增益可调的运算放大器，包括第一MOS管(M1)、第二MOS管(M2)、第四MOS管(M4)、第五MOS管(M5)和第六MOS管(M6), 所述第一MOS管（M1）与第四MOS管（M4）栅极相连，第二MOS管（M2）与第五MOS管（M5）栅极相连，第一MOS管（M1）的源极与第二MOS管（M2）的源极相连并与第六MOS管（M6）漏极相连，第四MOS管（M4）与第五MOS管（M5）栅极相连并连接到第四MOS管（M4）的漏极，其特征在于：还包括与第一MOS管（M1）并联的第三MOS管（M3），所述第三MOS管（M3）的源极与第一MOS管（M1）的源极连接，第三MOS管（M3）的栅极与第一MOS管（M1）的栅极连接。

2.  根据权利要求1所述的一种闭环增益可调的运算放大器，其特征在于：第一MOS管(M1)、第二MOS管(M2)、第三MOS管(M3)、第六MOS管(M6)均为NMOS管；第四MOS管(M4)和第五MOS管(M5)均为PMOS管。

3.  根据权利要求1或2所属的一种闭环增益可调的运算放大器，其特征在于：所述第三MOS管（M3）接可调栅压，第六MOS管（M6）接固定栅压。

4.  根据权利要求1所属的一种闭环增益可调的运算放大器，其特征在于：第一MOS管（M1）、第二MOS管（M2）源极相连且两者栅极作为输入端，第二MOS管（M2）漏极为电压输出端。

说明书

说明书一种闭环增益可调的运算放大器
技术领域
本发明涉及红外焦平面读出电路技术领域，提供了一种闭环增益可调的运算放大器。
背景技术
所有物体均发射与其温度和物质特性相关的热辐射，环境温度附近物体的热辐射大多位于红外波段，波长为1μm到24μm左右。红外辐射提供了客观世界的丰富信息，将不可见的红外辐射转换成可测量的信号，充分利用这些信息是人们追求的目标。红外焦平面阵列是获取景物红外光辐射信息的重要光电器件。自1973年美国罗门空军发展中心首先提出用于红外热成像的硅化物肖特基势垒探测器列阵以来，红外焦平面探测器得到了迅速的发展。同众多的高技术一样，红外技术也是由于军事的强烈需求牵引而得以迅速发展的。红外成像仪可装备各类战略和战术武器，常用于红外侦察、预警、跟踪和精确制导，是电子战、信息战中获取信息的主要技术之一。它除应用于传统的军事成像外，还广泛应用于工业自控、医疗诊断、化学过程监测、红外天文学等领域。
微测辐射热计探测器是应用最广泛的一种红外焦平面阵列，它是一种热敏电阻性探测器。其工作原理是热敏材料把入射的红外辐射产生的温度变化转变成电阻变化，通过测量电阻变化探测红外辐射信号的大小。微测辐射热计焦平面阵列是利用微机械加工技术在硅读出电路上制作绝热结构，并在其上面形成作为探测器单元的微测辐射热计，实现单片结构。微测辐射热计焦平面阵列作为第二代非制冷焦平面技术的佼佼者，以它为核心制作的非制冷红外成像系统与制冷红外成像系统相比具有体积小、功耗低的优点，并使系统的性能价格比大幅度提高，极大地促进了红外成像系统在许多领域中的应用。
读出电路是一种专用的数模混合信号集成处理电路，在读出集成电路(ROIC)出现以前，前置放大器的混合电路是由分立的电阻、电容和晶体管组成。诸如光伏型的、非本征硅的、铂硅的和许多光电导型的高阻抗探测器对电磁干扰(EMI) 非常敏感，要求放在非常接近前置放大器的地方减少EMI的影响。使用分立元件要求大量的面积，并且在一个给定的光学视场中对实现的通道数目提出了苛刻的限制。ROIC帮助减少了EMI问题。读出集成电路(ROIC)方法还提供探测器热学/机械接口、信号处理和包括像电荷转换和增益、频带限制以及多路转换和输出驱动的功能。随着集成电路工艺和技术的发展，尤其是MOS集成制造技术和工艺的成熟，使ROIC得到了迅猛的发展。
读出电路的功能是提取探测器热敏材料的电阻变化，转换成电信号并进行前置处理(如积分、放大、滤波和采样/保持等)及信号的并/串行转换。目前主要有CCD型读出电路CMOS型读出电路。随着CMOS工艺的不断成熟、完善和发展，CMOS读出电路因其众多的优点而成为当今读出电路的主要发展方向。
运算放大器由于其高性能的电学特性，可用于设计积分器、微分器、滤波器、缓冲器等，广泛应用于与红外焦平面读出电路相关的诸如开关电容滤波器、采样保持电路、A/D转换器等集成电路中。
发明内容
本发明的目的在于针对上述现有技术，在原有运算放大器电路的基础上，提供一种可以通过调节MOS管的栅极电压来调节运放的闭环增益大小，以适应后端电路对信号的大小要求的一种闭环增益可调的运算放大器。
本发明为实现上述目的采用以下技术方案：
一种闭环增益可调的运算放大器，包括第一MOS管(M1)、第二MOS管(M2)、第四MOS管(M4)、第五MOS管(M5)和第六MOS管(M6), 所述第一MOS管（M1）与第四MOS管（M4）栅极相连，第二MOS管（M2）与第五MOS管（M5）栅极相连，第一MOS管（M1）的源极与第二MOS管（M2）的源极相连并与第六MOS管（M6）漏极相连，第四MOS管（M4）与第五MOS管（M5）栅极相连并连接到第四MOS管（M4）的漏极构成基本电流镜结构，其特征在于：还包括与第一MOS管（M1）并联的第三MOS管（M3），所述第三MOS管（M3）的源极与第一MOS管（M1）的源极连接，第三MOS管（M3）的栅极与第一MOS管（M1）的栅极连接。
进一步的说，第一MOS管(M1)、第二MOS管(M2)、第三MOS管(M3)、第六MOS管(M6)均为NMOS管；第四MOS管(M4)和第五MOS管(M5)均为PMOS管。
进一步的说，所述第三MOS管（M3）接可调栅压，第六MOS管（M6）接固定栅压。
进一步的说，第一MOS管（M1）、第二MOS管（M2）源极相连且两者栅极作为输入端，第二MOS管（M2）漏极为电压输出端，第二MOS管（M2）漏极为电压输出端，第一、第二、第三 MOS管的源极连接到第六MOS管（M6）的漏极。。
与现有的运算放大器相比，本发明的优点在于：
通过控制第三 MOS管（M3）的栅极偏压，实现运放增益的可调，应用于红外焦平面读出电路，当输入幅度较大时，可控制输出电压幅度，避免后端电路输出电压溢出；当输入电压较小时，可通过增大闭环增益来保证输出电压。此外，该新型运算放大器可得到相对较小的输出阻抗，而且这种增益可调的运算放大器结构简单，相对于普通的运算放大器只添加了一个MOS管。
附图说明
图1是新型的闭环增益可调的运算放大器电路结构；
图2是传统的运算放大器电路结构；
图3是针对图1所示的新型运算放大器在红外焦平面读出电路中具体应用电路；
图4是针对图1所示的新型放大器在闭环时输入、输出的仿真结果。
图5是针对图1的闭环增益，以闭环增益为因变量，第三MOS管M3栅压为自变量的曲线图。
具体实施方式
下面结合附图和仿真结果对本发明作进一步描述：
对于图1所示的运算放大器，通过计算可得闭环电压增益：
      （1）
其中：



闭环输出阻抗：
        （2）
其中，gm1、gm2、gm3、分别对应第一MOS管M1、第二MOS管M2、第三MOS管M3的跨导，(W/L)1、(W/L)3分别对应第一MOS管M1、第三MOS管M3 的宽长比，ID表示通过第六MOS管M6的漏电流，μn表示电子的迁移率，Cox为MOS管栅氧化层单位面积的电容。
对于图2所示的运算放大器，通过计算可得闭环电压增益：
             （3）
闭环输出阻抗:
                （4）
其中，gm1对应第一MOS管M1、第二MOS管M2 MOS管的跨导，ro2、ro4对应第二MOS管M2、第四MOS管M4的本征阻抗。
对比分析可得：对于新型的运算放大器其电压增益小于1，且同时受到第三MOS管M3的控制，当第一MOS管M1 栅极接一定输入电压时，通过调节第三MOS管M3的栅压可实现电压增益或大或小的变化，从而控制输出电压的幅度，避免后端处理电路电压溢出。而传统的运算放大器并不能类似地控制输出电压的幅值。同时，当gm1+gm2+gm3 > 2(gm1+gm3)时，该新型的运算放大器具有相对较小的输出阻抗。
由上述结果分析图3可得：对于交流小信号输入，当经过新型运算放大器Op1时，通过控制Vnctl (即第三MOS管M3栅压)的大小，此时Op1相当于一个增益小于1的缓冲器，后面一级的积分器中Op2采用图2所示的运算放大器电路，这里积分器可以保证高的准确度和低的失调电压。
图4的仿真结果说明输出波形在经过部分延时后波形达到稳定，其中，输入波形和输出波形横向对称轴不在同一直线上是有由于：经过第一MOS管M1、第二MOS管M2的电流不相等，根据工作在饱和区的电流和VGS的关系可知此时第一MOS管M1、第二MOS管M2的VGS不相等，导致不同的直流偏置，所以在竖直方向电压存在位移，经过计算该新型运算放大器此时的交流闭环增益为0.44。
关于图5的分析说明：由于第一MOS管M1、第三MOS管M3均可能处于导通或阻断状态，为了保证增益可调，需第一MOS管M1、第三MOS管M3均工作于导通状态，所以针对公式（1）需加上判断：
         （5）
          （6）
由公式（5）、（6）可解得Vnctl1 、Vnctl2，当Vnctl在Vnctl1 、Vnctl2之间时采用公式（1）计算闭环电压增益，结果对应于图5中增益介于0和1之间的曲线部分，此时即表示通过第三MOS管M3栅压调节运算放大器闭环增益大小。
综上，采用本发明的增益可调的运算放大器，可以实现对运放增益的可调，以适应后端电路处理的要求，此外，该运算放大器具有相对较小的输出阻抗，而且结构简单，应用于红外焦平面读出电路系统中，增强了整个系统的适应性。

资源描述

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1、(10)申请公布号 CN 103427772 A(43)申请公布日 2013.12.04CN103427772A*CN103427772A*(21)申请号 201210154229.1(22)申请日 2012.05.18H03F 3/45(2006.01)(71)申请人电子科技大学地址 611731 四川省成都市高新区（西区）西源大道2006号(72)发明人吕坚周云廖宝斌于彩灯陈长龙(74)专利代理机构成都华典专利事务所(普通合伙) 51223代理人徐丰杨保刚(54) 发明名称一种闭环增益可调的运算放大器(57) 摘要本发明涉及红外焦平面读出电路技术领域，提供了一种闭环增益可调的运算放。

2、大器，其主旨在于提供一种增益可调的运算放大器，该放大器包括第一MOS管、第二MOS管、第三MOS管、第四MOS管、第五MOS管和第六MOS管,其中第一MOS管与第四MOS管相连，第二MOS管与第五MOS管相连，第三MOS管与第一MOS管并联，第一MOS管的源极与第二MOS管的源极相连并与第六MOS管漏极相连，第四MOS管与第五MOS管栅极相连并连接到第四MOS管的漏极，通过调节第三MOS管的栅极电压可实现运算放大器闭环增益大小的变化。本发明应用于红外焦平面读出电路。(51)Int.Cl.权利要求书1页说明书4页附图3页(19)中华人民共和国国家知识产权局(12)发明专利申请权利要求书1页。

3、说明书4页附图3页(10)申请公布号 CN 103427772 ACN 103427772 A1/1页21.一种闭环增益可调的运算放大器，包括第一MOS管(M1)、第二MOS管(M2)、第四MOS管(M4)、第五MOS管(M5)和第六MOS管(M6), 所述第一MOS管（M1）与第四MOS管（M4）栅极相连，第二MOS管（M2）与第五MOS管（M5）栅极相连，第一MOS管（M1）的源极与第二MOS管（M2）的源极相连并与第六MOS管（M6）漏极相连，第四MOS管（M4）与第五MOS管（M5）栅极相连并连接到第四MOS管（M4）的漏极，其特征在于：还包括与第一MOS管（M1）并联的第三MOS管。

4、（M3），所述第三MOS管（M3）的源极与第一MOS管（M1）的源极连接，第三MOS管（M3）的栅极与第一MOS管（M1）的栅极连接。2.根据权利要求1所述的一种闭环增益可调的运算放大器，其特征在于：第一MOS管(M1)、第二MOS管(M2)、第三MOS管(M3)、第六MOS管(M6)均为NMOS管；第四MOS管(M4)和第五MOS管(M5)均为PMOS管。3.根据权利要求1或2所属的一种闭环增益可调的运算放大器，其特征在于：所述第三MOS管（M3）接可调栅压，第六MOS管（M6）接固定栅压。4.根据权利要求1所属的一种闭环增益可调的运算放大器，其特征在于：第一MOS管（M1）、第二MOS管（。

5、M2）源极相连且两者栅极作为输入端，第二MOS管（M2）漏极为电压输出端。权利要求书CN 103427772 A1/4页3一种闭环增益可调的运算放大器技术领域0001 本发明涉及红外焦平面读出电路技术领域，提供了一种闭环增益可调的运算放大器。背景技术0002 所有物体均发射与其温度和物质特性相关的热辐射，环境温度附近物体的热辐射大多位于红外波段，波长为1m到24m左右。红外辐射提供了客观世界的丰富信息，将不可见的红外辐射转换成可测量的信号，充分利用这些信息是人们追求的目标。红外焦平面阵列是获取景物红外光辐射信息的重要光电器件。自1973年美国罗门空军发展中心首先提出用于红外热成像的硅化。

6、物肖特基势垒探测器列阵以来，红外焦平面探测器得到了迅速的发展。同众多的高技术一样，红外技术也是由于军事的强烈需求牵引而得以迅速发展的。红外成像仪可装备各类战略和战术武器，常用于红外侦察、预警、跟踪和精确制导，是电子战、信息战中获取信息的主要技术之一。它除应用于传统的军事成像外，还广泛应用于工业自控、医疗诊断、化学过程监测、红外天文学等领域。0003 微测辐射热计探测器是应用最广泛的一种红外焦平面阵列，它是一种热敏电阻性探测器。其工作原理是热敏材料把入射的红外辐射产生的温度变化转变成电阻变化，通过测量电阻变化探测红外辐射信号的大小。微测辐射热计焦平面阵列是利用微机械加工技术在硅读出电路上制作绝热。

7、结构，并在其上面形成作为探测器单元的微测辐射热计，实现单片结构。微测辐射热计焦平面阵列作为第二代非制冷焦平面技术的佼佼者，以它为核心制作的非制冷红外成像系统与制冷红外成像系统相比具有体积小、功耗低的优点，并使系统的性能价格比大幅度提高，极大地促进了红外成像系统在许多领域中的应用。0004 读出电路是一种专用的数模混合信号集成处理电路，在读出集成电路(ROIC)出现以前，前置放大器的混合电路是由分立的电阻、电容和晶体管组成。诸如光伏型的、非本征硅的、铂硅的和许多光电导型的高阻抗探测器对电磁干扰(EMI) 非常敏感，要求放在非常接近前置放大器的地方减少EMI的影响。使用分立元件要求大量的面积，并且。

8、在一个给定的光学视场中对实现的通道数目提出了苛刻的限制。ROIC帮助减少了EMI问题。读出集成电路(ROIC)方法还提供探测器热学/机械接口、信号处理和包括像电荷转换和增益、频带限制以及多路转换和输出驱动的功能。随着集成电路工艺和技术的发展，尤其是MOS集成制造技术和工艺的成熟，使ROIC得到了迅猛的发展。0005 读出电路的功能是提取探测器热敏材料的电阻变化，转换成电信号并进行前置处理(如积分、放大、滤波和采样/保持等)及信号的并/串行转换。目前主要有CCD型读出电路CMOS型读出电路。随着CMOS工艺的不断成熟、完善和发展，CMOS读出电路因其众多的优点而成为当今读出电路的主要发展方向。0。

9、006 运算放大器由于其高性能的电学特性，可用于设计积分器、微分器、滤波器、缓冲器等，广泛应用于与红外焦平面读出电路相关的诸如开关电容滤波器、采样保持电路、A/D转换器等集成电路中。说明书CN 103427772 A2/4页4发明内容0007 本发明的目的在于针对上述现有技术，在原有运算放大器电路的基础上，提供一种可以通过调节MOS管的栅极电压来调节运放的闭环增益大小，以适应后端电路对信号的大小要求的一种闭环增益可调的运算放大器。0008 本发明为实现上述目的采用以下技术方案：一种闭环增益可调的运算放大器，包括第一MOS管(M1)、第二MOS管(M2)、第四MOS管(M4)、第五MOS管(。

10、M5)和第六MOS管(M6), 所述第一MOS管（M1）与第四MOS管（M4）栅极相连，第二MOS管（M2）与第五MOS管（M5）栅极相连，第一MOS管（M1）的源极与第二MOS管（M2）的源极相连并与第六MOS管（M6）漏极相连，第四MOS管（M4）与第五MOS管（M5）栅极相连并连接到第四MOS管（M4）的漏极构成基本电流镜结构，其特征在于：还包括与第一MOS管（M1）并联的第三MOS管（M3），所述第三MOS管（M3）的源极与第一MOS管（M1）的源极连接，第三MOS管（M3）的栅极与第一MOS管（M1）的栅极连接。0009 进一步的说，第一MOS管(M1)、第二MOS管(M2)、第三M。

11、OS管(M3)、第六MOS管(M6)均为NMOS管；第四MOS管(M4)和第五MOS管(M5)均为PMOS管。0010 进一步的说，所述第三MOS管（M3）接可调栅压，第六MOS管（M6）接固定栅压。0011 进一步的说，第一MOS管（M1）、第二MOS管（M2）源极相连且两者栅极作为输入端，第二MOS管（M2）漏极为电压输出端，第二MOS管（M2）漏极为电压输出端，第一、第二、第三 MOS管的源极连接到第六MOS管（M6）的漏极。0012 与现有的运算放大器相比，本发明的优点在于：通过控制第三 MOS管（M3）的栅极偏压，实现运放增益的可调，应用于红外焦平面读出电路，当输入幅度较大时，可控制。

12、输出电压幅度，避免后端电路输出电压溢出；当输入电压较小时，可通过增大闭环增益来保证输出电压。此外，该新型运算放大器可得到相对较小的输出阻抗，而且这种增益可调的运算放大器结构简单，相对于普通的运算放大器只添加了一个MOS管。附图说明0013 图1是新型的闭环增益可调的运算放大器电路结构；图2是传统的运算放大器电路结构；图3是针对图1所示的新型运算放大器在红外焦平面读出电路中具体应用电路；图4是针对图1所示的新型放大器在闭环时输入、输出的仿真结果。0014 图5是针对图1的闭环增益，以闭环增益为因变量，第三MOS管M3栅压为自变量的曲线图。具体实施方式0015 下面结合附图和仿真结果对本发明作进一。

13、步描述：对于图1所示的运算放大器，通过计算可得闭环电压增益：说明书CN 103427772 A3/4页5（1）其中：闭环输出阻抗：（2）其中，gm1、gm2、gm3、分别对应第一MOS管M1、第二MOS管M2、第三MOS管M3的跨导，(W/L)1、(W/L)3分别对应第一MOS管M1、第三MOS管M3 的宽长比，ID表示通过第六MOS管M6的漏电流，n表示电子的迁移率，Cox为MOS管栅氧化层单位面积的电容。0016 对于图2所示的运算放大器，通过计算可得闭环电压增益：（3）闭环输出阻抗: （4）其中，gm1对应第一MOS管M1、第二MOS管M2 MOS管的跨导，ro2、ro4对应第二MO。

14、S管M2、第四MOS管M4的本征阻抗。0017 对比分析可得：对于新型的运算放大器其电压增益小于1，且同时受到第三MOS管M3的控制，当第一MOS管M1 栅极接一定输入电压时，通过调节第三MOS管M3的栅压可实现电压增益或大或小的变化，从而控制输出电压的幅度，避免后端处理电路电压溢出。而传统的运算放大器并不能类似地控制输出电压的幅值。同时，当gm1+gm2+gm3 2(gm1+gm3)时，该新型的运算放大器具有相对较小的输出阻抗。0018 由上述结果分析图3可得：对于交流小信号输入，当经过新型运算放大器Op1时，通过控制Vnctl(即第三MOS管M3栅压)的大小，此时Op1相当于一个增益小于1。

15、的缓冲器，后面一级的积分器中Op2采用图2所示的运算放大器电路，这里积分器可以保证高的准确度和低的失调电压。说明书CN 103427772 A4/4页60019 图4的仿真结果说明输出波形在经过部分延时后波形达到稳定，其中，输入波形和输出波形横向对称轴不在同一直线上是有由于：经过第一MOS管M1、第二MOS管M2的电流不相等，根据工作在饱和区的电流和VGS的关系可知此时第一MOS管M1、第二MOS管M2的VGS不相等，导致不同的直流偏置，所以在竖直方向电压存在位移，经过计算该新型运算放大器此时的交流闭环增益为0.44。0020 关于图5的分析说明：由于第一MOS管M1、第三MOS管M3均可。

16、能处于导通或阻断状态，为了保证增益可调，需第一MOS管M1、第三MOS管M3均工作于导通状态，所以针对公式（1）需加上判断：（5）（6）由公式（5）、（6）可解得Vnctl1、Vnctl2，当Vnctl在Vnctl1、Vnctl2之间时采用公式（1）计算闭环电压增益，结果对应于图5中增益介于0和1之间的曲线部分，此时即表示通过第三MOS管M3栅压调节运算放大器闭环增益大小。0021 综上，采用本发明的增益可调的运算放大器，可以实现对运放增益的可调，以适应后端电路处理的要求，此外，该运算放大器具有相对较小的输出阻抗，而且结构简单，应用于红外焦平面读出电路系统中，增强了整个系统的适应性。说明书CN 103427772 A1/3页7图1说明书附图CN 103427772 A2/3页8图2图3说明书附图CN 103427772 A3/3页9图4图5说明书附图CN 103427772 A。

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