運算放大器的製作方法
2024-03-08 00:52:15
專利名稱：運算放大器的製作方法
技術領域：
本發明涉及運算放大器。
包含兩個發射極耦合的NPN電晶體對的電晶體放大器由DE-OS 3027 071已知。在每個電晶體對的共發射極導線上，分別連著一個恆流源，即直流源，它的電流與相連的電晶體對的基極電壓無關。恆流源的另一端接地。第一個電晶體對的第一個電晶體的集電極與第二個電晶體對的第一個電晶體的集電極相連。同樣，電晶體對的第二個電晶體的集電極也相互連接。公共的集電極端分別經過各自的一個電阻，與正電源電壓相連，同時構成放大電路的輸出端。並且，第一個電晶體對的第一個電晶體的基極經過一個直流電壓源，與第二個電晶體對的第一個電晶體的基極相連。同樣，電晶體對的第二個電晶體的基極也經過另外一個直流電壓源相互相連。這兩個直流電壓源，對交流信號構成短路，它們供電電壓相同，極性如下第二個電晶體對的第一個電晶體的基極與第一個電晶體對的第一個電晶體的基極相比為正極，第一個電晶體對的第二個電晶體的基極與第二個電晶體對的第二個電晶體的基極相比為正極。並且，第一個電晶體對的第一個電晶體的基極和第二個電晶體對的第二個電晶體的基極都與一個低阻抗信號源相連。所有的電晶體具有相同特性。尤其是，小的非線性畸變的實現是通過為第一個電晶體對的第二個電晶體和第二個電晶體對的第一個電晶體選取直流電源，使它為其它電晶體直流電流的3至10倍。
DE-PS 33 23 277中公布了一種電流放大器，它包括一個所謂的電壓-電流變換器電路，該電路包括一個差動輸入，一個差動輸出，以及兩個分別提供相同電流的電流源。電壓-電流變換器電路包括一個與電流源輸出端相連的電阻。PNP電晶體，通過它們的發射極，連到電流源輸出端與電阻的匯接點上；它們把經兩個輸入端供電的電壓變換成電流。第二個NPN電晶體的基極與該輸入端相連，而相應的電晶體的發射極與上述PNP電晶體的基極相連。後面的電晶體作為驅動NPN電晶體的發射極跟隨器。後面的電晶體提供集電極輸出電流。並且，另外兩個PNP電晶體通過它們的基極，與輸入端相連；它們構成第一個啟動電路。所述另外電晶體的發射極連到電阻與前面PNP電晶體的發射極的匯接點上，而相應的電晶體的集電極連接到前面PNP電晶體的集電極上。這些另外的PNP電晶體在電路運算期間並不是連續運算，而僅在開關打開時被驅動，例如當電壓供電開關或電源開關啟動時。
此電路的目的是提供一個電流放大器，其上的乘法器電路中的共發射極電晶體對的基極電流影響可被消除，以便於增強相關電路的乘法因子的線性度和精度。
在雜誌IEEE Journal of Solid-State Circuits的第24卷，第6本，1989年12月，第1551頁至1558頁，Jeroen Fondrie的文章「帶有軌到軌輸入與輸出範圍的1伏運算放大器」中，描述了一個雙極運算放大器，它的輸入與輸出驅動範圍幾乎近似於電流源端的電勢。其中所示的運算放大器適用於小到1伏的電源電壓。尤其是輸出電壓可能在100mv內近似等於電流源端的電勢。運算放大器包括兩個互補輸入級，第一級包括一個NPN型發射極耦合的電晶體對，而第二級包括一個PNP型發射極耦合的電晶體對。這兩個電晶體對的電晶體的集電極端與加法電路相連，形成一個輸出電流。兩個發射極耦合的電晶體對都是通過它們的基極，從兩個推挽式輸入端接收電壓，即經過推挽式輸入端與電晶體的基極端之間的電平偏移電阻。總之，提供了四個電平偏移電阻，即在非倒相推挽式輸入端與發射極耦合對的每個第一個電晶體的基極端之間相應的電阻，和倒相推挽式輸入端與其餘兩個基極端之間的另外兩個端。這四個電平偏移電阻由四個電流源啟動。由於在啟動的電平偏移情況下，推挽式輸入端不再能達到正或負電源電壓的電勢，所以，電流源按照與共模輸入電壓的依存關係來被控制。那麼，當共模輸入電壓在電流源驅動範圍的中心處，電流源供給最大電流，當共模輸入電壓接近兩個電源電壓端的其中一個電平時，電流源供給的電流為0。這要求一個非常複雜的電路裝置以達到此效應。
本發明的目的之一是提供運算放大器，它可以工作在較低的電源電壓下，對輸入電壓和輸出電壓有大的驅動範圍，包括一個適用於高阻抗開關的輸出，並可以用簡單的裝置構造。
按照本發明，這一目的由運算放大器實現，此運算放大器包括-第一個差動放大器，它包括第一個發射極耦合對，由第一和第二個NPN型電晶體組成，第一個電晶體的基極與運算放大器的第一個輸入端相連，第二個電晶體的基極與運算放大器的第二個輸入端相連，
-第二個差動放大器，它包括第二個發射極耦合對，由第三和第四個NPN型雙極電晶體組成，第三個電晶體的基極經過第一個電勢偏移元件與運算放大器的第一個輸入端相連，第四個電晶體的基極經過第二個電勢偏移元件與運算放大器的第二個輸入端相連，電勢偏移元件以如下方式構造，即在運算時，第三和第四個電晶體的基極端電勢分別比第一和第二個輸入端電勢高出預先給定的量，-第一個差動電流輸出節點，第一和第三個電晶體的各自集電極在此連接，-第二個差動電流輸出節點，第二和第四個電晶體的各自集電極在此連接，-控制級，它的輸入端由電流輸出節點組成，控制級設置成由輸入端電流構成控制電流，並有兩個輸出端發送控制電流，-以及一個輸出級，它帶有兩個導電型相反的雙極輸出電晶體，它們的集電極-發射極通道串聯連接，控制級的輸出分別與輸出電晶體的相應基極端相連，輸出電晶體的集電極-發射極通道的連接構成運算放大器的輸出。
按照本發明的運算放大器，對於輸入電壓和輸出電壓，在低電源電壓與大驅動範圍情況下，有適當的線性度，這是由於兩個差動放大器都是由相同導電型的電晶體組成。因為NPN型電晶體是採用最佳製造方法製造的，它與PNP型電晶體相比，有較高的電流增益因子，所以，即使採用簡單裝置，運算放大器的總體增益也可以達到適當的值。
按照本發明，用於運算放大器的的電勢偏移元件，對於電源供電和電勢控制，不需要用複雜的電路。本發明的另一個實施方案中所用的電勢偏移元件是由一個相應的PNP型電晶體構成的，它的基極端與運算放大器相應的輸入端相連，它的發射極端分別與第三和第四個電晶體的相應的基極端相連，它的基極-發射極通道在運算時正向偏置。
在按照本發明的運算放大器的最優的實施方案中，控制級包括一個對每個電流輸出節點的電流鏡裝置，這樣，控制電流就由兩個相應的電流之間的偏差構成，這兩個電流是通過電流反射，從控制級輸入端電流導出的。這種類型的控制級結構可實現線性轉換，還可以用於電源電壓非常小的情況下。
唯一的圖中顯示了按照本發明的運算放大器的實施方案，它包括第一個差動放大器，該差動放大器帶有第一個雙極電晶體1和第二個雙極電晶體2，兩個電晶體都是NPN型，構成第一個發射極耦合對。圖示的運算放大器的第二個差動放大器包括第二個發射極耦合對，它由第三個雙極電晶體3和第四個雙極電晶體4組成，這兩個電晶體也是NPN型。第一個電晶體1的基極端與也是放大器的第一個輸入端5相連。第一個輸入端5構成運算放大器的一個非反輸入端。運算放大器的第二個輸入端6，構成運算放大器的一個倒相輸入端，它與第二個電晶體2的基極端相連。
第二個差動放大器的第三個電晶體3的基極端，經過第一個電勢偏移元件7，與第一個輸入端5相連。同樣，第四個差動放大器的基極端，經過第二個電勢偏移元件8，與第二個輸入端6相連。這兩個電勢偏移元件7，8分別由PNP型電晶體構成，特別是由其中的基極-發射極通道構成，以便於這些PNP電晶體的基極端與運算放大器上相應的輸入端相連，其發射極端分別與第三個電晶體3和第四個電晶體4的基極端相連。運算時，PNP電晶體的基極-發射極通道正向偏置，以便於第三個電晶體3和第四個電晶體4的基極端的電勢比第一個輸入端5和第二個輸入端6的電勢高出一個預先給定的量。所以，電勢偏移元件7，8分別經過發射極一側的電流源9，10供電。
第一和第三個電晶體1，3通過它們的集電極端與第一個差動電流輸出節點11相連；同樣，第二和第四個電晶體2，4通過它們的集電極端與第二個差動電流輸出節點12相連。在發射極側，第一個發射極耦合對1，2是相連的，第二個發射極耦合對3，4是相連的，它們分別經過第三個電流源13和第四個電流源14與第一個電流電源端15相連，在本例作為接地端。電勢偏移元件7，8的集電極端也與接地端15相連。第二個電流電源端16，與接地端相比帶有正電源電壓，因此在此作為正極，它分別與第一和第二個電流源9，10的相應一端相連，電流源9，10的另一端分別與電勢偏移元件7，8相連。
圖中所示的運算放大器還包括一個控制級，控制級的輸入由電流輸出節點11，12構成。此控制級包括，由第一個電流鏡電晶體17和第二個電流鏡電晶體18組成的第一個電流鏡，分別由第三，第四和第五個電流鏡電晶體19，20，21組成的第二個電流鏡，分別由第六，第七和第八個電流鏡電晶體22，23，24組成的第三個電流鏡。第一和第二個電流鏡構成第一個電流鏡裝置，該裝置由第一個電流輸出節點11構成的輸入端上的電流，利用電流反射，分別導出第四和第五個電流鏡電晶體20，21的集電極端的第一和第二個電流。
同樣，第三個電流鏡構成第三個電流鏡裝置，該裝置由第二個電流輸出節點12上的電流，利用電流反射，分別導出第七和第八個電流鏡電晶體23，24的集電極端的第三和第四個電流。至此，第二差動電流輸出節點12構成為第二電流鏡裝置22、23、24的輸入端。
在本實施方案中，第一，第二，第六，第七，第八個電流鏡電晶體17，18，22，23，24在發射極一側與正極16相連，第三，第四，第五個電流鏡電晶體在發射極一側與接地端15相連。第一，第三，第六個電流鏡電晶體17，19，22的基極和發射極相互連接，這三個電流鏡的每個電流鏡電晶體的基極端都是以通常方式相互連接的。第一和第六個電流鏡電晶體17，22的基極和集電極與第一和第二個電流輸出節點11，12相連。第四和第七個電流鏡電晶體的集電極端相互連接，構成由電流鏡17至24組成的控制級的第一個輸出端；控制級的第一個輸出端由參考號25標出。控制級的第二個輸出26與第五和第八個電流鏡電晶體的集電極端相連。並且，第二和第三個電流鏡電晶體18，19的集電極端與連接點27相連。
圖示的運算放大器的實施方案還包括一個輸出級，它帶有兩個雙極輸出電晶體30，31。第一個雙極電晶體由參考號30標出，是PNP型，而第二個輸出電晶體31是(相反的)NPN型。輸出電晶體30，31的集電極-發射極通道串聯連接，即經過它們的集電極端串聯連接，這些集電極端與運算放大器的輸出32相連。電容28，29分別連接在輸出端32與控制級的第一個輸出25和第二個輸出26之間。第一個輸出電晶體30的發射極端與正極16相連，第二個輸出電晶體31的發射極與接地端15相連。第一個輸出電晶體30的基極端與控制級的第二個輸出26相連，第二個輸出電晶體31的基極端與控制級的第一個輸出25相連。
此運算放大器在輸入部分採用兩個PNP型差動放大器1，2和3，4。兩個差動放大器都工作在公共的電流輸出節點11，12上。第一個差動放大器，用作輸入級，由第一和第二個電晶體1，2組成，它是用來傳輸共模輸入電壓的上半部分；同樣，由第二個差動放大器3，4組成的輸入級，覆蓋了共模輸入電壓的下半部分。電勢偏移元件7，8可使第二個差動放大器3，4工作在輸入端5，6的電壓相對於接地端15至少接近於0；因此，這些電勢偏移元件，利用各自在運算時第二個差動放大器的電晶體3，4的基極與發射極端存在的二極體正向電壓，分別相對於輸入端5和6的電壓，增加第三和第四個電晶體3，4的基極端電壓。相應地，由第一和第二個電流源9，10供電的恆定電流就應被選擇了。
差動放大器1至4的第一個差動電流輸出節點11上的電流，經第一個電流鏡17，18，反射到連接點27，再經第二個電流鏡19至21，反射到控制級的輸出25，26。經第三個電流鏡22至24，第二個差動電流輸出節點12上的電流也反射到控制級的輸出25，26。因此，在控制級的每個輸出25，26上，由電流輸出節點11，12上的電流形成一個電流差。這些電流差用來控制輸出電晶體30，31，這兩個電晶體對輸出25，26上的電流差進行電流放大；被放大的電流，又作為偏差，在運算放大器的輸出32上出現。按照本發明的運算放大器優選用來為它的輸入和輸出電壓產生大的驅動範圍。主要的目的利用有限的電路裝置就實現了；這一目的還通過把差動放大器電晶體的集電極端只在兩個差動電路輸出節點上連接來達到。共模輸入電壓和共模輸出電壓至少幾乎覆蓋了正極與接地端之間的整個電源電壓範圍。那麼，理想的運算在正極與接地端之間的電源電壓非常小的情況下，例如1.3v，也達到了。
按照本發明的運算放大器有效地用於驅動變容二極體，以在儘可能大的頻率範圍內重調振蕩器。因此，不需要另外的元件來使輸入電壓與輸出電壓之間的函數關係線性化。此電路裝置及以前描述的簡化的電路裝置不受以下情況的影響，那就是，為了在正極與接地端之間的整個驅動電壓範圍內實現正確運算，差動放大器由分開的恆流源供電，即在本實施方案中所示的電流源13，14。
把運算放大器用於驅動變容二極體時，輸出端32在無電流、開關切斷狀態是高阻抗，這也是按照本發明的運算放大器的一個優點。如果輸出32後接無源低通濾波器，經過它來驅動變容二極體，那麼，不需附加措施，運算放大器和低通濾波器就可以像採樣-保持電路那樣作為變容二極體的調諧電壓。
運算放大器可有效地用於無線電接收機的振蕩器。
按照本發明的運算放大器，在此實施方案的電路裝置中，中心輸入電壓範圍的斜率是極限範圍斜率的兩倍。為了避免這樣的斜率增加，可在兩個差動放大器之間加一個電源開關，與差動放大器相關的電流源在一個時刻只有一個起作用。因此，在整個輸入電壓範圍內斜率為恆定的。
權利要求
1.一個運算放大器包括-第一個差動放大器，它包括第一個發射極耦合對，由第一和第二個NPN型雙極電晶體組成，第一個電晶體的基極與運算放大器的第一個輸入端相連，第二個電晶體的基極與運算放大器的第二個輸入端相連，-第二個差動放大器，它包括第二個發射極耦合對，由第三和第四個NPN型雙極電晶體組成，第三個電晶體的基極經過第一個電勢偏移元件與運算放大器的第一個輸入端相連，第四個電晶體的基極經過第二個電勢偏移元件與運算放大器的第二個輸入端相連，電勢偏移元件以如下方式構造，即在運算時，第三和第四個電晶體的基極端電勢分別比第一和第二個輸入端電勢高出預先給定的量，-第一個差動電流輸出節點，第一和第三個電晶體各自的集電極在此連接，-第二個差動電流輸出節點，第二和第四個電晶體各自的集電極在此連接，-控制級，它的輸入端由電流輸出節點組成，控制級設置成由輸入端電流構成控制電流，並有兩個輸出端發送控制電流，-以及一個輸出級，它帶有兩個導電型相反的雙極輸出電晶體，它們的集電極-發射極通道串聯連接，控制級的各個輸出端分別與輸出電晶體的基極端相連，輸出電晶體的集電極-發射極通道的連接構成運算放大器的輸出。
2.按照權利要求1的運算放大器，其特徵在於電勢偏移元件是由一個相應的PNP型電晶體構成的，它的基極端與運算放大器相應的輸入端相連，它的發射極端分別與第三和第四個電晶體的相應的基極端相連，它的基極-發射極通道在運算時正向偏置。
3.按照權利要求1或2的運算放大器，其特徵在於控制級包括一個對每個電流輸出節點的電流鏡裝置，這樣，控制電流就由兩個相應的電流之間的偏差構成，這兩個電流是通過電流反射，從控制級輸入端電流導出的。
4.備有變容二極體的振蕩器，其特徵在於，它包括一個權利要求1，2或3中所要求專利保護的運算放大器，此運算放大器為變容二極體提供調諧電壓。
5.無線電接收機(尋呼機)，其特徵在於，它包括一個振蕩器，帶有權利要求4中所要求專利保護的運算放大器。
全文摘要
運算放大器包括兩個差動放大器,一個被直接驅動,另一個通過兩個電勢偏移元件驅動。採用控制級,電流由運算放大器的公共差動電流輸出節點導出,以便於它被反射為運算放大器輸出端的電流差。因此,在電源電壓小的情況下,獲得較大的輸入和輸出驅動範圍。並且,運算放大器可利用簡單裝置來構造,還有一個輸出可切換到高阻抗狀態。
文檔編號H03F3/30GK1189932SQ97190437
公開日1998年8月5日 申請日期1997年3月3日 優先權日1996年3月5日
發明者P·維瑟, B·迪克 申請人:菲利浦電子有限公司