運算放大電路及系統的製作方法
2023-04-26 09:03:26
專利名稱：運算放大電路及系統的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種運算放大器，尤指一種具有低電源電壓的高共模抑制比的運算放大電路及系統。
背景技術：
運算放大電路是具有很高放大倍數的電路單元。為了說明運算放大電路抑制共模信號的能力，常用共模抑制比作為一項技術指標來衡量，其定義為放大電路對差模信號的電壓放大倍數與對共模信號的電壓放大倍數之比，稱為共模抑制比。差模信號電壓放大倍數越大，共模信號電壓放大倍數越小，則共模抑制比越高。此時運算放大電路抑制共模信號的能力越強，運算放大電路的性能越好。而在現有的運算放大電路中，為了得到高共模抑制比，運算放大電路的尾電流往往採用共源共柵的結構，需要在高壓下工作，無法在低電源電壓下工作，因此有必要提供一種具有低電源電壓的高共模抑制比的運算放大電路及系統。
發明內容
鑑於以上內容，有必要提供一種具有低電源電壓的高共模抑制比的運算放大電路及系統。一種運算放大電路，包括一第一輸入端、一第二輸入端、一第一輸出端及一第二輸出端，所述運算放大電路還包括一與所述第一輸入端、所述第二輸入端、所述第一輸出端及所述第二輸出端相連的控制電路、一與所述控制電路相連用於調節所述控制電路的電流的調節電路及一與所述控制電路及所述調節電路相連用於給所述運算放大電路提供合適工作電流的偏置電路，所述控制電路包括一與所述第一輸入端相連的第一場效應管、一與所述第二輸入端相連的第二場效應管、一與所述第一場效應管及所述第二場效應管相連的第三場效應管、一與所述第一場效應管相連的第一電阻及一與所述第二場效應管相連的第二電阻，所述調節電路包括一比較器、一與所述比較器相連的第一可調電流源、一與所述比較器及所述第一可調電流源相連的第二可調電流源、一與所述比較器相連的第三電阻及一與所述比較器相連的第四電阻，所述偏置電路包括一偏置電流源、一與所述偏置電流源相連的第五電阻、一與所述第五電阻相連的第四場效應管及一與所述第四場效應管相連的第五場效應管。—種運算放大系統，包括一第一輸入端、一第二輸入端、一第一輸出端及一第二輸出端，所述運算放大電路還包括一與所述第一輸入端、所述第二輸入端、所述第一輸出端及所述第二輸出端相連的控制電路、一與所述控制電路相連用於調節所述控制電路的電流並補償所述運算放大系統尾電流的溝道調製效應的調節電路及一與所述控制電路及所述調節電路相連用於給所述運算放大系統提供合適工作電流的偏置電路。相對現有技術，本發明運算放大電路及系統有效抑制了運算放大電路及系統的尾電流的溝道調製效應，以保證在輸入信號的共模電壓VCM發生變化時流過該第一場效應管Ml的電流與流過該第二場效應管M2的電流之和等於流過該第四場效應管M4的電流，從而抑制了共模增益，提高了共模抑制比。
圖1為本發明運算放大系統較佳實施方式的系統框圖。圖2為本發明運算放大系統較佳實施方式的電路框圖。圖3為本發明運算放大電路較佳實施方式的電路圖。
具體實施例方式請參閱圖1，本發明運算放大系統較佳實施方式包括一第一輸入端VIN+、一第二輸入端VIN-、一第一輸出端V0UT+、一第二輸出端V0UT-、一用於將該第一輸入端VIN+及該第二輸入端VIN-輸入的差分信號放大的控制電路、一與該控制電路相連用於調節該控制電路的電流的調節電路及一與該控制電路及該調節電路相連用於給該運算放大系統提供合適的工作電流的偏置電路。該第一輸入端VIN+與該第二輸入端VIN-共同接收一對差分信號，該第一輸出端VOUT+與該第二輸出端VOUT-共同輸出放大後的一對差分信號。請同時參閱圖2，圖2為本發明運算放大系統較佳實施方式的電路框圖。其中，該控制電路包括一第一場效應管Ml、一第二場效應管M2、一第三場效應管M3、一第一電阻RDl 及一第二電阻RD2，該調節電路包括一比較器CMP、一第一可調電流源IP、一第二可調電流源IN、一第三電阻RD3及一第四電阻RD4，該偏置電路包括一偏置電流源II、一第五電阻 RD5、一第四場效應管M4及一第五場效應管M5。本發明運算放大系統較佳實施方式的連接關係如下該第一場效應管Ml的柵極與該第一輸入端VIN+及該第三電阻RD3的一端相連，該第一場效應管Ml的漏極與該第一電阻RDl的一端及該第二輸出端VOUT-相連，該第二場效應管M2的柵極與該第二輸入端 VIN-及該第四電阻RD4的一端相連，該第二場效應管M2的漏極與該第二電阻RD2的一端及該第一輸出端VOUT+相連。該第一場效應管Ml的源級、該第二場效應管M2的源級、該第三場效應管M3的漏極、該第一可調電流源IP的一端及該第二可調電流源IN的一端共同連接，該第三場效應管M3的柵極與該第五電阻RD5的一端、該第四場效應管M4的漏極及該第五場效應管M5的柵極相連，該第四場效應管M4的源級與該第五場效應管M5的漏極相連。 該比較器CMP的一正相輸入端與該偏置電流源Il的一端、該第五電阻RD5的另一端及該第四場效應管M4的柵極相連，並接收一參考電壓VREF，該比較器CMP的一反相輸入端與該第三電阻RD3的另一端及該第四電阻RD4的另一端相連，並接收該第三電阻RD3的另一端及該第四電阻RD4的另一端輸出的一共模電壓VCM，該比較器CMP的一正相輸出端與該第一可調電流源IP的一控制端相連，並輸出一電壓VN至該第一可調電流源IP的控制端，該比較器CMP的一反相輸出端與該第二可調電流源IN的一控制端相連，並輸出一電壓VP至該第二可調電流源IN的控制端。該偏置電流源Il的另一端、該第一電阻RDl的另一端、該第二電阻RD2的另一端及該第一可調電流源IP的另一端共同連接一電源端VDD，該第五場效應管M5的源級、該第三場效應管M3的源級及該第二可調電流源IN的另一端共同連接一接地端 GND。請同時參閱圖2與圖3，圖3為本發明運算放大電路較佳實施方式的具體電路圖。其中，該第一可調電流源IP為一第六場效應管M6，該第二可調電流源IN為一第七場效應管M7，該比較器CMP包括一第八場效應管M8、一第九場效應管M9、一第十場效應管MlO、一第十一場效應管Mil、一第十二場效應管M12、一第十三場效應管M13及一第十四場效應管 M14。本發明運算放大電路較佳實施方式的具體電路連接關係如下該第一場效應管 Ml的柵極與該第一輸入端VIN+及該第三電阻RD3的一端相連，該第一場效應管Ml的漏極與該第一電阻RDl的一端及該第二輸出端VOUT-相連，該第二場效應管M2的柵極與該第二輸入端VIN-及該第四電阻RD4的一端相連，該第二場效應管M2的漏極與該第二電阻RD2 的一端及該第一輸出端VOUT+相連。該第一場效應管Ml的源級、該第二場效應管M2的源級、該第三場效應管M3的漏極、該第六場效應管M6的漏極及該第七場效應管M7的漏極共同連接，該第三場效應管M3的柵極與該第五電阻RD5的一端、該第四場效應管M4的漏極、 該第五場效應管M5的柵極及該第十二場效應管M12的柵極相連，該第四場效應管M4的源級與該第五場效應管M5的漏極相連。該第六場效應管M6的柵極與該第八場效應管M8的柵極、漏極及該第十場效應管MlO的漏極相連，該第七場效應管M7的柵極與該第十四場效應管M14的柵極、漏極及該第十三場效應管M13的漏極相連。該第九場效應管M9的柵極、 漏極與該第十一場效應管Mll的漏極及該第十三場效應管M13的柵極相連，該第十場效應管MlO的柵極與該第三電阻RD3的另一端及該第四電阻RD4的另一端相連，該第十場效應管MlO的源級與該第十一場效應管Mll的源級共同連接該第十二場效應管M12的漏極，該第十一場效應管Mll的柵極、該偏置電流源Il的一端、該第五電阻RD5的另一端及該第四場效應管M4的柵極共同連接一參考電壓端VREF。該偏置電流源Il的另一端、該第一電阻 RDl的另一端、該第二電阻RD2的另一端、該第六場效應管M6的源級、該第八場效應管M8的源級、該第九場效應管M9的源級及該第十三場效應管M13的源級共同連接電源端VDD，該第五場效應管M5的源級、該第三場效應管M3的源級、該第七場效應管M7的源級、該第十二場效應管M12的源級及該第十四場效應管M14的源級共同連接接地端GND。本發明運算放大電路及系統的工作原理如下所述該第一輸入端VIN+與該第二輸入端VIN-共同接收一對差分信號，經過控制電路進行放大後，由該第一輸出端VOUT+與該第二輸出端VOUT-輸出一對放大後的差分信號。為了抑制共模增益，提高共模抑制比， 使得該運算放大電路及系統工作穩定，需要保證在輸入差分信號的共模電壓VCM發生變化時，流過該第一場效應管Ml的電流與流過該第二場效應管M2的電流之和等於流過該第四場效應管M4的電流。首先設置該第五場效應管M5與該第三場效應管M3的寬長比相同，該第一場效應管Ml與該第二場效應管M2的寬長比之和等於該第四場效應管M4的寬長比，該第五場效應管M5與該第三場效應管M3的柵極電壓均為VB1，該第三場效應管M3的漏極電壓為VB2，該第五場效應管M5的漏極電壓為VB3。當共模電壓VCM等於參考電壓VREF時，電壓VB3等於電壓VB2，則流過該第三場效應管M3與流過該第五場效應管M5的電流完全相等，即可得到電壓VP等於電壓VN，設置此種情況下該第一可調電流源IP的電流等於該第二可調電流源 IN的電流，即此時沒有額外的電流注入該第三場效應管M3，即流過該第四場效應管M4的電流等於流過該第一場效應管Ml的電流與流過該第二場效應管M2的電流之和。當共模電壓VCM大於參考電壓VREF時，電壓VB2會跟隨輸入電壓的升高而升高，電壓VB2大於電壓VB3，即該第三場效應管M3開始發生溝道調製效應，即流過該第三場效應管M3的電流會隨著漏源電壓的變化而變化，會有更多的電流流過該第三場效應管M3。由於共模電壓VCM大於參考電壓VREF，經過比較器CMP後，電壓VP小於電壓VN，設置電壓VP小於電壓VN時，該第一可調電流源IP的電流大於該第二可調電流源IN的電流，即該第一可調電流源IP會多出一部分電流流過該第三場效應管M3，從而抵消掉該第三場效應管M3的溝道調製電流，使得流過該第四場效應管M4的電流和流過該第一場效應管Ml的電流與流過該第二場效應管M2的電流之和相等。當共模電壓VCM小於參考電壓VREF時，電壓VB2會跟隨輸入電壓的下降而下降， 電壓VB2小於電壓VB3，即該第三場效應管M3開始發生溝道調製效應，即流過該第三場效應管M3的電流會相應減小，由於共模電壓VCM小於參考電壓VREF，經過比較器CMP後，電壓 VP大於電壓VN，設置電壓VP大於電壓VN時，該第一可調電流源IP的電流小於該第二可調電流源IN的電流，即該第二可調電流源IN會多出一部分電流流過該第一場效應管Ml與該第二場效應管M2，從而補償該第三場效應管M3的溝道調製電流，使得流過該第四場效應管 M4的電流和流過該第一場效應管Ml的電流與流過該第二場效應管M2的電流之和相等。假設Δ V=VCM- VREF, Δ I=IP — IN,該比較器CMP的增益為Av，電壓VP控制第一可調電流源IP的係數與電壓VN控制第二可調電流源IN的係數均為gm，則有
VN- VP=Av* (VCM- VREF) =Av* Δ V ；
又因為Δ I= IP- IN =gm* (VN-VP) =Av* Δ V*gm ；
該第三場效應管M3由於溝道調製效應產生的電流增量Δ I』 = λ* (VB2 — VB1)*I1，要使補償效應最好，必然有Δ I= Δ I』，即
Αν* Δ V^gm=A Φ (VB2-VB1)*I1(1)
由於Δ V=VCM- VREF=VB2- VB1，則表達式(1)可寫為
Av^gm=A ΦΙ 1(2)
其中λ為溝道調製係數，由於λ和偏置電流源Il的值由具體電路決定，故只需調節比較器CMP的增益Av和電流控制係數gm即可使表達式(2)成立。若表達式(2)成立，則可知對於運算放大電路及系統而言，任何時候流過圖2中所示的P點的電流均保持不變，即P點的等效電阻無窮大，由於共模增益
ACM= (RD)/((l/gm)+2*RP)(3)
其中RD=RD1=RD2，RP為P點的等效電阻，由於RP —①，則ACM — 0，即運算放大系統的共模增益約為0 ；
因為ACMRR= ADM /ACM，其中ACMRR表示共模抑制比，ADM表示差模增益，則可知ACMRR 被大大提高了。本發明運算放大電路及系統有效的抑制了運算放大電路及系統的尾電流的溝道調製效應，以保證在輸入信號的共模電壓VCM發生變化時流過該第一場效應管Ml的電流與流過該第二場效應管M2的電流之和等於流過該第四場效應管M4的電流，從而抑制共模增益，提高共模抑制比；且在沒有使用共源共柵的情況下大大提高了共模抑制比，從而節省了電壓餘度，使其可以在低電源電壓下工作。
權利要求
1.一種運算放大電路，包括一第一輸入端、一第二輸入端、一第一輸出端及一第二輸出端，其特徵在於所述運算放大電路還包括一與所述第一輸入端、所述第二輸入端、所述第一輸出端及所述第二輸出端相連的控制電路、一與所述控制電路相連用於調節所述控制電路的電流的調節電路及一與所述控制電路及所述調節電路相連用於給所述運算放大電路提供合適工作電流的偏置電路，所述控制電路包括一與所述第一輸入端相連的第一場效應管、一與所述第二輸入端相連的第二場效應管、一與所述第一場效應管及所述第二場效應管相連的第三場效應管、一與所述第一場效應管相連的第一電阻及一與所述第二場效應管相連的第二電阻，所述調節電路包括一比較器、一與所述比較器相連的第一可調電流源、一與所述比較器及所述第一可調電流源相連的第二可調電流源、一與所述比較器相連的第三電阻及一與所述比較器相連的第四電阻，所述偏置電路包括一偏置電流源、一與所述偏置電流源相連的第五電阻、一與所述第五電阻相連的第四場效應管及一與所述第四場效應管相連的第五場效應管。
2.如權利要求1所述的運算放大電路，其特徵在於所述第一可調電流源為一第六場效應管，所述第二可調電流源為一第七場效應管，所述比較器包括一第八場效應管、一第九場效應管、一與所述第八場效應管相連的第十場效應管、一與所述第九場效應管相連的第十一場效應管、一與所述第十場效應管及所述第十一場效應管相連的第十二場效應管、一與所述第九場效應管相連的第十三場效應管及一與所述第十三場效應管相連的第十四場效應管。
3.如權利要求2所述的運算放大電路，其特徵在於所述第一場效應管的柵極與所述第一輸入端及所述第三電阻的一端相連，所述第一場效應管的漏極與所述第一電阻的一端及所述第二輸出端相連，所述第二場效應管的柵極與所述第二輸入端及所述第四電阻的一端相連，所述第二場效應管的漏極與所述第二電阻的一端及所述第一輸出端相連。
4.如權利要求3所述的運算放大電路，其特徵在於所述第一場效應管的源級、所述第二場效應管的源級、所述第三場效應管的漏極、所述第六場效應管的漏極及所述第七場效應管的漏極共同連接，所述第三場效應管的柵極與所述第五電阻的一端、所述第四場效應管的漏極、所述第五場效應管的柵極及所述第十二場效應管的柵極相連，所述第四場效應管的源級與所述第五場效應管的漏極相連，所述第六場效應管的柵極與所述第八場效應管的柵極、漏極及所述第十場效應管的漏極相連，所述第七場效應管的柵極與所述第十四場效應管的柵極、漏極及所述第十三場效應管的漏極相連。
5.如權利要求4所述的運算放大電路，其特徵在於所述第九場效應管的柵極、漏極與所述第十一場效應管的漏極及所述第十三場效應管的柵極相連，所述第十場效應管的柵極與所述第三電阻的另一端及所述第四電阻的另一端相連，所述第十場效應管的源級與所述第十一場效應管的源級共同連接所述第十二場效應管的漏極，所述第十一場效應管的柵極、所述偏置電流源的一端、所述第五電阻的另一端及所述第四場效應管的柵極共同連接一參考電壓端。
6.如權利要求5所述的運算放大電路，其特徵在於所述偏置電流源的另一端、所述第一電阻的另一端、所述第二電阻的另一端、所述第六場效應管的源級、所述第八場效應管的源級、所述第九場效應管的源級及所述第十三場效應管的源級共同連接一電源端，所述第五場效應管的源級、所述第三場效應管的源級、所述第七場效應管的源級、所述第十二場效應管的源級及所述第十四場效應管的源級共同連接一接地端。
7.—種運算放大系統，包括一第一輸入端、一第二輸入端、一第一輸出端及一第二輸出端，其特徵在於所述運算放大電路還包括一與所述第一輸入端、所述第二輸入端、所述第一輸出端及所述第二輸出端相連的控制電路、一與所述控制電路相連用於調節所述控制電路的電流並補償所述運算放大系統尾電流的溝道調製效應的調節電路及一與所述控制電路及所述調節電路相連用於給所述運算放大系統提供合適工作電流的偏置電路。
8.如權利要求7所述的運算放大系統，其特徵在於所述控制電路包括一與所述第一輸入端相連的第一場效應管、一與所述第二輸入端相連的第二場效應管、一與所述第一場效應管及所述第二場效應管相連的第三場效應管、一與所述第一場效應管相連的第一電阻及一與所述第二場效應管相連的第二電阻，所述調節電路包括一比較器、一與所述比較器相連的第一可調電流源、一與所述比較器及所述第一可調電流源相連的第二可調電流源、 一與所述比較器相連的第三電阻及一與所述比較器相連的第四電阻，所述偏置電路包括一偏置電流源、一與所述偏置電流源相連的第五電阻、一與所述第五電阻相連的第四場效應管及一與所述第四場效應管相連的第五場效應管。
9.如權利要求8所述的運算放大系統，其特徵在於所述第一場效應管的柵極與所述第一輸入端及所述第三電阻的一端相連，所述第一場效應管的漏極與所述第一電阻的一端及所述第二輸出端相連，所述第二場效應管的柵極與所述第二輸入端及所述第四電阻的一端相連，所述第二場效應管的漏極與所述第二電阻的一端及所述第一輸出端相連，所述第一場效應管的源級、所述第二場效應管的源級、所述第三場效應管的漏極、所述第一可調電流源的一端及所述第二可調電流源的一端共同連接，所述第三場效應管的柵極與所述第五電阻的一端、所述第四場效應管的漏極及所述第五場效應管的柵極相連，所述第四場效應管的源級與所述第五場效應管的漏極相連。
10.如權利要求9所述的運算放大系統，其特徵在於所述比較器的一正相輸入端與所述偏置電流源的一端、所述第五電阻的另一端及所述第四場效應管的柵極相連，所述比較器的一反相輸入端與所述第三電阻的另一端及所述第四電阻的另一端相連，所述比較器的一正相輸出端與所述第一可調電流源的一控制端相連，所述比較器的一反相輸出端與所述第二可調電流源的一控制端相連。
全文摘要
一種運算放大電路，包括一第一輸入端、一第二輸入端、一第一輸出端、一第二輸出端、一控制電路、一與控制電路相連的調節電路及一與控制電路及調節電路相連的偏置電路，所述控制電路包括一第一場效應管、一第二場效應管、一第三場效應管、一第一電阻及一第二電阻，所述調節電路包括一比較器、一與比較器相連的第一可調電流源、一與比較器及第一可調電流源相連的第二可調電流源、一與比較器相連的第三電阻及一與比較器相連的第四電阻，所述偏置電路包括一偏置電流源、一與偏置電流源相連的第五電阻、一與第五電阻相連的第四場效應管及一與第四場效應管相連的第五場效應管。本發明還提供一種運算放大系統。本發明提高了共模抑制比。
文檔編號H03F3/45GK102386865SQ20111028243
公開日2012年3月21日 申請日期2011年9月22日 優先權日2011年9月22日
發明者範方平 申請人:四川和芯微電子股份有限公司