運放設計的電流平衡方法
2024-03-23 20:41:05
專利名稱：運放設計的電流平衡方法
技術領域：
本發明涉及一種關於運放(Operational Amplifier)設計的電流平衡方法。
背景技術：
目前，運放設計時，偏置電流是通過電流鏡(current mirror)來指定的，如圖1所示。這種運放設計方法在輸入為小信號時，運放能夠正常工作。如果輸入信號為大信號，例如輸入信號幅度接近電源電壓(supply)，這時，NMOS輸入對管N1、N2導通，而PMOS輸入對管P1、P2關斷，N5、N6需要電流I以維持其工作在飽和區，而N3、N4隻能提供電流I/2，從而有可能迫使N5、N6進入線性區，運放的增益顯著下降。當輸入信號幅度接近電源地(ground)時，也會遇到同樣的問題。
特別地，對於恆定輸入跨導全擺幅(constant-gm rail-to-rail)運放，當輸入信號偏置在VDD/2時，PMOS輸入對管P1、P2和NMOS輸入對管N1、N2都導通，它們注入到套筒(cascode)級的電流為I。當輸入共模電壓偏置在電源電壓(supply)(或電源地(ground))附近時，PMOS輸入對管P1、P2(或NMOS輸入對管N1、N2)關斷，為維持恆定跨導(constant-gm)特性，NMOS輸入對管N1、N2的尾電流(tail)應為原來的四倍，相應地，NMO輸入對管從套筒(cascode)級吸收的電流為原來的四倍，如此大的電流很容易使套筒(cascode)級的P4、P5進入線性區，使得運放的增益顯著下降。
發明內容
為了避免上述由於電流的變化使得運放內部的電晶體進入線性區工作，以保證運放的增益，本發明利用控制電路對輸入運放內部電晶體的電流進行有效的監測，動態的平衡流經這些電晶體的電流，使這些電晶體始終工作在飽和區，如圖2所示。當輸入信號為小信號時，PMOS輸入對管P1、P2注入到套筒(cascode)級的電流為I+2ISS，由N5、N6和與其並聯的兩電流源吸收。NMOS輸入對管N1、N2從套筒(cascode)級吸收的電流為I+2ISS，由P4、P5和與其並聯的兩電流源提供。當輸入信號為大信號時，例如輸入信號共模電平接近電源電壓(supply)時，PMOS輸入對管P1、P2關斷，流過N5、N6的電流由I變為I/2，為使N5、N6在PMOS輸入對管P1、P2關斷時安全地工作在飽和區，通過檢測輸入對管工作狀態的控制電路，控制流經N5、N6的電流，即當控制電路檢測到PMOS輸入對管P1、P2關斷時，該控制電路同時關斷與N5、N6並聯的兩路電流源，平衡流經N5、N6的電流，從而在整個輸入電壓範圍內，N5、N6始終工作在飽和區，輸出電壓增益不會隨輸入共模電壓的變化而變化。同理，在輸入信號共模電壓接近電源地(ground)時，NMOS輸入對管N1、N2關斷，流經P4、P5的電流由I變為I/2，為使P4、P5在此情況下安全的工作在飽和區，通過檢測輸入對管工作狀態的控制電路，控制流經P4、P5的電流，即當控制電路檢測到NMOS輸入對管N1、N2關斷時，該控制電路同時關斷與P4、P5並聯的兩路電流源，平衡流經P4、P5的電流，從而在整個輸入電壓範圍內，P4、P5始終工作在飽和區，輸出電壓增益不會隨輸入共模電壓的變化而變化。
本電流平衡方法簡單有效，使用該方法，可以使運放在大信號激勵下工作時，運放內部每個電晶體都工作在飽和區下，獲得最大限度的擺幅，很大程度上改進了運放的性能。
圖1是傳統的全差分運放的結構示意圖；圖2是本發明的運放電流平衡方法的結構示意圖。
具體實施例方式
在電流架構上採用本發明所述的電流平衡方法，在三種工藝邊緣(corner)下，當輸入電壓接近電源地(ground)時，只有PMOS輸入對管導通，在NMOS輸入對管關斷的同時控制電路關斷了與其相關的並聯的電流源；當輸入電壓接近電源電壓(supply)時，只有NMOS輸入對管導通，在PMOS輸入對管關斷的同時控制電路關斷了與其相關的並聯的電流源；輸入電壓介於兩者之間時，PMOS和NMOS的輸入對管都導通，同時控制電路沒有關斷這些並聯的電流源。這樣，在整個輸入電壓範圍內，輸入對管的跨導之和基本上恆定，且在三種工藝邊緣(corner)下都運行正常。
權利要求
1.一種關於運放設計的電流平衡方法，其特徵在於利用控制電路對輸入運放內部電晶體的電流進行有效的監測，動態的平衡流經這些電晶體的電流。
2.根據權利要求1所述的電流平衡方法，其特徵在於當控制電路檢測到有電晶體輸入對管關斷時，該控制電路會同時關斷與相關的電晶體並聯的電流源。
全文摘要
一種關於運放(Operational Amplifier)設計的電流平衡方法，利用控制電路對輸入運放內部電晶體的電流進行有效的監測，動態的平衡流經這些電晶體的電流，使這些電晶體始終工作在飽和區。輸入信號為大信號時，有電晶體輸入對管關斷，流過運放內部有些電晶體的電流由I變為I/2，為使這些電晶體在此情況下安全地工作在飽和區，通過檢測輸入對管工作狀態的控制電路，控制流經這些電晶體的電流，即當控制電路檢測到有電晶體輸入對管關斷時，該控制電路同時關斷與這些電晶體並聯的兩路電流源，平衡流經這些電晶體的電流，從而在整個輸入電壓範圍內，這些電晶體始終工作在飽和區，輸出電壓增益不會隨輸入共模電壓的變化而變化。
文檔編號H03F3/45GK1614880SQ20031011394
公開日2005年5月11日 申請日期2003年11月9日 優先權日2003年11月9日
發明者楊建明 申請人:珠海炬力集成電路設計有限公司