增加運算放大器迴轉率的裝置的製作方法

2023-11-02 19:42:12 1

專利名稱：增加運算放大器迴轉率的裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種應用於負回授的單位增益輸入緩沖器的運算 放大器，尤指一種應用鏡射電流的比較來控制輔助輸出，用以增加 運算放大器迴轉率的裝置。
背景技術：
已知的運算放大器為了達到高迴轉率(Slew Rate)的需求，方 式包4舌增加差動豐命入對(Differential Input Pair )的電流或減少補償 電容；但增加差動輸入對的電流會增加靜態電流消耗，減少補償電 容則犧牲了運算放大器的穩定度。
已知的另一方法是使用誤差放大器(Error Amplifier )去推動共 源極輸出級，即推挽式(Push-pull)輸出級輸出，也就是增加額外 的電路來達到目的。請參閱圖1,是已知高迴轉率運算放大器的示 意圖，其組成是由一運算放大器11， 二個誤差放大器12與13，以 及一P型金屬氧化物半導體場效應管(PMOS) 14與一N型金屬氧 化物半導體場效應管(NMOS) 15所組成的推挽式(Push-pull)輸 出級。誤差放大器12與13用來控制輸出級的P型金屬氧化物半導 體場效應管14與N型金屬氧化物半導體場效應管15,其原理為利 用誤差放大器12與13反相(Inverting)輸入端接至運算放大器11 的專lT出端，非反相(Non- Inverting)專命入端4婁至專敘出端節點Vout 所構成的虛擬短路(Virtual short ),力o上誤差放大器12和P型金屬 氧化物半導體場效應管14，以及i吳差方t大器13和N型金屬氧化物
半導體場效應管15所形成的負回4受迴路來控制P型與N型金屬氧 化物半導體場效應管14、 15所組成的推衝免式輸出級，以提供負載 端4,入(Push)或々立出(Pull)的電流。
此提高迴轉率的高迴轉率運算放大器的工作原理是當其輸出 電壓V0小於運算方文大器11的輸出電壓VI時，誤差放大器12的輸 出電壓V2會使P型金屬氧化物半導體場效應管14增加導通，而誤 差放大器13的輸出電壓V3會使N型金屬氧化物半導體場效應管 15減少導通或完全關閉，此時P型金屬氧化物半導體場效應管14 會4,入(Push),也就是產生電流至l命出端節點Vout。當l俞出電壓 VO大於運算力文大器ll的輸出電壓Vl時，誤差方文大器12的輸出電 壓V2會4吏P型金屬氧化物半導體場效應管14減少導通或完全關 閉，而誤差》文大器13的輸出電壓V3會使N型金屬氧化物半導體 場效應管15增加導通，此時N型金屬氧化物半導體場效應管15會 自輸出端節點Vout拉出(Pull),也就是匯集(Sink)電流。
而當輸出電壓V0等於運算放大器11的輸出電壓VI時，誤差 放大器12的輸出電壓V2會使的P型金屬氧化物半導體場效應管 14操作在一靜態電流下，而誤差放大器13的輸出電壓V3會使的N 型金屬氧化物半導體場效應管15才喿作在此^K態電流下。也就是當 輸入與輸出相等時，P型金屬氧化物半導體場效應管14與N型金 屬氧化物半導體場效應管15操作在原先設定的直流偏壓條件(DC bias condition )下。
這種結構通常是用來推動重負載，如小電阻、大電容等。為了 要讓P型金屬氧化物半導體場效應管14與N型金屬氧化物半導體 場效應管15能提供大電流至負載，其外觀比(Aspect ratio )要非常 大。因此，推挽式輸出級需消耗很大的靜態電流，要符合低功率消 耗、高迴轉率的目標反而非常困難。此外，電路結構也較複雜，在 誤差放大器的設計上還需要考慮其偏移電壓(Offset Voltage )、布局
上的對稱性、頻寬，以及噪聲的大小，因此勢必要佔掉極大的晶片 面積，增加製造的成本。

發明內容
於是為解決上述缺陷，避免缺陷存在，本發明的目的在於提供 一種增加運算放大器迴轉率的裝置，且不增加運算放大器靜態消耗 電流，不改變運算力文大器極零點位置。本發明是一種應用於具有推挽式輸出級的負回授單位增益輸 入緩沖器的運算放大器，用以增加運算放大器迴轉率的裝置，本發
明包括 一運算放大器，該運算放大器具有一輸入級、 一控制級與 一輸出級，該輸入級4妄收輸入信號，而該l命出級的輸出端在該運算 放大器對輸入信號運算放大後輸出信號，其中該輸出級是由一推入 電晶體和一拉出電晶體串聯所成，且該推入電晶體受該控制級的一推入控制節點的控制，該拉出電晶體受該控制級的 一拉出控制節點 的控制； 一輔助控制裝置，該輔助控制裝置連接到該控制級的推入 控制節點與拉出控制節點，該輔助控制裝置鏡射該輸出級的電流與 參考電流比較，用以產生一輔助推入控制信號與一輔助拉出控制信 號；以及一輔助輸出裝置，該輔助輸出裝置連接到該運算放大器的 輸出級，並受該輔助控制裝置的輔助推入與輔助拉出控制信號所控 制。當該輸出信號的電壓水平實質上不等於該輸入信號的電壓水平 時，則該輔助控制裝置控制開啟該輔助輸出裝置提供一輔助輸出電 流至該輸出端，而當該輸出信號的電壓水平實質上等於該輸入信號 的電壓水平時，該輔助輸出裝置則關閉不再提供電流。其中，該輔助輸出裝置包括 一輔助推入電晶體，該輔助推入 電晶體用以接收該輔助推入控制信號，而其輸出端連接至該運算放 大器的輸出端；以及一輔助拉出電晶體，該輔助拉出電晶體用以接
收該輔助拉出控制信號，而其輸出端連接至該運算放大器的輸出 端。
該輔助控制裝置包括 一推入控制裝置與一拉出控制裝置。該 推入控制裝置具有一第一電流比較器與一第一轉換裝置，其中，該 第一電流比較器接入與該輸出級的推入電晶體鏡射且受該控制級 的推入控制節點控制的 一第 一鏡射電晶體所輸入的 一 第 一鏡射電 流，該第 一鏡射電流與 一第 一參考電流通過該第 一 電流比較器後產 生一第一控制信號給該第一轉換裝置，用以切換該第一轉換裝置接 入的一第一關閉信號與一第一開啟信號形成該輔助推入控制信號， 用以控制該輔助輸出裝置的輔助推入電晶體。該拉出控制裝置，具 有一第二電流比較器與一第二轉換裝置，其中，該第二電流比較器 接入與該輸出級的拉出電晶體鏡射且受該控制級的拉出控制節,A 控制的 一 第二鏡射電晶體所輸入的 一 第二鏡射電流，該第二鏡射電 流與 一 第二參考電流通過該第二電流比較器後產生 一 第二控制信 號給該第二轉換裝置，用以切換該第二轉換裝置接入的一第二關閉 信號與一第二開啟信號形成該輔助拉出控制信號，用以控制該輔助
輸出裝置的輔助拉出電晶體。
本發明對運算放大器添加一輔助輸出裝置及一輔助控制裝置， 該輔助控制裝置鏡射輸出級的電流與 一參考電流比較，通過監控輸 出級的電流，快速的產生輔助推挽(推入/拉出)控制信號控制該輔 助輸出裝置，當該輸出信號的電壓水平實質上不等於該輸入信號的 電壓水平時，則該輸出級控制該輔助控制裝置開啟該輔助輸出裝置 提供一輔助輸出電流至該輸出端，而當該輸出信號的電壓水平實質 上等於該輸入信號的電壓水平時，該輔助輸出裝置則關閉不再提供 電流。當然也可以通過該電流比較器延遲該推出與輔助拉出電晶體 的關閉時間，搭配輸出電流至負載的考慮。與其它技術利用電壓變
化來控制，本發明利用電流調節輔助輸出端的開關可以更快的反應 輸入端的變化，且可視應用情況延遲輔助輸出級電晶體的關閉。


圖1為已知高迴轉率運算放大器的示意圖。
圖2為一4殳AB類(Class AB)運算方文大器的電^各示意圖。 圖3為本發明增加運算器迴轉率的裝置示意圖。
具體實施例方式
在此，有關本發明的詳細內容及技術說明，現以實施例來作進 一步說明，但應了解的是，這些實施例僅為示例說明之用，而不應 被解釋為本發明實施的限制。
請先參閱圖2，為一般AB類(Class AB )運算放大器的電路 示意圖。 一般AB類(Class AB)運算放大器為具有推挽式輸出級 的運算放大器，該運算放大器包括一輸入級(I叩ut Stage) 110、 一 AB類(Class-AB )控制級120及一輸出級150。該輸入級110包括 由P型電晶體Ul、113與115所組成的P型輸入對，P型電晶體111 為其電流源；以及三個N型電晶體112、 114與116所《且成的N型 輸入對，N型電晶體116為其電流源。該AB類(Class-AB )控制 級120包4舌由四個P型電晶體131、 133、 135與137所症且成的P型 主動負載130，以及四個N型電晶體141、 143、 145與147所組成 的N型主動負載140。輸出級150由一個推入電晶體(P型電晶體) 151和一個拉出電晶體(N型電晶體)153串聯所成。
非反相輸入端V+接到P型電晶體115和N型電晶體112的閘 級，反相輸入端V-接到P型電晶體113和N型電晶體114的間級。
輸出級150的推入電晶體151與拉出電晶體153的汲極連接在一起 接到輸出端Vout。 P型電晶體113與115的汲核z接至N型主動負載 140， N型電晶體112與114的汲極接至P型主動負載130。 P型主 動負載130通過電阻121與122連接至N型主動負載140。輸出級 150的推入電晶體151的閘極接至P型主動負載130和電阻122的 間的推入控制節點GP，受該推入控制節點GP的控制，而輸出級 150的N型電晶體153的閘極接至N型主動負載140和電阻122的 間的拉出控制節點GN,受該拉出控制節點GN的控制。補償電容 Cl 一端接至P型主動負載130的P型電晶體133和137之間，其 另一端則接到輸出級150的輸出端Vout;補償電容C2 —端接至N 型主動負載140的N型電晶體143和147之間，其另一端則接到輸 出級150的l俞出端Vout。
Vbl Vb4為偏壓電壓，用來i殳定電晶體的工作範圍，例如圖式 中的偏壓電壓Vbl連接到P型電晶體111的閘極，用以偏壓P型晶 體管111，以控制該輸入級110中P型輸入對的電流源。而圖式中 的偏壓電壓Vb2連接到N型電晶體116的閘極，用以偏壓N型晶 體管116，以控制該輸入級110中N型輸入對的電流源。而偏壓電 壓Vb3則連接到P型主動負載130的P型電晶體135和137，用以 控制其偏壓的狀態。而偏壓電壓Vb4則連4妄到N型主動負載140 的N型電晶體141和143,用以控制其偏壓的狀態。電容CL為運 算放大器所要推動的負載。
在上述AB類運算》文大器中，P型電晶體111為該輸入級110 的P型輸入對4是供了 一定電流Ip, N型電晶體116為N型輸入對摘: 供了 一定電流In。當非反相輸入端V+和反相輸入端V-的電壓相等 時，定電流Ip會平均地^虎過P型電晶體113和115，即定電流Ip 的一半，而定電流In會平均;也流過N型電晶體112和114，即定電 流In的一半。
當非反相輸入端v+的電壓水平大於反相輸入端v-的電壓水平
時，定電流In會幾近全部流往N型電晶體112，定電流Ip會幾近 全部流4主P型電晶體113。定電流In會流入P型主動負載130， <吏 輸出級150的推入電晶體151的源極與閘極的電壓差(Vsg)增加 以提供更大的推入電流至負載(電容CL )。定電流Ip會流入N型 主動負載140，使輸出級150的拉出電晶體153的閘極與源極的電 壓差(Vgs)減少以降低自負載(電容CL)拉出的電流。
當非反相輸入端V+的電壓水平小於反相輸入端V-的電壓水平 時，定電流In會幾近全部流^主N型電晶體114,定電;危Ip會幾近 全部流往P型電晶體115。定電流In會流入P型主動負載130，使 輸出級150的推入電晶體151的源極與閘極的電壓差(Vsg)減少 以降^氐送至負載(電容CL)的4,入電流。定電流Ip會流入N型主 動負載140,使輸出級150的拉出電晶體153的閘極與源極的電壓 差(Vgs )增加以增加自負載(電容CL )拉出的電流。
電阻121和122是用以形成AB類控制級120控制輸出級150 靜態消耗電流的組件，為了說明方便此處使用電阻，但也可以使用 其它組件，如電晶體來替代。
為了達到增加運算放大器迴轉率的目的，本發明在原有運算放 大器的輸出級上增加一輔助輸出裝置與一輔助控制裝置，該輔助輸 出裝置是用來提供一額外電流至負載，而該輔助控制裝置利用鏡射 輸出級的電流與參考電流比較的方式，通過電流的同步快速比較， 快速的控制該輔助輸出裝置。當輸出級的輸出信號的電壓水平實質 上不等於輸入級的輸入信號的電壓水平時，則開啟該輔助輸出裝置 l是供一輔助輸出電流至該輸出端，而當輸出信號的電壓水平實質上 等於輸入信號的電壓水平時，該輔助輸出裝置則關閉不再提供電流。
請參閱圖3，為本發明增加運算器迴轉率的裝置示意圖，以AB 類運算放大器為例，其包括 一運算放大器200，該運算放大器200 具有一輸入級210、 一控制級220與一輸出級250,該專lT入級210 具有一非反相輸入端V+與一反相輸入端V-接收輸入信號，而該輸 出級250的輸出端Vout在該運算放大器200對輸入信號經過運算放 大後輸出 一輸出信號，其中該輸出級250是由一推入電晶體251和 一拉出電晶體253串聯所成，且該推入電晶體251受該控制級220 的一推入控制節點GP的控制，該拉出電晶體253受該控制級220 的一^:出控制節點GN的控制。 一輔助控制裝置260，連^t妄到該控 制級220的推入控制節點GP與拉出控制節點GN,並鏡射該輸出 級250的電流與參考電流(272、 282)比^_，用以產生一輔助推入 控制信號GPP與一輔助拉出控制信號GNN;以及一輔助輸出裝置 290連接到該運算》丈大器200的輸出級250,並由該輔助控制裝置 260所控制。該輔助輸出裝置290包括 一輔助推入電晶體291， 該輔助推入電晶體291用以4妄收該輔助推入控制信號GPP，而其汲 才及輸出端連接至該運算方文大器200的輸出端Vout;以及一輔助4i出 電晶體293,該輔助拉出電晶體293用以接收該輔助拉出控制信號 GNN,而其汲極輸出端連接至該運算方文大器200的輸出端Vout。
而該輔助控制裝置260包括 一推入控制裝置270與一拉出控 制裝置280。該推入控制裝置270具有一第一電流比4交器273與一 第 一轉換裝置274 ，其中該第 一 電流比較器273接入與該輸出級250 的推入電晶體251鏡射且一樣受該控制級220的推入控制節點GP 控制的一第一鏡射電晶體271所輸入的一第一鏡射電流Il,該第一 鏡射電流11與 一第 一參考電流272通過該第 一 電流比較器273後產 生一第一控制信號VI給該第一轉換裝置274，用以切換該第一轉 換裝置274接入的一第一關閉信號275(例如系統的才喿作電壓VDD ) 與一第一開啟信號276 (例如用來設定電晶體工作範圍的偏壓電壓
VD1 )形成該輔助推入控制信號GPP，用以控制該輔助輸出裝置2卯 的輔助推入電晶體291。
該拉出控制裝置280，具有一第二電流比較器283與一第二轉 換裝置284，其中，該第二電流比4交器283^妾入與該輸出級250的 ^立出電晶體253 4竟射且一樣受該控制級220的^立出控制節點GN控 制的一第二4竟射電晶體281所輸入的一第二4竟射電流I2,該第二鎮〕 射電流12與 一第二參考電流282通過該第二電流比4支器283後產生 一第二控制信號V2給該第二轉換裝置284，用以切換該第二轉換 裝置284接入的一第二關閉信號285 (例如系統的低電壓Vss)與 一第二開啟信號286 (例如用來設定電晶體工作範圍的偏壓電壓 VD2)形成該輔助^立出控制信號GNN,用以控制該輔助輸出裝置 2卯的輔助^立出電晶體293。
在該運算放大器200穩態的情況下，即當非反相輸入端V+和 反相輸入端V-的電壓相等時，受該控制級220的4,入控制節點GP 控制的第 一鏡射電晶體271所輸入的第 一鏡射電流II將會小於該第 一參考電流272,所以該第一控制信號VI的輸出為"low"，則第一 轉換裝置274會將該輔助推入控制信號GPP切換為第一關閉信號 275 (系統的才喿作電壓VDD),所以該豐甫助llr出裝置2卯的輔助4, 入電晶體291關閉不工作；而受該控制級220的^立出控制節點GN 控制的第二鏡射電晶體281所輸入的第二鏡射電流12將會小於該第 二參考電流282,所以該第二控制信號V2的輸出為"low"，則第二 轉換裝置284會將該輔助拉出控制信號GNN切換為第二關閉信號 285 (系統的低電壓Vss),所以該輔助輸出裝置290的輔助拉出晶 體管293關閉不工作，也就是整個輔助輸出裝置290都不工作。
當非反相輸入端V+的電壓水平大於反相輸入端V-的電壓水平 時，該推入控制節點GP的電壓會大幅降低，使該輸出級250中推 入電晶體251的推入電流增大；相同的該第一鏡射電晶體271所輸入的第一鏡射電流Il將會大於該第一參考電流272，所以該第一控 制信號VI的輸出為"high"，則第一轉換裝置274會將該輔助推入控 制信號GPP切換為第一開啟信號276 (偏壓電壓VD1 ),所以該輔 助輸出裝置290的輔助推入電晶體291導通，增加輸出端Vout送至 負載的電流量。而該4立出控制節點GN的電壓不變，所以該第二鎮: 射電流I2還是小於該第二參考電流282，該第二控制信號V2的輸 出為"low",則第二轉換裝置284的輔助拉出控制信號GNN為第二 關閉信號285 (系統的低電壓Vss )，所以該輔助輸出裝置290的輔 助4立出電晶體293關閉不工作。
如果，當非反相輸入端V+的電壓水平小於反相輸入端V-的電 壓水平時，該推入控制節點GP的電壓與穩態時相同，所以該第一 鏡射電晶體271所輸入的第 一鏡射電流II將會小於該第 一參考電流 272，所以該第一控制信號VI的輸出為"low"，則第一轉換裝置274 會將該輔助推入控制信號GPP維持在第一關閉信號275 (系統的操 作電壓VDD),所以該輔助輸出裝置290的輔助推入電晶體291關 閉不工作。但該拉出控制節點GN的電壓會大幅增加，使該輸出級 250的拉出電晶體253的拉出電流增大；相同的該第二鏡射電晶體 281所輸入的第二鏡射電流I2將會大於該第二參考電流282，所以 該第二控制信號V2的輸出為"high"，則第二轉換裝置284會將該輔 助4立出控制信號GNN切換為第二開啟信號286 (偏壓電壓VD2)， 所以該輔助輸出裝置290的輔助拉出電晶體293導通，使增加自輸 出端Vout4立出的電 流o
本發明通過監控輸出級的電流，可以快速的產生輔助推入/拉出 控制信號控制該輔助輸出裝置，當該輸出信號的電壓水平實質上不 等於該輸入信號的電壓水平時，開啟該輔助輸出裝置提供一輔助輸 出電流至該iir出端，而當該輸出信號的電壓水平實質上等於該llr入 信號的電壓水平時，該輔助輸出裝置則關閉不工作。當然本發明也可以在該電流比較器中加入遲滯電路，用以延遲該輔助推入/拉出晶 體管的關閉時間，搭配輸出電流至負載的考慮。與其它技術利用電 壓變化來控制，本發明利用電流調節輔助輸出端的開關，可以更快 的反應輸入端的變化增加運算放大器迴轉率，且就電路結構而言， 構造簡單，可以直接套用到現有的運算放大器上，不需重新設計， 也就是保有原有運送放大器的特性。上述僅為本發明的較佳實施例而已，並非用來限定本發明實施 的範圍。凡是根據本發明申請專利範圍所做的等同變化與修飾，都 涵蓋在本發明專利範圍內。
權利要求
1.一種增加運算放大器迴轉率的裝置，其特徵在於，包括一運算放大器(200)，其具有一輸入級(210)、一控制級(220)與一輸出級(250)，所述輸入級(210)接收輸入信號，而所述輸出級(250)的輸出端(Vout)在所述運算放大器(200)對輸入信號運算放大後輸出信號，其中，所述輸出級(250)是由一推入電晶體(251)和一拉出電晶體(253)串聯所成，且所述推入電晶體(251)受所述控制級(220)的一推入控制節點(GP)的控制，所述拉出電晶體(253)受所述控制級(220)的一拉出控制節點(GN)的控制；一輔助控制裝置(260)，其連接到所述控制級(220)的推入控制節點(GP)與拉出控制節點(GN)，並鏡射所述輸出級(250)的電流與參考電流(272、282)比較，用以產生一輔助推入控制信號(GPP)與一輔助拉出控制信號(GNN)；以及一輔助輸出裝置(290)，其連接到所述運算放大器(200)的輸出級(250)，並由所述輔助控制裝置(260)的輔助推入控制信號(GPP)與輔助拉出控制信號(GNN)所控制，其中，當所述輸出信號的電壓水平實質上不等於所述輸入信號的電壓水平時，則所述輔助控制裝置(260)控制開啟所述輔助輸出裝置(290)提供一輔助輸出電流至所述輸出端(Vout)，而當所述輸出信號的電壓水平實質上等於所述輸入信號的電壓水平時，所述輔助輸出裝置(290)則關閉不再提供電流。
2. 根據權利要求1所述的增加運算放大器迴轉率的裝置，其特徵 在於，所述輔助輸出裝置(290)包括 一輔助推入電晶體(291),用以4妄收所述輔助推入控制 信號(GPP),而其輸出端連接至所述運算放大器(200)的輸 出端(Vout);以及一輔助拉出電晶體(293 ),用以接收所述輔助拉出控制 信號(GNN),而其輸出端連接至所述運算放大器(200 )的 專俞出端(Vout)。根據權利要求1所述的增加運算放大器迴轉率的裝置，其特徵 在於，所述輔助控制裝置(260)包括一推入控制裝置(270)，其具有一第一電流比較器(273 ) 與一第一轉換裝置(274)，其中，所述第一電流比較器(273 ) 接入與所述輸出級(250)的推入電晶體(251 )鏡射且受所述 控制級(220)的推入控制節點(GP)控制的一第一鏡射晶體 管(271 )所輸入的一第一鏡射電流(II ),所述第一鏡射電流 (II )與 一第 一參考電流(272 )通過所述第 一 電流比較器(273 ) 後產生一第一控制信號(VI)給所述第一轉換裝置(274)， 用以切換所述第一轉換裝置(274)接入的一第一關閉信號 (275 )與一第一開啟信號(276 )形成所述輔助推入控制信號 (GPP),用以控制所述輔助輸出裝置(290)的輔助推入晶體 管(291 );以及一拉出控制裝置(280)，其具有一第二電流比較器(283 ) 與一第二轉換裝置(284),其中，所述第二電流比較器(283 ) 接入與所述輸出級(250)的拉出電晶體(253 )鏡射且受所述 控制級(220)的拉出控制節點控制(GN)的一第二鏡射晶體 管(281 )所輸入的一第二鏡射電流(12)，所述第二鏡射電流 (12 )與一第二參考電流(282 )通過所述第二電流比較器(283 ) 後產生一第二控制信號(V2)給所述第二轉換裝置(284), 用以切換所述第二轉換裝置(284 )接入的一第二關閉信號(285 )與一第二開啟信號(286)形成所述輔助拉出控制信號 (GNN),用以控制所述輔助輸出裝置(290)的輔助4立出晶 體管(293 )。
全文摘要
一種增加運算放大器迴轉率的裝置，是在運算放大器的輸出級後添加一輔助輸出裝置及一輔助控制裝置，通過該輔助控制裝置鏡射輸出級的電流與參考電流比較後，產生輔助推挽控制信號控制該輔助輸出裝置，當該輸出信號的電壓水平實質上不等於該輸入信號的電壓水平時，則控制該輔助控制裝置開啟該輔助輸出裝置提供一輔助輸出電流至輸出端，而當該輸出信號的電壓水平實質上等於該輸入信號的電壓水平時，該輔助輸出裝置則關閉。
文檔編號H03F1/02GK101340176SQ20071012325
公開日2009年1月7日 申請日期2007年7月2日 優先權日2007年7月2日
發明者俞仲威 申請人:矽創電子股份有限公司