CN101459412B - 满幅输入输出的运算放大器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种满幅输入输出的运算放大器，在现有的满幅输入输出运放的基础上，采用上下不对称的电流源控制输入管的电流，NMOS差分对的源端接开关晶体管一的源极、电流镜一的输出端及电流源一，PMOS差分对的源端接开关晶体管二的源极、电流镜二的输出端及电流源二，开关晶体管一的漏极接电流镜二的输入端，开关晶体管二的漏极接电流镜一的输入端，PMOS、NMOS互补差分对栅极接输入差分信号；电流源一等于电流源二，电流镜一、电流镜二为1∶3的电流镜。本发明的满幅输入输出的运算放大器能保持共模输入范围内跨导恒定。

Description

满幅输入输出的运算放大器 

技术领域

本发明涉及运算放大器电路，特别涉及一种满幅输入输出的运算放大器。 

背景技术

运算放大器是模拟集成电路中的一个重要模块，在MOS管的特征尺寸和电源电压不断下降的情况下，对于一个运算放大器，我们不但希望它的输入和输出仍然有大的动态范围，而且希望输出级仍然有较强的驱动能力。这个时候，满幅输入输出(rail-to-rail)的放大器就变得尤为重要。 

一个典型的rail-to-rail放大器的结构框图如图1所示，包括互补差分对输入级、AB类输出级、跨导g_m控制电路及偏置电路。通常的rail-to-rail运放采用两级结构，如图2所示，为了使共模输入电压可以达到满幅，采用PMOS和NMOS互补差分输入对并联的形式作为输入级，Ip、In分别作为PMOS输入对和NMOS输入对的电流源。在共模电压变化范围内输入级跨导gm会随之发生改变，为了使频率补偿变得简单，就需要恒定的跨导gm，为了保持跨导在输入共模范围内恒定，还须加入一个跨导控制电路，输出级用AB类输出级实现，传统的结构是将输入级与AB类输出级直接级联。如图2所示，MOS管MN1、MN2和MP1、MP2分别为NMOS差分输入对和PMOS差分输入对，MN1与MN2的源极相连，接电流源In，栅极接输入差分信号Vp、Vn，漏极分别接MOS管M5、M6的漏极；MOS管M5-M8为共源共栅结构：M5与M6的栅相连，并与 M7的漏相连，漏极分别与M7、M8的源相连，源极接电源电压，M7与M8共栅，接偏置电压Vb1；同样，MP1与MP2的源极相连，接电流源Ip，栅极接输入差分信号Vp、Vn，漏极分别与电流源Ib1、Ib2相连，并与MOS管M9、M10的源相连，M9、M10共栅，接偏置电压Vb2，漏极分别与M7、M8漏极相连，由此构成互补差分对的输入级。AB类输出级部分的连接关系如下：MOS管Mo1与Mo2为悬浮电压源，Mo1的源与Mo2的漏相连，接电流源Ib3；Mo1的漏与Mo2的源相连，接电流源Ib4；MOS管Mo3与Mo4为二极管连接，Mo3的栅接于Mo4的源，Mo4的栅接于Mo1栅极，并与电流源Ib5相连；同样MOS管Mo5与Mo6也为二极管连接，Mo5的栅接于Mo2栅极，并与电流源Ib6相连；MOS管Mo7的漏与Mo8的漏相连输出信号，栅分别与Mo1的源和漏相连。输入级与输出级的连接关系是将M10的漏直接与Mo1的漏相连。由于悬浮电压源的偏置电流源Ib4、Ib3与输入级的有源负载并联，会在一定程度上导致增益的降低，同时较大的电流源还会带来较大的噪声和失调电压。 

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种满幅输入输出的运算放大器，该满幅输入输出的运算放大器能保持共模输入范围内跨导恒定。 

为解决上述技术问题，本发明的满幅输入输出的运算放大器，包括跨导控制电路及PMOS、NMOS并联的互补差分对的输入级，其特征在于，跨导控制电路包括开关晶体管一MSW1、开关晶体管二MSW2及电流镜一、电流镜二，NMOS差分对的源端接开关晶体管一的源极、电流镜一的输出端及电流源一In，PMOS差分对的源端接开关晶体管二的源极、电流镜二的输出端及电流源二Ip，开关晶体管一的漏极接电流镜二的输入端，开关 晶体管二的漏极接电流镜一的输入端，PMOS、NMOS互补差分对栅极接输入差分信号，漏端接有源负载；电流源一等于电流源二，电流镜一、电流镜二为1∶3的电流镜。 

本发明的满幅输入输出的运算放大器，可以是PMOS管M5-M8、NMOS管M9-M12分别为NMOS与PMOS差分对的有源负载，M5与M6共栅且栅极与M7漏极连接，M7与M8共栅，源极分别与M5、M6漏极及NMOS差分对的两个漏极连接；M9-M12结构与M5-M8相同；M7漏极与悬浮电压源的MOS管Mo1源极及Mo2漏极相连，M8漏极与悬浮电压源的MOS管Mo1’源极及Mo2’漏极相连，M9漏极与Mo1漏极和Mo2源极相连，M10漏极与Mo1’漏极和Mo2’源极相连，Mo1’漏极和源极分别接AB类输出级输出MOS管的栅极。 

本发明的满幅输入输出的运算放大器在现有的满幅输入输出运放的基础上，采用上下不对称的电流源控制输入管的电流，以实现共模范围内的恒定跨导。并将AB类输出级与输入级的有源负载结合起来，将AB类输出级的悬浮电压源用有源负载进行偏置，从而运放的噪声和失调电压仅来自输入管和有源负载，在实现满幅输出的基础上，达到减小噪声、降低输入失调电压的目的。 

附图说明

下面结合附图及具体实施方式对本发明作进一步详细说明。 

图1是典型的rail-to-rail放大器的结构框图； 

图2是传统的输入级与AB类输出级级联电路； 

图3是本发明的满幅输入输出的运算放大器一实施方式电路图。 

具体实施方式

为了使满幅输入输出的运算放大器共模输入电压可以达到满幅，采用PMOS和NMOS差分输入对并联的形式作为输入级，在共模电压变化范围内输入级跨导gm也会随之发生改变，为了使频率补偿变得简单，就需要恒定的gm。由 $g_m=\sqrt{{\mathrm{\β}}_p{I}_p}+\sqrt{{\mathrm{\β}}_n{I}_n}$ 可知，当共模电压很高时，PMOS输入对管将截止，此时仅有NMOS输入对工作，因此 $g_m=\sqrt{{\mathrm{\β}}_n{I}_n}$ ；相同地，当共模电压很低时，仅有PMOS输入对正常工作， $g_m=\sqrt{{\mathrm{\β}}_p{I}_p}$ 。若β_p＝β_n，I_p＝I_n，则共模电压很高和很低时，gm会变为原来的一半。其中β_p＝β_n，即  $\frac{{\mathrm{\μ}}_n}{{\mathrm{\μ}}_p}=\frac{{(W/L)}_p}{{(W/L)}_n}$ 。因此要得到恒定的gm，可以使电流增大到原来的4倍。 

基于以上原理，本设计满幅输入输出的运算放大器采用开关和电流镜控制输入管内的电流，实现恒定gm。本发明的满幅输入输出的运算放大器的一实施方式如图3所示，开关晶体管MSW1源极与N型差分输入对的MOS管MN1、MN2源极相连，栅极接偏置电压Vb4，漏极与MOS管M3漏极相连，M3的漏与栅相连，且连于MOS管M4的栅极，源极与M4的源相连接于电源电压，M4的漏与P型差分输入对的MOS管MP1的源相连；同样，开关晶体管MSW2源极与P型差分输入对的MOS管MP1源极相连，栅极接偏置电压Vb3，漏极与M1漏极相连，MOS管M1的漏与栅相连，且连于MOS管M2的栅极，源极与M2的源相连接于地，M2的漏与MN1的源相连。其中MOS管M1、M2，M3、M4的宽长比均为1∶3，PMOS输入对和NMOS输入对的电流源相等，即Ip＝In，Vb3、Vb4为MSW2、MSW1提供直流偏置。当共模电压升高，使|V_GSMP|＜V_tp，PMOS输入对截止，MN1源极电位抬高，使得MSW1截止，此时MSW2导通，将电流源Ip通过1∶3的电流镜M1、M2 镜像到NMOS差分对的源极，使得NMOS差分对中的电流增大到原来的4倍。同理，当共模电压很低，使|V_GSMN|＜V_tn，MP1源极电位降低，使得MSW2截止，此时MSW1导通，PMOS差分对的电流也增大到原来的4倍。当共模电压的值使得|V_GSMP|＞V_tp且|V_GSMN|＞V_tn时，PMOS和NMOS差分对均导通，此时MSW1和MSW2截止，从而保证了gm在共模电压范围内保持不变。 

本发明的满幅输入输出的运算放大器的输入级与AB类输出级的结构如图3所示，互补的差分输入对与图2中的结构相同，而对输出级做了一些改进，即将悬浮电压源与输入级的有源负载相结合。MOS管M5-M8、M9-M12分别为NMOS与PMOS输入管的有源负载，结构对称。M5与M6共栅，且与M7漏极连接，M7与M8共栅，源极分别与M5、M6漏极连接。M9-M12结构与M5-M8相同。M7漏极与MOS管Mo1源极和MOS管Mo2漏极相连，M8漏极与MOS管Mo1’源极和MOS管Mo2’漏极相连，M9漏极与Mo1漏极和Mo2源极相连，M10漏极与Mo1’漏极和Mo2’源极相连，Mo1’漏极和源极分别接AB类输出级输出MOS管的栅极。输出级的其它连接关系与图3相同。将AB类输出级与输入级的有源负载结合起来，用有源负载进行偏置，从而运放的噪声和失调电压仅来自输入管和有源负载，达到了减小噪声和失调的目的。 

本发明的满幅输入输出的运算放大器在现有的满幅输入输出运放的基础上，采用上下不对称的电流源控制输入管的电流，以实现共模范围内的恒定跨导。并将AB类输出级与输入级的有源负载结合起来，将AB类输出级的悬浮电压源用有源负载进行偏置，从而运放的噪声和失调电压仅来自输入管和有源负载，在实现满幅输出的基础上，达到减小噪声、降低输 入失调电压的目的。 

本设计采用上下不对称的电流源实现了一种满幅输入恒定跨导的两级运算放大器结构，采用与有源负载相结合的AB类输出级有效地降低了输入失调电压和噪声。本设计具有满幅输入输出、高增益、良好的频率特性、低噪声和低输入失调电压的特点。电源电压3.3V，输入共模范围在0~3.3V，增益达到87dB。 

Claims (3)

1.一种满幅输入输出的运算放大器，包括跨导控制电路及PMOS、NMOS并联的互补差分对的输入级，其特征在于，跨导控制电路包括开关晶体管一(MSW1)、开关晶体管二(MSW2)及电流镜一、电流镜二，NMOS差分对的源端接开关晶体管一的源极、电流镜一的输出端及电流源一(In)，PMOS差分对的源端接开关晶体管二的源极、电流镜二的输出端及电流源二(Ip)，开关晶体管一的漏极接电流镜二的输入端，开关晶体管二的漏极接电流镜一的输入端，PMOS、NMOS互补差分对栅极接输入差分信号；电流源一等于电流源二，电流镜一、电流镜二为1∶3的电流镜。

2.根据权利要求1所述的满幅输入输出的运算放大器，其特征在于，电流镜一为一基本NMOS电流镜，由两个NMOS管组成，两个NMOS管源极接相接，一个NMOS管的漏极同两个NMOS管栅极相接作为参考电流输入端，另一个NMOS管的漏极作为电流镜电流输出端；电流镜二为基本PMOS电流镜，由两个PMOS管组成，两个PMOS管源极接相接，一个PMOS管的漏极同两个PMOS管栅极相接作为参考电流输入端，另一个PMOS管的漏极作为电流镜电流输出端；电流镜输入端的MOS管同输出端的MOS管的宽长比为1∶3。

3.根据权利要求1所述的满幅输入输出的运算放大器，其特征在于，PMOS、NMOS互补差分对漏端接有源负载，PMOS管M5-M8、NMOS管M9-M12分别为NMOS与PMOS差分对的有源负载，M5与M6共栅且栅极与M7漏极连接，M7与M8共栅，源极分别与M5、M6漏极及NMOS差分对的两个漏极连接；M9-M12结构与M5-M8相同；M7漏极与悬浮电压源的MOS管Mo1源极及Mo2漏极相连，M8漏极与悬浮电压源的MOS管Mo1’源极及Mo2’漏极相连，M9漏极与Mo1漏极和Mo2源极相连，M10漏极与Mo1’漏极和Mo2’源极相连，Mo1’漏极和源极分别接AB类输出级输出MOS管的栅极。

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