CN101789765A - 一种低功耗高效率运算放大器电路及其工作方法 - Google Patents

Abstract

一种低功耗高效率运算放大器电路，它包括差分放大单元、共源放大单元、源随单元和补偿单元；其工作方法为：采集信号、信号放大、随源输出、信号比较后输出信号实现负向高驱动能力。其优越性：①将源随输出与共源放大结合起来，提高了输出的双向驱动能力；②输出端没有大功耗电流源，从而降低了静态功耗；③驱动功率大，输出电压摆幅宽；④电路构成简单，实用性强。

Description

一种低功耗高效率运算放大器电路及其工作方法

(一)技术领域：

本发明涉及一种运算放大器电路，尤其是一种低功耗高效率运算放大器电路及其工作方法。

(二)背景技术：

在一般的运算放大器中，要想获得较高的驱动功率，就需要提高静态功耗，二者存在一定的折中关系；如通常使用的甲类输出运放的正向驱动能力很强，但负向驱动较弱，只有提高负向静态偏置电流，才能提高其负向驱动能力，这就增大了功耗。

(三)发明内容：

本发明的目的在于设计一种低功耗高效率运算放大器电路及其工作方法，它可以克服现有技术的不足，在保持低功耗的基础上，实现较高的驱动效率，以及较宽的输出电压摆幅。

本发明的技术方案：一种低功耗高效率运算放大器电路，包括输入信号VP端子、输入信号VN端子、电源电压VDD端子、输出电压VOUT端子，其特征在于它包括差分放大单元、共源放大单元、源随单元和补偿单元；其中，所说的差分放大单元的输入端连接输入信号VP端子、输入信号VN端子、电源电压VDD端子及地，其输出端分别与共源放大单元的输入端、源随单元的输入端及补偿单元连接；所说的共源放大单元的输入端连接电源电压VDD端子及地，其输出端与源随单元的输入端连接；所说的源随单元的输入端连接电源电压VDD端子及地，其输出端连接输出电压VOUT端子；所说的补偿单元的一端与差分放大单元的输出端连接，另一端与源随单元的输出端连接。

上述所说的差分放大单元由PMOS管M1、PMOS管M2、NMOS管M3、NMOS管M4和电流源I1构成；其中，所说的电流源I1的输入端与电源电压VDD端子连接，其输出端与PMOS管M1的源极以及PMOS管M2的源极连接；所说的PMOS管M1的栅极与输入信号VN端子连接，其漏极与NMOS管M3的漏极、栅极以及NMOS管M4的栅极连接，其源极接地；所说的PMOS管M2的栅极与输入信号VP端子连接，其漏极与NMOS管M4的漏极、共源放大单元的输入端、源随单元的输入端以及补偿单元连接，其源极接地。

上述所说的共源放大单元由NMOS管M5与电流源I2构成；其中，电流源I2的输入端与电源电压VDD端子连接，其输出端与NMOS管M5的漏极和源随单元的输入端连接；所说的NMOS管M5的栅极与PMOS管M2的漏极、NMOS管M4的漏极、源随单元的输入端和补偿单元连接，其源极接地。

上述所说的源随单元由NMOS管M6与NMOS管M7构成；其中，所说的NMOS管M6的漏极与电源电压VDD端子连接，其栅极与电流源I2的输出端和NMOS管M5的漏极连接，其源极与NMOS管M7的漏极、输出电压VOUT端子以及补偿单元连接；所说的NMOS管M7栅极与PMOS管M2的漏极、NMOS管M4的漏极、NMOS管M5的栅极以及补偿单元连接，其源极接地。

上述所说的补偿单元由电容C1构成；且电容C1的一端与PMOS管M2的漏极、NMOS管M4的漏极、NMOS管M5的栅极及NMOS管M7栅极连接，其另一端则与NMOS管M6的源极、NMOS管M7的漏极以及输出电压VOUT端子连接。

一种低功耗高效率运算放大器电路，其特征在于它可以应用于驱动大功率、宽摆幅的负载。

一种低功耗高效率运算放大器电路，其特征在于它可以适用于缓冲器、放大器电路。

一种低功耗高效率运算放大器电路的工作方法，其特征在于它包括以下步骤：

①输入信号端子VP、VN采集待放大的差动输入电压信号，经过差分放大单元的PMOS管M1、M2进行差分放大，NMOS管M3与M4构成电流镜负载，将差分放大后的双端信号变成单端信号输出；电流源I1为差分放大单元提供偏置电流；

②共源放大单元将差分放大单元的输出信号进行第二级放大，该级采用共源放大结构，以电电流源I2作为共源放大的负载；

③源随单元将共源放大单元的输出信号进行源随输出，提高输出正向驱动能力，NMOS管M7作为共源放大器，用来提高输出负向的驱动能力；

④当输入信号VP比VN高时，差分放大单元输出降低，导致共源放大单元输出升高，然后经源随单元将VOUT拉高，从而实现正向的高驱动能力；当输入信号VP比VN低时，差分放大单元输出升高，导致共源放大单元输出降低，将源随单元的NMOS管M6栅极拉低，M6截止，由于M7栅极电压升高，从而将VOUT拉低，实现了负向的高驱动能力。

本发明的优越性：①将源随输出与共源放大结合起来，提高了输出的双向驱动能力；②输出端没有大功耗电流源，从而降低了静态功耗；③驱动功率大，输出电压摆幅宽；④电路构成简单，实用性强。

(四)附图说明：

图1为现有技术的普通甲类输出运放电路图(其中，图1-a为普通甲类输出运放电路结构图；图1-b为运放电路在作为5倍增益缓冲器应用时的电路图；图1-c为普通甲类输出运放电路在作为5倍增益缓冲器应用时的结果曲线)。

图2为本发明所涉一种低功耗高效率运算放大器电路的电路图(其中，图2-a为低功耗高效率运放的电路结构图；图2-b为本发明电路在作为5倍增益缓冲器应用时的结果曲线)。

(五)具体实施方式：

实施例：一种低功耗高效率运算放大器电路(见图2-a)，包括输入信号VP端子、输入信号VN端子、电源电压VDD端子、输出电压VOUT端子，其特征在于它包括差分放大单元、共源放大单元、源随单元和补偿单元；其中，所说的差分放大单元的输入端连接输入信号VP端子、输入信号VN端子、电源电压VDD端子及地，其输出端分别与共源放大单元的输入端、源随单元的输入端及补偿单元连接；所说的共源放大单元的输入端连接电源电压VDD端子及地，其输出端与源随单元的输入端连接；所说的源随单元的输入端连接电源电压VDD端子及地，其输出端连接输出电压VOUT端子；所说的补偿单元的一端与差分放大单元的输出端连接，另一端与源随单元的输出端连接。

上述所说的差分放大单元(见图2-a)由PMOS管M1、PMOS管M2、NMOS管M3、NMOS管M4和电流源I1构成；其中，所说的电流源I1的输入端与电源电压VDD端子连接，其输出端与PMOS管M1的源极以及PMOS管M2的源极连接；所说的PMOS管M1的栅极与输入信号VN端子连接，其漏极与NMOS管M3的漏极、栅极以及NMOS管M4的栅极连接，其源极接地；所说的PMOS管M2的栅极与输入信号VP端子连接，其漏极与NMOS管M4的漏极、共源放大单元的输入端、源随单元的输入端以及补偿单元连接，其源极接地。

上述所说的共源放大单元(见图2-a)由NMOS管M5与电流源I2构成；其中，电流源I2的输入端与电源电压VDD端子连接，其输出端与NMOS管M5的漏极和源随单元的输入端连接；所说的NMOS管M5的栅极与PMOS管M2的漏极、NMOS管M4的漏极、源随单元的输入端和补偿单元连接，其源极接地。

上述所说的源随单元(见图2-a)由NMOS管M6与NMOS管M7构成；其中，所说的NMOS管M6的漏极与电源电压VDD端子连接，其栅极与电流源I2的输出端和NMOS管M5的漏极连接，其源极与NMOS管M7的漏极、输出电压VOUT端子以及补偿单元连接；所说的NMOS管M7栅极与PMOS管M2的漏极、NMOS管M4的漏极、NMOS管M5的栅极以及补偿单元连接，其源极接地。

上述所说的补偿单元(见图2-a)由电容C1构成；且电容C1的一端与PMOS管M2的漏极、NMOS管M4的漏极、NMOS管M5的栅极及NMOS管M7栅极连接，其另一端则与NMOS管M6的源极、NMOS管M7的漏极以及输出电压VOUT端子连接。

一种低功耗高效率运算放大器电路，其特征在于它可以应用于驱动大功率、宽摆幅的负载。

一种低功耗高效率运算放大器电路，其特征在于它可以适用于缓冲器、放大器电路。

一种低功耗高效率运算放大器电路的工作方法，其特征在于它包括以下步骤：

①输入信号端子VP、VN采集待放大的差动输入电压信号，经过差分放大单元的PMOS管M1、M2进行差分放大，NMOS管M3与M4构成电流镜负载，将差分放大后的双端信号变成单端信号输出；电流源I1为差分放大单元提供偏置电流；

②共源放大单元将差分放大单元的输出信号进行第二级放大，该级采用共源放大结构，以电电流源I2作为共源放大的负载；

③源随单元将共源放大单元的输出信号进行源随输出，提高输出正向驱动能力，NMOS管M7作为共源放大器，用来提高输出负向的驱动能力；

④当输入信号VP比VN高时，差分放大单元输出降低，导致共源放大单元输出升高，然后经源随单元将VOUT拉高，从而实现正向的高驱动能力；当输入信号VP比VN低时，差分放大单元输出升高，导致共源放大单元输出降低，将源随单元的NMOS管M6栅极拉低，M6截止，由于M7栅极电压升高，从而将VOUT拉低，实现了负向的高驱动能力。

下面将参照附图对本发明做进一步详细说明：

由图1-c“普通甲类输出运放电路在作为5倍增益缓冲器应用时的结果曲线”可以看出，在输入信号Vpulse上升时，输出电压VOUT能够稳定放大5倍，过冲及失真均很小；在Vpulse下降时，VOUT下降很慢，且存在较大过冲。这是因为甲类输出运放只能提供单向低阻抗输出，负向是靠电流阱I3(见图1-a)来实现的，这样要想向下也是低阻抗，就得增大电流阱I3，导致了静态功耗的增大。

而使用本发明电路后，结果曲线如图2-b所示，VOUT在Vpulse上升与下降时，均能稳定放大5倍，且跟随特性很好。这是因为用共源放大M7管(见图2-a)来代替普通甲类输出运放的电流阱I3(见图1-a)，在Vpulse下降时，M7工作在共源放大状态，其栅级电压升高，从而为源漏提供大电流驱动能力；在Vpulse上升时，输出靠M6驱动，等同于甲类输出；在静态时，M7等同于甲类输出运放的电流阱I3，具有较低的功耗。

Claims (8)

1.一种低功耗高效率运算放大器电路，包括输入信号VP端子、输入信号VN端子、电源电压VDD端子、输出电压VOUT端子，其特征在于它包括差分放大单元、共源放大单元、源随单元和补偿单元；其中，所说的差分放大单元的输入端连接输入信号VP端子、输入信号VN端子、电源电压VDD端子及地，其输出端分别与共源放大单元的输入端、源随单元的输入端及补偿单元连接；所说的共源放大单元的输入端连接电源电压VDD端子及地，其输出端与源随单元的输入端连接；所说的源随单元的输入端连接电源电压VDD端子及地，其输出端连接输出电压VOUT端子；所说的补偿单元的一端与差分放大单元的输出端连接，另一端与源随单元的输出端连接。

2.根据权利要求1中所述的一种低功耗高效率运算放大器电路，其特征在于所说的差分放大单元由PMOS管M1、PMOS管M2、NMOS管M3、NMOS管M4和电流源I1构成；其中，所说的电流源I1的输入端与电源电压VDD端子连接，其输出端与PMOS管M1的源极以及PMOS管M2的源极连接；所说的PMOS管M1的栅极与输入信号VN端子连接，其漏极与NMOS管M3的漏极、栅极以及NMOS管M4的栅极连接，其源极接地；所说的PMOS管M2的栅极与输入信号VP端子连接，其漏极与NMOS管M4的漏极、共源放大单元的输入端、源随单元的输入端以及补偿单元连接，其源极接地。

3.根据权利要求1中所述的一种低功耗高效率运算放大器电路，其特征在于所说的共源放大单元由NMOS管M5与电流源I2构成；其中，电流源I2的输入端与电源电压VDD端子连接，其输出端与NMOS管M5的漏极和源随单元的输入端连接；所说的NMOS管M5的栅极与PMOS管M2的漏极、NMOS管M4的漏极、源随单元的输入端和补偿单元连接，其源极接地。

4.根据权利要求1中所述的一种低功耗高效率运算放大器电路，其特征在于所说的源随单元由NMOS管M6与NMOS管M7构成；其中，所说的NMOS管M6的漏极与电源电压VDD端子连接，其栅极与电流源I2的输出端和NMOS管M5的漏极连接，其源极与NMOS管M7的漏极、输出电压VOUT端子以及补偿单元连接；所说的NMOS管M7栅极与PMOS管M2的漏极、NMOS管M4的漏极、NMOS管M5的栅极以及补偿单元连接，其源极接地。

5.根据权利要求1中所述的一种低功耗高效率运算放大器电路，其特征在于所说的补偿单元由电容C1构成；且电容C1的一端与PMOS管M2的漏极、NMOS管M4的漏极、NMOS管M5的栅极及NMOS管M7栅极连接，其另一端则与NMOS管M6的源极、NMOS管M7的漏极以及输出电压VOUT端子连接。

6.根据权利要求1中所述的一种低功耗高效率运算放大器电路，其特征在于它可以应用于驱动大功率、宽摆幅的负载。

7.根据权利要求1中所述的一种低功耗高效率运算放大器电路，其特征在于它可以适用于缓冲器、放大器电路。

8.一种低功耗高效率运算放大器电路的工作方法，其特征在于它包括以下步骤：

①输入信号端子VP、VN采集待放大的差动输入电压信号，经过差分放大单元的PMOS管M1、M2进行差分放大，NMOS管M3与M4构成电流镜负载，将差分放大后的双端信号变成单端信号输出；电流源I1为差分放大单元提供偏置电流；

②共源放大单元将差分放大单元的输出信号进行第二级放大，该级采用共源放大结构，以电电流源I2作为共源放大的负载；

③源随单元将共源放大单元的输出信号进行源随输出，提高输出正向驱动能力，NMOS管M7作为共源放大器，用来提高输出负向的驱动能力；

④当输入信号VP比VN高时，差分放大单元输出降低，导致共源放大单元输出升高，然后经源随单元将VOUT拉高，从而实现正向的高驱动能力；当输入信号VP比VN低时，差分放大单元输出升高，导致共源放大单元输出降低，将源随单元的NMOS管M6栅极拉低，M6截止，由于M7栅极电压升高，从而将VOUT拉低，实现了负向的高驱动能力。

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