CN102420575B - 一种误差放大器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种误差放大器，包括OTA电路和摆率增加电路，所述的摆率增加电路包括电流检测电路和驱动电路；所述的电流检测电路包括与OTA电路的正输入端的负载相接的第一检测电路以及与OTA电路的负输入端的负载相接的第二检测电路；所述的驱动电路包括与第一检测电路输出端相连的第一反相器组、与第二检测电路输出端相连的第二反相器组、与第一反相器组的输出端相连的第一驱动管和与第二反相器组的输出端相连的第二驱动管；所述的第一驱动管和第二驱动管的输出端均与OTA电路的输出端相接。本发明的误差放大器具有更大的摆率，达到快速响应buck***的暂态过程大大缩短的技术效果。

Description

一种误差放大器
技术领域
本发明涉及一种误差放大器，特别涉及一种具有高摆率的误差放大器。
背景技术
误差放大器是直流开关电源***中电压控制环路的核心部分，其性能优劣直接影响着整个直流开关电源***的稳定性，特别是快速响应***往往对误差放大器具有更高的摆率要求。现有技术中的一种误差放大器，如图1所示，它主要包括核心放大器以及摆率增加电路两部分，其中摆率增加电路包括电流检测电路和驱动电路。当正常工作情况下，摆率增加电路不工作；当输入有大跳变的情况下，摆率增加电路工作，产生一路附加的电流Idynamic流向CL，使摆率大大提高。
一种基于上述带摆率增加电路的误差放大器的具体电路实施结构，如图2所示：
核心放大器由NMOS管M101-114组成，是一种两级运算放大器，第一级为差分输入，第二级为共源共栅输出，这种两级放大器能提供很高的增益；
摆率增加电路由NMOS管M115-120以及NMOS管M1n、PMOS管M1p组成，M115和M119是电流检测管，检测M103和M104的电流，M117、M120分别为M118、M119提供偏置电流，M1n和1Mp是开关管。
图2所示的电路的工作原理如下：在正常工作情况下，即核心放大器正负输入相等的时候，M117所提供的电流I1＞I2，导致M1p的栅极电压电位很高，M1p关断；另外，M120所提供的电流I4＞I3，导致M1n的栅极电位很低，M1n也关断，则M1n和M1p构成的支路没有电流流过。在快速响应***负载发生巨大跳变时，核心放大器的正(或负)输入端也会产生很大跳变，导致M104(或M103)的电流变大，通过电流采样电路M115，116，117，118(或M119，120)使n1点电位下降(或n2点电位提高)，最后M1p(或M1n)导通，产生新的CL充(放)电回路，使得摆率得到提高。
图5为现有技术中的带摆率增加电路和不带摆率增加电路误差放大器分别应用于快速响应buck***暂态过程的仿真结果：图5中在20us处有一个负载跳变，曲线1为用带摆率增加电路误差放大器的buck***输出电压波形，曲线2为用不带摆率增加电路误差放大器的buck***输出电压波形；很明显，使用带摆率增加电路误差放大器的buck***的暂态过程大大缩短。
然而，由于在正常工作模式(核心放大器正负输入端相等)和负载跳变模式的切换中，驱动管的栅极电位变化区间小(非轨到轨)，所以驱动管在跳变模式下不能为核心放大器的负载提供足够大的额外电流，对整个误差放大器摆率提高的能力是有限的。现有技术没有能够提出一种拥有更大摆率的误差放大器。
发明内容
本发明提供了一种误差放大器，对现有技术的误差放大器进行了改进，能够应用于快速响应buck***，获得了更大的摆率，从而使得快速响应buck***的暂态过程更短。
一种误差放大器，包括OTA电路和摆率增加电路，所述的摆率增加电路包括电流检测电路和驱动电路，所述的电流检测电路的输入端与OTA电路的输入端的负载相接、输出端与驱动电路的输入端相接；所述的驱动电路输出附加电流至OTA电路的输出端，其特征在于，
所述的电流检测电路包括与OTA电路的正输入端的负载相接的第一检测电路以及与OTA电路的负输入端的负载相接的第二检测电路；
所述的驱动电路包括与第一检测电路输出端相连的第一反相器组、与第二检测电路输出端相连的第二反相器组、与第一反相器组的输出端相连的第一驱动管和与第二反相器组的输出端相连的第二驱动管；所述的第一驱动管和第二驱动管的输出端均与OTA电路的输出端相接。
下面介绍本发明一种误差放大器的优选技术方案。
进一步地，所述的第一检测电路包括MOS管M212、与MOS管M212共漏的MOS管M213、与MOS管M213电流镜连接的MOS管M214以及栅极接外部偏置电压的MOS管M215；MOS管M213与OTA电路的正输入端构成电流镜连接，第一检测电路的输出端为MOS管M212和MOS管M213的共漏端；
所述的第二检测电路包括MOS管M221、MOS管M222、与MOS管M222共漏的MOS管M223、与MOS管M223构成电流镜连接的MOS管M225以及与MOS管M225共漏的MOS管M224；所述的MOS管M221与OTA电路的负输入端构成电流镜连接，所述的MOS管M224的栅极接外部偏置电压；第二检测电路的输出端为MOS管M222和MOS管M223的共漏端。
进一步地，所述的第一反相器组和第二反相器组均由两级反相器构成。具体可为：
所述的第一反相器组包括MOS管M216、与MOS管M216共漏共栅的MOS管M217、MOS管M218、与MOS管M218共漏共栅的MOS管M19；所述的MOS管M216和M217的共栅端与MOS管M212和M213的共漏端相接，MOS管M218和M219的共漏端与第一驱动管的输入端相接；所述的MOS管M216和M217的共漏端与MOS管M218和M219的共栅端相接；
所述的第二反相器组包括MOS管M226、与MOS管M226共漏共栅的MOS管M227、MOS管M228、与MOS管M228共漏共栅的MOS管M229；所述的MOS管M226和MOS管M227的共栅端与MOS管M222和MOS管M223的共漏端相接，MOS管M228和MOS管M229的共漏端与第二驱动管的输入端相接；所述的MOS管M226和MOS管M227的共漏端与MOS管M228和MOS管M229的共栅端相接。
MOS管M212和M213的漏极经过两级反相器来驱动第一驱动管，由于反相器的输出特性是轨到轨的，使得第一驱动管在导通状态下有很大的Vgs，这样就有很大的电流流过误差放大器负载，整个误差放大器的摆率大大提高，进而缩短了整个快速响应buck***的暂态过程。
MOS管M222和M223的漏极经过两级反相器来驱动第二驱动管，由于反相器的输出特性是轨到轨的，使得第二驱动管在导通状态下有很大的Vgs，这样就有很大的电流流过误差放大器负载，整个误差放大器的摆率大大提高，进而缩短了整个快速响应buck***的暂态过程。
更进一步地，所述的第一驱动管为NMOS管M2p，所述的第二驱动管为PMOS管M2n；所述的第一驱动管的栅极与MOS管M218和MOS管M219的共漏端相接；所述的第二驱动管的栅极与MOS管M228和MOS管M229的共漏端相接；所述的第一驱动管和第二驱动管的漏极均与OTA电路的输出端相接。
本发明利用反相器的输出特性，为驱动管提供一个轨到轨的输出，使驱动管的栅极有很大的变化范围，因此能为核心放大器的负载提供足够大的额外电流，相对现有技术来说，大大提高了误差放大器的摆率。
本发明对现有技术的误差放大器进行进一步改进，增加了包括两级反相器的反相器组结构；这种反相器组的结构使第一驱动管和第二驱动管的输入端有更大的电压摆幅，从而产生更大的充放电流流经误差放大器负载，误差放大器因此能够获得更大的摆率，达到快速响应buck***的暂态过程大大缩短的技术效果。
附图说明
图1为现有技术中的一种误差放大器的结构示意图；
图2为现有技术误差放大器的具体电路结构示意图；
图3为本发明一种误差放大器的结构示意图；
图4为本发明误差放大器实施例的具体电路结构示意图；
图5为现有技术中带摆率增加电路与不带摆率增加电路的误差放大器分别应用于快速响应buck***的暂态过程仿真图；
图6为本发明误差放大器与现有技术中不带摆率增加电路的误差放大器的的摆率仿真波形图；
图7为本发明误差放大器与现有技术中带摆率增加电路的误差放大器分别应用于快速响应buck***的暂态过程仿真图。
具体实施方式
下面结合附图详细介绍本发明的具体实施方式。
一种误差放大器，包括OTA电路和摆率增加电路，所述的摆率增加电路包括电流检测电路和驱动电路，如图3所示，具体结构为：
电流检测电路，包括与OTA电路的正输入端的负载相接的第一检测电路以及与OTA电路的负输入端的负载相接的第二检测电路；
驱动电路，包括与第一检测电路输出端相连的第一反相器组、与第二检测电路输出端相连的第二反相器组、与第一反相器组的输出端相连的第一驱动管和与第二反相器组的输出端相连的第二驱动管；所述的第一驱动管和第二驱动管的输出端均与OTA电路的输出端相接。
在本实施例中的误差放大器的具体电路结构可如图4所示：
OTA电路包括MOS管M201-211：MOS管M201和M202分别接电源的正输入端和负输入端，MOS管M201和M202的源级接在一起，并与MOS管M205的漏极相接，MOS管M205的栅极接外部偏置Vbias；MOS管M201和M202的漏极分别接MOS管M203和M204漏极(MOS管M203和M204的漏极和栅极相接)，MOS管M203和M204的栅极分别接M208和M209的栅极，M208和M209的漏极分别与M206以及M207的漏极相接，其中M207的栅极与漏极相接；MOS管M205、M206以及M207的源极接电源VCC，M206和M208的漏极接输出。在本实施例的OTA电路中，电流镜连接的MOS管M210和M211的漏极分别与M203和M204的漏极相接，这种结构提高了本发明误差放大器的增益。
第一检测电路包括MOS管M212-M215：MOS管M213和M203构成电流镜连接，即M213用于检测M203的电流大小，MOS管M213和M212的漏极相接，MOS管M212与M214构成电流镜连接，MOS管M214与M215的漏极相接，M215的栅极接外部偏置。
第二检测电路包括MOS管M220-M225：MOS管M204和M221构成电流镜连接，即M221用于检测M204的电流大小；MOS管M222和M223的漏极相接，MOS管M223与M225构成电流镜连接，MOS管M224与M225的漏极相接，M224的栅极接外部偏置。
第一驱动管在本实施例中为NMOS管M2p。
第一反相器组包括MOS管M216-219：MOS管M216的漏栅与M217的漏栅相接，MOS管M218的漏栅与M219的漏栅相接，MOS管M218和M219的栅极与M216和M217的漏极相接，MOS管M216和M217的栅极与M212和M213的漏极相接，MOS管M218和M219的漏极与NMOS管M2p的栅极相接。
MOS管M212和M213的漏极经过两级反相器来驱动NMOS管M2p，加了这两级反相器后使NMOS管M2p的导通时间减短，进而缩短了整个快速响应***的暂态过程。
第二驱动管在本实施例中为PMOS管M2n。
第二反相器组包括MOS管M226-229：MOS管M226的漏栅与M227的漏栅相接，MOS管M228的漏栅与M229的漏栅相接，MOS管M228和M229的栅极与M226和M227的漏极相接，MOS管M226和M227的栅极与M222和M223的漏极相接，MOS管M228和M229的漏极与PMOS管M2n的栅极相接。
MOS管M222和M223的漏极经过两级反相器来驱动PMOS管M2n，加了这两级反相器后使PMOS管M2n的导通时间减短，进而缩短了整个快速响应***的暂态过程。
将本实施例的带摆率增加电路的误差放大器应用于快速响应buck***时，当负载有大跳变的情况下，摆率增加电路电路内部会产生一个脉冲驱动相应的管子，使一股额外的电流流向误差放大器的负载，显著提高了误差放大器的摆率，进而缩短快速响应buck***的暂态过程。
在本实施例的误差放大器中，MOS管M213和M221为电流检测管，分别与M203和M204构成电流镜连接，检测OTA电路的负载电流；NMOS管M2p和PMOS管M2n是驱动管，二者的漏极与OTA电路的输出端相接。在正常情况下，由于没有负载跳变，OTA电路的正负输入端的点位相当，参见图4，有I1＜I2，I3＜I4，I2和I4是参考电流源，n1点电位是高电平，n2点电位是低电平，所以M2p和M2n两驱动管关断。当发生负载跳变时，会引起V+(或V-)发生跳变，进而引起I1＞I2(或I3＞I4)，导致n1点电位降低(或n2点电位升高)，以致M2p管导通(或M2n管导通)，一路额外的电流流向OTA电路的负载，误差放大器的摆率则因此大大提高。
如图6所示的本实施例的误差放大器与不带摆率增加电路的误差放大器的仿真过程，曲线1为输入阶跃波形输入阶跃波形，曲线2是本发明的误差放大器输出电压波形，曲线3是不带摆率增加电路的误差放大器输出电压波形，很明显可以看出：相对于现有技术中不带摆率增加电路的误差放大器，本实施例中的误差放大器的摆率大大提高。
如图7所示的本实施例的误差放大器和现有技术的带摆率增加电路的误差放大器分别应用于快速响应buck***暂态过程的仿真结果，图中，在20us处有一个负载跳变：曲线1为本实施例的误差放大器的仿真曲线，曲线2是现有技术带摆率增加电路的误差放大器的仿真曲线；很明显，本发明的误差放大器与现有技术的带摆率增加电路的误差放大器相比较，本发明的误差放大器的快速响应buck***的暂态过程更短。

Claims (2)

1.一种误差放大器，包括OTA电路和摆率增加电路，所述的摆率增加电路包括电流检测电路和驱动电路，所述的电流检测电路的输入端与OTA电路的输入端的负载相接、输出端与驱动电路的输入端相接；所述的驱动电路输出附加电流至OTA电路的输出端，其特征在于，
所述的电流检测电路包括与OTA电路的正输入端的负载相接的第一检测电路以及与OTA电路的负输入端的负载相接的第二检测电路；
所述的第一检测电路包括MOS管M212、与MOS管M212共漏的MOS管M213、与MOS管M212电流镜连接的MOS管M214以及栅极接外部偏置电压Vbias1的MOS管M215；MOS管M213与OTA电路的正输入端负载管M203构成电流镜连接，第一检测电路的输出端为MOS管M212和MOS管M213的共漏端；
所述的第二检测电路包括MOS管M221、MOS管M222、与MOS管M222共漏的MOS管M223、与MOS管M223构成电流镜连接的MOS管M225以及与MOS管M225共漏的MOS管M224；所述的MOS管M221与OTA电路的负输入端负载管M209构成电流镜连接，所述的MOS管M224的栅极接外部偏置电压Vbias2；第二检测电路的输出端为MOS管M222和MOS管M223的共漏端；
所述的驱动电路包括与第一检测电路输出端相连的第一反相器组、与第二检测电路输出端相连的第二反相器组、与第一反相器组的输出端相连的第一驱动管和与第二反相器组的输出端相连的第二驱动管；所述的第一驱动管和第二驱动管的输出端均与OTA电路的输出端相接;
所述的第一反相器组和第二反相器组均由两级反相器构成；
所述的第一反相器组包括MOS管M216、MOS管M218、与MOS管M216共漏共栅的MOS管M217、与MOS管M218共漏共栅的MOS管M219；所述的MOS管M216和M217的共栅端与MOS管M212和M213的共漏端相接，MOS管M218和M219的共漏端与第一驱动管的输入端相接；所述的MOS管M216和M217的共漏端与MOS管M218和M219的共栅端相接；
所述的第二反相器组包括MOS管M226、MOS管M228、与MOS管M226共漏共栅的MOS管M227、与MOS管M228共漏共栅的MOS管M229；所述的MOS管M226和MOS管M227的共栅端与MOS管M222和MOS管M223的共漏端相接，MOS管M228和MOS管M229的共漏端与第二驱动管的输入端相接；所述的MOS管M226和MOS管M227的共漏端与MOS管M228和MOS管M229的共栅端相接。
2.根据权利要求1所述的误差放大器，其特征在于，
所述的第一驱动管为PMOS管M2p，所述的第二驱动管为NMOS管M2n；所述的第一驱动管的栅极与MOS管M218和MOS管M219的共漏端相接；所述的第二驱动管的栅极与MOS管M228和MOS管M229的共漏端相接；所述的第一驱动管和第二驱动管的漏极均与OTA电路的输出端相接。
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