CN106788294A - 一种放大级数可调的运放 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种放大级数可调的运放，其包括有差分跨导级电路、高增益放大级电路、输出缓存器，所述输入VINP、VINN接于差分跨导级电路，差分跨导级电路接于高增益放大级电路，高增益放大级电路接于输出缓存器，通过输出缓存器最终输出VOUT。本发明通过对高增益放大级电路与输出缓存器的控制，将运放进行切换，由于运放的差分跨导级电路一直保持不变，可以使得放大级数切换之后的漂移电压变化较小。

Description

一种放大级数可调的运放

技术领域

本发明属于模拟集成电路技术领域，特别涉及一种放大级数可调的运算放大器。

背景技术

运算放大器，简称运放，是电子电路领域，特别是模拟电路领域最常用的模块之一。早期的运放用于模拟计算机中，用以实现数学运算功能。运放在模拟电路领域通常以反馈环路的形式实现功能，而无论是用于放大电压、提供大驱动电流或是提高输入信号的信噪比等，都可以归结为稳定电压的功能。运放可以在电路板上用分立器件实现，也可以采用集成电路的形式实现。鉴于性能的优势，目前的运放大多采用集成电路的形式实现。

根据放大级数的不同，运放主要分为单级运放、两级运放、多级运放。通常，放大级数越多，放大倍数越大。但是级数的增多也会增多极点，从而改变运放所构成的电路***的稳定性。通常来说，单级运放含有一个极点，两级运放含有两个极点，多级运放含有三个以上极点。根据反馈***的理论，当***中含有一个极点时，***保持稳定；***中含有主极点和次极点等两个极点时，如果次极点大于带宽，则反馈***的相位裕度大于45度，***保持稳定，否则，***倾向于振荡。所以在设计思路上，单级运放的反馈环路一般无需考虑稳定性问题，两级运放通过设计将次极点和带宽的距离拉大来保持稳定性，多级运放通过设计零点抵消次极点来保持稳定性。除了放大倍数、稳定性以外，运放还需要考虑驱动能力和输出范围。由于设计了输出级，两级运放和多级运放的驱动能力和输出范围通常比单级运放要大。鉴于以上因素的考虑，两级运放是应用最广泛的结构，单级运放通常应用于驱动电容负载的场合，多级运放用于对放大倍数要求特别高且负载条件特定的场合。所以，在不同的应用场景要选择合适放大级数的运放是集成电路设计者必须考虑的问题。

某些通用芯片，例如MCU，应用领域广泛和多变，要求设计者设计适应性较高的模块。例如，同一款芯片上的运放被要求在某些场合快速响应，在某些场合驱动芯片外大电容负载。要驱动片外大电容，通常采用单级运放或主极点在片外的两级运放；而要达到快速响应的要求，通常采用主极点在片内且带宽较大的两级运放。可以看出，无论采用单级、两级、多级运放都难以兼顾这两项性能要求。一种解决方法是设计几个不同结构的运放共用一个输出节点，但是这样做的代价是对芯片面积的浪费，并且选择不同的运放的偏移电压不同，并不是一种最佳的实现方法

以最常见的两级运放结构示意图如图1所示，包含差分跨导级实现差分电压输入功能、高增益放大级实现高增益放大功能、输出缓冲级实现大驱动能力等三部分。单级运放不含输出缓冲器，多级运放则是在高增益放大级中使用两级或三级放大器来达到特高增益的目的。

一个折叠共源共栅运放如图2所示。参照图1中的运放结构，图3中的差分跨导输入级采用了NMOS管输入对，高增益放大级采用了Cascode结构以获得较大的输出阻抗，输出缓冲器采用了以NMOS作为放大管和PMOS电流源的结构。由于需要将运放的次极点设计到大于运放带宽的位置，该两级运放中使用了米勒电容CC。为了达到稳定的目的，CC的取值与VOUT所连接的负载电容CLOAD有关，一般来说，CLOAD越大，CC也应相应增大，以确保VOUT1为主极点，VOUT为次极点且大于运放带宽。

实际应用中，CLOAD的取值一般在几个pF到几个uF不等。而受限于芯片面积和成本，通常CC的大小一般只有几个pF到几十个pF之间，否则芯片内的大部分面积都将被电容所占据，消耗了极大的芯片成本。因此，采用两级运放的负载电容不能太大，一般小于100pF，否则仅仅依靠米勒电容CC难以达到稳定***的目的。但是，从稳压角度出发，运放连接更大的电容会获得更小的输出电压波动。所以，这是一个设计与使用的矛盾问题。

发明内容

基于此，因此本发明的首要目地是提供一种放大级数可调的运放，该运放通过对高增益放大级电路与输出缓存器的控制，将运放进行切换，可以使得放大级数切换之后的漂移电压变化较小。

本发明的另一个目地在于提供一种放大级数可调的运放，该运放仅仅通过开关即可实现，实现简便、成本低廉。

为实现上述目的，本发明的技术方案为：

一种放大级数可调的运放，其包括有差分跨导级电路、高增益放大级电路、输出缓存器，所述输入VINP、VINN接于差分跨导级电路，差分跨导级电路接于高增益放大级电路，高增益放大级电路接于输出缓存器，通过输出缓存器最终输出VOUT。

进一步，所述高增益放大级电路与输出缓存器之间设置有放大级数配置开关一(即放大级数配置位1)，通过“放大级数配置位1”关闭输出缓冲器，直接将高增益放大级电路的输出VOUT1作为运放最终输出VOUT来实现单级和两级运放的切换。

进一步，所述高增益放大级电路中具有一级和两级放大器，且所述一级和两级放大器前设置有放大级数配置开关二(即放大级数配置位2)，通过“放大级数配置位2”关闭高增益放大级电路中的一级或两级放大器，从而使多级运放切换成两级运放。

还可以通过“放大级数配置位1”和“放大级数配置位2”同时关闭输出缓冲器和高增益放大级中的一级或两级放大器，将运放切换成单级运放。

由于运放的差分跨导级电路一直保持不变，可以使得放大级数切换之后的漂移电压变化较小。

需要注意的是关闭输出缓冲器，将高增益放大级的输出VOUT1作为运放最终输出VOUT，并不是通过关断输出缓冲器到VOUT的开关同时开启VOUT1到VOUT的开关实现的，输出缓冲器的关断是将其关断至高阻态即可。

进一步，高增益放大级电路主要是通过MOS管实现，放大级数配置位1和放大级数配置位2通过开关SW1～7实现，且开关SW1～7均是控制MOS管的栅极，可以使用尺寸较小的开关；其中，输出缓存器的Cascode管MNX2和MPX2的漏极直接连接VOUT，可以避免在输出通路有开关而引入额外的极点或影响瞬态响应。

本发明所实现的放大级数可调的运放，通过对高增益放大级电路与输出缓存器的控制，将运放进行切换，由于运放的差分跨导级电路一直保持不变，可以使得放大级数切换之后的漂移电压变化较小。

且该运放仅仅通过开关即可实现，实现简便、成本低廉。

附图说明

图1是现有技术实施的运放结构示意图。

图2是现有技术所实施折叠共源共栅运放的电路图。

图3是本发明所实施运放的结构示意图。

图4是本发明所实施可调放大级数的折叠共源共栅运放的电路图。

图5是本发明所实施可调放大级数的折叠共源共栅运放工作于两级运放模式的电路图。

图6是本发明所实施可调放大级数的折叠共源共栅运放工作于单级运放模式的电路图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图3所示，为本发明提出的放大倍数可调运放的结构示意图，其包括有差分跨导级电路、高增益放大级电路、输出缓存器，所述输入VINP、VINN接于差分跨导级电路，差分跨导级电路接于高增益放大级电路，高增益放大级电路接于输出缓存器，通过输出缓存器最终输出VOUT。

在高增益放大级电路与输出缓存器之间设置有放大级数配置开关一(即放大级数配置位1)；高增益放大级电路中具有一级和两级放大器，且所述一级和两级放大器前设置有放大级数配置开关二(即放大级数配置位2)。其工作原理是：

(1)通过“放大级数配置位1”关闭输出缓冲器，直接将高增益放大级电路的输出VOUT1作为运放最终输出VOUT来实现单级和两级运放的切换。

(2)通过“放大级数配置位2”关闭高增益放大级电路中的一级或两级放大器，从而使多级运放切换成两级运放。

(3)通过“放大级数配置位1”和“放大级数配置位2”同时关闭输出缓冲器和高增益放大级电路中的一级或两级放大器，将运放切换成单级运放。

由于运放的差分跨导级电路一直保持不变，通过合理的设计，可以使得放大级数切换之后的漂移电压变化较小。

需要注意的是关闭输出缓冲器，将高增益放大级的输出VOUT1作为运放最终输出VOUT并不是通过关断输出缓冲器到VOUT的开关同时开启VOUT1到VOUT的开关实现的，输出缓冲器的关断是将其关断至高阻态即可。

为说明上述原理，下面以一个可切换成单级和两级放大的运放为例。本发明提出放大级数可调的运放如图4所示，高增益放大级电路主要是通过MOS管实现，放大级数配置位1和放大级数配置位2通过开关SW1～7实现，且图中的开关SW1～7均是控制MOS管的栅极，这样的好处是可以使用尺寸较小的开关，因为开关本身并不流过电流。其中，Cascode管MNX2和MPX2的漏极直接连接VOUT，这是为了避免在输出通路有开关而引入额外的极点或影响瞬态响应。

图5所示可调放大级数的折叠共源共栅运放工作于两级运放模式，由于MPX1/MPX2的栅极连接至电源，MNX1/MNX2的栅极连接至地，MPX1/MPX2/MNX1/MNX2均处于关断状态，不影响电路工作，此时的电路状态与图2相同，是一个折叠共源共栅的两级运放，有较大的驱动能力，且在米勒电容合适的情况下处于稳定状态。

其中，闭合的开关是：SW1B、SW2B、SW4A、SW5A、SW6A、SW7，关断的开关是：SW1A、SW2A、SW3、SW4B、SW5B、SW6B。

图6所示可调放大级数的折叠共源共栅运放工作于单级运放模式，由于MPC1/MPC2的栅极连接至电源，MNC1/MNC2的栅极连接至地，MPC1/MPC2/MNC1/MNC2均处于关断状态，输出缓冲级的MPO和MN也处于关断状态，MNX2和MPX2的漏极直接连接VOUT形成输出电压，形成折叠共源共栅的单级运放，输出负载电容理论上可为任意值，而不必考虑稳定性问题。

其中，闭合的开关是：SW1A、SW2A、SW3、SW4B、SW5B、SW6B；关断的开关是：SW1B、SW2B、SW4A、SW5A、SW6A、SW7。

在单级和两级运放这两种状态下，电路中仅仅切换了MPX1/MPX2/MNX1/MNX2和MPC1/MPC2/MNC1/MNC2这四个用于Cascode的MOS管，而根据相关理论[1]，运放的漂移电压，offset，与Cascode管的相关性较小，所以，在单级和两级运放状态下的漂移电压几乎没有变化。并且，由于额外增加的MPX1/MPX2/MNX1/MNX2和开关SW1～SW7的尺寸并不大，为实现放大级数切换功能所增加的芯片面积和成本也较小。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种放大级数可调的运放，其特征在于该运放包括有差分跨导级电路、高增益放大级电路、输出缓存器，所述输入VINP、VINN接于差分跨导级电路，差分跨导级电路接于高增益放大级电路，高增益放大级电路接于输出缓存器，通过输出缓存器最终输出VOUT。

2.如权利要求1所述的放大级数可调的运放，其特征在于所述高增益放大级电路与输出缓存器之间设置有放大级数配置开关一，通过放大级数配置开关一关闭输出缓冲器，直接将高增益放大级电路的输出VOUT1作为运放最终输出VOUT来实现单级和两级运放的切换。

3.如权利要求1所述的放大级数可调的运放，其特征在于所述高增益放大级电路中具有一级和两级放大器，且所述一级和两级放大器前设置有放大级数配置开关二，通过放大级数配置开关二关闭高增益放大级电路中的一级或两级放大器，从而使多级运放切换成两级运放。

4.如权利要求2所述的放大级数可调的运放，其特征在于输出缓冲器的关断是将其关断至高阻态即可。

5.如权利要求1所述的放大级数可调的运放，其特征在于高增益放大级电路主要是通过MOS管实现，放大级数配置开关一和放大级数配置开关二通过开关SW1～7实现，且开关SW1～7均是控制MOS管的栅极。

6.如权利要求5所述的放大级数可调的运放，其特征在于输出缓存器的Cascode管MNX2和MPX2的漏极直接连接VOUT。