CN107547052A - 嵌入式倍增器及运算放大器 - Google Patents

Abstract

本发明实施例提供了一种嵌入式倍增器及运算放大器。其中，运算放大器包括：第一级放大器和第二级放大器，嵌入式倍增器包括：电流转换模块和电流放大模块。电流转换模块的输入端与第二级放大器的输出端连接，电流转换模块的输出端分别与电流放大模块的输入端和第一级放大器的输出端连接，电流放大模块的输出端与第二级放大器的输入端连接。嵌入式倍增器通过采集并放大第二级放大器输出的电流信号，来实现对运算放大器的功率补偿，其不需要额外的电压余量，有效避免了消耗运算放大器的静态功率，进而避免了运算放大器产生偏移电压，故有效增加了运算放大器工作的稳定性。

Description

嵌入式倍增器及运算放大器

技术领域

本发明涉及电子电力设备技术领域，具体而言，涉及一种嵌入式倍增器及运算放大器。

背景技术

随着科学技术的发展和提高，电子电力技术领域的电子设备得到了长足的发展进步。

运算放大器广泛的应用在各种电子电路中，以实现对电路中信号的放大作用。目前，可采用功率补偿来保证运算放大器工作的稳定性，例如，经典的密勒补偿。但目前所采用功率补偿方式需要额外的电压余量，且其还会消耗运算放大器的静态功率，使得运算放大器产生偏移电压，进而在特定情况下还是会影响到运算放大器工作的稳定性。

因此，如何有效的保证运算放大器工作的稳定性是目前业界一大难题。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种嵌入式倍增器及运算放大器，以有效改善上述缺陷。

本发明的实施例解决上述技术问题的技术方案如下：

第一方面，本发明实施例提供了一种嵌入式倍增器，应用于运算放大器，所述运算放大器包括：第一级放大器和第二级放大器，所述嵌入式倍增器包括：电流转换模块和电流放大模块。所述电流转换模块的输入端与第二级放大器的输出端连接，所述电流转换模块的输出端分别与所述电流放大模块的输入端和所述第一级放大器的输出端连接，所述电流放大模块的输出端与所述第二级放大器的输入端连接。所述电流转换模块，用于将所述第二级放大器输出的电流信号转换放大为补偿电流信号，将所述补偿电流信号输出至所述电流放大模块。所述电流放大模块，用于获取所述第一级放大器输出的电流信号，根据所述补偿电流信号补偿并放大所述电流信号，之后将所述电流信号输出至第二级放大器。

进一步的，所述电流转换模块包括：IV转换电路和VI转换电路。所述 IV转换电路的输入端与所述第二级放大器的输出端连接，所述IV转换电路的输出端与所述VI转换电路的输入端连接，所述VI转换电路的输出端分别与所述电流放大模块的输入端和所述第一级放大器的输出端连接。所述 IV转换电路，用于将所述第二级放大器输出的所述电流信号转换放大为补偿电压信号，将所述补偿电压信号输出至所述VI转换电路。所述VI转换电路，用于将所述补偿电压信号转换放大为所述补偿电流信号，将所述补偿电流信号输出至所述电流放大模块。

进一步的，所述IV转换电路包括：第一电阻、第一电源和第一开关管。所述第一电阻的一端分别与所述第二级放大器的输出端和所述第一开关管的控制端连接，所述第一开关管的输出端和所述第一电源均与所述第一电阻的另一端连接，所述第一开关管的接地端接地，所述第一开关管的输出端与所述VI转换电路的输入端连接。

进一步的，所述IV转换电路还包括：第一电容，所述第一电容的一端与所述第二级放大器的输出端连接，所述第一电容的另一端与所述第一电阻的一端连接。

进一步的，所述第一开关管为第一场效应管，所述第一场效应管的栅极为所述第一开关管的控制端，所述第一场效应管的源极为所述第一开关管的接地端，所述第一场效应管的漏极为所述第一开关管的输出端。

进一步的，所述第一电源为第一电流源。

进一步的，所述VI转换电路包括：第二电源和第二开关管。所述第二开关管的控制端与所述IV转换电路的输出端连接，所述第二开关管的输出端与所述第二电源连接，所述第二开关管的输出端分别与所述电流放大模块的输入端和所述第一级放大器的输出端连接。

进一步的，所述第二开关管为第二场效应管，所述第二场效应管的栅极为所述第二开关管的控制端，所述第二场效应管的源极为所述第二开关管的接地端，所述第二场效应管的漏极为所述第二开关管的输出端。

进一步的，所述第二电源为第二电流源。

第二方面，本发明实施例提供了一种运算放大器，所述运算放大器包括：第一级放大器、第二级放大器和所述的嵌入式倍增器，所述嵌入式倍增器分别与所述第一级放大器的输出端、所述第二级放大器的输入端和所述第二级放大器的输出端连接。

本发明实施例的有益效果是：

电流转换模块通过采集第二级放大器输出的电流信号，并将其转换放大为补偿电流信号。进而电流放大模块则根据该补偿电流信号补偿并放大第一级放大器输出的电流信号。嵌入式倍增器通过采集并放大第二级放大器输出的电流信号，来实现对运算放大器的功率补偿，其不需要额外的电压余量，有效避免了消耗运算放大器的静态功率，进而避免了运算放大器产生偏移电压，故有效增加了运算放大器工作的稳定性。

本发明的其他特征和优点将在随后的说明书阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明实施例而了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书、以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。通过附图所示，本发明的上述及其它目的、特征和优势将更加清晰。在全部附图中相同的附图标记指示相同的部分。并未刻意按实际尺寸等比例缩放绘制附图，重点在于示出本发明的主旨。

图1示出了本发明第一实施例提供的一种运算放大器的结构框图；

图2示出了本发明第二实施例提供的一种嵌入式倍增器的结构框图；

图3示出了本发明第二实施例提供的一种嵌入式倍增器中电流转换模块的电路图；

图4示出了本发明第二实施例提供的一种保护装置中电流转换模块的小信号模型等效电路图。

图标：10-运算放大器；11-第一级放大器；12-第二级放大器；100-嵌入式倍增器；110-电流转换模块；111-IV转换电路；112-VI转换电路；120- 电流放大模块。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本发明的描述中，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。而在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”、“耦合”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

第一实施例

请参阅图1，本发明第一实施例提供了一种运算放大器10，该运算放大器10包括：第一级放大器11、第二级放大器12和嵌入式倍增器100。其中，嵌入式倍增器100分别与第一级放大器11的输出端、第二级放大器 12的输入端和第二级放大器12的输出端连接。

本实施例中，嵌入式倍增器100获取第二级放大器12所输出的电流信号，并将该电流信号依次通过I-V转换和V-I转换，放大转换为补偿电流信号。进而嵌入式倍增器100获取到第一级放大器11输出的电流信号时，则根据该补偿电流信号形成对电流信号的功率补偿，并将补偿后的电流信号输出至第二级放大器12，以便第二级放大器12将其放大后输出。可以理解到，通过，嵌入式倍增器100形成反馈式的补偿调节，以实现对运算放大器10的功率补偿时，其不需要额外的电压余量，有效避免了消耗运算放大器10的静态功率，进而避免了运算放大器10产生偏移电压，故有效增加了运算放大器10工作的稳定性。

第二实施例

请参阅图2，本发明第二实施例提供了一种嵌入式倍增器100，该嵌入式倍增器100包括：电流转换模块110和电流放大模块120。其中，电流转换模块110的输入端与第二级放大器12的输出端连接，电流转换模块110 的输出端分别与电流放大模块120的输入端和第一级放大器11的输出端连接，电流放大模块120的输出端与第二级放大器12的输入端连接。

电流转换模块110，用于将第二级放大器12输出的电流信号通过I-V 和V-I转换，将电流信号转换放大为补偿电流信号，以将补偿电流信号输出至电流放大模块120。

电流放大模块120，用于获取第一级放大器11输出的电流信号，并根据获取补偿电流信号和自身的放大电路，将电流信号补偿并放大，之后将补偿放大的电流信号输出至第二级放大器12。

请参阅图2，电流转换模块110包括：IV转换电路111和VI转换电路 112。其中，IV转换电路111的输入端与第二级放大器12的输出端连接， IV转换电路111的输出端与VI转换电路112的输入端连接，VI转换电路 112的输出端分别与电流放大模块120的输入端和第一级放大器11的输出端连接。

如图2和图3所示，IV转换电路111用于将第二级放大器12输出的电流信号转换放大为补偿电压信号，再将补偿电压信号输出至所述VI转换电路112。

在本实施例的IV转换电路111中，该IV转换电路111包括：第一电容C1、第一电阻R1、第一电源Is1和第一开关管MOS1。其中，第一电源 Is1为第一电流源Is1，第一开关管MOS1为第一场效应管MOS1。第一场效应管MOS1的栅极为第一开关管MOS1的控制端，第一场效应管MOS1 的源极为第一开关管MOS1的接地端，第一场效应管MOS1的漏极为第一开关管MOS1的输出端。

具体的，第一电容C1的一端为IV转换电路111的输入端，即也为电流转换模块110的输入端，其设有与第二级放大器12的输出端连接的连接端口A1。第一电容C1的另一端与第一电阻R1的一端连接。第一电阻R1 的一端与第一开关管MOS1的控制端连接，第一开关管MOS1的输出端和第一电源Is1均与第一电阻R1的另一端连接，第一开关管MOS1的接地端接地，第一开关管MOS1的输出端与VI转换电路112的输入端连接。

IV转换电路111通过上述连接关系，第一电容C1将第二级放大器12 输出的电流信号转换为电压信号并加载至第一开关管MOS1的控制端。第一开关管MOS1根据第一电源Is1输入的电流，处于导通放大状态。进而第一开关管MOS1将电压信号放大为补偿电压信号，并加载至VI转换电路 112的输入端。

如图2和图3所示，VI转换电路112用于将补偿电压信号转换放大为补偿电流信号，将补偿电流信号输出至电流放大模块120。

在本实施例的VI转换电路112中，该VI转换电路112包括：第二电源Is2和第二开关管MOS2。其中，第二电源Is2为第二电流源Is2，第二开关管MOS2为第二场效应管MOS2。第二场效应管MOS2的栅极为第二开关管MOS2的控制端，第二场效应管MOS2的源极为第二开关管MOS2的接地端，第二场效应管MOS2的漏极为第二开关管MOS2的输出端。

具体的，第二开关管MOS2的控制端与IV转换电路111的输出端连接，第二开关管MOS2的输出端与第二电源连接。第二开关管MOS2的输出端还作为VI转换电路112的输出端，即也为电流转换模块110的输出端，其设有分别与电流放大模块120的输入端和第一级放大器11的输出端连接的连接端口A2。

VI转换电路112通过上述连接关系，第二开关管MOS2的控制端获取补偿电压信号。第二开关管MOS2根据第二电源Is2输入的电流，也处于导通放大状态，进而第二开关管MOS2将补偿电压信号转换放大为补偿电流信号，并输出至电流放大模块120的输入端。

请参阅图2，电流放大模块120可以为集成电路芯片，其内具有放大电路。电流放大模块120获取第一级放大器11输出的电流信号。此外，电流放大模块120也获取电流转换模块110输出的补偿电流信号。电流放大模块120将补偿电流信号和电流信号均输入到自身的放大电路中，以使补偿电流信号和电流信号相叠加。实现了将电流信号通过放大电路进行放大输出的同时，还得补偿电流信号形成对电流信号的功率补偿。

请参阅图4，图4为电流转换模块110小信号模型的等效电路图。其中，Rb表示第一电阻R1、Cb表示第一电容C1、Gmb1表示第一开关管的跨导、 -kGmb1表示第二开关管的跨导、Cgs1表示第一开关管控制端的寄生电容、 Gob1表示第一开关管输出端的寄生电容、Cpb1表示第二开关管输出端的输出电容、Gob2表示第二开关管输出端的寄生电容、Cpb1表示第二开关管输出端的输出电容。

当在Cb>>Cgs1，Cpb1和(1/Gob1)>>Rb>(1/Gmb1)的情况下，CM 的传输方程约为：

其中，M＝k(Gmb1*Rb-1)表示倍乘因数、a0表示Gmb1/Cb，a1表示1/(Rb*Cpb1)。将电流转换模块110的等效带宽BCM定义为：其相位降45°时的频率，此外，对于正的电流转换模块110从90°下降到45°，对于负的C电流转换模块110从-90°下降到-135°。因此，BCM可以由(9) 式决定：

解(9)式可得，BCM为：

从10式中可以得出，无论极点是两个实数或是两个复数，对BCM均不受其极点类型的影响。由于有效电容是一个定死的约束，BCM可以通过增加a0的值来增大，即通过减少Cb的值的同时增大Rb以充分利用寄生电容Cpb。例如，当局部环路稳定要求为a1大于或等于2a0，则BCM大于或等于0.732a0，即0.732＝Gmb1/Cb。

此外，关于对电流转换模块110的功耗预算，本实施例中，偏执电流可以通过所有晶体管的跨导精确地得出。例如，电流转换模块110的总跨导为2Gmb1.则电流转换模块110的带宽BCM-1可如下：

从11式可得，本实施例的电流转换模块110在频率性能上更好，因为 M必须设置成大于1以实现电容放大。

综上所述：本发明实施例提供了一种嵌入式倍增器及运算放大器。其中，运算放大器包括：第一级放大器和第二级放大器，嵌入式倍增器包括：电流转换模块和电流放大模块。电流转换模块的输入端与第二级放大器的输出端连接，电流转换模块的输出端分别与电流放大模块的输入端和第一级放大器的输出端连接，电流放大模块的输出端与第二级放大器的输入端连接。

电流转换模块通过采集第二级放大器输出的电流信号，并将其转换放大为补偿电流信号。进而电流放大模块则根据该补偿电流信号补偿并放大第一级放大器输出的电流信号。嵌入式倍增器通过采集并放大第二级放大器输出的电流信号，来实现对运算放大器的功率补偿，其不需要额外的电压余量，有效避免了消耗运算放大器的静态功率，进而避免了运算放大器产生偏移电压，故有效增加了运算放大器工作的稳定性。

以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种嵌入式倍增器，其特征在于，应用于运算放大器，所述运算放大器包括：第一级放大器和第二级放大器，所述嵌入式倍增器包括：电流转换模块和电流放大模块；所述电流转换模块的输入端与第二级放大器的输出端连接，所述电流转换模块的输出端分别与所述电流放大模块的输入端和所述第一级放大器的输出端连接，所述电流放大模块的输出端与所述第二级放大器的输入端连接；

所述电流转换模块，用于将所述第二级放大器输出的电流信号转换放大为补偿电流信号，将所述补偿电流信号输出至所述电流放大模块；

所述电流放大模块，用于获取所述第一级放大器输出的电流信号，根据所述补偿电流信号补偿并放大所述电流信号，之后将所述电流信号输出至第二级放大器。

2.根据权利要求1所述的嵌入式倍增器，其特征在于，所述电流转换模块包括：IV转换电路和VI转换电路，所述IV转换电路的输入端与所述第二级放大器的输出端连接，所述IV转换电路的输出端与所述VI转换电路的输入端连接，所述VI转换电路的输出端分别与所述电流放大模块的输入端和所述第一级放大器的输出端连接；

所述IV转换电路，用于将所述第二级放大器输出的所述电流信号转换放大为补偿电压信号，将所述补偿电压信号输出至所述VI转换电路；

所述VI转换电路，用于将所述补偿电压信号转换放大为所述补偿电流信号，将所述补偿电流信号输出至所述电流放大模块。

3.根据权利要求2所述的嵌入式倍增器，其特征在于，所述IV转换电路包括：第一电阻、第一电源和第一开关管，所述第一电阻的一端分别与所述第二级放大器的输出端和所述第一开关管的控制端连接，所述第一开关管的输出端和所述第一电源均与所述第一电阻的另一端连接，所述第一开关管的接地端接地，所述第一开关管的输出端与所述VI转换电路的输入端连接。

4.根据权利要求3所述的嵌入式倍增器，其特征在于，所述IV转换电路还包括：第一电容，所述第一电容的一端与所述第二级放大器的输出端连接，所述第一电容的另一端与所述第一电阻的一端连接。

5.根据权利要求3所述的嵌入式倍增器，其特征在于，所述第一开关管为第一场效应管，所述第一场效应管的栅极为所述第一开关管的控制端，所述第一场效应管的源极为所述第一开关管的接地端，所述第一场效应管的漏极为所述第一开关管的输出端。

6.根据权利要求3所述的嵌入式倍增器，其特征在于，所述第一电源为第一电流源。

7.根据权利要求2所述的嵌入式倍增器，其特征在于，所述VI转换电路包括：第二电源和第二开关管，所述第二开关管的控制端与所述IV转换电路的输出端连接，所述第二开关管的输出端与所述第二电源连接，所述第二开关管的输出端分别与所述电流放大模块的输入端和所述第一级放大器的输出端连接。

8.根据权利要求7所述的嵌入式倍增器，其特征在于，所述第二开关管为第二场效应管，所述第二场效应管的栅极为所述第二开关管的控制端，所述第二场效应管的源极为所述第二开关管的接地端，所述第二场效应管的漏极为所述第二开关管的输出端。

9.根据权利要求7所述的嵌入式倍增器，其特征在于，所述第二电源为第二电流源。

10.一种运算放大器，其特征在于，所述运算放大器包括：第一级放大器、第二级放大器和如权利要求1-9任意一项所述的嵌入式倍增器，所述嵌入式倍增器分别与所述第一级放大器的输出端、所述第二级放大器的输入端和所述第二级放大器的输出端连接。