CN113114142A - 轨到轨运算放大器及接口电路 - Google Patents
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Abstract
公开了一种轨到轨运算放大器及接口电路。该轨到轨运算放大器包括：形成第一差分对的第一输入管和第二输入管；形成第二差分对的第三输入管和第四输入管；负载模块，包括第一电流镜和第一电阻以及第二电流镜和第二电阻，第一电流镜和第一电阻之间具有第一输出端，第二电流镜和第二电阻之间具有第二输出端，第一电阻采集流经第二输入管的电流，并利用第一电流镜采集流经第三输入管的电流，第二电阻采集流经第一输入管的电流，并利用第二电流镜采集流经第四输入管的电流，以便于配置第一输出端与第二输出端提供的差分输出信号的共模电压。该轨到轨运算放大器可将LVDS较高的输入共模电平转化为较低的共模电平输出，结构简单、面积小、功耗少。
Description
技术领域
本发明涉及集成电路技术领域，更具体地，涉及一种轨到轨运算放大器及接口电路。
背景技术
随着科学的进步，通信技术越来越广泛的应用于各个领域。在通信技术中，接口电路起着至关重要的作用。对于不同类型的信号，往往需要采用兼容性较高的接口电路。然而，现有的兼容性较高的接口电路仍有因电路过于复杂导致的占用面积大、功耗高、成本高的问题。
因此，期望提供一种进一步改进的轨到轨运算放大器及接口电路，以解决上述问题。
发明内容
鉴于上述问题，本发明的目的在于提供一种轨到轨运算放大器及接口电路，以改善电路结构，从而降低了电路占用面积、功耗和成本。
根据本发明的一方面，提供一种轨到轨运算放大器，包括：形成第一差分对的第一输入管和第二输入管，分别受控于互为差分信号的第一输入信号和第二输入信号，所述第一输入管和所述第二输入管具有第一沟道类型；形成第二差分对的第三输入管和第四输入管，分别受控于所述第一输入信号和所述第二输入信号，所述第三输入管和所述第四输入管具有与所述第一沟道类型相反的第二沟道类型；以及负载模块，包括串联在电源和参考地之间的第一电流镜和第一电阻以及串联在所述电源和所述参考地之间的第二电流镜和第二电阻，所述第一电流镜和所述第一电阻之间具有第一输出端，所述第二电流镜和所述第二电阻之间具有第二输出端，其中，所述第一电阻采集流经所述第二输入管的电流，并利用所述第一电流镜采集流经所述第三输入管的电流，所述第二电阻采集流经所述第一输入管的电流，并利用所述第二电流镜采集流经所述第四输入管的电流，以便于配置所述第一输出端与所述第二输出端提供的差分输出信号的共模电压。
可选的，所述第一电流镜包括第一负载管和第二负载管，所述第一负载管的栅极和所述第二负载管的栅极连接，并连接至所述第二负载管的漏极，所述第一负载管的源极和所述第二负载管的源极连接至所述电源，所述第一负载管的漏极连接至所述第一输出端，所述第二负载管的漏极还连接至所述第三输入管的漏极；所述第二电流镜包括第三负载管和第四负载管，所述第三负载管的栅极和所述第四负载管的栅极连接，并连接至所述第三负载管的漏极，所述三负载管的源极和所述第四负载管的源极连接至所述电源，所述第四负载管的漏极连接至所述第二输出端，所述第三负载管的漏极还连接至所述第四输入管的漏极。
可选的，所述第一电阻和所述第二电阻的电阻值相等，且所述第一负载管、所述第二负载管、所述第三负载管和所述第四负载管的尺寸相同。
可选的，在所述第一差分对中，所述第一输入管的栅极接收所述第一输入信号，源极连接至偏置模块的第一端，漏极连接至所述第二输出端；所述第二输入管的栅极接收所述第二输入信号，源极连接至所述偏置模块的所述第一端，漏极连接至所述第一输出端，在所述第二差分对中，所述第三输入管的栅极接收所述第一输入信号，漏极连接至所述第一电流镜，源极连接至所述偏置模块的第二端；所述第四输入管的栅极接收所述第二输入信号，漏极连接至所述第二电流镜，源极连接至所述偏置模块的所述第二端。
可选的，所述偏置模块根据偏置电流分别设置所述第一差分对和所述第二差分对的静态工作点，所述偏置模块包括第一偏置管、第二偏置管、第三偏置管、第四偏置管和第五偏置管，所述第一偏置管的源极、所述第二偏置管的源极和第三偏置管的源极连接至所述电源，且所述第一偏置管的栅极、所述第二偏置管的栅极和第三偏置管的栅极相互连接，所述第一偏置管的漏极接收所述偏置电流，所述第三偏置管的漏极作为所述第一端连接至所述第一差分对，所述第二偏置管的漏极连接至所述第四偏置管的漏极和栅极，并连接至所述第五偏置管的栅极，所述第五偏置管的漏极作为所述第二端连接至所述第二差分对，所述第四偏置管的源极和所述第五偏置管的源极连接至参考地。
可选的，还包括：偏置电流产生模块，用于提供所述偏置电流。
可选的，所述偏置电流产生模块包括运算放大器、第五负载管、第六负载管、第七负载管、第八负载管、第三电阻，所述第五负载管和所述第六负载管形成第三电流镜，所述第七负载管和第八负载管形成第四电流镜，所述运算放大器的正相输入端接收参考电压，输出端分别连接至所述第五负载管的栅极和所述第六负载管的栅极，所述第五负载管的源极和所述第六负载管的源极连接至电源，所述第五负载管的漏极经由所述第三电阻连接至参考地，所述第六负载管的漏极连接至所述第七负载管的漏极，所述运算放大器的反相输入端连接在所述第五负载管的漏极和所述第三电阻之间，所述第七负载管的栅极和第八负载管的栅极连接，并与所述第七负载管的漏极连接，所述第七负载管的源极和第八负载管的源极连接至参考地，所述第八负载管的漏极提供所述偏置电流。
可选的，采用带隙基准电压源提供所述参考电压。
可选的，所述第一输入管和所述第二输入管为PMOS管，所述第三输入管和所述第四输入管为NMOS管。
根据本发明的第二方面，提供一种接口电路，包括：接收端，用于接收LVDS信号或MIPI信号；输出端，用于提供输出信号；第一开关，连接在所述接收端和所述输出端之间，用于导通所述MIPI信号到所述输出端的第一路径；第二开关，连接在所述接收端和所述输出端之间，用于导通所述LVDS信号到所述输出端的第二路径；如权利要求1至9任一项所述的轨到轨运算放大器，连接在所述第二开关和所述输出端之间，用于调整所述LVDS信号的共模电压。
本发明提供的轨到轨运算放大器及接口电路，分别利用NMOS管和PMOS管作为输入管，并利用电阻作为负载，从而实现了共模电平的转换，改善了电路结构，并降低了电路占用面积、功耗和成本。
进一步的，该接口电路具有用于接收LVDS信号和MIPI信号的接收端，利用轨到轨运算放大器调整LVDS信号的共模电压，提高了电路兼容性，并且同时降低了电路占用面积、功耗和成本。
附图说明
通过以下参照附图对本发明实施例的描述，本发明的上述以及其他目的、特征和优点将更为清楚，在附图中：
图1示出了根据本发明实施例的轨到轨运算放大器的框图；
图2示出了根据本发明实施例的轨到轨运算放大器的电路示意图；
图3示出了根据本发明实施例的偏置电流产生模块的电路示意图；
图4示出了根据本发明实施例的接口电路的框图。
具体实施方式
以下将参照附图更详细地描述本发明。在各个附图中，相同的元件采用类似的附图标记来表示。为了清楚起见，附图中的各个部分没有按比例绘制。此外，在图中可能未示出某些公知的部分。
在下文中描述了本发明的许多特定的细节，例如器件的结构、材料、尺寸、处理工艺和技术，以便更清楚地理解本发明。但正如本领域的技术人员能够理解的那样，可以不按照这些特定的细节来实现本发明。
本申请提供的轨到轨运算放大器及接口电路可以应用于各种通信***中的接收端，例如应用于雷达设备、通信设备、导航设备、卫星地面站、电子对抗设备等。其中，通信***例如但不限于为：全球移动通讯(global system of mobile communication,GSM)***、码分多址(code division multiple access,CDMA)***、宽带码分多址(wideband codedivision multiple access,WCDMA)***、通用分组无线业务(general packet radioservice,GPRS)、长期演进(long term evolution,LTE)***、LTE频分双工(frequencydivision duplex,FDD)***、LTE时分双工(time division duplex,TDD)、通用移动通信***(universal mobile telecommunication system,UMTS)、全球互联微波接入(worldwideinteroperability for microwave access,WiMAX)通信***、无线局域网(wirelesslocal area network,WLAN)、第五代无线通信***等。
下面将结合附图对本申请提供的轨到轨运算放大器及接口电路实施例进行描述。
图1示出了根据本发明实施例的轨到轨运算放大器的框图；图2示出了根据本发明实施例的轨到轨运算放大器的电路示意图。
如图1所示，该轨到轨运算放大器100包括第一差分对110、第二差分对120以及负载模块(如虚线框中所示)，负载模块包括第一电流镜140、第二电流镜150、第一电阻R1和第二电阻R2，该轨到轨运算放大器100用于根据输入的第一输入信号RXP和第二输入信号RXN配置输出差分信号的共模电压。
第一差分对110包括第一输入管MP1和第二输入管MP2，第一输入管MP1和第二输入管MP2分别受控于互为差分信号的第一输入信号RXP和第二输入信号RXN，第一输入管MP1和第二输入管MP2具有第一沟道类型，例如为PMOS管。
第二差分对120包括第三输入管MN1和第四输入管MN2，第三输入管MN1和第四输入管MN2分别受控于第一输入信号RXP和第二输入信号RXN，第三输入管MN1和第四输入管MN2具有与第一沟道类型相反的第二沟道类型，例如为NMOS管。
第一电阻R1串联连接在第一输出端A与地之间，第二电阻R2串联连接在第二输出端B与地之间，其中，第一电阻R1采集流经第二输入管MP2和第三输入管MN1的总电流，第二电阻R2采集流经第一输入管MP1和第四输入管MN2的总电流，以便于配置第一输出端A与第二输出端B提供的差分输出信号的共模电压。
在该实施例中，输出差分信号的共模电压满足：
其中，Vocm为输出差分信号的共模电压，IP为第一差分对110的偏置电流，IN为第二差分对120的偏置电流，R1,2为第一电阻R1或第二电阻R2的电阻值。
作为一个可选的实施例，第一电阻R1经由第一电流镜140采集流经第三输入管MN1的电流，第二电阻R2经由第二电流镜150采集流经第四输入管MN2的电流。第一电流镜140连接在电源VDDH和第一输出端A之间第二电流镜150连接在电源VDDH和第二输出端B之间。
可选的，如图2所示，第一电流镜140包括第一负载管MP5和第二负载管MP3，第一负载管MP5的栅极和第二负载管MP3的栅极连接，并连接至第二负载管MP3的漏极，第一负载管MP5的源极和第二负载管MP3的源极连接至电源VDDH，第一负载管MP5的漏极连接至输出VOUTP的第一输出端A，第二负载管MP3的漏极还连接至第三输入管MN1的漏极；第二电流镜150包括第三负载管MP4和第四负载管MP6，第三负载管MP4的栅极和第四负载管MP6的栅极连接，并连接至第三负载管MP4的漏极，第三负载管MP4的源极和第四负载管MP6的源极连接至电源VDDH，第四负载管MP6的漏极连接至输出VOUTN的第二输出端B，第三负载管MP4的漏极还连接至第四输入管MN2的漏极。
在本申请实施例中，第一电阻R1和第二电阻R2的电阻值相等，且第一负载管MP5、第二负载管MP3、第三负载管MP4和第四负载管MP6的尺寸相同，第一负载管MP5、第二负载管MP3、第三负载管MP4和第四负载管MP6例如为尺寸相同的PMOS管，因此流经第三输入管MN1的电流经由第一电流镜140被镜像至第一输出端A，流经第四输入管MN2的电流经由第二电流镜150被镜像至第二输出端B。
作为一个示例，如图2所示，在第一差分对110中，第一输入管MP1的栅极连接至第一输入信号RXP，源极连接至偏置模块130的第一端，漏极连接至第二输出端B；第二输入管MP2的栅极接收第二输入信号RXN，源极连接至偏置模块130的第一端，漏极连接至第一输出端A；在第二差分对120中，第三输入管MN1的栅极连接至第一输入信号RXP，漏极连接至第一电流镜140，源极连接至偏置模块130的第二端；第四输入管MN2的栅极接收第二输入信号RXN，漏极连接至第二电流镜150，源极连接至偏置模块130的第二端。可选的，第一输入管MP1和第一输入管MP2为PMOS管，第三输入管MN1和第四输入管MN2为NMOS管。
在该示例中，偏置模块130根据偏置电流IBP分别设置第一差分对110和第二差分对120的静态工作点，偏置模块130包括第一偏置管MP8、第二偏置管MP7、第三偏置管MP0、第四偏置管MN3和第五偏置管MN0，第一偏置管MP8的源极、第二偏置管MP7的源极和第三偏置管MP0的源极连接至电源VDDH，且第一偏置管MP8的栅极、第二偏置管MP7的栅极和第三偏置管MP0的栅极相互连接，第一偏置管MP8的漏极接收偏置电流IBP，第三偏置管MP0的漏极作为偏置模块130的第一端连接至第一差分对110，第二偏置管MP7的漏极连接至第四偏置管MN3的漏极和栅极，并连接至第五偏置管MN0的栅极，第五偏置管MN0的漏极作为偏置模块130的第二端连接至第二差分对120，第四偏置管MN3的源极和第五偏置管MN0的源极连接至参考地。
可选的，第一偏置管MP8和第二偏置管MP7例如是PMOS管，第三偏置管MP0的沟道类型与第一差分对110的沟道类型相同，为PMOS管，第四偏置管MN3和第五偏置管MN0与第二差分对120的沟道类型相同，为NMOS管。
该实施例提供的轨到轨运算放大器100利用电阻R1和电阻R2采集电流，从而实现了共模电平的转换，改善了电路结构，并降低了电路占用面积、功耗和成本。
图3示出了根据本发明实施例的偏置电流产生模块的电路示意图。
如图3所示，本申请实施例提供的轨到轨运算放大器还还包括偏置电流产生模块，该偏置电流产生模块用于提供偏置电流IBP。
作为一个示例，偏置电流产生模块包括运算放大器U1、第五负载管MP9、第六负载管MP10、第七负载管MN4、第八负载管MN5、第三电阻R3，第五负载管MP9和第六负载管MP10形成第三电流镜，第七负载管MN4和第八负载管MN5形成第四电流镜，运算放大器U1的正相输入端接收参考电压VREF，输出端分别连接至第五负载管MP9的栅极和第六负载管MP10的栅极，第五负载管MP9的源极和第六负载管MP10的源极连接至电源VDDH，第五负载管MP9的漏极经由第三电阻R3连接至参考地，第六负载管MP10的漏极连接至第七负载管MN4的漏极，运算放大器U1的反相输入端连接在第五负载管MP9的漏极和第三电阻R3之间，第七负载管MN4的栅极和第八负载管MN5的栅极连接，并与第七负载管MN4的漏极连接，第七负载管MN4的源极和第八负载管MN5的源极连接至参考地，第八负载管MN5的漏极提供偏置电流IBP。
可选的，采用带隙基准电压源(Bandgap)提供参考电压VREF，可以保证轨道放大器的输出差分信号的共模电压不受工艺、电压和温度的影响。
在该实施例中，轨到轨运算放大器的输出差分信号的共模电压满足：
其中，Vocm为共模电压，IP为第一差分对110的偏置电流，IN为第二差分对120的偏置电流，R1,2为第一电阻R1或第二电阻R2的电阻值，IBP为偏置电流IBP的电流值，m为(IP+IN)/2与IBP的倍数关系，VREF为参考电压，k为Vocm与VREF的比值。
图4示出了根据本发明实施例的接口电路的框图。
低电压差分信号(Low Voltage Differential Signal,LVDS)接口是一种高速差分接口，其特征为接口所传输的为电流信号，该种接口常用来传输视频信号等高速数据信号。
移动产业处理器(Mobile Industry Processor Interface,MIPI)接口是一种由MIPI联盟发起的一种低压低功耗接口，是为移动应用处理器制定的开放标准和规范，作为在移动设备中主流的高速图像传输接口，已在智能手机、平板电脑、可穿戴设备和虚拟现实设备等领域得到了广泛应用。
本申请的发明人注意到了MIPI信号和LVDS信号主要的差别在于共模电压的差异，即，LVDS信号共模电压高(0.5V＜Vcm＜1.475V)、数据率低(最大1.2Gbps)，MIPI信号的共模电压低(0.07V＜Vcm＜0.35V)、数据率低(最大2.5Gbps)。为了兼容MIPI信号和LVDS信号，提出了一种如图4所示的接口电路，该接口电路包括接收端Vin、输出端Vo、第一开关K1、第二开关K2以及轨到轨运算放大器100。
接收端Vin用于接收MIPI信号或LVDS信号；输出端Vo用于提供输出信号，第一开关K1连接在接收端Vin和输出端Vo之间，在接收到MIPI信号的情况下，导通MIPI信号到输出端Vo的第一路径，以使接收到的MIPI信号传输至输出端Vo，提供给后级电路；第二开关K2，连接在接收端Vin和输出端Vo之间，在接收到LVDS信号的情况下，导通LVDS信号到输出端Vo的第二路径；轨到轨运算放大器100连接在第二开关K2和输出端Vo之间，用于调整LVDS信号的共模电压，以将接收到的LVDS信号较高的输入共模电平转化为较低的共模电平传输至输出端Vo，提供给后级电路。
该接口电路在提高了电路兼容性的同时，降低了电路占用面积、功耗和成本。
应当说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
依照本发明的实施例如上文所述，这些实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施例。显然，根据以上描述，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地利用本发明以及在本发明基础上的修改使用。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。
Claims (10)
1.一种轨到轨运算放大器，其特征在于，包括：
形成第一差分对的第一输入管和第二输入管，分别受控于互为差分信号的第一输入信号和第二输入信号，所述第一输入管和所述第二输入管具有第一沟道类型；
形成第二差分对的第三输入管和第四输入管，分别受控于所述第一输入信号和所述第二输入信号，所述第三输入管和所述第四输入管具有与所述第一沟道类型相反的第二沟道类型；以及
负载模块，包括串联在电源和参考地之间的第一电流镜和第一电阻以及串联在所述电源和所述参考地之间的第二电流镜和第二电阻，所述第一电流镜和所述第一电阻之间具有第一输出端，所述第二电流镜和所述第二电阻之间具有第二输出端，
其中，所述第一电阻采集流经所述第二输入管的电流，并利用所述第一电流镜采集流经所述第三输入管的电流，所述第二电阻采集流经所述第一输入管的电流，并利用所述第二电流镜采集流经所述第四输入管的电流，以便于配置所述第一输出端与所述第二输出端提供的差分输出信号的共模电压。
2.根据权利要求1所述的轨到轨运算放大器，其特征在于，
所述第一电流镜包括第一负载管和第二负载管，所述第一负载管的栅极和所述第二负载管的栅极连接，并连接至所述第二负载管的漏极，所述第一负载管的源极和所述第二负载管的源极连接至所述电源，所述第一负载管的漏极连接至所述第一输出端，所述第二负载管的漏极还连接至所述第三输入管的漏极；
所述第二电流镜包括第三负载管和第四负载管，所述第三负载管的栅极和所述第四负载管的栅极连接，并连接至所述第三负载管的漏极，所述三负载管的源极和所述第四负载管的源极连接至所述电源，所述第四负载管的漏极连接至所述第二输出端，所述第三负载管的漏极还连接至所述第四输入管的漏极。
3.根据权利要求2所述的轨到轨运算放大器，其特征在于，所述第一电阻和所述第二电阻的电阻值相等，且所述第一负载管、所述第二负载管、所述第三负载管和所述第四负载管的尺寸相同。
4.根据权利要求1所述的轨到轨运算放大器，其特征在于，
在所述第一差分对中，所述第一输入管的栅极接收所述第一输入信号，源极连接至偏置模块的第一端，漏极连接至所述第二输出端；所述第二输入管的栅极接收所述第二输入信号，源极连接至所述偏置模块的所述第一端，漏极连接至所述第一输出端，
在所述第二差分对中，所述第三输入管的栅极接收所述第一输入信号，漏极连接至所述第一电流镜，源极连接至所述偏置模块的第二端；所述第四输入管的栅极接收所述第二输入信号，漏极连接至所述第二电流镜，源极连接至所述偏置模块的所述第二端。
5.根据权利要求4所述的轨到轨运算放大器，其特征在于，所述偏置模块根据偏置电流分别设置所述第一差分对和所述第二差分对的静态工作点，所述偏置模块包括第一偏置管、第二偏置管、第三偏置管、第四偏置管和第五偏置管，
所述第一偏置管的源极、所述第二偏置管的源极和第三偏置管的源极连接至所述电源，且所述第一偏置管的栅极、所述第二偏置管的栅极和第三偏置管的栅极相互连接，所述第一偏置管的漏极接收所述偏置电流，所述第三偏置管的漏极作为所述第一端连接至所述第一差分对，
所述第二偏置管的漏极连接至所述第四偏置管的漏极和栅极，并连接至所述第五偏置管的栅极，所述第五偏置管的漏极作为所述第二端连接至所述第二差分对，所述第四偏置管的源极和所述第五偏置管的源极连接至参考地。
6.根据权利要求5所述的轨到轨运算放大器，其特征在于，还包括：偏置电流产生模块，用于提供所述偏置电流。
7.根据权利要求6所述的轨到轨运算放大器，其特征在于，所述偏置电流产生模块包括运算放大器、第五负载管、第六负载管、第七负载管、第八负载管、第三电阻，所述第五负载管和所述第六负载管形成第三电流镜，所述第七负载管和第八负载管形成第四电流镜，
所述运算放大器的正相输入端接收参考电压，输出端分别连接至所述第五负载管的栅极和所述第六负载管的栅极，所述第五负载管的源极和所述第六负载管的源极连接至电源，所述第五负载管的漏极经由所述第三电阻连接至参考地，所述第六负载管的漏极连接至所述第七负载管的漏极，所述运算放大器的反相输入端连接在所述第五负载管的漏极和所述第三电阻之间，
所述第七负载管的栅极和第八负载管的栅极连接，并与所述第七负载管的漏极连接，所述第七负载管的源极和第八负载管的源极连接至参考地，所述第八负载管的漏极提供所述偏置电流。
8.根据权利要求7所述的轨到轨运算放大器，其特征在于，采用带隙基准电压源提供所述参考电压。
9.根据权利要求1所述的轨到轨运算放大器，其特征在于，所述第一输入管和所述第二输入管为PMOS管，所述第三输入管和所述第四输入管为NMOS管。
10.一种接口电路，其特征在于，包括：
接收端，用于接收LVDS信号或MIPI信号；
输出端，用于提供输出信号；
第一开关，连接在所述接收端和所述输出端之间，用于导通所述MIPI信号到所述输出端的第一路径；
第二开关，连接在所述接收端和所述输出端之间，用于导通所述LVDS信号到所述输出端的第二路径；
如权利要求1至9任一项所述的轨到轨运算放大器，连接在所述第二开关和所述输出端之间，用于调整所述LVDS信号的共模电压。
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