CN101340176B

CN101340176B - 增加运算放大器回转率的装置

Info

Publication number: CN101340176B
Application number: CN2007101232542A
Authority: CN
Inventors: 俞仲威
Original assignee: Sitronix Technology Corp
Current assignee: Forcelead Technology Corp
Priority date: 2007-07-02
Filing date: 2007-07-02
Publication date: 2011-04-13
Anticipated expiration: 2027-07-02
Also published as: CN101340176A

Abstract

一种增加运算放大器回转率的装置，是在运算放大器的输出级后添加一辅助输出装置及一辅助控制装置，通过该辅助控制装置镜射输出级的电流与参考电流比较后，产生辅助推挽控制信号控制该辅助输出装置，当该输出信号的电压水平不等于该输入信号的电压水平时，则控制该辅助控制装置开启该辅助输出装置提供一辅助输出电流至输出端，而当该输出信号的电压水平等于该输入信号的电压水平时，该辅助输出装置则关闭。

Description

增加运算放大器回转率的装置

技术领域

本发明涉及一种应用于负回授的单位增益输入缓冲器的运算放大器，尤指一种应用镜射电流的比较来控制辅助输出，用以增加运算放大器回转率的装置。

背景技术

已知的运算放大器为了达到高回转率(Slew Rate)的需求，方式包括增加差动输入对(Differential Input Pair)的电流或减少补偿电容；但增加差动输入对的电流会增加静态电流消耗，减少补偿电容则牺牲了运算放大器的稳定度。

已知的另一方法是使用误差放大器(Error Amplifier)去推动共源极输出级，即推挽式(Push-pull)输出级输出，也就是增加额外的电路来达到目的。请参阅图1，是已知高回转率运算放大器的示意图，其组成是由一运算放大器11，二个误差放大器12与13，以及一P型金属氧化物半导体场效应管(PMOS)14与一N型金属氧化物半导体场效应管(NMOS)15所组成的推挽式(Push-pull)输出级。误差放大器12与13用来控制输出级的P型金属氧化物半导体场效应管14与N型金属氧化物半导体场效应管15，其原理为利用误差放大器12与13反相(Inverting)输入端接至运算放大器11的输出端，非反相(Non-Inverting)输入端接至输出端节点Vout所构成的虚拟短路(Virtual short)，加上误差放大器12和P型金属氧化物半导体场效应管14，以及误差放大器13和N型金属氧化物半导体场效应管15所形成的负回授回路来控制P型与N型金属氧化物半导体场效应管14、15所组成的推挽式输出级，以提供负载端推入(Push)或拉出(Pull)的电流。

此提高回转率的高回转率运算放大器的工作原理是当其输出电压V0小于运算放大器11的输出电压V1时，误差放大器12的输出电压V2会使P型金属氧化物半导体场效应管14增加导通，而误差放大器13的输出电压V3会使N型金属氧化物半导体场效应管15减少导通或完全关闭，此时P型金属氧化物半导体场效应管14会推入(Push)，也就是产生电流至输出端节点Vout。当输出电压V0大于运算放大器11的输出电压V1时，误差放大器12的输出电压V2会使P型金属氧化物半导体场效应管14减少导通或完全关闭，而误差放大器13的输出电压V3会使N型金属氧化物半导体场效应管15增加导通，此时N型金属氧化物半导体场效应管15会自输出端节点Vout拉出(Pull)，也就是汇集(Sink)电流。

而当输出电压V0等于运算放大器11的输出电压V1时，误差放大器12的输出电压V2会使的P型金属氧化物半导体场效应管14操作在一静态电流下，而误差放大器13的输出电压V3会使的N型金属氧化物半导体场效应管15操作在此静态电流下。也就是当输入与输出相等时，P型金属氧化物半导体场效应管14与N型金属氧化物半导体场效应管15操作在原先设定的直流偏压条件(DCbias condition)下。

这种结构通常是用来推动重负载，如小电阻、大电容等。为了要让P型金属氧化物半导体场效应管14与N型金属氧化物半导体场效应管15能提供大电流至负载，其外观比(Aspect ratio)要非常大。因此，推挽式输出级需消耗很大的静态电流，要符合低功率消耗、高回转率的目标反而非常困难。此外，电路结构也较复杂，在误差放大器的设计上还需要考虑其偏移电压(Offset Voltage)、布局上的对称性、频宽，以及噪声的大小，因此势必要占掉极大的芯片面积，增加制造的成本。

发明内容

于是为解决上述缺陷，避免缺陷存在，本发明的目的在于提供一种增加运算放大器回转率的装置，且不增加运算放大器静态消耗电流，不改变运算放大器极零点位置。

本发明是一种应用于具有推挽式输出级的负回授单位增益输入缓冲器的运算放大器，用以增加运算放大器回转率的装置，本发明包括：一运算放大器，该运算放大器具有一输入级、一控制级与一输出级，该输入级接收输入信号，而该输出级的输出端在该运算放大器对输入信号运算放大后输出信号，其中该输出级是由一推入晶体管和一拉出晶体管串联所成，且该推入晶体管受该控制级的一推入控制节点的控制，该拉出晶体管受该控制级的一拉出控制节点的控制；一辅助控制装置，该辅助控制装置连接到该控制级的推入控制节点与拉出控制节点，该辅助控制装置镜射该输出级的电流与参考电流比较，用以产生一辅助推入控制信号与一辅助拉出控制信号；以及一辅助输出装置，该辅助输出装置连接到该运算放大器的输出级，并受该辅助控制装置的辅助推入与辅助拉出控制信号所控制。当该输出信号的电压水平不等于该输入信号的电压水平时，则该辅助控制装置控制开启该辅助输出装置提供一辅助输出电流至该输出端，而当该输出信号的电压水平等于该输入信号的电压水平时，该辅助输出装置则关闭不再提供电流。

其中，该辅助输出装置包括：一辅助推入晶体管，该辅助推入晶体管用以接收该辅助推入控制信号，而其输出端连接至该运算放大器的输出端；以及一辅助拉出晶体管，该辅助拉出晶体管用以接收该辅助拉出控制信号，而其输出端连接至该运算放大器的输出端。

该辅助控制装置包括：一推入控制装置与一拉出控制装置。该推入控制装置具有一第一电流比较器与一第一转换装置，其中，该第一电流比较器接入与该输出级的推入晶体管镜射且受该控制级的推入控制节点控制的一第一镜射晶体管所输入的一第一镜射电流，该第一镜射电流与一第一参考电流通过该第一电流比较器后产生一第一控制信号给该第一转换装置，用以切换该第一转换装置接入的一第一关闭信号与一第一开启信号形成该辅助推入控制信号，用以控制该辅助输出装置的辅助推入晶体管。该拉出控制装置，具有一第二电流比较器与一第二转换装置，其中，该第二电流比较器接入与该输出级的拉出晶体管镜射且受该控制级的拉出控制节点控制的一第二镜射晶体管所输入的一第二镜射电流，该第二镜射电流与一第二参考电流通过该第二电流比较器后产生一第二控制信号给该第二转换装置，用以切换该第二转换装置接入的一第二关闭信号与一第二开启信号形成该辅助拉出控制信号，用以控制该辅助输出装置的辅助拉出晶体管。

本发明对运算放大器添加一辅助输出装置及一辅助控制装置，该辅助控制装置镜射输出级的电流与一参考电流比较，通过监控输出级的电流，快速的产生辅助推挽(推入/拉出)控制信号控制该辅助输出装置，当该输出信号的电压水平不等于该输入信号的电压水平时，则该输出级控制该辅助控制装置开启该辅助输出装置提供一辅助输出电流至该输出端，而当该输出信号的电压水平等于该输入信号的电压水平时，该辅助输出装置则关闭不再提供电流。当然也可以通过该电流比较器延迟该推出与辅助拉出晶体管的关闭时间，搭配输出电流至负载的考虑。与其它技术利用电压变化来控制，本发明利用电流调节辅助输出端的开关可以更快的反应输入端的变化，且可视应用情况延迟辅助输出级晶体管的关闭。

附图说明

图1为已知高回转率运算放大器的示意图。

图2为一般AB类(Class AB)运算放大器的电路示意图。

图3为本发明增加运算器回转率的装置示意图。

具体实施方式

在此，有关本发明的详细内容及技术说明，现以实施例来作进一步说明，但应了解的是，这些实施例仅为示例说明之用，而不应被解释为本发明实施的限制。

请先参阅图2，为一般AB类(Class AB)运算放大器的电路示意图。一般AB类(Class AB)运算放大器为具有推挽式输出级的运算放大器，该运算放大器包括一输入级(Input Stage)110、一AB类(Class-AB)控制级120及一输出级150。该输入级110包括由P型晶体管111、113与115所组成的P型输入对，P型晶体管111为其电流源；以及三个N型晶体管112、114与116所组成的N型输入对，N型晶体管116为其电流源。该AB类(Class-AB)控制级120包括由四个P型晶体管131、133、135与137所组成的P型主动负载130，以及四个N型晶体管141、143、145与147所组成的N型主动负载140。输出级150由一个推入晶体管(P型晶体管)151和一个拉出晶体管(N型晶体管)153串联所成。

非反相输入端V+接到P型晶体管115和N型晶体管112的闸级，反相输入端V-接到P型晶体管113和N型晶体管114的闸级。输出级150的推入晶体管151与拉出晶体管153的汲极连接在一起接到输出端Vout。P型晶体管113与115的汲极接至N型主动负载140，N型晶体管112与114的汲极接至P型主动负载130。P型主动负载130通过电阻121与122连接至N型主动负载140。输出级150的推入晶体管151的闸极接至P型主动负载130和电阻122的间的推入控制节点GP，受该推入控制节点GP的控制，而输出级150的N型晶体管153的闸极接至N型主动负载140和电阻122的间的拉出控制节点GN，受该拉出控制节点GN的控制。补偿电容C1一端接至P型主动负载130的P型晶体管133和137之间，其另一端则接到输出级150的输出端Vout；补偿电容C2一端接至N型主动负载140的N型晶体管143和147之间，其另一端则接到输出级150的输出端Vout。

Vb1～Vb4为偏压电压，用来设定晶体管的工作范围，例如图式中的偏压电压Vb1连接到P型晶体管111的闸极，用以偏压P型晶体管111，以控制该输入级110中P型输入对的电流源。而图式中的偏压电压Vb2连接到N型晶体管116的闸极，用以偏压N型晶体管116，以控制该输入级110中N型输入对的电流源。而偏压电压Vb3则连接到P型主动负载130的P型晶体管135和137，用以控制其偏压的状态。而偏压电压Vb4则连接到N型主动负载140的N型晶体管141和143，用以控制其偏压的状态。电容CL为运算放大器所要推动的负载。

在上述AB类运算放大器中，P型晶体管111为该输入级110的P型输入对提供了一定电流Ip，N型晶体管116为N型输入对提供了一定电流In。当非反相输入端V+和反相输入端V-的电压相等时，定电流Ip会平均地流过P型晶体管113和115，即定电流Ip的一半，而定电流In会平均地流过N型晶体管112和114，即定电流In的一半。

当非反相输入端V+的电压水平大于反相输入端V-的电压水平时，定电流In会几近全部流往N型晶体管112，定电流Ip会几近全部流往P型晶体管113。定电流In会流入P型主动负载130，使输出级150的推入晶体管151的源极与闸极的电压差(Vsg)增加以提供更大的推入电流至负载(电容CL)。定电流Ip会流入N型主动负载140，使输出级150的拉出晶体管153的闸极与源极的电压差(Vgs)减少以降低自负载(电容CL)拉出的电流。

当非反相输入端V+的电压水平小于反相输入端V-的电压水平时，定电流In会几近全部流往N型晶体管114，定电流Ip会几近全部流往P型晶体管115。定电流In会流入P型主动负载130，使输出级150的推入晶体管151的源极与闸极的电压差(Vsg)减少以降低送至负载(电容CL)的推入电流。定电流Ip会流入N型主动负载140，使输出级150的拉出晶体管153的闸极与源极的电压差(Vgs)增加以增加自负载(电容CL)拉出的电流。

电阻121和122是用以形成AB类控制级120控制输出级150静态消耗电流的组件，为了说明方便此处使用电阻，但也可以使用其它组件，如晶体管来替代。

为了达到增加运算放大器回转率的目的，本发明在原有运算放大器的输出级上增加一辅助输出装置与一辅助控制装置，该辅助输出装置是用来提供一额外电流至负载，而该辅助控制装置利用镜射输出级的电流与参考电流比较的方式，通过电流的同步快速比较，快速的控制该辅助输出装置。当输出级的输出信号的电压水平不等于输入级的输入信号的电压水平时，则开启该辅助输出装置提供一辅助输出电流至该输出端，而当输出信号的电压水平等于输入信号的电压水平时，该辅助输出装置则关闭不再提供电流。

请参阅图3，为本发明增加运算器回转率的装置示意图，以AB类运算放大器为例，其包括：一运算放大器200，该运算放大器200具有一输入级210、一控制级220与一输出级250，该输入级210具有一非反相输入端V+与一反相输入端V-接收输入信号，而该输出级250的输出端Vout在该运算放大器200对输入信号经过运算放大后输出一输出信号，其中该输出级250是由一推入晶体管251和一拉出晶体管253串联所成，且该推入晶体管251受该控制级220的一推入控制节点GP的控制，该拉出晶体管253受该控制级220的一拉出控制节点GN的控制。一辅助控制装置260，连接到该控制级220的推入控制节点GP与拉出控制节点GN，并镜射该输出级250的电流与参考电流(272、282)比较，用以产生一辅助推入控制信号GPP与一辅助拉出控制信号GNN；以及一辅助输出装置290连接到该运算放大器200的输出级250，并由该辅助控制装置260所控制。该辅助输出装置290包括：一辅助推入晶体管291，该辅助推入晶体管291用以接收该辅助推入控制信号GPP，而其汲极输出端连接至该运算放大器200的输出端Vout；以及一辅助拉出晶体管293，该辅助拉出晶体管293用以接收该辅助拉出控制信号GNN，而其汲极输出端连接至该运算放大器200的输出端Vout。

而该辅助控制装置260包括：一推入控制装置270与一拉出控制装置280。该推入控制装置270具有一第一电流比较器273与一第一转换装置274，其中该第一电流比较器273接入与该输出级250的推入晶体管251镜射且一样受该控制级220的推入控制节点GP控制的一第一镜射晶体管271所输入的一第一镜射电流I1，该第一镜射电流I1与一第一参考电流272通过该第一电流比较器273后产生一第一控制信号V1给该第一转换装置274，用以切换该第一转换装置274接入的一第一关闭信号275(例如系统的操作电压VDD)与一第一开启信号276(例如用来设定晶体管工作范围的偏压电压 VD1)形成该辅助推入控制信号GPP，用以控制该辅助输出装置290的辅助推入晶体管291。

该拉出控制装置280，具有一第二电流比较器283与一第二转换装置284，其中，该第二电流比较器283接入与该输出级250的拉出晶体管253镜射且一样受该控制级220的拉出控制节点GN控制的一第二镜射晶体管281所输入的一第二镜射电流I2，该第二镜射电流I2与一第二参考电流282通过该第二电流比较器283后产生一第二控制信号V2给该第二转换装置284，用以切换该第二转换装置284接入的一第二关闭信号285(例如系统的低电压Vss)与一第二开启信号286(例如用来设定晶体管工作范围的偏压电压VD2)形成该辅助拉出控制信号GNN，用以控制该辅助输出装置290的辅助拉出晶体管293。

在该运算放大器200稳态的情况下，即当非反相输入端V+和反相输入端V-的电压相等时，受该控制级220的推入控制节点GP控制的第一镜射晶体管271所输入的第一镜射电流I1将会小于该第一参考电流272，所以该第一控制信号V1的输出为”low”，则第一转换装置274会将该辅助推入控制信号GPP切换为第一关闭信号275(系统的操作电压VDD)，所以该辅助输出装置290的辅助推入晶体管291关闭不工作；而受该控制级220的拉出控制节点GN控制的第二镜射晶体管281所输入的第二镜射电流I2将会小于该第二参考电流282，所以该第二控制信号V2的输出为”low”，则第二转换装置284会将该辅助拉出控制信号GNN切换为第二关闭信号285(系统的低电压Vss)，所以该辅助输出装置290的辅助拉出晶体管293关闭不工作，也就是整个辅助输出装置290都不工作。

当非反相输入端V+的电压水平大于反相输入端V-的电压水平时，该推入控制节点GP的电压会大幅降低，使该输出级250中推入晶体管251的推入电流增大；相同的该第一镜射晶体管271所输入的第一镜射电流I1将会大于该第一参考电流272，所以该第一控制信号V1的输出为”high”，则第一转换装置274会将该辅助推入控制信号GPP切换为第一开启信号276(偏压电压VD1)，所以该辅助输出装置290的辅助推入晶体管291导通，增加输出端Vout送至负载的电流量。而该拉出控制节点GN的电压不变，所以该第二镜射电流I2还是小于该第二参考电流282，该第二控制信号V2的输出为”low”，则第二转换装置284的辅助拉出控制信号GNN为第二关闭信号285(系统的低电压Vss)，所以该辅助输出装置290的辅助拉出晶体管293关闭不工作。

如果，当非反相输入端V+的电压水平小于反相输入端V-的电压水平时，该推入控制节点GP的电压与稳态时相同，所以该第一镜射晶体管271所输入的第一镜射电流I1将会小于该第一参考电流272，所以该第一控制信号V1的输出为”low”，则第一转换装置274会将该辅助推入控制信号GPP维持在第一关闭信号275(系统的操作电压VDD)，所以该辅助输出装置290的辅助推入晶体管291关闭不工作。但该拉出控制节点GN的电压会大幅增加，使该输出级250的拉出晶体管253的拉出电流增大；相同的该第二镜射晶体管281所输入的第二镜射电流I2将会大于该第二参考电流282，所以该第二控制信号V2的输出为”high”，则第二转换装置284会将该辅助拉出控制信号GNN切换为第二开启信号286(偏压电压VD2)，所以该辅助输出装置290的辅助拉出晶体管293导通，使增加自输出端Vout拉出的电流。

本发明通过监控输出级的电流，可以快速的产生辅助推入/拉出控制信号控制该辅助输出装置，当该输出信号的电压水平不等于该输入信号的电压水平时，开启该辅助输出装置提供一辅助输出电流至该输出端，而当该输出信号的电压水平等于该输入信号的电压水平时，该辅助输出装置则关闭不工作。当然本发明也可以在该电流比较器中加入迟滞电路，用以延迟该辅助推入/拉出晶体管的关闭时间，搭配输出电流至负载的考虑。与其它技术利用电压变化来控制，本发明利用电流调节辅助输出端的开关，可以更快的反应输入端的变化增加运算放大器回转率，且就电路结构而言，构造简单，可以直接套用到现有的运算放大器上，不需重新设计，也就是保有原有运送放大器的特性。

上述仅为本发明的较佳实施例而已，并非用来限定本发明实施的范围。凡是根据本发明申请专利范围所做的等同变化与修饰，都涵盖在本发明专利范围内。

Claims

1.一种增加运算放大器回转率的装置，其特征在于，包括：

一运算放大器(200)，其具有一输入级(210)、一控制级(220)与一输出级(250)，所述输入级(210)接收输入信号，而所述输出级(250)的输出端(Vout)在所述运算放大器(200)对输入信号运算放大后输出信号，其中，所述输出级(250)是由一推入晶体管(251)和一拉出晶体管(253)串联所成，且所述推入晶体管(251)受所述控制级(220)的一推入控制节点(GP)的控制，所述拉出晶体管(253)受所述控制级(220)的一拉出控制节点(GN)的控制；

一辅助控制装置(260)，其连接到所述控制级(220)的推入控制节点(GP)与拉出控制节点(GN)，并镜射所述输出级(250)的电流与参考电流(272、282)比较，用以产生一辅助推入控制信号(GPP)与一辅助拉出控制信号(GNN)；以及

一辅助输出装置(290)，其连接到所述运算放大器(200)的输出级(250)，并由所述辅助控制装置(260)的辅助推入控制信号(GPP)与辅助拉出控制信号(GNN)所控制，其中，当所述输出信号的电压水平不等于所述输入信号的电压水平时，则所述辅助控制装置(260)控制开启所述辅助输出装置(290)提供一辅助输出电流至所述输出端(Vout)，而当所述输出信号的电压水平等于所述输入信号的电压水平时，所述辅助输出装置(290)则关闭不再提供电流。

2.根据权利要求1所述的增加运算放大器回转率的装置，其特征在于，所述辅助输出装置(290)包括：

一辅助推入晶体管(291)，用以接收所述辅助推入控制信号(GPP)，而其输出端连接至所述运算放大器(200)的输出端(Vout)；以及

一辅助拉出晶体管(293)，用以接收所述辅助拉出控制信号(GNN)，而其输出端连接至所述运算放大器(200)的输出端(Vout)。

3.根据权利要求1所述的增加运算放大器回转率的装置，其特征在于，所述辅助控制装置(260)包括：

一推入控制装置(270)，其具有一第一电流比较器(273)与一第一转换装置(274)，其中，所述第一电流比较器(273)接入与所述输出级(250)的推入晶体管(251)镜射且受所述控制级(220)的推入控制节点(GP)控制的一第一镜射晶体管(271)所输入的一第一镜射电流(I1)，所述第一镜射电流(I1)与一第一参考电流(272)通过所述第一电流比较器(273)后产生一第一控制信号(V1)给所述第一转换装置(274)，用以切换所述第一转换装置(274)接入的一第一关闭信号(275)与一第一开启信号(276)形成所述辅助推入控制信号(GPP)，用以控制所述辅助输出装置(290)的辅助推入晶体管(291)；以及

一拉出控制装置(280)，其具有一第二电流比较器(283)与一第二转换装置(284)，其中，所述第二电流比较器(283)接入与所述输出级(250)的拉出晶体管(253)镜射且受所述控制级(220)的拉出控制节点控制(GN)的一第二镜射晶体管(281)所输入的一第二镜射电流(I2)，所述第二镜射电流(I2)与一第二参考电流(282)通过所述第二电流比较器(283)后产生一第二控制信号(V2)给所述第二转换装置(284)，用以切换所述第二转换装置(284)接入的一第二关闭信号 (285)与一第二开启信号(286)形成所述辅助拉出控制信号(GNN)，用以控制所述辅助输出装置(290)的辅助拉出晶体管(293)。