CN101420207B - 动态补偿电流的运算放大器、集成电路以及方法 - Google Patents

动态补偿电流的运算放大器、集成电路以及方法 Download PDF

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Abstract

一种可动态补偿电流的运算放大器，包括一第一级与一第二级，该第一级用以接收至少两输入信号，该第二级耦接至该第一级，其中该第二级包括含有该运算放大器的一第一输出的一第一部分，以及含有该运算放大器的一第二输出的一第二部分。本方法包括提供一第一电流至该第二级的该第一部分，以及提供一第二电流至该第二级的该第二部分，其中该第一电流及该第二电流的和大致为定值。

Description

动态补偿电流的运算放大器、集成电路以及方法
技术领域
本发明是关于电流补偿的电路及方法，更是关于动态电流补偿的电路及方法。
背景技术
运算放大器(Operation Amplifiers，op-amps)是最为广泛运用的电子装置之一。运算放大器常见于各种商用、消费者用或科学用装置等电子产品中。举例而言，运算放大器可用以执行逻辑运算像是电压补偿，或是用以执行数学计算。
传统上，运算放大器以直流电(Direct Current，DC)耦接至具有多个输入端及输出端的电子电压放大器，其中只有一输出端是用以驱动负载。如图1所示，一运算放大器104标示加号“+”的输入端100和标示减号“-”的输入端102可分别接收一第一交流电压输入S1(有一已知振幅)及一第二交流电压输入S2，其中该第二交流电压输入S2为该第一交流电压输入S1的反相信号。理想情况下，该运算放大器的输出为该两信号电压差的放大信号。在此，输出一般指“输入电压差”的放大。
图1中，运算放大器104的减号端输出106和加号端输出108分别具有与减号端输入102的S2及加号端输入100的S1相同极性的输出信号。
在传统运用中，由将该输出的一部分反馈至其输入的一反相端(负反馈)来控制运算放大器的输出。此外一运算放大器由多个部分(多级)所组成，其中，运算放大器的级数随不同运用而变。例如，运算放大器可由输入级、频率锐化级及输出级所组成，反之，亦可仅仅具有输入级及输出级。
运算放大器依照其输入电压与输出电流之间的关系可分为多种等级，如A级、B级和AB级等等。A级运算放大器具有一固定的静态负载电流，造成相对高功耗及相对高的小信号线性度。相反地，B级运算放大器在一般负载下具有零静态负载电流，造成相对低功耗及相对低的小信号线性度。AB级运算放大器在功耗及小信号线性度上则介于A级与B级之间。然而，AB级放大器无法于其输出级适当地控制静态电流，造成其易受各种因素影响，例如制程、操作电压，及(或)温度。此外，因为其固定的偏压电流，AB级运算放大器的平均电流消耗量无法明确定义，使得估计其平均功耗变得相当困难。
发明内容
有鉴于此，本发明的一范例是提供一种在运算放大器中动态补偿电流的方法，其中该运算放大器包括一第一级和一第二级，该第一级用以接收两输入信号，而该第二级耦接至该第一级，其中该第二级包括含有该运算放大器的一第一输出的一第一部分，以及含有该运算放大器的一第二输出的一第二部分，该方法包括提供一第一电流至该第二级的该第一部分、提供一第二电流至该第二级的该第二部分、依照第二级的该第一部分的电流消耗量调整该第一电流、及依照第二级的该第二部分的电流消耗量调整该第二电流，其中该第一及第二电流的和大致为定值。
本发明的另一范例提供一种可动态补偿电流的运算放大器，包括一第一级、一第二级、一第一电流源及一第二电流源。其中该第一级用以接收至少两输入信号，该第二级耦接至该第一级，其中该第二级包括含有该运算放大器的一第一输出的一第一部分，以及含有该运算放大器的一第二输出的一第二部分，而该第一电流源用以提供一第一偏压电流以偏压该第二级的该第一部分，而该第二电流源用以提供一第二偏压电流以偏压该第二级的该第二部分。
本发明的另一范例提供一种用以动态补偿电流的集成电路，包括一第一级、一第二级、一第一组晶体管、一第二组晶体管。其中该第一级用以接收至少两输入信号，该第二级耦接至该第一级，其中该第二级包括含有该运算放大器的一第一输出的一第一部分，以及含有该运算放大器的一第二输出的一第二部分，而该第一组晶体管用以从一第一电流源提供一第一偏压电流以偏压该第二级的该第一部分，而该第二组晶体管用以从一第一电流源提供一第二偏压电流以偏压该第二级的该第二部分，其中当该运算放大器的该第一输出具有正在增加的一信号时，则该第一电流源用以增加该第一偏压电流，而当该运算放大器的该第二输出具有正在增加的一信号时，则该第二电流源用以增加该第二偏压电流，而其中该第一偏压电流与该第二偏压电流的总和大致为常数。
附图说明
为使本发明的上述目的、特征、和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例并配合附图做详细说明如下，其中：
图1为本发明运算放大器的示意图；
图2为本发明的运算放大器使用动态电流补偿的示意图；以及
图3为本发明图2的运算放大器的示意图。
具体实施方式
图2为依照本发明的差动运算放大器200的示意图。如前所述，运算放大器200，举例而言，为一集成电路，用以执行某些运用，像是广播及电视的传送接收、高传真立体声装置、乐器放大器、微电脑、和(或)其它电子装置等。运算放大器200在此以差动放大器为例，但其同样也可以是非反相放大器、电压跟随器、加法放大器、积分器、微分器或比较器。
运算放大器具有一特性，使得其输出信号的线性度随其输入信号的振幅递增而递减。举例而言，当输入信号振幅增加，则耦接至该运算放大器输出级的负载所消耗的电流量也会增加。此时，该运算放大器输出级也需要较高的偏压电流以配合该负载因为增加的输出信号所消耗的电流。一传统的运算放大器可能无法达到此要求而提高电流，因此输出信号就不能达到理想的水准。是以该输出信号的线性度可能因而降低。
运算放大器200用以动态补偿其输出级(在此指第二级)上变化电流的需求，且能使总电流消耗维持稳定，因此造成相对高的大信号线性度及相对低的平均功耗。运算放大器200的结构及操作将于下详述。
如图2所示，运算放大器200包括用以从一电源(VDD)202接收电力的电子连接201、运算放大器输入204a及204b(运算放大器输入204总称两种)、运算放大器输出206a及206b(运算放大器输出206总称两种)、晶体管212a、212b、212c、212d、212e及212f(晶体管212总称所述晶体管)。在图2的实施例中，晶体管212皆是金属氧化层半导体场效应晶体管(Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor，MOSFET)。运算放大器200还包括电阻器208a及208b(电阻器208总称两种)、电容器210a及210b(电容器210总称两种)、电流源214a及214b(214总称两种)。上述电容器、电阻器、电流源及晶体管的数目仅为示意，其它不同数量或型态的配置同样可行。
如图2所示，运算放大器200包括差动输入级(在此指第一级)，其中204作为一差动输入，包括两p型晶体管212a、212b以及耦接至电源VDD202、用以提供电源电流给第一级的电流源IB0。212a及212b的源极互相耦接后又耦接至电流源IB0以接收电流供应。212a及212b的栅极用以分别自运算放大器输入204a及204b接收输入信号S1及S2，而其中S2为S1的反相信号。212a及212b为漏极将输出信号供应至该第一级的负载，而该第一级的负载可为共模反馈回路以包括两n型晶体管212c及212d。图2中，212c及212d的漏极分别耦接至212a及212b的漏极，212c及212d的源极耦接至参考电压224或接地，而212c及212d的栅极则互相耦接以接收共模反馈(Common Mode Feedback)信号。共模反馈循环为本技术人士所熟知，是以未将其细节表示于图2中，且本文将不再赘述。
运算放大器200还包括用以处理第一级输出信号的第二级，其中，运算放大器输出206作为一差动输出。如图2所示，第二级包括晶体管212e及212f，用以作为共源极放大器。晶体管212e及212f的栅极分别耦接至晶体管212a及212b的漏极以分别接收第一级的输出信号。晶体管212e及212f的源极耦接至参考电压224或接地。第二级于晶体管212e及212f上提供运算放大器200的输出信号以及分别由运算放大器输出206a及206b所提供的差动输出。
运算放大器200还包括反馈回路，而反馈回路包括电阻器208及电容器210以稳定运算放大器200的运作。更明确地说，电阻器208a及电容器210a耦接于212e的漏极与212e的栅极间以将输出信号的一部分反馈至运算放大器200的第一级。208b及210b耦接于212f的漏极与212f的栅极间以将输出信号的一部分反馈至运算放大器200的第一级。反馈回路可稳定运算放大器200的运作，例如，减少或避免相位边限(phase margin)及(或)增益边限(gain margin)。
运算放大器200的第二级也包括电流源214a、214b及IB1。电流源IB1提供电流至电流源214a及214b，而电流源214a及214b则分别提供偏压电流至包括晶体管212e及212f的两共源极放大器，如同作为其负载般。
在电源VDD 202开始动作之后，交流电压信号可被施加于运算放大器输入204之上，其将于晶体管212a、212b的漏极端产生信号(以电压信号的型式)，并且调整分配于晶体管212a及212b之间的IB0电流。举例而言，在一实施例中，在晶体管212a上的输出信号可为一交流电源信号S1，而晶体管上的输入信号可为一S1的反相电压信号(换言之，S1与S2相位差180度)。
随着输入信号204a及204b的改变，流经晶体管212a及212b的电流也跟着改变。该电流变化以电压信号的型式，通过第一级的负载(即包含晶体管212c及212d的共模反馈回路)传送至运算放大器200的第二级(即晶体管212e及212f)。其中提供至包含晶体管212e及212f的共源极放大器的电压信号将被放大，并于运算放大器输出206上形成输出信号。
当运算放大器输出206的输出信号振幅相对较小时，则耦接至运算放大器输出206的负载依照该运算放大器输出206上的输出信号振幅而被驱动。当运算放大器输出206的输出信号振幅相对大时，则该负载必须相应地汲取大量电流。于此同时，由212e及212f所组成的共源极放大器也需要相对大量的电流。如果电流源214a及214b不能满足这些电流需求，则放大器输出206上的输出信号的线性度会因而降低。
与本发明的实施例一致，电流源214a及214b用以当运算放大器输出206上的输出信号振幅增加时，提高分别由电流源214a及214b所提供的电流量。因此，运算放大器200的第二级上欲增加电流的需求依照输入信号被动态地补偿，并使运算放大器输出206上输出信号的线性度得以保持。该输入信号振幅的增加将导致运算放大器200的第二级所需的电流量相应增加。并且，输入信号振幅的增加可将额外的电流导向需要额外电流的运算放大器200的输出级。以此方式，电流源214a及214b动态补偿运算放大器200因应输入信号而产生的电流需求，也使运算放大器输出206的输出信号的线性度得以保持。
此外，与作为差动输出的运算放大器输出206一致，当运算放大器输出206a上的电流增加，则运算放大器输出206b上的电流下降。同样地，当运算放大器输出206b上的电流增加，则运算放大器输出206a的电流下降。因此，运算放大器200的总电流消耗量大致维持稳定。
与本发明的实施例也一致，电流源214a及214b共同提供一大致不变的电流，使得总电流消耗量维持稳定。一方面，电流源IB1提供一常数电流输出，电流源214a及214b共享从电流源IB1而来的该常数电流。电流源214a及214b用以使提供至共源极放大器(由晶体管212e及212f所组成)的电流为分别自电流源IB1汲取的电流乘以一常数。以下将对提供至晶体管212e及212f的电流作更详细的描述。
图3表示图2所揭露的运算放大器200的一实施例，其包括电流源214a及214b的使用范例。
如图3所示，电流源214a包括一电阻器302a及302b(电阻器302总称两种)、一MOS晶体管304a、304b又及304c(MOS晶体管304总称此三种)。而电流源214b包括电阻器306a及306b(电阻器306总称两种)、一MOS晶体管308a、308b又及308c(MOS晶体管308总称此三种)。
此外，电阻器302a电性耦接于晶体管212b的漏极与晶体管304c的栅极间。电阻器302b电性耦接至电阻器302a、306b、电源VDD 202及晶体管304a、304b、308a、308b的源极。电阻器306a电性耦接于晶体管212a的漏极与晶体管308c的栅极之间。此外，晶体管304a、304b的栅极皆耦接至晶体管304b的漏极。
从晶体管304a的源极流至其漏极的电流IB1-1的值随晶体管304A的栅源极压降(VGS)而改变，而该栅源极压降与晶体管304b的栅源极压降相同。当晶体管304a及304b皆操作于饱合模式(saturation mode)，则从晶体管304a的源极流至其漏极的电流IB1-1和从晶体管304b的源极流至其漏极的电流IB1-2之间存有一关系式(1)如下：
I B 1 - 1 = ( W / L ) Transistor 304 a ( W / L ) Transistor 304 b I B 1 - 2 - - - ( 1 )
在关系式(1)的分子中，W及L分别为MOS晶体管304a的通道宽度及长度。而在关系式(1)的分母中，W及L分别为MOS晶体管304b的通道宽度及长度。
相似地，从晶体管308a的源极流至其漏极的电流IB1-6和从晶体管308b的源极流至其漏极的电流IB1-5之间存有一关系式(2)如下：
I B 1 - 6 = ( W / L ) Transistor 308 a ( W / L ) Transistor 308 b I B 1 - 5 - - - ( 2 )
在关系式(2)的分子中，W及L分别为MOS晶体管308a的通道宽度及长度。而在关系式(2)的分母中，W及L分别为MOS晶体管308b的通道宽度及长度。
如图3所示，电流IB1-2及IB1-5乃由电流源IB1所提供。而电流IB1-2及IB1-5的和与电流源IB1所提供的电流相同。因此，如果晶体管304a的宽长比(W/L)与晶体管304a的宽长比(W/L)的比值相等于晶体管308a的宽长比(W/L)与晶体管308b的宽长比(W/L)的比值，则电流IB1-1与IB1-6的和为电流源IB1所提供的电流乘上一常数。
此外，电阻器302及306上电压的改变造成晶体管304c及308c的栅极上的电位发生改变。电流IB1-2及IB1-5为电阻器302及306上的电压降的函数。因为流经晶体管304a、308a至运算放大器输出206的电流为电流IB1-2及IB1-5的函数，而电流IB1-1及IB1-6也为电阻器302及306的电压降的函数。此外，如前文所述，导向至运算放大器206的电流IB1-1及IB1-6的量大体上将分别由晶体管304及308的通道的宽长比所决定。结果，由适当地设计晶体管304及308的尺寸，电流IB1-1及IB1-6的范围可被调整以配合各种应用。
如图3所示，其标示了运算放大器200中的多个电流。包括流经晶体管304a的电流IB1-1、流经晶体管304b及304c的电流IB1-2、流经电阻器302的电流IB1-3、流经电阻器212a及212b的电流IB0、流经电阻器306的电流IB1-4、流经晶体管308b及308c的电流IB1-5、及流经晶体管3084a的电流IB1-6。
与图3的实施例一致，当输入信号的振幅相对大时，则电流源214a及214b对负载增加电流的需求进行动态补偿，因此维持大信号线性度的稳定。
当输入信号S1及S2的振幅相对小时，则运算放大器输出206上的信号的振幅同样也相对小。因此，第二级上的电流波动相对小，运算放大器输出206的线性度可不予考虑。负反馈的结果，举例而言，当信号S1的电位(施加于运算放大器输入204a的信号)较信号S2的电位(施加于运算放大器输入204b的信号)高时，则运算放大器输出206b上的信号的电位较运算放大器输出206a的信号的电位为低。
在此情况下，第一级在晶体管212a的漏极上的信号输出(施加于电阻器306a及306b上)同样也较晶体管212b的漏极的信号(施加于电阻器302a及302b)为低。因此，一相对较低的偏压被施加于晶体管308的栅极，造成流经晶体管的电流IB1-5也相对低。因为电流IB1-6正比于电流IB1-5，所以电流IB1-6也相对低。因此，供应至运算放大器输出206b的负载及含有晶体管212f的共源极放大器上的总电流也相对低。相反地，由于晶体管304c的栅极电压相对较大之故，电流IB1-2及IB1-3则相对大。
同样地，承上例，当信号S2的电位较信号S1低时，则电流源214a所提供的电流IB1-1较电流源214b所提供的电流IB1-6来得大，因为，如上所述，电流与的和是维持定值的。此外，分别流经晶体管304c及308c的电流(IB1-2与IB1-5)的和保持和电流IB1相等。因此，随着电流IB1-5增加，电流IB1-2则相应减少。因为电流IB1-1正比于IB1-2，所以电流IB1-1也随之减少，造成运算放大器输出206a产生电位较小的信号。
因此，图3所示的电路对运算放大器在大信号操作时所增加的电流需求进行补偿，也使运算放大器200的总电流消耗量保持稳定。
图2及图3以同型的晶体管为例(不是p型的MOSFET就是n型的MOSFET)。然而值得注意的是，运算放大器200同样也可由相反型式的晶体管所组成，换言之，以n型晶体管取代p型晶体管，反之亦然。更值得注意的是，运算放大器200也可由其它型式的晶体管如双极性接面晶体管(Bipolor Junction Transistors，BJT)所取代。
最后，本发明所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的权利要求范围的精神下，可以本发明所揭露的概念及实施例为基础，轻易地设计及修改其它用以达成与本发明目标相同的架构。

Claims (20)

1.一种于运算放大器中动态补偿电流的方法，其中该运算放大器包括一第一级和一第二级，该第一级用以接收二输入信号，而该第二级耦接至该第一级，其中该第二级包括含有该运算放大器的一第一输出的一第一部分，以及含有该运算放大器的一第二输出的一第二部分，其特征在于，该方法包括：
提供一第一电流至该第二级的该第一部分；
提供一第二电流至该第二级的该第二部分；
依照第二级的该第一部分的电流消耗量调整该第一电流；及
依照第二级的该第二部分的电流消耗量调整该第二电流，其中该第一及第二电流的和为定值。
2.如权利要求1所述的于运算放大器中动态补偿电流的方法，其特征在于，其中包括使提供至该第二级的该第一部分的该第一电流的总量对应至少一晶体管尺寸。
3.如权利要求1所述的于运算放大器中动态补偿电流的方法，其特征在于，其中调整该第一电流时包括使其对应该二输入信号中至少一种的振幅。
4.如权利要求1所述的于运算放大器中动态补偿电流的方法，其特征在于，其中包括提供至该第二级的该第二部分的该第二电流的总量对应至少一晶体管尺寸。
5.如权利要求1所述的于运算放大器中动态补偿电流的方法，其特征在于，其中调整该第二电流时包括使其对应该二输入信号中至少一种的振幅。
6.一种可动态补偿电流的运算放大器，其特征在于，包括：
一第一级用以接收至少两输入信号；
一第二级耦接至该第一级，其中该第二级包括含有该运算放大器的一第一输出的一第一部分，以及含有该运算放大器的一第二输出的一第二部分；
一第一电流源用以提供一第一偏压电流以偏压该第二级的该第一部分；以及
一第二电流源用以提供一第二偏压电流以偏压该第二级的该第二部分；
其中当该运算放大器的该第一输出具有正在增大的一信号时，则该第一电流源提高该第一偏压电流，而当该运算放大器的该第二输出具有正在增加的一信号时，则该第二电流源提高该第二偏压电流，而其中该第一偏压电流与该第二偏压电流的总和为常数。
7.如权利要求6所述的可动态补偿电流的运算放大器，其特征在于，其中该第一电流源包括一第一组晶体管。
8.如权利要求7所述的可动态补偿电流的运算放大器，其特征在于，其中该第二电流源包括一第二组晶体管。
9.如权利要求8所述的可动态补偿电流的运算放大器，其特征在于，其中该第一偏压增加的量至少部分是由该第一组晶体管中各晶体管的至少一通道尺寸所决定。
10.如权利要求8所述的可动态补偿电流的运算放大器，其特征在于，还包括耦接于一电源及该第一组晶体管中一晶体管的一端之间的一第一电阻；其中该第一偏压电流增加的量至少部分是由该第一电阻上的一电压降幅所决定。
11.如权利要求9所述的可动态补偿电流的运算放大器，其特征在于，其中该第二偏压增加的量至少部分是由该第二组晶体管中各晶体管的至少一通道尺寸所决定。
12.如权利要求10所述的可动态补偿电流的运算放大器，其特征在于，还包括耦接于该电源及该第二组晶体管中一晶体管的一端之间的一第二电阻；其中该第二偏压电流增加的量至少部分是由该第二电阻上的一电压降幅所决定。
13.如权利要求7所述的可动态补偿电流的运算放大器，其特征在于，其中该第一组晶体管中至少一晶体管是一金属氧化层半导体场效应晶体管。
14.如权利要求7所述的可动态补偿电流的运算放大器，其特征在于，其中该第一组晶体管中至少一晶体管是一双极性接面晶体管。
15.如权利要求8所述的可动态补偿电流的运算放大器，其特征在于，其中该第二组晶体管中至少一晶体管是一金属氧化层半导体场效应晶体管。
16.如权利要求8所述的可动态补偿电流的运算放大器，其特征在于，其中该第二组晶体管中至少一晶体管是一双极性接面晶体管。
17.如权利要求10所述的可动态补偿电流的运算放大器，其特征在于，其中该第一电阻包括至少一电阻器。
18.如权利要求12所述的可动态补偿电流的运算放大器，其特征在于，其中该第二电阻包括至少一电阻器。
19.一种用以动态补偿电流的集成电路，其特征在于，包括：
一第一级用以接收至少两输入信号；
一第二级耦接至该第一级，其中该第二级包括含有该运算放大器的一第一输出的一第一部分，以及含有该运算放大器的一第二输出的一第二部分；
一第一组晶体管用以从一第一电流源提供一第一偏压电流以偏压该第二级的该第一部分；以及
一第二组晶体管用以从一第二电流源提供一第二偏压电流以偏压该第二级的该第二部分；
其中当该运算放大器的该第一输出具有正在增大的一信号时，则该第一电流源用以提高该第一偏压电流，而当该运算放大器的该第二输出具有正在增大的一信号时，则该第二电流源用以提高该第二偏压电流，而其中该第一偏压电流与该第二偏压电流的总和为常数。
20.如权利要求19所述的用以动态补偿电流的集成电路，其特征在于，其中该第一组晶体管及该第二组晶体管是金属氧化层半导体场效应晶体管。
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