CN102045029A

CN102045029A - 运算放大电路

Info

Publication number: CN102045029A
Application number: CN2009102041946A
Authority: CN
Inventors: 李超
Original assignee: CSMC Technologies Corp; Wuxi CSMC Semiconductor Co Ltd
Current assignee: CSMC Technologies Corp; Wuxi CSMC Semiconductor Co Ltd
Priority date: 2009-10-19
Filing date: 2009-10-19
Publication date: 2011-05-04

Abstract

一种运算放大电路，包括：可变增益放大单元，基于其控制端上的调节信号对输入信号进行可变增益放大；信号检测单元，检测可变增益放大单元的输出信号幅度，相应输出检测信号；以及，增益调节单元，在检测信号表示输出信号幅度超过阈值时，向可变增益放大单元的控制端输出增益减小的调节信号，且在输出增益减小的调节信号时进行信号衰减控制。所述运算放大电路可以在输出信号的幅度超过阈值时，通过减小增益以减小输出信号的幅度，从而改善截止失真及饱和失真的现象。

Description

运算放大电路

技术领域

本发明涉及集成电路设计领域，特别涉及运算放大电路。

背景技术

传统的运算放大器在对于信号放大时，较少或并没有采用相应的措施来对输出信号的幅度进行限制。当输入信号的幅度过大时，就会出现截止失真或饱和失真的现象。为了避免截止失真或饱和失真的现象，现有技术通常采用限幅电路来限制输入及输出信号的幅度。

参照图1所示，现有技术的一种具有限幅电路的运算放大器，包括：运算放大器10，其反向输入端经由电阻R2接收输入信号Vin，其正向输入端经由电阻R3接地，其输出电阻为R0，在其输出端和反向输入端间还接有电阻R1，电阻R1和R2构成负反馈网络。所述运算放大器10的正向输入端和反向输入端间还接有一对接法相反的齐纳二极管D1、D2，所述运算放大器10的输出电阻R0还接有一对串联于VDD和地间的齐纳二极管D3、D4。齐纳二极管D1、D2对运算放大器10的正向输入端和反向输入端的输入信号进行限幅，齐纳二极管D3、D4对运算放大器10的输出信号进行限幅。所述具有限幅电路的运算放大器通过所述的两对齐纳二极管的限幅，来避免截止失真和饱和失真现象。

然而，例如图1所示的限幅电路是对输入信号和输出信号强制限幅来保证运算放大器的正常工作。所述限幅电路结构虽然相对简单，但却是一种被动、强制的调节输入及输出信号的方式。因此，现有技术的这种限幅手段无法实现对输入信号和输出信号的按需调节，也就是说当输入及输出信号幅度过大时再进行限幅。

发明内容

本发明解决的问题是现有技术通过强制限幅来保证运算放大器的正常工作，其无法实现对输入及输出信号的按需调节。

为解决上述问题，本发明提供一种运算放大电路，包括：

可变增益放大单元，基于其控制端上的调节信号对输入信号进行可变增益放大；

信号检测单元，检测可变增益放大单元的输出信号幅度，相应输出检测信号；

以及，增益调节单元，在检测信号表示输出信号幅度超过阈值时，向可变增益放大单元的控制端输出增益减小的调节信号，且在输出增益减小的调节信号时进行信号衰减控制。

与现有技术相比，上述运算放大电路具有以下优点：通过信号检测单元检测可变增益放大单元的输出信号，即整个运算放大电路的输出端信号幅度，并相应输出检测信号。在可变增益放大单元的输出信号幅度超过阈值时，通过增益调节单元产生减小增益的调节信号，从而改善截止失真及饱和失真的现象，实现输出信号的按需调节。

并且，增益调节单元在输出所述调节信号时进行信号衰减控制，使得增益调节后的整个运算放大电路的输出端信号能较为缓慢平滑地输出。

附图说明

图1是现有技术的一种具有限幅电路的运算放大器的电路结构示意图；

图2是本发明运算放大电路的一种实施方式示意图；

图3是本发明运算放大电路的一种实施例电路图；

图4是图3所示运算放大电路中的比较器201的一种电路图；

图5是本发明运算放大电路的另一种实施例电路图；

图6是图5所示运算放大电路中的运算放大器103的一种电路图。

具体实施方式

参照图2所示，本发明运算放大电路的一种实施方式包括：

可变增益放大单元100，基于其控制端上的调节信号对输入信号进行可变增益放大；

信号检测单元200，检测可变增益放大单元100的输出信号幅度，相应输出检测信号；

以及，增益调节单元300，在检测信号表示输出信号幅度超过阈值时，向可变增益放大单元100的控制端输出增益减小的调节信号，且在输出增益减小的调节信号时进行信号衰减控制。

上述实施方式的运算放大电路，通过检测及调节单元200对可变增益放大单元100的输出信号，即整个运算放大电路的输出端信号进行监控。当发现所述输出信号的幅度超过阈值时，就通过增益调节单元300产生控制可变增益放大单元100增益减小的调节信号，实现了输出信号的按需调节。而为保证增益减小的调节信号能较为缓慢及平滑地反馈至可变增益放大单元100，使得可变增益放大单元100的输出信号，即整个运算放大电路的输出端信号也能够较为缓慢及平滑地输出，所述增益调节单元300还对于增益减小的调节信号的输出进行信号衰减控制。

在一种实施例中，所述信号检测单元200可以为比较器，用于比较所述输出信号及参考信号。所述比较器输出的比较信号作为增益调节单元300产生调节信号的依据。

在另一种实施例中，所述增益调节单元300可以为滤波器，所述滤波器配置为对增益减小的调节信号的信号衰减进行控制。

以下通过一些电路实例对上述可变增益放大器作进一步说明。

参照图3所示，本发明运算放大电路的一种实施例包括：

可变增益放大器101，基于其控制端上的调节信号Vcont对输入信号Vin进行可变增益放大；

比较器201，反向输入端接收可变增益放大器101的输出信号Vout，正向输入端接收参考信号Vref，比较输出信号Vout和参考信号Vref，并相应输出比较信号Vcom；

滤波器301，包括：正极接于比较器201输出、接收比较信号Vcom的第一二极管D5；一端接于第一二极管D5的负极的第一电阻R4；并联于第一电阻R4的另一端的第二电阻R5及第一电容C1，第二电阻R5及第一电容C1的另一端均接地，第一电阻R4的另一端还与可变增益放大器101的控制端相连，以使得可变增益放大器101的控制端接收整个滤波器301输出的调节信号Vcont。

本实施例运算放大电路中，可变增益放大单元为可变增益放大器101。比较器201通过比较可变增益放大器101的输出信号Vout与参考信号Vref，输出比较信号Vcom来进行信号检测。所述比较信号Vcom用于表示输出信号Vout的幅度是否超过阈值，所述比较信号Vcom作为滤波器301产生调节信号Vcont的依据。

当输出信号Vout大于或等于参考信号Vref时，表示输出信号Vout的幅度过大，需要进行限幅处理。所述比较器201在比较输出信号Vout与参考信号Vref后，相应输出负值或零值的比较信号Vcom；而当输出信号Vout小于或等于参考信号Vref时，表示输出信号Vout的幅度处于设计范围内，无需进行限幅处理。所述比较器201在比较输出信号Vout与参考信号Vref后，相应输出正值的比较信号Vcom。

所述滤波器301中的第一二极管D5在获得正值的比较信号Vcom后导通，通过第一电阻R4对第一电容C1充电，则第一电阻R4的另一端相对于地的电压值逐渐升高，即滤波器301输出的调节信号Vcont逐渐增强。所述可变增益放大器101对应于调节信号Vcont的逐渐增强而增大增益。

所述滤波器301中的第一二极管D5在获得负值或零值的比较信号Vcom后截止，则第一电容C1通过第二电阻R5放电，则第一电阻R4的另一端相对于地的电压值逐渐减小，即滤波器301输出的调节信号Vcont逐渐衰减。所述可变增益放大器101对应于调节信号Vcont的逐渐衰减而减小增益。为保证整个运算放大电路的输出端信号能够缓慢而平滑地衰减，例如音频信号缓慢而平滑变小，需要使得调节信号Vcont也能够缓慢而平滑地反馈至可变增益放大器101。也就是说，使得第一电容C1、第二电阻R5构成的放电回路缓慢放电，因此要求时间常数τ＝R5×C1较大。

另外，增大可变增益放大器101的增益的过程可以较快，也就是说第一电阻R4、第一电容C1构成的充电回路的充电速度可以较快，相应要求时间常数τ＝R4×C1较小。

参照图4所示，为实现更为快速及更高灵敏度的比较，所述比较器201可以为具有正反馈结构的CMOS差动放大器。所述CMOS差动放大器包括：PMOS管M1～M6及NMOS管M7～M11，其中，NMOS管M7、M8作为差动管分别接收输出信号Vout及参考信号Vref；PMOS管M3和M5，PMOS管M4和M6，NMOS管M9和M10分别构成镜像电流源结构，实现双端输入-单端输出的转换；NMOS管M11，其接收偏置电压Vb，为差动管提供偏置电流；PMOS管M1、M2构成正反馈结构，以钳制或放大两差动输入端上的信号Vout及Vref的差值，从而实现比较信号Vcom的输出。因此，所述具有正反馈结构的CMOS差动放大器可以在输出信号Vout与参考信号Vref的差值较微小时，也输出较显著的比较信号Vcom，从而有助于整个运算放大电路对输出信号的限幅处理。

另外，为保证较小的增益误差，所述可变增益放大器101设计为可以实现较高的信号增益。如此，也更有利于比较器201对输出信号Vout与参考信号Vref进行比较。

此外，为保证整个可变增益放大器的稳定性，还可考虑对所述比较器201进行频率补偿。例如，可以采用Rc-Cc米勒补偿方式。

参照图5所示，本发明运算放大电路的另一种实施例包括：

可变增益放大器102，基于其控制端上的调节信号Vcont对输入信号Vin进行可变增益放大，输出预放大信号Vs；

运算放大器103，具有由第三电阻R6、第四电阻R7构成的负反馈网络，其反向输入端经由第四电阻R7接收预放大信号Vs，正向输入端接地，对预放大信号Vs放大后输出放大信号Vout；

比较器202，反向输入端接收运算放大器103的输出信号Vout，正向输入端接收参考信号Vref，比较输出信号Vout和参考信号Vref，并相应输出比较信号Vcom；

滤波器302，包括：正极接于比较器202输出、接收比较信号Vcom的第一二极管D5；一端接于第一二极管D5的负极的第一电阻R4；并联于第一电阻R4的另一端的第二电阻R5及第一电容C1，第二电阻R5及第一电容C1的另一端均接地，第一电阻R4的另一端还与可变增益放大器101的控制端相连，以使得可变增益放大器101的控制端接收整个滤波器302输出的调节信号Vcont。

本实施例运算放大电路中，可变增益放大单元包括可变增益放大器102及运算放大器103两部分。可变增益放大器102对输入信号Vin进行可变增益预放大或衰减并输出预放大信号Vs，运算放大器103对预放大信号Vs进行放大并输出运算放大电路的输出信号Vout。所述比较器202及滤波器302的结构与前述运算放大电路的实施例中相应部分相同，此处就不再重复说明了。

本实施例运算放大电路实际通过调节可变增益放大器102的增益，进而对运算放大器103输入端的预放大信号Vs的幅度进行调节，从而保证运算放大器103的输出信号Vout的幅度处于设计范围内。具体地说，当输出信号Vout的幅度处于设计范围内时，保持或增加可变增益放大器102的增益；而一旦输出信号Vout的幅度过大时，减小可变增益放大器102的增益，使得预放大信号Vs的幅度减小，以保证后续运算放大器103的输出信号Vout的幅度处于设计范围内。

为降低增益偏低带来的增益误差，运算放大器103设计为可以实现较高的信号增益。参照图6所示，运算放大器103采用增益自举电路结构，包括：运算放大器104、NMOS管M12、M13，其中，运算放大器104的反向输入端接于NMOS管M12的源极，正向输入端接收偏置电压Vc；NMOS管M12的栅极接于运算放大器104的输出端，漏极作为整个运算放大器103的输出端输出放大信号Vout，源极接于NMOS管M13的漏极；NMOS管M13的栅极接收预放大信号Vs，源极接地。

NMOS管M13作为信号输入管，NMOS管M12及运算放大器104构成负反馈结构，以增大输出阻抗，进而提高整个运算放大器的直流增益。结合图5和图6所示，所述运算放大器103的直流增益为：Vout/Vs＝-R6/R7。另外，需要说明的是，负反馈网络并不局限于由第三电阻R6、第四电阻R7构成，其也可采用电容构成。

综上所述，本发明运算放大电路通过信号检测单元检测可变增益放大单元的输出信号，即整个运算放大电路的输出端信号幅度，并相应输出检测信号。在可变增益放大单元的输出信号幅度超过阈值时，通过增益调节单元产生减小增益的调节信号，从而改善截止失真及饱和失真的现象，实现输出信号的按需调节。并且，增益调节单元在输出所述调节信号时进行信号衰减控制，使得增益调节后的整个运算放大电路的输出端信号能较为缓慢平滑地输出。

虽然本发明已以较佳实施例披露如上，但本发明并非限定于此。任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各种更动与修改，因此本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。

Claims

1.一种运算放大电路，其特征在于，包括：

2.如权利要求1所述的运算放大电路，其特征在于，所述可变增益放大单元为可变增益放大器。

3.如权利要求2所述的运算放大电路，其特征在于，所述可变增益放大器为具有增益自举电路结构的可变增益放大器。

4.如权利要求1所述的运算放大电路，其特征在于，

所述可变增益放大单元包括：

可变增益放大器，接收输入信号进行可变增益预放大；

运算放大器，对可变增益放大器的预放大信号进行放大；

以及，所述调节信号发送至可变增益放大器的控制端。

5.如权利要求4所述的运算放大电路，其特征在于，所述运算放大器为具有增益自举电路结构的运算放大器。

6.如权利要求1所述的运算放大电路，其特征在于，所述信号检测单元为比较器。

7.如权利要求6所述的运算放大电路，其特征在于，所述比较器为具有正反馈结构的CMOS差动放大器。

8.如权利要求1所述的运算放大电路，其特征在于，所述增益调节单元为滤波器，所述滤波器配置为对增益减小的调节信号的信号衰减进行控制。

9.如权利要求8所述的运算放大电路，其特征在于，所述滤波器包括：

第一二极管，正极接于信号检测单元的输出端；

第一电阻，一端接于第一二极管负极，另一端接于可变增益放大单元的控制端；

第二电阻及第一电容，并联于第一电阻的另一端，第二电阻及第一电容的另一端均接地，第二电阻及第一电容配置为对增益减小的调节信号的信号衰减进行控制。

10.如权利要求9所述的运算放大电路，其特征在于，所述滤波器在检测信号表示输出信号幅度未超过阈值时，向可变增益放大单元的控制端输出增益增大或增益维持的调节信号。

11.如权利要求10所述的运算放大电路，其特征在于，所述滤波器配置为对增益增大的调节信号的信号增强进行控制。

12.如权利要求11所述的运算放大电路，其特征在于，所述第一电阻及第一电容配置为对增益增大的调节信号的信号增强进行控制。