CN102368680A

CN102368680A - 电流反馈运算放大器电路

Info

Publication number: CN102368680A
Application number: CN2011102914422A
Authority: CN
Inventors: 周华; 蒋湘; 任娟; 王丽芳; 吴振东
Original assignee: Fiberhome Telecommunication Technologies Co Ltd
Current assignee: Wuhan flying Microelectronics Technology Co., Ltd.; Fiberhome Telecommunication Technologies Co Ltd
Priority date: 2011-09-30
Filing date: 2011-09-30
Publication date: 2012-03-07
Anticipated expiration: 2031-09-30
Also published as: CN102368680B

Abstract

本发明公开了一种电流反馈运算放大器电路，包括电源、偏置电流提供单元、第一共基-共射电流镜、第二共基-共射电流镜、静态偏置电路、输入缓冲级、电压转换级、驱动输出单元，驱动输出单元包括偏置电压电路和输出缓冲级，偏置电流提供单元分别通过第一共基-共射电流镜、第二共基-共射电流镜与输入缓冲级相连，用于提供偏置电流；静态偏置电路分别与输入缓冲级的反相输入端和电压转换级相连，用于稳定反相输入端静态工作点。本发明具有失调电压较低、带负载能力较强、转换速率较高的优点，且提高了整个运算放大器的精度和线性度。

Description

电流反馈运算放大器电路

技术领域

本发明涉及应用于大功率驱动集成电路的电流反馈放大器，特别是涉及一种电流反馈运算放大器电路。

背景技术

电流反馈运算放大器电路没有增益带宽乘积为常数的限制，因此能线性的处理较大幅度信号，还可以响应较高的频率信号。但是，由于双极互补工艺中的PNP和NPN晶体管的特性难以理想对称，例如，由于输入级PNP和NPN管VBE的不同引起失调电压VOS，反相输入端偏置电流和同相输入端偏置电流引起失调电压等，导致电流反馈运算放大器的静态误差较大、增益精度偏低。

发明内容

本发明的目的是为了克服上述背景技术的不足，提供一种电流反馈运算放大器电路，其具有失调电压较低、带负载能力较强、转换速率较高的特点，且提高了整个运算放大器的精度和线性度。

本发明提供的电流反馈运算放大器电路，它包括电源、顺次相连的输入缓冲级、电压转换级和驱动输出单元，所述驱动输出单元包括偏置电压电路和输出缓冲级，它还包括偏置电流提供单元、第一共基-共射电流镜、第二共基-共射电流镜和静态偏置电路，所述偏置电流提供单元分别通过第一共基-共射电流镜、第二共基-共射电流镜与输入缓冲级相连，用于提供偏置电流；所述静态偏置电路分别与输入缓冲级的反相输入端和电压转换级相连，用于稳定反相输入端静态工作点。

在上述技术方案中，所述偏置电流提供单元包括PNP型晶体管QP1、QP3、QP5、QP6、NPN型晶体管QN1、QN3、QN5、QN6和恒流源I1、I2，其中，QP1、QN1的集电极分别连接恒流源I1、I2，QP1、QN1的基极与各自集电极连接，QP1、QN1发射级均接电源；QP3、QN3的基极分别与QP 1、QN1的基极连接，QP3、QN3发射级均接电源，QP3集电极与QN6集电极相连，QN6发射极与QN5集电极相连，QN5发射极接电源，QN5、QN6的基极与各自集电极连接，QP3为QN5、QN6提供电流；QN3集电极与QP6集电极相连，QP6发射极与QP5集电极相连，QP5发射极接电源，QP5、QP6的基极与各自集电极连接，QN3为QP5、QP6提供电流。

在上述技术方案中，所述第一共基-共射电流镜由PNP型晶体管QP2和QP7构成，第二共基-共射电流镜由NPN型晶体管QN2和QN7构成，输入缓冲级由PNP型晶体管QP8、QP9和NPN型晶体管QN8、QN9构成，其中，QP2、QN2的基极分别与QP1、QN1的基极连接，QP2、QN2发射级均接电源，用于提供静态电流，QP2、QN2的集电极分别与QN8、QP8集电极连接，QN8、QP8的基极与各自集电极连接，QN8、QP8的发射极连接，连接点为运算放大器的输入端；QN9、QP9的基极分别与QN8、QP8的基极连接，QN9、QP9的发射极连接，连接点为运算放大器的反相输入端，QN9和QP9组成低输出阻抗推挽级。

在上述技术方案中，所述电压转换级包括第一威尔逊电流镜和第二威尔逊电流镜，所述第一威尔逊电流镜由PNP型晶体管QP13、QP14和NPN型晶体管QN10构成，所述第二威尔逊电流镜PNP型晶体管QP10和NPN型晶体管QN13、QN14构成，QP10、QN10的发射极分别与QP9、QN9的集电极连接，QP10、QN13的集电极连接，QN10、QP13的集电极连接，QP13、QN13的基极与各自集电极连接，QP13、QP14共基极，QN13、QN14共基极，QP13、QP14、QN13、QN14发射级均接电源。

在上述技术方案中，所述静态偏置电路包括PNP型晶体管QP11、QP12和NPN型晶体管QN11、QN12，QN11、QN12连接在QN10的基极和QN9的发射极之间，QP12、QP11连接在QP9的发射极和QP10的基极之间，QN11基极和QN10基极连接，QN11发射极接QN12集电极，QN12、QP12发射级相连，且均连接所述运算放大器的反相输入端，QP12集电极接QP11发射极，QP11基极和QP10基极连接，QN11、QN12、QP12、QP11的基极与各自集电极连接。

在上述技术方案中，所述静态偏置电路还包括PNP型晶体管QP4和NPN型晶体管QN4，QP4基极与QP1基极相连，QP4、QN11的集电极相连，QP4、QN4发射极均接电源、QN4基极与QN1基极相连，QN4、QP11的集电极相连，QP4为QN11、QN12提供静态偏置电流，QN4为QP11、QP12提供静态偏置电流。

在上述技术方案中，所述驱动输出单元中的偏置电压电路包括电阻R1、R2和NPN型晶体管QN15，QN15集电极接QP14集电极，QN15发射极接QN14集电极，电阻R1跨接在QN15的基极和集电极之间，电阻R2跨接在QN15的基极和发射极之间。

在上述技术方案中，所述驱动输出单元中的输出缓冲级包括PNP型晶体管QP15、QP16和NPN型晶体管QN16、QN17，QN16的基极接QP14的集电极，QP15的基极和QN14的集电极连接，QP16的基极和QN16的集电极连接，QP16、QN17的发射极接电源，QN17的基极和QP15的集电极连接，QP15、QN16的发射极连接，连接点为运算放大器的输出节点，QP16、QN17的集电极也连接于该连接点。

在上述技术方案中，所述驱动输出单元中的输出缓冲级中的QN16和QP16构成PNP型达林顿管，QP15和QN17构成对称的NPN型达林顿管。

在上述技术方案中，所述驱动输出单元中的输出缓冲级还包括电容C1和C2，用于补偿相位，避免输出级震荡，C1跨接在QN16的基极和集电极之间，C2跨接在QP15的基极和集电极之间。

与现有技术相比，本发明的优点如下：

(1)本发明的电路中采用了共基-共射的折叠电流镜，为了稳定反相输入端的静态工作点而增加了特有的稳定的静态偏置电路，减小了集成电路制造工艺的变化带来的失调电压，能保证较好的静态工作点，克服这类运算放大器静态误差偏大的缺点，提高了整个运算放大器的精度和线性度。

(2)本发明工作时处于深度负反馈状态，反相输入端VIN具有较低的输入阻抗，反馈信号是电流信号，此电流信号的大小几乎由反馈电阻决定，改变外围的反馈电阻阻值，就可以改变带宽，因此可以驱动较大的负载，具有较大的带负载能力、较高的转换速率。

附图说明

图1为本发明实施例的电路图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明作进一步的详细描述。

参见图1所示，本发明实施例提供的电流反馈运算放大器电路，具体包括电源、偏置电流提供单元1、第一共基-共射电流镜、第二共基-共射电流镜、静态偏置电路、顺次相连的输入缓冲级和电压转换级2、驱动输出单元3，驱动输出单元3包括偏置电压电路和输出缓冲级，偏置电流提供单元1分别通过第一共基-共射电流镜、第二共基-共射电流镜与输入缓冲级相连，用于提供偏置电流；静态偏置电路分别与输入缓冲级的反相输入端和电压转换级相连，用于稳定反相输入端静态工作点。

偏置电流提供单元1的主要功能是提供偏置电流，具体包括PNP型晶体管QP1、QP3、QP5、QP6、NPN型晶体管QN1、QN3、QN5、QN6和恒流源I1、I2，其中，QP1、QN1的集电极分别连接恒流源I1、I2，QP1、QN1的基极与各自集电极连接，QP1、QN1发射级均接电源；QP3、QN3的基极分别与QP1、QN1的基极连接，QP3、QN3发射级均接电源，QP3集电极与QN6集电极相连，QN6发射极与QN5集电极相连，QN5发射极接电源，QN5、QN6的基极与各自集电极连接，QP3为QN5、QN6提供电流；QN3集电极与QP6集电极相连，QP6发射极与QP5集电极相连，QP5发射极接电源，QP5、QP6的基极与各自集电极连接，QN3为QP5、QP6提供电流。QP5、QP6、QN5、QN6有比较重要的作用，它们主要为QP7、QN7提供静态偏置电压，提高了电流映射的精度。

第一共基-共射电流镜由PNP型晶体管QP2和QP7构成，第二共基-共射电流镜由NPN型晶体管QN2和QN7构成，输入缓冲级由PNP型晶体管QP8、QP9和NPN型晶体管QN8、QN9构成，其中，QP2、QN2的基极分别与QP1、QN1的基极连接，QP2、QN2发射级均接电源，用于提供静态电流，QP2、QN2的集电极分别与QN8、QP8集电极连接，QN8、QP8的基极与各自集电极连接，QN8、QP8的发射极连接，连接点为运算放大器的输入端；QN9、QP9的基极分别与QN8、QP8的基极连接，QN9、QP9的发射极连接，连接点为运算放大器的反相输入端。

为了消除工艺带来的不稳定影响，而给输入级提供精确稳定的偏置电流，QP7、QP2构成共基-共射电流镜，为QN8提供偏置电流，并提供较高的输出阻抗。同样QN2、QN7构成折叠的共基-共射电流镜，为QP8提供偏置电流，提供较高的输出阻抗。这也是本发明实施例的电路为了消除工艺带来的不匹配所采取的措施之一。

QN9和QP9组成低输出阻抗推挽级。QP8、QN8具有较高的输入阻抗，因为它们对输入信号进行了电平位移后，耦合到QN9和QP9的基极，同时，为QN8、QP8提供偏置电流的共基-共射电流镜也提供了较高的输出阻抗，在输入端得到了较高的输入阻抗。反相输入端的电流IN为QN9、QP9的发射极电流之差，具有较低的输入阻抗。

电压转换级包括第一威尔逊电流镜和第二威尔逊电流镜，第一威尔逊电流镜由PNP型晶体管QP13、QP14和NPN型晶体管QN10构成，第二威尔逊电流镜PNP型晶体管QP10和NPN型晶体管QN13、QN14构成，QP10、QN10的发射极分别与QP9、QN9的集电极连接，QP10、QN13的集电极连接，QN10、QP13的集电极连接，QP13、QN13的基极与各自集电极连接，QP13、QP14共基极，QN13、QN14共基极，QP13、QP14、QN13、QN14发射级均接电源。

QN10、QP13、QP14和QP10、QN13、QN14是中间放大级，其中QN10、QP13、QP14组成威尔逊电流镜，QP10、QN13、QN14组成威尔逊电流镜。这两组电流镜并不是提供高的电压增益，而是将输入端的电流差转换成电压到输出级。

静态偏置电路包括PNP型晶体管QP11、QP12和NPN型晶体管QN11、QN12，QN11、QN12连接在QN10的基极和QN9的发射极之间，QP12、QP11连接在QP9的发射极和QP10的基极之间，QN11基极和QN10基极连接，QN11发射极接QN12集电极，QN12、QP12发射级相连，且均连接所述运算放大器的反相输入端，QP12集电极接QP11发射极，QP11基极和QP10基极连接，QN11、QN12、QP12、QP11的基极与各自集电极连接。

静态偏置电路还包括PNP型晶体管QP4和NPN型晶体管QN4，QP4基极与QP1基极相连，QP4、QN11的集电极相连，QP4、QN4发射极均接电源、QN4基极与QN1基极相连，QN4、QP11的集电极相连，QP4为QN11、QN12提供静态偏置电流，QN4为QP11、QP12提供静态偏置电流。QN11、QN12连接在QN10的基极和QN9的发射极之间，QP11、QP12连接在QP9的发射极和QP10的基极之间，因为有QP4和QN4为他们提供了固定的偏置电流，所以在QN12和QP12的发射极处形成非常稳定的静态工作点，这个静态工作点直接和反相输入端VIN相连，为VIN提供稳定的静态工作点，以防止由于工艺偏差以及系统失调电压而产生的静态工作点偏移，在这样的静态工作点偏置电路的作用下，只要静态偏置电流稳定，二极管电压稳定，都可以在反相输入端提供稳定的静态偏置电压，这也是为了消除工艺偏差，本发明采取的措施之一。

驱动输出单元3中的偏置电压电路包括电阻R1、R2和NPN型晶体管QN15，QN15集电极接QP14集电极，QN15发射极接QN14集电极，电阻R1跨接在QN15的基极和集电极之间，电阻R2跨接在QN15的基极和发射极之间。

驱动输出单元3中的输出缓冲级包括PNP型晶体管QP15、QP16和NPN型晶体管QN16、QN17，QN16的基极接QP14的集电极，QP15的基极和QN14的集电极连接，QP16的基极和QN16的集电极连接，QP16、QN17的发射极接电源，QN17的基极和QP15的集电极连接，QP15、QN16的发射极连接，连接点为运算放大器的输出节点，QP16、QN17的集电极也连接于该连接点。QN16和QP16构成PNP型达林顿管，QP15和QN17构成对称的NPN型达林顿管。根据输出负载的大小以及驱动电流的大小选择输出管的面积，保证输出波形在各种情况下不失真，这样的AB类输出形式，具有较强的电流输出能力和小的谐波失真。

驱动输出单元3中的输出缓冲级还包括电容C1和C2，用于补偿相位，避免输出级震荡，C1跨接在QN16的基极和集电极之间，C2跨接在QP15的基极和集电极之间。

输入缓冲级和电压转换级2将反相输入端的电流差IN传送到QN15的集电极和发射极上形成电压信号，QN15的集电极的阻抗主要由QN16的基极电阻决定，QN15的发射极的阻抗主要由QP15的基极电阻决定。电阻R1、R2及QN15组成的偏置电压电路，接近于“恒压源”，为输出管提供偏置电压，由图1分析得知：

Vab＝Vac+Vcb

其中，Vab是QN15集电极和发射极之间的电压，Vac是QN16基极和发射极之间的电压，Vcb是QP15的发射极和基极之间的电压，忽略流过QN15的基极电流，则

Vdb是QN15的基极和发射极之间的电流。

所以，Vab＝Vac+Vcb＝(1+R1/R2)Vdb

调整电阻R1和R2的比值，可以改变输出管QN16、QP15的静态工作电流，使之符合要求。此时Vab很稳定，近于恒压源。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims

1.一种电流反馈运算放大器电路，它包括电源、顺次相连的输入缓冲级、电压转换级和驱动输出单元，所述驱动输出单元包括偏置电压电路和输出缓冲级，其特征在于：它还包括偏置电流提供单元、第一共基-共射电流镜、第二共基-共射电流镜和静态偏置电路，所述偏置电流提供单元分别通过第一共基-共射电流镜、第二共基-共射电流镜与输入缓冲级相连，用于提供偏置电流；所述静态偏置电路分别与输入缓冲级的反相输入端和电压转换级相连，用于稳定反相输入端静态工作点。

2.如权利要求1所述的电流反馈运算放大器电路，其特征在于，所述偏置电流提供单元包括PNP型晶体管QP1、QP3、QP5、QP6、NPN型晶体管QN1、QN3、QN5、QN6和恒流源I1、I2，其中，QP1、QN1的集电极分别连接恒流源I1、I2，QP1、QN1的基极与各自集电极连接，QP1、QN1发射级均接电源；QP3、QN3的基极分别与QP1、QN1的基极连接，QP3、QN3发射级均接电源，QP3集电极与QN6集电极相连，QN6发射极与QN5集电极相连，QN5发射极接电源，QN5、QN6的基极与各自集电极连接，QP3为QN5、QN6提供电流；QN3集电极与QP6集电极相连，QP6发射极与QP5集电极相连，QP5发射极接电源，QP5、QP6的基极与各自集电极连接，QN3为QP5、QP6提供电流。

3.如权利要求2所述的电流反馈运算放大器电路，其特征在于：所述第一共基-共射电流镜由PNP型晶体管QP2和QP7构成，第二共基-共射电流镜由NPN型晶体管QN2和QN7构成，输入缓冲级由PNP型晶体管QP8、QP9和NPN型晶体管QN8、QN9构成，其中，QP2、QN2的基极分别与QP1、QN1的基极连接，QP2、QN2发射级均接电源，用于提供静态电流，QP2、QN2的集电极分别与QN8、QP8集电极连接，QN8、QP8的基极与各自集电极连接，QN8、QP8的发射极连接，连接点为运算放大器的输入端；QN9、QP9的基极分别与QN8、QP8的基极连接，QN9、QP9的发射极连接，连接点为运算放大器的反相输入端，QN9和QP9组成低输出阻抗推挽级。

4.如权利要求3所述的电流反馈运算放大器电路，其特征在于：所述电压转换级包括第一威尔逊电流镜和第二威尔逊电流镜，所述第一威尔逊电流镜由PNP型晶体管QP13、QP14和NPN型晶体管QN10构成，所述第二威尔逊电流镜PNP型晶体管QP10和NPN型晶体管QN13、QN14构成，QP10、QN10的发射极分别与QP9、QN9的集电极连接，QP10、QN13的集电极连接，QN10、QP13的集电极连接，QP13、QN13的基极与各自集电极连接，QP13、QP14共基极，QN13、QN14共基极，QP13、QP14、QN13、QN14发射级均接电源。

5.如权利要求4所述的电流反馈运算放大器电路，其特征在于：所述静态偏置电路包括PNP型晶体管QP11、QP12和NPN型晶体管QN11、QN12，QN11、QN12连接在QN10的基极和QN9的发射极之间，QP12、QP11连接在QP9的发射极和QP10的基极之间，QN11基极和QN10基极连接，QN11发射极接QN12集电极，QN12、QP12发射级相连，且均连接所述运算放大器的反相输入端，QP12集电极接QP11发射极，QP11基极和QP10基极连接，QN11、QN12、QP12、QP11的基极与各自集电极连接。

6.如权利要求5所述的电流反馈运算放大器电路，其特征在于：所述静态偏置电路还包括PNP型晶体管QP4和NPN型晶体管QN4，QP4基极与QP1基极相连，QP4、QN11的集电极相连，QP4、QN4发射极均接电源、QN4基极与QN1基极相连，QN4、QP11的集电极相连，QP4为QN11、QN12提供静态偏置电流，QN4为QP11、QP12提供静态偏置电流。

7.如权利要求5所述的电流反馈运算放大器电路，其特征在于：所述驱动输出单元中的偏置电压电路包括电阻R1、R2和NPN型晶体管QN15，QN15集电极接QP14集电极，QN15发射极接QN14集电极，电阻R1跨接在QN15的基极和集电极之间，电阻R2跨接在QN15的基极和发射极之间。

8.如权利要求7所述的电流反馈运算放大器电路，其特征在于：所述驱动输出单元中的输出缓冲级包括PNP型晶体管QP15、QP16和NPN型晶体管QN16、QN17，QN16的基极接QP14的集电极，QP15的基极和QN14的集电极连接，QP16的基极和QN16的集电极连接，QP16、QN17的发射极接电源，QN17的基极和QP15的集电极连接，QP15、QN16的发射极连接，连接点为运算放大器的输出节点，QP16、QN17的集电极也连接于该连接点。

9.如权利要求8所述的电流反馈运算放大器电路，其特征在于：所述驱动输出单元中的输出缓冲级中的QN16和QP16构成PNP型达林顿管，QP15和QN17构成对称的NPN型达林顿管。

10.如权利要求8所述的电流反馈运算放大器电路，其特征在于：所述驱动输出单元中的输出缓冲级还包括电容C1和C2，用于补偿相位，避免输出级震荡，C1跨接在QN16的基极和集电极之间，C2跨接在QP15的基极和集电极之间。