CN102545805A - 运算放大器 - Google Patents

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Abstract

一种两级运算放大器，包括：第一、第二级运放电路；两共模反馈电路；偏置电路，其分别给两共模反馈电路提供偏置信号；所述开关电容共模反馈电路作为第一级运放电路的共模反馈。本发明两级运算放大器在为第一级运放电路增加一个开关电容共模反馈电路及相应的偏置电路的条件下，使第一级运放电路的共模输出电压与第二级运放电路的输入共模电压之间实现了良好的匹配。

Description

运算放大器
【技术领域】
本发明涉及模拟集成电路设计领域，尤其涉及一种具有共模电压补偿的两级运算放大器。
【背景技术】
集成运算放大器一般采用全差分结构，该结构能够抑制共模干扰及噪声。然而差分运算放大器的共模输出电压由于制造工艺、工作电压及温度等因素的影响会偏离设计值，因此需要共模反馈电路确定输出直流电压。在设计共模反馈电路时需要考虑稳定性。
集成运算放大器是常用的电路单元。为了实现高增益和大输出信号范围，一般采用两级结构。为了保证由运算放大器构成的反馈电路能够稳定工作，通常采用密勒补偿来提高运算放大器的相位裕度。图1是采用密勒补偿的两级运算放大器的结构图，图2是运算放大器的开环频率响应波特图。在适当的密勒补偿下，运算放大器的UGB之内只有一个主极点，且运算放大器具有较大的相位裕度。
在传统的全差分两级运算放大器中，由于工艺的变化有时会超过工艺角的范围，这将导致第二级运放的输入共模电压范围发生变化，使得第一级运放的输出共模电压与第二级的输入共模电压失配，进而减小了第二级运放可处理的输入电压范围。
图1为传统的全差分两级运算放大器，包括第一级运放、第二级运放、共模反馈电路和偏置电路四部分。传统的该类型运放的设计方法是为第二级运放增加一个共模反馈电路来稳定一个固定的输出共模电平，第一级运放中并没有进行共模反馈电路的设计，通常采用使第一级的共模输出电平位于第二级运放输入电压范围的中心的方法来实现第一级到第二级之间的衔接。
常规的全差分两级运算放大器是通过设计第一级的共模输出电平位于第二级运放输入电压范围的中心的方法来实现第一级到第二级之间的衔接，当工艺发生变化导致MOS管的阈值电压变化时，第二级运放的输入电压范围会发生变化，即可处理的第一级运放的输出电压范围变小了。
鉴于以上弊端，却有必要提供一种改良的两级运算放大器来解决上述缺陷。
【发明内容】
本发明可解决的技术问题之一是现有技术中由于工艺变化引起MOS管的阈值电压变化而导致运放级之间的输出输入电压范围的失配，提出一种具有共模电压补偿的运算放大器。。
为解决上述问题，本发明提供一种运算放大器，其特征在于，包括：
第一、第二级运放电路；
两共模反馈电路；
偏置电路，其分别给两共模反馈电路提供偏置信号；
所述开关电容共模反馈电路作为第一级运放电路的共模反馈。
可选地，所述两共模反馈电路分别为开关电容共模反馈电路和固定共模反馈电路。
可选地，所述固定共模反馈电路作为第二级运放电路的共模反馈。
可选地，所述运算放大器还包括设置于第一级运放电路和第二级运放电路之间的米勒电容和凋零电阻。
可选地，所述米勒电容和凋零电阻用以调整所述运算放大器的稳定性。
可选地，所述第一级运放电路的输出共模电压随着MOS管阈值的变化而进行调整。
本发明与现有技术相比的有益效果是：本发明两级运算放大器在为第一级运放电路增加一个开关电容共模反馈电路及相应的偏置电路的条件下，使第一级运放电路的共模输出电压与第二级运放电路的输入共模电压之间实现了良好的匹配。
【附图说明】
图1是现有技术的一种全差分两级运算放大器原理框图；
图2是本发明实施例两级运算放大器的原理框图；
图3是本发明实施例两级运算放大器中开关电容共模反馈电路的电路图；
图4是本发明实施例两级运算放大器中偏置电路的电路图；
图5是本发明实施例两级运算放大器中第二级运放电路的电路图；
图6是本发明实施例两级运算放大器的电路图。
【具体实施方式】
参照图2所示，本发明两级运算放大器的实施方式包括：第一、第二级运放电路、两共模反馈电路以及两偏置电路。
所述两级运算放大器的第一级运放电路和第二级运放电路之间还设有米勒电容和凋零电阻，所述米勒电容和凋零电阻用以调整所述两级运算放大器的稳定性。
所述两级运算放大器为第一级运放电路增加一个共模反馈电路，使第一级运放电路的输出共模电压随MOS管阈值的变化而进行调整；所述增加的共模反馈电路为开关电容共模反馈电路，其作为第一级运放电路的共模反馈，避免固定共模反馈电路避免共模反馈电路对第一级运放的输出摆幅产生影响。
所述两级运算放大器为第二级运放电路设置的共模反馈电路采用固定的输出共模电压的方法设计而成的。
参照图3所示，其为本发明实施例两级运算放大器中开关电容共模反馈电路的电路图，其为第一级运放电路提供稳定的输出共模电平。Vcmref为第一级运放电路的共模输出电压、Vbias为偏置电路生成的偏置电压、Vo+与Vo-为第一级运放电路的输出端、Vb为第一级运放电路的反馈控制电压、
Figure BSA00000397938000041
与
Figure BSA00000397938000042
为无交叠时钟控制信号。
当
Figure BSA00000397938000043
导通时，输出共模电平Vcmref与偏置电压Vbias的差存储在电容C1上；然后断开
Figure BSA00000397938000045
导通，电容C1和电容C2之间实现电荷的转移，使第一级运放电路的反馈控制电压Vb有如下关系：Vb＝(Vo++Vo-)/2-(Vcmref-Vbias)，通过N个周期后使Vb等于Vbias以实现输出共模电平的稳定。
开关电容共模反馈电路对第一级运放电路输出端的差分信号的摆幅无限制要求，可以使第一级运放电路的差分信号的摆幅最大化。
参照图4所示，其为本发明实施例两级运算放大器中偏置电路的电路图，其中电压信号VCOM1和VB为开关电容共模反馈电路提供所需偏置信号，其中VB信号和VCOM2信号为固定共模反馈电路提供所需偏置信号，且所述VCOM1和MOS管管阈值线性相关。VCOM2为第二级运放电路的输出共模电平，通过电阻分压实现，从而实现第二级运放电路输出的共模电平稳定。
参照图5所示，其为本发明实施例两级运算放大器中第二级运放电路的电路图，其采用P-TYPE输入式全差分结构，其输入共模电压范围与MOS管阈值电压相关，由于工艺原因导致阈值电压变化时，输入共模电压范围也随之发生变化。
参照图6所示，其为本发明实施例两级运算放大器的电路图，其中所述第一级运放电路采用了N-TYPE输入式折叠共源共栅结构，其尾电流控制信号CMFB1由开关电容共模反馈电路生成；其中所述第二级运放电路采用了P-TYPE输入式全差分结构，其尾电流控制信号CMFB2由固定共模反馈电路生成；电容C1、C2和电阻R1、R2分别为米勒电容和凋零电阻，用以调整整个系统的稳定性。
综上所述，本发明两级运算放大器在为第一级运放电路增加一个开关电容共模反馈电路及相应的偏置电路的条件下，使第一级运放电路的共模输出电压与第二级运放电路的输入共模电压之间实现了良好的匹配。与传统全差分两级运算放大器相比，不会因工艺的变化超出工艺角的规定范围而使第二级运放电路可处理的共模电压范围变小，保证了第一级运放电路的输出共模电压和第二级运放电路的共模输入电压范围同步变化。。
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 (6)

1.一种运算放大器，其特征在于，包括：
第一、第二级运放电路；
两共模反馈电路；
偏置电路，其分别给两共模反馈电路提供偏置信号；
所述开关电容共模反馈电路作为第一级运放电路的共模反馈。
2.如权利要求1所述的运算放大器，其特征在于，所述两共模反馈电路分别为开关电容共模反馈电路和固定共模反馈电路。
3.如权利要求2所述的运算放大器，其特征在于，所述固定共模反馈电路作为第二级运放电路的共模反馈。
4.如权利要求3所述的运算放大器，其特征在于，所述运算放大器还包括设置于第一级运放电路和第二级运放电路之间的米勒电容和凋零电阻。
5.如权利要求4所述的运算放大器，其特征在于，所述米勒电容和凋零电阻用以调整所述运算放大器的稳定性。
6.如权利要求5所述的运算放大器，其特征在于，所述第一级运放电路的输出共模电压随着MOS管阈值的变化而进行调整。
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