CN102882482A - 超低功耗误差放大器 - Google Patents

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本发明公开了一种超低功耗误差放大器，主要解决在超低功耗应用场合下常规基准电压源和误差放大器静态功耗大的问题。该误差放大器包括基准电压产生电路(1)、电压反馈电路(2)、基准启动电路(3)和电流镜电路(4)。基准电压产生电路(1)输出镜像电流信号，并经过电流镜电路(4)转换为电压信号V1，该电压信号经电压负馈电路(2)得到反馈电压信号，该反馈电压信号连接基准电压产生电路(1)，维持输出电压信号VOUT稳定。本发明通过在误差放大器内添加基准电压产生电路，实现了基准电压和误差放大器的双重功能，有效地缩减了电路结构，减小了所需的版图面积，降低了静态功耗，提高了效率，可用于模拟集成电路中。

Description

超低功耗误差放大器
技术领域
本发明属于电子电路技术领域，特别涉及超低功耗误差放大器电路，可用于模拟集成电路。
背景技术
随着数字电视、3G手机，便携式电子产品MP3和数码相机等消费类市场的扩大，使市场对直流电源管理类芯片的性能要求越来越高，尤其是在功耗和体积方面。直流电源控制环路的核心部分之一是误差放大器。传统误差放大器有两个输入端，其第一输入端连接带隙基准电路产生的参考电压；其第二输入端连接环路输出信号经过采样电阻反馈的分压信号，两个输入端的差值经误差放大器放大后，用于控制环路，保证环路输出电压的稳定。
图1给出了传统的误差放大器的具体实现示意图。传统误差放大器包括电流源I1、I2，PMOS管M1、M2，NMOS管M3、M4、M5和反馈电阻R1、R2；其中PMOS管M1与M2的源极相连构成差分对，并连接到电流源I1；PMOS管M1和M2的栅极分别作为误差放大器的正相输入端和反相输入端，该正相输入端和反相输入端分别连接Vref和VFB；PMOS管M1和M2的漏极分别和NMOS管M3和M4的漏极相连；NMOS管M3和M4的栅极相连构成电流镜结构；NMOS管M5的栅极连接到PMOS管M1的漏极；NMOS管M5的漏极作为误差放大器的输出端，输出电压VOUT；误差放大器的输出端通过反馈电阻R1，R2连接到地，反馈电阻R1与R2的公共端产生反馈电压VFB；误差放大器的正相输入端连接基准电压Vref，其反相输入端连接反馈电压VFB，从而构成负反馈；最终实现误差放大器的输出值稳定。
上述传统误差放大器，由于其正相输入端连接基准电压Vref，此基准电压Vref是由传统的带隙基准电路产生的，因此占用了很大的版图面积，并且带隙基准与误差放大器均需要较大的偏置电流以提供合适的直流工作点，造成静态功耗太大，电路结构较复杂，限制了其应用范围。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种超低功耗误差放大器，以简化电路结构，减小版图面积和静态电流，从而节约成本，降低功耗。
为实现上述目的，本发明包括：
基准电压产生电路1，用于产生零温度系数的基准电压值Vref，并输出连接到电流镜电路4；
电压负反馈电路2，用于将电流镜电路4输入的电压信号V1转换成输出电压信号VOUT，并通过电阻分压，将其分压信号输出到基准电压产生电路1，使基准电压值Vref达到稳态值，维持环路输出电压信号VOUT稳定；
基准启动电路3，用于产生电压启动信号，其输出信号连接到基准电压产生电路1，当基准建立起来后，基准启动电路3关闭，避免静态电流的消耗；
电流镜电路4，用于将基准电压产生电路1输出的电流转换为电压信号，并输出电压信号V1到电压负反馈电路2。
上述超低功耗误差放大器的基准电压产生电路1，包括NPN三极管Q1、Q2和电阻R1、R2；
NPN三极管Q1与Q2的基极相连，作为基准电压产生电路1的输入端，并与基准电压信号Vref相连；其集电极分别与电流镜电路4中的PMOS管M1和M3相连；
电阻R1与R2跨接于NPN三极管Q2的发射极与地之间；其公共端与NPN三极管Q1的发射极相连；
该NPN三极管Q2的有效发射区面积是NPN三极管Q1有效发射区面积的N倍，N>1。
上述超低功耗误差放大器的电压负反馈电路2，包括PMOS管M8，分压电阻R3、R4；
所述PMOS管M8，其栅极作为输入端，与电流镜电路4输出的V1信号相连接；其源极接电源电压VDD；其漏极与分压电阻R3的一端相连，并作为误差放大器的输出端，输出电压信号VOUT；
所述分压电阻R3和R4，跨接于PMOS管M8的漏极和GND之间；其公共端作为电压负反馈电路2的输出端，该输出端的电压信号正比于电压信号VOUT，输出反馈电压信号。
上述超低功耗误差放大器的基准启动电路3，包括PMOS管M7；该PMOS管M7的栅极与外部产生的偏置电压信号VBIAS相连；其漏极接电源电压VDD；其源极作为输出端，连接到基准电压产生电路1中NPN三极管Q1的基极，输出启动电压信号。
作为第一优选，上述超低功耗误差放大器的电流镜电路4，包括PMOS管M1、M2、M3、M4和NMOS管M5、M6；
所述PMOS管M1与M2，其两者的栅极相连构成电流镜结构，连接到基准电压产生电路1中NPN三极管Q1的集电极；其源极共同连接到电源电压VDD；PMOS管M1的漏极与栅极相连；PMOS管M2的漏极与NMOS管M6的漏极相连，并与输出电压信号V1相连；
所述PMOS管M3与M4，其两者的栅极相连构成电流镜结构，并连接到基准电压产生电路1中NPN三极管Q2的集电极；其源极共同连接到电源电压VDD；其漏极分别与PMOS管M3的栅极和NMOS管M5的漏极相连；
所述NMOS管M5与M6，其两者的栅极相连构成电流镜结构，并连接到M4的漏极；其源极共同连接到GND；其漏极分别与NMOS管M5的栅极和PMOS管M2的漏极相连。
作为第二优选，上述超低功耗误差放大器的电流镜电路4，包括PMOS管M1、M3；
所述PMOS管M1与M3，其两者的栅极相连构成电流镜结构，连接到基准电压产生电路1中NPN三极管Q1的集电极；其源极共同连接到电源电压VDD；PMOS管M1的漏极与栅极相连；PMOS管M3的漏极与基准电压产生电路1中NPN三极管Q2的集电极相连，并与输出电压信号V1相连。
本发明与现有技术相比具有以下优点：
本发明由于添加有基准电压产生电路，简化了电路结构，减小了版图面积和静态电流，从而节约成本，降低功耗。
本发明由于添加有电压反馈电路，保证基准电压值Vref达到稳态值，维持环路输出电压信号VOUT稳定。
附图说明
图1为传统误差放大器的具体电路原理图；
图2为本发明误差放大器的结构框图；
图3为本发明的第一实例具体电路原理图；
图4为本发明的第二实例具体电路原理图。
具体实施方式
以下结合附图及其实施例对本发明作进一步描述。
参照图2，本发明的超低功耗误差放大器包括：基准电压产生电路1、电压负反馈电路2、基准启动电路3、电流镜电路4，其中：
基准电压产生电路1，用于产生零温度系数的基准电压信号Vref，该基准电压信号Vref工作于直流模式，有效电压信号幅度在伏级；该电路设有一个输入端，一个输出端；其中输入端与电压信号Vref相连；输出端分别输出电流信号到电流镜电路4；
电压负反馈电路2，用于产生误差放大器环路输出电压信号VOUT以及负反馈电压信号，该电压信号工作于交流模式，有效电压信号幅度在微伏级，并通过负反馈机制使基准电压值Vref达到稳态值，维持环路输出电压信号VOUT稳定；该电路设有一个输入端，两个输出端；其中输入端与电流镜电路4的输出电压信号V1相连；第一输出端输出电压信号Vref到基准电压产生电路1；第二输出端输出电压信号VOUT；
基准启动电路3，用于产生电压启动信号，并连接到基准电压产生电路1，使基准电压产生电路1摆脱简并点并开始正常工作，当基准电压Vref建立起来后，基准启动电路3停止工作，避免消耗静态电流；该电路设有一个输入端，一个输出端；其中输入端与外部产生的偏置电压信号VBIAS相连；输出端输出启动电压信号到基准电压产生电路1；
电流镜电路4，用于将基准电压产生电路1输出的电流信号通过电流镜结构转换为电压信号，并输出电压信号V1到电压负反馈电路2；该电路设有一个输入端；一个输出端；其中输入端与基准电压产生电路1输出的电流信号相连；输出端输出电压信号V1到电压负反馈电路2。
针对图2所示的原理框图，本发明给出了具体电路结构的如下实施例：
实施例1
参照图3，本发明的基准电压产生电路1，包括NPN三极管Q1、Q2和电阻R1、R2；
所述NPN三极管Q1与Q2，其基极相连，作为基准电压产生电路1的输入端；其集电极作为基准电压产生电路1的输出端，该输出端分别与电流镜电路4中的PMOS管M1和M3相连；
所述电阻R1与R2，其跨接于NPN三极管Q2的发射极与地之间，它的公共端与NPN三极管Q1的发射极相连，且NPN三极管Q2的有效发射区面积是NPN三极管Q1有效发射区面积的N倍，N>1。
本发明的电压负反馈电路2，包括PMOS管M8，分压电阻R3、R4；
所述PMOS管M8，其栅极作为输入端，并与电流镜电路4的输出电压信号V1相连；其源极接电源电压VDD；其漏极作为输出端，并与分压电阻R3一端相连，用于输出稳定电压信号VOUT，当输出电压信号VOUT增大时，基准电压信号Vref增大，流过基准电压产生电路1中NPN三极管Q1的电流I1和NPN三极管Q2的电流I2变大，由于NPN三极管Q1、Q2的比例关系，基准电压产生电路1中NPN三极管Q1的等效跨导GM1小于Q2的等效跨导GM2，因此NPN三极管Q2的电流I2变化量△I2大于NPN三极管Q1的电流I1电流变化量△I1，使得VOUT减小，降低Vref，反之，当输出电压VOUT减少时，可通过负反馈机制使VOUT增大，基准电压信号Vref达到稳态值，实现输出电压VOUT稳定；
所述分压电阻R3和R4，跨接于PMOS管M8的漏极和GND之间；其公共端作为输出端，该电压负反馈电路2的输出端电压信号正比于电压信号VOUT，输出反馈电压信号。
本发明的基准启动电路3，包括PMOS管M7；该PMOS管M7的栅极作为输入端，与外部产生的偏置电压信号VBIAS相连，用于产生准确的偏置电流，使基准电压产生电路1中NPN三极管Q1、Q2两条支路摆脱简并点开始正常工作；其漏极接电源电压VDD；其源极作为输出端，输出电压启动信号，并与基准电压产生电路1中NPN三极管Q1的基极相连，当基准电压建立起来后，NMOS管M7的栅源电压VGS小于其导通阈值电压VTH，NMOS管M7停止工作，避免消耗静态电流。
本发明的电流镜电路4，包括PMOS管M1、M2、M3、M4和NMOS管M5、M6；
所述PMOS管M1与M2，其两者的栅极相连构成电流镜结构，并与PMOS管M1的漏极相连；其源极共同连接到电源电压VDD；PMOS管M1的漏极，作为输入端输入镜像电流信号I1，并与基准电压产生电路1中NPN三极管Q1的集电极相连；PMOS管M2的漏极，作为输出端，并与NMOS管M6的漏极相连，输出电压信号V1；
所述PMOS管M3与M4，其两者的栅极相连构成电流镜结构，并连接到PMOS管M3的漏极；其源极共同连接到电源电压VDD；PMOS管M3的漏极，作为输入端输入镜像电流信号I2，并与基准电压产生电路1中NPN三极管Q2的集电极相连；PMOS管M4的漏极与NMOS管M5的漏极相连；
所述NMOS管M5与M6，其两者的栅极相连构成电流镜结构，并连接到M4的漏极；其源极共同连接到GND；其漏极分别与NMOS管M5的栅极和PMOS管M2的漏极相连。
实施例2
参照图4，本发明的基准电压产生电路1、电压负反馈电路2和基准启动电路3与实施例1相同。
本发明的超低功耗误差放大器的电流镜电路4，包括PMOS管M1、M3；
所述PMOS管M1与M3，其两者的栅极相连构成电流镜结构，并与PMOS管M1的漏极相连；其源极共同连接到电源电压VDD；PMOS管M1的漏极与基准电压产生电路1中NPN三极管Q1的集电极相连；PMOS管M3的漏极与基准电压产生电路1中NPN三极管Q2的集电极相连，输出电压信号V1。
本发明的具体工作原理是：
参照图3，在误差放大器启动阶段，基准电压产生电路1中NPN三极管Q1、Q2基极电压Vref值很小，此时基准启动电路3中PMOS管M7的栅源电压VGS大于导通阈值电压VTH，PMOS管M7导通给NPN三极管Q1、Q2基极提供电流使其摆脱简并偏置点，开始启动工作。当基准电压Vref建立起来后，PMOS管M7的栅源电压VGS小于其导通阈值电压VTH，基准启动电路3关闭，避免消耗静态电流。
当基准产生电路1中NPN三极管Q1、Q2的基极电压Vref建立起来后，NPN三极管Q1支路的电流I1通过PMOS管M1镜像给PMOS管M2，NPN三极管Q2支路的电流I2通过PMOS管M3镜像给PMOS管M4，PMOS管M4的电流通过NMOS管M5镜像给NMOS管M6，使得流过NPN三极管Q1、Q2的电流I1、I2通过镜像关系在PMOS管M2和NMOS管M6这条支路进行电流比较，并把其电流信号转换成电压信号V1，该电压信号V1输出到电压反馈电路2，经PMOS管M8共源放大后得到输出电压VOUT再通过电阻R3、R4分压后得到反馈电压，该反馈电压连接到基准电压产生电路1中NPN三极管Q1、Q2的基极。当输出电压VOUT增大时，NPN三极管Q1、Q2的基极电压Vref增大，流过NPN三极管Q1、Q2的电流I1、I2变大，由于NPN三极管Q1、Q2的个数比例关系，NPN三极管Q1的等效跨导GM1小于NPN三极管Q2的等效跨导GM2，因此NPN三极管Q2支路的电流变化量△I2大于NPN三极管Q1支路的电流变化量△I1，使得输出电压VOUT减小，降低NPN三极管Q1、Q2的基极电压Vref。反之，当输出电压VOUT减小时，NPN三极管Q1、Q2的基极电压Vref减小，流过NPN三极管Q1、Q2的电流I1、I2变小，由于NPN三极管Q1、Q2的个数比例关系，NPN三极管Q1的等效跨导GM1小于NPN三极管Q2的等效跨导GM2，因此NPN三极管Q2支路的电流变化量△I2大于NPN三极管Q1支路的电流变化量△I1，使得输出电压VOUT增大，NPN三极管Q1、Q2的基极电压Vref增大。这样通过负反馈机制使NPN三极管Q1、Q2的基极电压Vref稳定，维持输出电压VOUT稳定，实现了基准电压和误差放大器的双重功能。
本发明所设计的超低功耗误差放大器，在误差放大器中添加基准电压产生电路，实现了基准电压和误差放大器的双重功能，简化了电路结构，极大的降低了静态电流，并减小版图面积，从而实现节约成本，降低功耗。
以上仅是本发明的两个最佳实例，不构成对本发明的任何限制，显然在本发明的构思下，可以对其电路进行不同的变更与改进，但这些均在本发明的保护之列。

Claims (7)

1.一种超低功耗误差放大器，其特征在于，包括：
基准电压产生电路（1），用于产生零温度系数的基准电压值Vref，并输出到电流镜电路（4）；
电压负反馈电路（2），用于将电流镜电路（4）输入的电压信号V1转换成输出电压信号VOUT，并通过电阻分压，将其分压信号输出到基准电压产生电路（1），使基准电压值Vref达到稳态值，维持环路输出电压信号VOUT稳定；
基准启动电路（3），用于产生电压启动信号，其输出信号连接到基准电压产生电路（1），当基准建立起来后，基准启动电路（3）关闭，避免静态电流的消耗；
电流镜电路（4），用于将基准电压产生电路（1）输出的电流转换为电压信号，并输出电压信号V1到电压负反馈电路（2）。
2.根据权利要求1所述的超低功耗误差放大器，其特征在于基准电压产生电路（1），包括NPN三极管Q1、Q2和电阻R1、R2；
NPN三极管Q1与Q2的基极相连，作为基准电压产生电路（1）的输入端，并与基准电压信号Vref相连；其集电极分别与电流镜电路（4）中的PMOS管M1和M3相连；
电阻R1与R2跨接于NPN三极管Q2的发射极与地之间；其公共端与NPN三极管Q1的发射极相连。
3.根据权利要求2所述的超低功耗误差放大器，其特征在于NPN三极管Q2的有效发射区面积是NPN三极管Q1有效发射区面积的N倍，N>1。
4.根据权利要求1所述的超低功耗误差放大器，其特征在于电压负反馈电路（2），包括PMOS管M8，分压电阻R3、R4；
所述PMOS管M8，其栅极作为输入端，与电流镜电路（4）相连接；其源极接电源电压VDD；其漏极与分压电阻R3的一端相连，并作为误差放大器的输出端，输出电压信号VOUT；
所述分压电阻R3和R4，跨接于PMOS管M8的漏极和GND之间；其公共端作为输出端，该电压负反馈电路（2）的输出端的电压信号正比于输出电压信号VOUT，并输出反馈电压信号。
5.根据权利要求1所述的超低功耗误差放大器，其特征在于基准启动电路（3），包括PMOS管M7；该PMOS管M7的栅极与外部产生的偏置电压信号VBIAS相连；其漏极接电源电压VDD；其源极作为输出端，连接到基准电压产生电路（1）中NPN三极管Q1的基极，输出启动电压信号。
6.根据权利要求1所述的超低功耗误差放大器，其特征在于电流镜电路（4），包括PMOS管M1、M2、M3、M4和NMOS管M5、M6；
所述PMOS管M1与M2，其两者的栅极相连构成电流镜结构，连接到基准电压产生电路（1）中NPN三极管Q1的集电极；其源极共同连接到电源电压VDD；PMOS管M1的漏极与栅极相连；PMOS管M2的漏极与NMOS管M6的漏极相连，并与输出电压信号V1相连；
所述PMOS管M3与M4，其两者的栅极相连构成电流镜结构，并连接到基准电压产生电路（1）中NPN三极管Q2的集电极；其源极共同连接到电源电压VDD；其漏极分别与PMOS管M3的栅极和NMOS管M5的漏极相连；
所述NMOS管M5与M6，其两者的栅极相连构成电流镜结构，并连接到M4的漏极；其源极共同连接到GND；其漏极分别与NMOS管M5的栅极和PMOS管M2的漏极相连。
7.根据权利要求1所述的超低功耗误差放大器，其特征在于电流镜电路（4），包括PMOS管M1、M2；
所述PMOS管M1与M2，其两者的栅极相连构成电流镜结构，连接到基准电压产生电路（1）中NPN三极管Q1的集电极；其源极共同连接到电源电压VDD；PMOS管M1的漏极与栅极相连；PMOS管M2的漏极与基准电压产生电路（1）中NPN三极管Q2的集电极相连，并与输出电压信号V1相连。
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