CN1079611C

CN1079611C - 运算放大器

Info

Publication number: CN1079611C
Application number: CN97190437A
Authority: CN
Inventors: P·维瑟; B·迪克
Original assignee: Koninklijke Philips Electronics NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 1996-03-05
Filing date: 1997-03-03
Publication date: 2002-02-20
Anticipated expiration: 2017-03-03
Also published as: JPH11504791A; EP0830730A1; US5936468A; WO1997033365A1; CN1189932A; KR19990008323A

Abstract

运算放大器包括两个差动放大器，一个被直接驱动，另一个通过两个电势偏移元件驱动。采用控制级，电流由运算放大器的公共差动电流输出节点导出，以便于它被反射为运算放大器输出端的电流差。

因此，在电源电压小的情况下，获得较大的输入和输出驱动范围。并且，运算放大器可利用简单装置来构造，还有一个输出可切换到高阻抗状态。

Description

运算放大器

本发明涉及运算放大器。

包含两个发射极耦合的NPN晶体管对的晶体管放大器由DE-OS 3027 071已知。在每个晶体管对的共发射极导线上，分别连着一个恒流源，即直流源，它的电流与相连的晶体管对的基极电压无关。恒流源的另一端接地。第一个晶体管对的第一个晶体管的集电极与第二个晶体管对的第一个晶体管的集电极相连。同样，晶体管对的第二个晶体管的集电极也相互连接。公共的集电极端分别经过各自的一个电阻，与正电源电压相连，同时构成放大电路的输出端。并且，第一个晶体管对的第一个晶体管的基极经过一个直流电压源，与第二个晶体管对的第一个晶体管的基极相连。同样，晶体管对的第二个晶体管的基极也经过另外一个直流电压源相互相连。这两个直流电压源，对交流信号构成短路，它们供电电压相同，极性如下：第二个晶体管对的第一个晶体管的基极与第一个晶体管对的第一个晶体管的基极相比为正极，第一个晶体管对的第二个晶体管的基极与第二个晶体管对的第二个晶体管的基极相比为正极。并且，第一个晶体管对的第一个晶体管的基极和第二个晶体管对的第二个晶体管的基极都与一个低阻抗信号源相连。所有的晶体管具有相同特性。尤其是，小的非线性畸变的实现是通过为第一个晶体管对的第二个晶体管和第二个晶体管对的第一个晶体管选取直流电源，使它为其它晶体管直流电流的3至10倍。

DE-PS 33 23 277中公布了一种电流放大器，它包括一个所谓的电压-电流变换器电路，该电路包括一个差动输入，一个差动输出，以及两个分别提供相同电流的电流源。电压-电流变换器电路包括一个与电流源输出端相连的电阻。PNP晶体管，通过它们的发射极，连到电流源输出端与电阻的汇接点上；它们把经两个输入端供电的电压变换成电流。第二个NPN晶体管的基极与该输入端相连，而相应的晶体管的发射极与上述PNP晶体管的基极相连。后面的晶体管作为驱动NPN晶体管的发射极跟随器。后面的晶体管提供集电极输出电流。并且，另外两个PNP晶体管通过它们的基极，与输入端相连；它们构成第一个启动电路。所述另外晶体管的发射极连到电阻与前面PNP晶体管的发射极的汇接点上，而相应的晶体管的集电极连接到前面PNP晶体管的集电极上。这些另外的PNP晶体管在电路运算期间并不是连续运算，而仅在开关打开时被驱动，例如当电压供电开关或电源开关启动时。

此电路的目的是提供一个电流放大器，其上的乘法器电路中的共发射极晶体管对的基极电流影响可被消除，以便于增强相关电路的乘法因子的线性度和精度。

在杂志IEEE Journal of Solid-State Circuits的第24卷，第6本，1989年12月，第1551页至1558页，Jeroen Fondrie的文章“带有轨到轨输入与输出范围的1伏运算放大器”中，描述了一个双极运算放大器，它的输入与输出驱动范围几乎近似于电流源端的电势。其中所示的运算放大器适用于小到1伏的电源电压。尤其是输出电压可能在100mv内近似等于电流源端的电势。运算放大器包括两个互补输入级，第一级包括一个NPN型发射极耦合的晶体管对，而第二级包括一个PNP型发射极耦合的晶体管对。这两个晶体管对的晶体管的集电极端与加法电路相连，形成一个输出电流。两个发射极耦合的晶体管对都是通过它们的基极，从两个推挽式输入端接收电压，即经过推挽式输入端与晶体管的基极端之间的电平偏移电阻。总之，提供了四个电平偏移电阻，即在非倒相推挽式输入端与发射极耦合对的每个第一个晶体管的基极端之间相应的电阻，和倒相推挽式输入端与其余两个基极端之间的另外两个端。这四个电平偏移电阻由四个电流源启动。由于在启动的电平偏移情况下，推挽式输入端不再能达到正或负电源电压的电势，所以，电流源按照与共模输入电压的依存关系来被控制。那么，当共模输入电压在电流源驱动范围的中心处，电流源供给最大电流，当共模输入电压接近两个电源电压端的其中一个电平时，电流源供给的电流为0。这要求一个非常复杂的电路装置以达到此效应。

本发明的目的之一是提供运算放大器，它可以工作在较低的电源电压下，对输入电压和输出电压有大的驱动范围，包括一个适用于高阻抗开关的输出，并可以用简单的装置构造。

按照本发明，这一目的由运算放大器实现，此运算放大器包括

-第一个差动放大器，它包括第一个发射极耦合对，由第一和第二个NPN型晶体管组成，第一个晶体管的基极与运算放大器的第一个输入端相连，第二个晶体管的基极与运算放大器的第二个输入端相连，

-第二个差动放大器，它包括第二个发射极耦合对，由第三和第四个NPN型双极晶体管组成，第三个晶体管的基极经过第一个电势偏移元件与运算放大器的第一个输入端相连，第四个晶体管的基极经过第二个电势偏移元件与运算放大器的第二个输入端相连，电势偏移元件以如下方式构造，即在运算时，第三和第四个晶体管的基极端电势分别比第一和第二个输入端电势高出预先给定的量，

-第一个差动电流输出节点，第一和第三个晶体管的各自集电极在此连接，

-第二个差动电流输出节点，第二和第四个晶体管的各自集电极在此连接，

-控制级，它的输入端由电流输出节点组成，控制级设置成由输入端电流构成控制电流，并有两个输出端发送控制电流，

-以及一个输出级，它带有两个导电型相反的双极输出晶体管，它们的集电极-发射极通道串联连接，控制级的输出分别与输出晶体管的相应基极端相连，输出晶体管的集电极-发射极通道的连接构成运算放大器的输出。

按照本发明的运算放大器，对于输入电压和输出电压，在低电源电压与大驱动范围情况下，有适当的线性度，这是由于两个差动放大器都是由相同导电型的晶体管组成。因为NPN型晶体管是采用最佳制造方法制造的，它与PNP型晶体管相比，有较高的电流增益因子，所以，即使采用简单装置，运算放大器的总体增益也可以达到适当的值。

按照本发明，用于运算放大器的的电势偏移元件，对于电源供电和电势控制，不需要用复杂的电路。本发明的另一个实施方案中所用的电势偏移元件是由一个相应的PNP型晶体管构成的，它的基极端与运算放大器相应的输入端相连，它的发射极端分别与第三和第四个晶体管的相应的基极端相连，它的基极-发射极通道在运算时正向偏置。

在按照本发明的运算放大器的最优的实施方案中，控制级包括一个对每个电流输出节点的电流镜装置，这样，控制电流就由两个相应的电流之间的偏差构成，这两个电流是通过电流反射，从控制级输入端电流导出的。这种类型的控制级结构可实现线性转换，还可以用于电源电压非常小的情况下。

唯一的图中显示了按照本发明的运算放大器的实施方案，它包括第一个差动放大器，该差动放大器带有第一个双极晶体管1和第二个双极晶体管2，两个晶体管都是NPN型，构成第一个发射极耦合对。图示的运算放大器的第二个差动放大器包括第二个发射极耦合对，它由第三个双极晶体管3和第四个双极晶体管4组成，这两个晶体管也是NPN型。第一个晶体管1的基极端与也是放大器的第一个输入端5相连。第一个输入端5构成运算放大器的一个非反输入端。运算放大器的第二个输入端6，构成运算放大器的一个倒相输入端，它与第二个晶体管2的基极端相连。

第二个差动放大器的第三个晶体管3的基极端，经过第一个电势偏移元件7，与第一个输入端5相连。同样，第四个差动放大器的基极端，经过第二个电势偏移元件8，与第二个输入端6相连。这两个电势偏移元件7，8分别由PNP型晶体管构成，特别是由其中的基极-发射极通道构成，以便于这些PNP晶体管的基极端与运算放大器上相应的输入端相连，其发射极端分别与第三个晶体管3和第四个晶体管4的基极端相连。运算时，PNP晶体管的基极-发射极通道正向偏置，以便于第三个晶体管3和第四个晶体管4的基极端的电势比第一个输入端5和第二个输入端6的电势高出一个预先给定的量。所以，电势偏移元件7，8分别经过发射极一侧的电流源9，10供电。

第一和第三个晶体管1，3通过它们的集电极端与第一个差动电流输出节点11相连；同样，第二和第四个晶体管2，4通过它们的集电极端与第二个差动电流输出节点12相连。在发射极侧，第一个发射极耦合对1，2是相连的，第二个发射极耦合对3，4是相连的，它们分别经过第三个电流源13和第四个电流源14与第一个电流电源端15相连，在本例作为接地端。电势偏移元件7，8的集电极端也与接地端15相连。第二个电流电源端16，与接地端相比带有正电源电压，因此在此作为正极，它分别与第一和第二个电流源9，10的相应一端相连，电流源9，10的另一端分别与电势偏移元件7，8相连。

图中所示的运算放大器还包括一个控制级，控制级的输入由电流输出节点11，12构成。此控制级包括，由第一个电流镜晶体管17和第二个电流镜晶体管18组成的第一个电流镜，分别由第三，第四和第五个电流镜晶体管19，20，21组成的第二个电流镜，分别由第六，第七和第八个电流镜晶体管22，23，24组成的第三个电流镜。第一和第二个电流镜构成第一个电流镜装置，该装置由第一个电流输出节点11构成的输入端上的电流，利用电流反射，分别导出第四和第五个电流镜晶体管20，21的集电极端的第一和第二个电流。

同样，第三个电流镜构成第三个电流镜装置，该装置由第二个电流输出节点12上的电流，利用电流反射，分别导出第七和第八个电流镜晶体管23，24的集电极端的第三和第四个电流。至此，第二差动电流输出节点12构成为第二电流镜装置22、23、24的输入端。

在本实施方案中，第一，第二，第六，第七，第八个电流镜晶体管17，18，22，23，24在发射极一侧与正极16相连，第三，第四，第五个电流镜晶体管在发射极一侧与接地端15相连。第一，第三，第六个电流镜晶体管17，19，22的基极和发射极相互连接，这三个电流镜的每个电流镜晶体管的基极端都是以通常方式相互连接的。第一和第六个电流镜晶体管17，22的基极和集电极与第一和第二个电流输出节点11，12相连。第四和第七个电流镜晶体管的集电极端相互连接，构成由电流镜17至24组成的控制级的第一个输出端；控制级的第一个输出端由参考号25标出。控制级的第二个输出26与第五和第八个电流镜晶体管的集电极端相连。并且，第二和第三个电流镜晶体管18，19的集电极端与连接点27相连。

图示的运算放大器的实施方案还包括一个输出级，它带有两个双极输出晶体管30，31。第一个双极晶体管由参考号30标出，是PNP型，而第二个输出晶体管31是(相反的)NPN型。输出晶体管30，31的集电极-发射极通道串联连接，即经过它们的集电极端串联连接，这些集电极端与运算放大器的输出32相连。电容28，29分别连接在输出端32与控制级的第一个输出25和第二个输出26之间。第一个输出晶体管30的发射极端与正极16相连，第二个输出晶体管31的发射极与接地端15相连。第一个输出晶体管30的基极端与控制级的第二个输出26相连，第二个输出晶体管31的基极端与控制级的第一个输出25相连。

此运算放大器在输入部分采用两个PNP型差动放大器1，2和3，4。两个差动放大器都工作在公共的电流输出节点11，12上。第一个差动放大器，用作输入级，由第一和第二个晶体管1，2组成，它是用来传输共模输入电压的上半部分；同样，由第二个差动放大器3，4组成的输入级，覆盖了共模输入电压的下半部分。电势偏移元件7，8可使第二个差动放大器3，4工作在输入端5，6的电压相对于接地端15至少接近于0；因此，这些电势偏移元件，利用各自在运算时第二个差动放大器的晶体管3，4的基极与发射极端存在的二极管正向电压，分别相对于输入端5和6的电压，增加第三和第四个晶体管3，4的基极端电压。相应地，由第一和第二个电流源9，10供电的恒定电流就应被选择了。

差动放大器1至4的第一个差动电流输出节点11上的电流，经第一个电流镜17，18，反射到连接点27，再经第二个电流镜19至21，反射到控制级的输出25，26。经第三个电流镜22至24，第二个差动电流输出节点12上的电流也反射到控制级的输出25，26。因此，在控制级的每个输出25，26上，由电流输出节点11，12上的电流形成一个电流差。这些电流差用来控制输出晶体管30，31，这两个晶体管对输出25，26上的电流差进行电流放大；被放大的电流，又作为偏差，在运算放大器的输出32上出现。按照本发明的运算放大器优选用来为它的输入和输出电压产生大的驱动范围。主要的目的利用有限的电路装置就实现了；这一目的还通过把差动放大器晶体管的集电极端只在两个差动电路输出节点上连接来达到。共模输入电压和共模输出电压至少几乎覆盖了正极与接地端之间的整个电源电压范围。那么，理想的运算在正极与接地端之间的电源电压非常小的情况下，例如1.3v，也达到了。

按照本发明的运算放大器有效地用于驱动变容二极管，以在尽可能大的频率范围内重调振荡器。因此，不需要另外的元件来使输入电压与输出电压之间的函数关系线性化。此电路装置及以前描述的简化的电路装置不受以下情况的影响，那就是，为了在正极与接地端之间的整个驱动电压范围内实现正确运算，差动放大器由分开的恒流源供电，即在本实施方案中所示的电流源13，14。

把运算放大器用于驱动变容二极管时，输出端32在无电流、开关切断状态是高阻抗，这也是按照本发明的运算放大器的一个优点。如果输出32后接无源低通滤波器，经过它来驱动变容二极管，那么，不需附加措施，运算放大器和低通滤波器就可以像采样-保持电路那样作为变容二极管的调谐电压。

运算放大器可有效地用于无线电接收机的振荡器。

按照本发明的运算放大器，在此实施方案的电路装置中，中心输入电压范围的斜率是极限范围斜率的两倍。为了避免这样的斜率增加，可在两个差动放大器之间加一个电源开关，与差动放大器相关的电流源在一个时刻只有一个起作用。因此，在整个输入电压范围内斜率为恒定的。

Claims

1、一个运算放大器包括

-第一个差动放大器，它包括第一个发射极耦合对，由第一和第二个NPN型双极晶体管组成，第一个晶体管的基极与运算放大器的第一个输入端相连，第二个晶体管的基极与运算放大器的第二个输入端相连，

-第一个差动电流输出节点，第一和第三个晶体管各自的集电极在此连接，

-第二个差动电流输出节点，第二和第四个晶体管各自的集电极在此连接，

-以及一个输出级，它带有两个导电型相反的双极输出晶体管，它们的集电极-发射极通道串联连接，控制级的各个输出端分别与输出晶体管的基极端相连，输出晶体管的集电极-发射极通道的连接构成运算放大器的输出。

2.按照权利要求1的运算放大器，其特征在于电势偏移元件是由一个相应的PNP型晶体管构成的，它的基极端与运算放大器相应的输入端相连，它的发射极端分别与第三和第四个晶体管的相应的基极端相连，它的基极-发射极通道在运算时正向偏置。

3.按照权利要求1或2的运算放大器，其特征在于控制级包括一个对每个电流输出节点的电流镜装置，这样，控制电流就由两个相应的电流之间的偏差构成，这两个电流是通过电流反射，从控制级输入端电流导出的。