CN108259007A - 应用于运放转换速率的增强电路 - Google Patents

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Abstract

本发明揭示了一种应用于运放转换速率的增强电路，所述运放为折叠式共射共基两级运放，其特征在于：该增强电路包括上升沿增转电路和下降沿增转电路，且两个增转电路的正负输入端分别与运放的正负输入端相连，上升沿增转电路的电流输出端接入第一级运放的补偿电容节点SRn，下降沿增转电路的电流输出端接入第二级运放的补偿电容节点SRp。应用本发明该转换速率的增强电路，利用输入信号差值达到一定阀值产生slew电流控制补偿电容的充放电电流，能有效增强运放的转换效率，且在输入信号差值小于阀值时对运放主体电路无影响，切实保障了折叠式共射共基两级运放的全输入域跟随或响应能力。

Description

应用于运放转换速率的增强电路
技术领域
本发明涉及一种集成电路设计中运放性能提升设计，尤其涉及一种运放的转换效率增强电路设计。
背景技术
运放是运算放大器的简称。在实际电路中，通常结合反馈网络共同组成某种功能模块。由于早期应用于模拟计算机中，用以实现数学运算，故得名“运算放大器”，此名称一直延续至今。运放是一个从功能的角度命名的电路单元，可以由分立的器件实现，也可以实现在半导体芯片当中。随着半导体技术的发展，如今绝大部分的运放是以单片的形式存在。现今运放的种类繁多，广泛应用于几乎所有的行业当中。
运放(operational amplifier，简称OPA）能对信号进行数学运算的放大电路。它曾是模拟计算机的基础部件而得名。采用集成电路工艺制做的运算放大器，除保持了原有的很高的增益和输入阻抗的特点之外，还具有精巧、廉价和可灵活使用等优点，因而在有源滤波器、开关电容电路、数-模和模-数转换器、直流信号放大、波形的产生和变换，以及信号处理等方面得到十分广泛的应用。
如图1所示的计算运放压摆率框图可见：转换速率（slew rate）是衡量运算放大器速度的重要指标，反应了运算放大器对输入信号的跟随或响应能力。
在快速A/D和D/A转换器、视频放大器中要求集成运算放大器的转换速率SR一定要高,单位增益带宽BWG一定要足够大，像通用型集成运放是不能适合于高速应用的场合的。高速型运算放大器主要特点是具有高的转换速率和宽的频率响应。常见的运放有LM318、mA715等，其SR=50~70V/us，BWG>20MHz。
如图2所示现有一种转换速率增强电路，其正负输入端分别与运放的正负输入端相连，根据输入信号的差值产生slew电流信号控制运放输入端尾电流源。若这类电路应用于折叠式cascode运放，极易使主体电路转换进入死区，且对于转换速率增强作用不明显。
如图3所示现有另一种转换速率增强电路，其正负输入端接于运放第一级输出端，产生的控制电流信号Islew直接控制cascode级电流源电流。其不可避免地会对运放性能产生影响。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的旨在提出一种自适应增强电源抑制的线性稳压器，以满足高精度系统设计的需求。
本发明实现上述目的的技术解决方案是，应用于运放转换速率的增强电路，所述运放为由NMOS管NM1、NM2、NM3、NM4、NM6和PMOS管PM1、PM2、PM3、PM4、PM5、PM6、PM7相接构成的折叠式共源共栅两级运放，其中运放的输入端由PM1、PM2共源相连于电流源，第一级运放由NM1、NM2、NM3、NM4相接构成，第二级运放由PM3、PM4、PM5、PM6相接构成，而PM7与第二级运放的PM3、PM4共源相连于VDD，NM6与第一级运放的NM3、NM4共源相连于VSS，PM7和NM6的共漏极为运放输出，其特征在于：所述增强电路包括上升沿增转电路和下降沿增转电路，且两个增转电路的正负输入端分别与运放的正负输入端相连，上升沿增转电路的电流输出端接入第一级运放的补偿电容节点SRn，下降沿增转电路的电流输出端接入第二级运放的补偿电容节点SRp。
进一步地，所述下降沿增转电路由PMOS管M11、M12、M17、M18和NMOS管M13、M14、M15、M16相接构成，其中IB为偏置电流；M11和M12共源相接，M11栅极接运放的负输入端INB，M12的栅极接运放的正输入端INA；M13与M14、M15与M16以及M17与M18分别组成比例电流镜，电流比例分别为1:M、1:N1、1:Mp，其中M、N1和Mp为电流镜的电流放大倍数，合理设置M和N1可以确定电路下降沿的翻转阈值； Slew电流由M18产生，接入补偿电容节点SRp。
更进一步地，由M11和M12采样输入信号下降沿转换瞬间的电压差值，并转换为相应电流；当输入电压差值大于翻转阈值，M13和M14组成的电流镜关闭，M15和M16组成的电流镜开启，IB流经M15， 由M15与M16组成的电流镜和M17与M18组成的电流镜放大，产生N1*Mp*IB的Slew电流；当输入电压差值小于翻转阈值，M13和M14组成的电流镜开启， M15和M16组成的电流镜和M17与M18组成的电流镜关闭，Slew电流为0。
进一步地，所述上升沿增转电路由PMOS管M21、M22和NMOS管M23、M24、M25、M26相接构成，其中IB为偏置电流；其中M21、M22共源相接，M21的栅极接运放的正输入端INA，M22的栅极接运放的负输入端INB，M23与M24、M25与M26组成比例电流镜，电流比例分别为1:M、1:N2，合理设置M和N2可以确定上升沿的翻转阈值；Slew电流由M26产生，接入补偿电容节点SRn。
更进一步地，由M21和M22采样输入信号上升沿转换瞬间的电压差值，并转换为相应电流；当输入电压差值大于翻转阈值，M23和M24组成的电流镜关闭，M25和M26组成的电流镜开启，IB流经M25， 由电流镜M25和M26放大，产生N2*IB的Slew电流；当输入电压差值小于翻转阈值，M23和M24组成的电流镜开启，M25和M26组成的电流镜关闭，Slew电流为0。
应用本发明的转换速率增强电路，具备突出的实质性特点和显著的进步性：本发明提出的增强电路技术，利用输入信号差值达到一定阀值产生slew电流控制补偿电容的充放电电流，能有效增强运放的转换效率，且在输入信号差值小于阀值时对运放主体电路无影响，切实保障了折叠式共射共基两级运放的全输入域跟随或响应能力。
附图说明
图1是现有计算运放压摆率的电路框图。
图2是现有一种转换速率增强电路的架构示意图。
图3是现有另一种转换速率增强电路的架构示意图。
图4是本发明转换速率增强电路一优选实施例的主体电路示意图。
图5是图4中下降沿增转电路的电路示意图。
图6是图4中上升沿增转电路的电路示意图。
具体实施方式
以下便结合实施例附图，对本发明的具体实施方式作进一步的详述，以使本发明技术方案更易于理解、掌握，从而对本发明的保护范围做出更为清晰的界定。
本发明设计者针对传统技术对运放转换速率增强设计多方面的不足和已有见诸报道的对此改良型架构进行了综合分析，并对各种架构中的缺陷考量改进，结合自身经验和创造性劳动，创新提出了一种应用于运放的转换效率增强电路，从而提升运放对输入信号的跟随或响应能力。
如图4所示，该应用于运放转换速率的增强电路，该运放的主体电路为由NMOS管NM1、NM2、NM3、NM4、NM6和PMOS管PM1、PM2、PM3、PM4、PM5、PM6、PM7相接构成的折叠式cascode两级运放，其中运放的输入端由PM1、PM2共源相连于VDD侧的电流源I1，第一级运放由NM1、NM2、NM3、NM4相接构成，其中NM3、NM4共源相连于VSS且共栅相连于Vn2，PM1、NM3的共漏极相接于NM1的源极，PM2、NM4的共漏极相接于NM2的源极和补偿电容Cc的节点SRn，NM1、NM2的共栅相连于Vn1。第二级运放由PM3、PM4、PM5、PM6相接构成，其中PM3、PM4共源相连于VDD且共栅相连于PM5、NM1的共漏极，PM5的源极连接PM3的漏极且PM5的栅极接Vg1，PM6的栅极接Vg2，PM6的源极连接PM4的漏极和另一补偿电容Cc的节点SRp。而PM7与第二级运放的PM3、PM4共源相连于VDD，NM6与第一级运放的NM3、NM4共源相连于VSS，PM7和NM6的共漏极为运放输出。作为本发明的创新设计，该增强电路包括上升沿增转电路和下降沿增转电路，且两个增转电路的正负输入端分别与运放的正负输入端相连，上升沿增转电路的电流输出端接入第一级运放的补偿电容节点SRn，下降沿增转电路的电流输出端接入第二级运放的补偿电容节点SRp，且上述两个补偿电容的互联的节点与运放输出共点。
如图5所示，该下降沿增转电路由PMOS管M11、M12、M17、M18和NMOS管M13、M14、M15、M16相接构成，其中M11、M12共源相连于VDD侧的电流源IB，M11的基极接运放的正输入端INA，M12的基极接运放的负输入端INB；M17、M18共源相连于VDD且M17、M18的共栅极与M16、M17的共漏极相接，M18的漏极接入补偿电容节点SRp；M13、M14、M15、M16共源相连于VSS，M13、M14的共栅极与M11和M13的共漏极相接，M15、M16的共栅极与M12、M14、M15的共漏极相接。其中，该M13导电沟道的宽长比相对M14、M15、M16导电沟道的宽长比的比例为1:M:1:N1，M17和M18导电沟道的宽长比为1：Mp，其中M、 N1和Mp为电流镜的电流放大倍数，合理设置M和N1可以确定电路的翻转阈值；由M11和M12采样输入信号下降沿转换瞬间的电压差值，并转换为相应电流信号；当输入电压差值大于翻转阈值，M13和M14组成的电流镜关闭，M15和M16组成的电流镜开启，IB流经M15， 由电流镜M15和M16和电流镜M17和M18放大，产生Slew电流为N1*Mp*IB，加强了信号下降沿的转换速率；当输入电压差值小于翻转阈值，M13和M14组成的电流镜开启， M15和M16组成的电流镜和M17与M18组成的电流镜关闭，Slew电流为0，对运放主体性能无影响。
如图6所示，该上升沿增转电路由PMOS管M21、M22和NMOS管M23、M24、M25、M26相接构成，其中M21、M22共源相连于VDD侧的电流源，M21的基极接运放的负输入端INB，M22的基极接运放的正输入端INA； M23、M24、M25、M26共源相连于VSS，M23、M24的共栅极与M21和M23的共漏极相接，M25、M26的共栅极与M22、M24、M25的共漏极相接，M26的漏极接入补偿电容节点SRn。其中，该M23导电沟道的宽长比相对M24、M25、M26导电沟道的宽长比的比例为1:M:1:N2，其中M、N2为电流镜的电流放大倍数，合理设置该比例可以确定电路的上升沿翻转阈值；由M21和M22采样输入信号上升沿转换瞬间的电压差值，并转换为相应电流信号；当输入电压差值大于阈值，M23和M24组成的电流镜关闭，M25和M26组成的电流镜开启，IB流经M25，由电流镜M25和M26放大，产生N2*IB的Slew电流，加强了信号上升沿的转换速率；当输入电压差值小于翻转阈值，M23和M24组成的电流镜开启，M25和M26组成的电流镜关闭，Slew电流为0，对运放主体性能无影响。
从技术原理上来理解，本发明该增强电路的正负输入端分别与运放的正负输入端相连，当输入信号的差值达到一定阈值产生slew电流信号控制补偿电容的充放电电流，达到增强转换速率的目的；输入信号较小时，该电路通过内部的设置，可以忽略对主体电路的影响。
为便于说明，图4所示为折叠式cascode两级运放主体电路，该电路输入端INA和INB分别与运放的正负输入端相连，而下降沿转换速率增强电路和上升沿转换速率增强电路的各自Iout接在内部补偿电容Cc的节点SRp端和SRn端。在运放两输入端小于翻转阈值时，由于M14和M24的电流能力较强，使得M15、M25和M16、M26的栅电压极低，工作于截止区，电路处于关断状态Islew为0，不影响运放正常工作。当运放两输入端压差大于翻转阈值时，电流源IB将流向M15、M25，M16 、M26栅电压升高，电路开启，Islew较大，大大地改变了输入信号转换过程中补偿电容Cc的充放电电流，增强了运放的转换速率。
应用本发明的转换速率增强电路，具备突出的实质性特点和显著的进步性：本发明提出的增强电路技术，利用输入信号差值达到一定阀值产生slew电流控制补偿电容的充放电电流，能有效增强运放的转换效率，且在输入信号差值小于阀值时对运放主体电路无影响，切实保障了折叠式共射共基两级运放的全输入域跟随或响应能力。

Claims (5)

1.应用于运放转换速率的增强电路，所述运放为由NMOS管NM1、NM2、NM3、NM4、NM6和PMOS管PM1、PM2、PM3、PM4、PM5、PM6、PM7相接构成的折叠式共源共栅两级运放，其中运放的输入端由PM1、PM2共源相连于电流源，第一级运放由NM1、NM2、NM3、NM4相接构成，第二级运放由PM3、PM4、PM5、PM6相接构成，而PM7与第二级运放的PM3、PM4共源相连于VDD，NM6与第一级运放的NM3、NM4共源相连于VSS，PM7和NM6的共漏极为运放输出，其特征在于：所述增强电路包括上升沿增转电路和下降沿增转电路，且两个增转电路的正负输入端分别与运放的正负输入端相连，上升沿增转电路的电流输出端接入第一级运放的补偿电容节点SRn，下降沿增转电路的电流输出端接入第二级运放的补偿电容节点SRp。
2.根据权利要求1所述应用于运放转换速率的增强电路，其特征在于：所述下降沿增转电路由PMOS管M11、M12、M17、M18和NMOS管M13、M14、M15、M16相接构成，其中IB为偏置电流；M11和M12共源相接，M11栅极接运放的负输入端INB，M12的栅极接运放的正输入端INA；M13与M14、M15与M16以及M17与M18分别组成比例电流镜，电流比例分别为1:M、1:N1、1:Mp，其中M、N1和Mp为电流镜的电流放大倍数，合理设置M和N1可以确定电路下降沿的翻转阈值；Slew电流由M18产生，接入补偿电容节点SRp。
3.根据权利要求2所述应用于运放转换速率的增强电路，其特征在于：由M11和M12采样输入信号下降沿转换瞬间的电压差值，并转换为相应电流；当输入电压差值大于翻转阈值，M13和M14组成的电流镜关闭，M15和M16组成的电流镜开启，IB流经M15， 由M15与M16组成的电流镜和M17与M18组成的电流镜放大，产生N1*Mp*IB的Slew电流；当输入电压差值小于翻转阈值，M13和M14组成的电流镜开启， M15和M16组成的电流镜和M17与M18组成的电流镜关闭，Slew电流为0。
4.根据权利要求1所述应用于运放转换速率的增强电路，其特征在于：所述上升沿增转电路由PMOS管M21、M22和NMOS管M23、M24、M25、M26相接构成，其中IB为偏置电流；其中M21、M22共源相接，M21的栅极接运放的正输入端INA，M22的栅极接运放的负输入端INB，M23与M24、M25与M26组成比例电流镜，电流比例分别为1:M、1:N2，合理设置M和N2可以确定上升沿的翻转阈值；Slew电流由M26产生，接入补偿电容节点SRn。
5.根据权利要求4所述应用于运放转换速率的增强电路，其特征在于：由M21和M22采样输入信号上升沿转换瞬间的电压差值，并转换为相应电流；当输入电压差值大于翻转阈值，M23和M24组成的电流镜关闭，M25和M26组成的电流镜开启，IB流经M25， 由电流镜M25和M26放大，产生N2*IB的Slew电流；当输入电压差值小于翻转阈值，M23和M24组成的电流镜开启，M25和M26组成的电流镜关闭，Slew电流为0。
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