CN110138344B - 一种增益增强的运算放大器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种运算放大器，其包括PMOS场效应晶体管MP1、MP2、MP3、MP4、NMOS场效应晶体管MN1、MN2、MN3、MN4以及电流源I1。场效应晶体管MP1的源极与电流源I1的电流输出端相连，场效应晶体管MP1的衬体端与其栅极相连后作为所述运算放大器的第一输入端；场效应晶体管MP2的源极与电流源I1的电流输出端相连，场效应晶体管MP2的衬体端与其栅极相连后作为所述运算放大器的第二输入端。由于MP1和MP2的衬体端的连接方式发生了改变，提高了所述运算放大器的总增益。

Description

一种增益增强的运算放大器
【技术领域】
本发明涉及电路设计领域，尤其涉及一种增益增强的运算放大器。
【背景技术】
增强运算放大器的增益，有助于提高电路精度，提高对噪声的抵抗程度。
图1描述了传统的运算放大器，其中包括PMOS(P-channel Metal OxideSemiconductor)场效应晶体管MP11、MP12、MP13、MP14及NMOS(N-channel Metal OxideSemiconductor)场效应晶体管MN11、MN12、MN13、MN14。MP11和MP12是输入对管，其的电流增益为gmP1(MP11的跨导)或gmP2(MP12的跨导)，一般设计满足gmP1等于gmP2。对小信号分析可知，MP11的漏极电流等于gmP1.VIN，其中VIN是输入信号的小信号变化量，gmP1是MP11的跨导。图1的总电压增益为gmP1.ro，其中gmP1是MP11的跨导，ro是在输出节点VO上的等效输出电阻。然而，其总电压增益仍然有待提高。
【发明内容】
本发明要解决的技术问题在于提供一种增益增强的运算放大器，其增益被进一步的提高。
为了解决上述问题，根据本发明的一个方面，本发明提供了一种运算放大器，其特征在于，其包括PMOS场效应晶体管MP1、MP2、MP3、MP4、NMOS场效应晶体管MN1、MN2、MN3、MN4以及电流源I1。场效应晶体管MP3的源极与电源端相连，场效应晶体管MN2的源极与接地端相连，场效应晶体管MP3的漏极与场效应晶体管MN2的漏极相连，场效应晶体管MP3的栅极与其漏极和场效应晶体管MP4的栅极相连，场效应晶体管MN2的栅极与场效应晶体管MN1的栅极和漏极相连。场效应晶体管MP4的源极与电源端相连，场效应晶体管MN4的源极与接地端相连，场效应晶体管MP4的漏极与场效应晶体管MN4的漏极相连后作为所述运算放大器的输出端，场效应晶体管MN4的栅极与场效应晶体管MN3的栅极和漏极相连。场效应晶体管MP1的源极与电流源I1的电流输出端相连，电流源I1的电流输入端与电源端相连，场效应晶体管MP1的衬体端与其栅极相连后作为所述运算放大器的第一输入端，场效应晶体管MP1的漏极与场效应晶体管MN1的漏极相连，场效应晶体管MN1的源极与接地端相连。场效应晶体管MP2的源极与电流源I1的电流输出端相连，场效应晶体管MP2的衬体端与其栅极相连后作为所述运算放大器的第二输入端，场效应晶体管MP2的漏极与场效应晶体管MN3的漏极相连，场效应晶体管MN3的源极与接地端相连。
根据本发明的另一个方面，本发明提供了一种运算放大器，其包括PMOS场效应晶体管MP1、MP2、MP3、MP4、NMOS场效应晶体管MN1、MN2、MN3、MN4、MN5、MN6、第一电流源I1、第二电流源I2、第一电阻R1、第二电阻R2。场效应晶体管MP3的源极与电源端相连，场效应晶体管MN2的源极与接地端相连，场效应晶体管MP3的漏极与场效应晶体管MN2的漏极相连，场效应晶体管MP3的栅极与其漏极和场效应晶体管MP4的栅极相连，场效应晶体管MN2的栅极与场效应晶体管MN1的栅极和漏极相连。场效应晶体管MP4的源极与电源端相连，场效应晶体管MN4的源极与接地端相连，场效应晶体管MP4的漏极与场效应晶体管MN4的漏极相连后作为所述运算放大器的输出端，场效应晶体管MN4的栅极与场效应晶体管MN3的栅极和漏极相连。场效应晶体管MP1的源极经由第一电阻R1与第一电流源I1的电流输出端相连，第一电流源I1的电流输入端与电源端相连，场效应晶体管MP1的衬体端与第一电流源I1的电流输出端相连，场效应晶体管MP1的栅极作为所述运算放大器的第一输入端，场效应晶体管MP1的漏极与场效应晶体管MN1的漏极相连，场效应晶体管MN1的源极与接地端相连。场效应晶体管MP2的源极经由第二电阻R2与第一电流源I1的电流输出端相连，场效应晶体管MP2的衬体端与第一电流源I1的电流输出端相连，场效应晶体管MP2的栅极作为所述运算放大器的第二输入端，场效应晶体管MP2的漏极与场效应晶体管MN3的漏极相连，场效应晶体管MN3的源极与接地端相连。场效应晶体管MN5的源极与第二电流源I2的电流输入端相连，其栅极与场效应晶体管MP1的栅极相连，其漏极与场效应晶体管MP1的源极相连，第二电流源I2的电流输出端与接地端相连。场效应晶体管MN6的源极与第二电流源I2的电流输入端相连，其栅极与场效应晶体管MP2的栅极相连，其漏极与场效应晶体管MP2的源极相连。
进一步的，MN5和MN6设计为相同尺寸，第一电阻R1和第一电阻R2采用相同尺寸，MP1和MP2采用相同尺寸。
与现有技术相比，本发明中的运算放大器的增益被进一步增强，从而有助于提高电路精度，提高对噪声的抵抗程度。
关于本发明的其他目的，特征以及优点，下面将结合附图在具体实施方式中详细描述。
【附图说明】
结合参考附图及接下来的详细描述，本发明将更容易理解，其中同样的附图标记对应同样的结构部件，其中：
图1为传统的运算放大器的电路图；
图2为本发明中的运算放大器在第一个实施例中的电路示意图；
图3为本发明中的运算放大器在第二个实施例中的电路示意图。
【具体实施方式】
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
此处所称的“一个实施例”或“实施例”是指与所述实施例相关的特定特征、结构或特性至少可包含于本发明至少一个实现方式中。在本说明书中不同地方出现的“在一个实施例中”并非必须都指同一个实施例，也不必须是与其他实施例互相排斥的单独或选择实施例。本发明中的“多个”、“若干”表示两个或两个以上。本发明中的“和/或”表示“和”或者“或”。
本发明提出一种增益增强的运算放大器，其较传统的运算放大器增益更大，有助于提高电路精度，提高对噪声的抵抗程度。
图2为本发明中的运算放大器在第一个实施例中的电路示意图。如图2所示的，所述运算放大器包括PMOS场效应晶体管MP1、MP2、MP3、MP4、NMOS场效应晶体管MN1、MN2、MN3、MN4以及电流源I1。
场效应晶体管MP3的源极与电源端相连，场效应晶体管MN2的源极与接地端相连，场效应晶体管MP3的漏极与场效应晶体管MN2的漏极相连，场效应晶体管MP3的栅极与其漏极和场效应晶体管MP4的栅极相连，场效应晶体管MN2的栅极与场效应晶体管MN1的栅极和漏极相连。
场效应晶体管MP4的源极与电源端相连，场效应晶体管MN4的源极与接地端相连，场效应晶体管MP4的漏极与场效应晶体管MN4的漏极相连后作为所述运算放大器的输出端，场效应晶体管MN4的栅极与场效应晶体管MN3的栅极和漏极相连。
场效应晶体管MP1的源极与电流源I1的电流输出端相连，电流源I1的电流输入端与电源端相连，场效应晶体管MP1的衬体端与其栅极相连后作为所述运算放大器的第一输入端IN，场效应晶体管MP1的漏极与场效应晶体管MN1的漏极相连，场效应晶体管MN1的源极与接地端相连。
场效应晶体管MP2的源极与电流源I1的电流输出端相连，场效应晶体管MP2的衬体端与其栅极相连后作为所述运算放大器的第二输入端IP，场效应晶体管MP2的漏极与场效应晶体管MN3的漏极相连，场效应晶体管MN3的源极与接地端相连。
IP为所述运算放大器的正输入端，IN为运算放大器的负输入端。当IP电压升高时，MP2的栅极电压将升高，导致MP2的漏极电流减小；当IP电压升高时，MP2的衬体电压也将升高，其效果也是使MP2的漏极电流减小。MP2的漏极电流减小导致MN3的漏极电流减小，经过电流镜后的MN4漏极电流也将减小，导致输出电压VO将升高。因此IP表现为正输入端的效果。当IN电压升高时，MP1的栅极电压将升高，导致MP1的漏极电流减小；当IN电压升高时，MP1的衬体电压也将升高，其效果也是使MP1的漏极电流减小。MP1的漏极电流减小导致MN1的漏极电流减小，经过电流镜后的MN2漏极电流也将减小，导致MP3的漏极电流减小，MP4的漏极电流也因此减小，导致输出电压VO将下降。因此IN表现为负输入端的效果。与传统的运算放大器相比，输入信号同时通过栅极和衬体来控制MP1和MP2的漏极电流。从小信号分析可知，对小信号漏极电流应该等于(gmP1+gmbP1).VIN，其中VIN是输入信号的小信号变化量，gmP1是MP1的跨导，gmbP1是MP1的体跨导，其满足下面公式:
Figure BDA0002005883260000041
其中γ是体效应系数，φF是费米电压，VSB是衬体端与源极之间的电压。
与图1相比，相当于将跨导由gmP1增加为(gmP1+gmbP1)，MN1与MN2的失配(mismatch)会被此跨导所抑制，例如MN1和MN2之间的失配电流为ΔI，则等效到输入端的失配电压VOS＝ΔI/gm，对图1来说，VOS1＝ΔI/gmP1；对图2来说，VOS2＝ΔI/(gmP1+gmbP1)，可知VOS2<VOS1，因此图2电路能提高对失配的抑制能力。
图2的总电压增益等于(gmP1+gmbP1).ro，其中gmP1是MP1的跨导，gmbP1是MP1的体跨导，ro是在输出端VO上的等效输出电阻。与图1的总增益gmP1.ro相比，也体现了增加的效果。
图2中的运算放大器有一个缺点，即衬体端连在输入端，会从输入端吸取电流，如果对于输入端阻抗很高，即驱动电流能力较弱的应用，则会造成影响输入电压的问题。因此会限定其应用为输入端驱动能力较强的应用。
图3为本发明中的运算放大器在第二个实施例中的电路示意图。如图3所示的，所述运算放大器包括PMOS场效应晶体管MP1、MP2、MP3、MP4、NMOS场效应晶体管MN1、MN2、MN3、MN4、MN5、MN6、第一电流源I1、第二电流源I2、第一电阻R1、第二电阻R2。
场效应晶体管MP3的源极与电源端相连，场效应晶体管MN2的源极与接地端相连，场效应晶体管MP3的漏极与场效应晶体管MN2的漏极相连，场效应晶体管MP3的栅极与其漏极和场效应晶体管MP4的栅极相连，场效应晶体管MN2的栅极与场效应晶体管MN1的栅极和漏极相连。
场效应晶体管MP4的源极与电源端相连，场效应晶体管MN4的源极与接地端相连，场效应晶体管MP4的漏极与场效应晶体管MN4的漏极相连后作为所述运算放大器的输出端，场效应晶体管MN4的栅极与场效应晶体管MN3的栅极和漏极相连。
场效应晶体管MP1的源极经由第一电阻R1与第一电流源I1的电流输出端相连，第一电流源I1的电流输入端与电源端相连，场效应晶体管MP1的衬体端与第一电流源I1的电流输出端相连，场效应晶体管MP1的栅极作为所述运算放大器的第一输入端，场效应晶体管MP1的漏极与场效应晶体管MN1的漏极相连，场效应晶体管MN1的源极与接地端相连。
场效应晶体管MP2的源极经由第二电阻R2与第一电流源I1的电流输出端相连，场效应晶体管MP2的衬体端与第一电流源I1的电流输出端相连，场效应晶体管MP2的栅极作为所述运算放大器的第二输入端，场效应晶体管MP2的漏极与场效应晶体管MN3的漏极相连，场效应晶体管MN3的源极与接地端相连。
场效应晶体管MN5的源极与第二电流源I2的电流输入端相连，其栅极与场效应晶体管MP1的栅极相连，其漏极与场效应晶体管MP1的源极相连，第二电流源I2的电流输出端与接地端相连。
场效应晶体管MN6的源极与第二电流源I2的电流输入端相连，其栅极与场效应晶体管MP2的栅极相连，其漏极与场效应晶体管MP2的源极相连。
MN5和MN6设计为相同尺寸，电阻R1和R2采用相同尺寸，MP1和MP2采用相同尺寸。输入信号通过MP1的栅极产生gmP1.VIN的小信号电流，还会通过MN5和MN6产生gmN5.VIN的小信号电流，此电流流经电阻R1或R2，产生gmN5.VIN.R1的小信号电压，影响MP1或MP2的衬体端，即影响MP1或MP2的Vbs(衬体端与源极之间的电压)，因此还会通过衬体端控制，产生小信号电流gmN5.VIN.R1.gmbP1，其中gmN5是MN5的跨导，VIN是输入的小信号电压，R1是电阻R1的电阻值，gmbP1是MP1的体跨导。结合两个小信号电流，可知小信号电流为:
gmP1.VIN+gmN5.VIN.R1.gmbP1＝VIN.(gmP1+gmN5.R1.gmbP1)
从上式可知，其输入级的等效电流增益为(gmP1+gmN5.R1.gmbP1)，相比传统电路图1可以较大的增加。等效的总电压增益为(gmP1+gmN5.R1.gmbP1).ro，其中ro为输出节点VO处的等效电阻值，相比图1结构也相应提高。增加电流增益有助于提高对NMOS负载级(MN1和MN2的失配，及MN3和MN4的失配)的失配抵抗能力，增加电压增益有助于提高负反馈应用中电路的精度。
图3实现方式中，输入信号也接入的是MN5和MN6的栅极，栅极对于现在MOS管工艺来说，其栅极电流很小，近似可以忽略，这样就克服了图2中输入电流偏大的缺点。
在本发明中，“连接”、相连、“连”、“接”等表示电性相连的词语，如无特别说明，则表示直接或间接的电性连接。
上述说明已经充分揭露了本发明的具体实施方式。需要指出的是，熟悉该领域的技术人员对本发明的具体实施方式所做的任何改动均不脱离本发明的权利要求书的范围。相应地，本发明的权利要求的范围也并不仅仅局限于前述具体实施方式。

Claims (3)

1.一种运算放大器，其特征在于，其包括PMOS场效应晶体管MP1、MP2、MP3、MP4、NMOS场效应晶体管MN1、MN2、MN3、MN4以及电流源I1，
场效应晶体管MP3的源极与电源端相连，场效应晶体管MN2的源极与接地端相连，场效应晶体管MP3的漏极与场效应晶体管MN2的漏极相连，场效应晶体管MP3的栅极与其漏极和场效应晶体管MP4的栅极相连，场效应晶体管MN2的栅极与场效应晶体管MN1的栅极和漏极相连；
场效应晶体管MP4的源极与电源端相连，场效应晶体管MN4的源极与接地端相连，场效应晶体管MP4的漏极与场效应晶体管MN4的漏极相连后作为所述运算放大器的输出端，场效应晶体管MN4的栅极与场效应晶体管MN3的栅极和漏极相连；
场效应晶体管MP1的源极与电流源I1的电流输出端相连，电流源I1的电流输入端与电源端相连，场效应晶体管MP1的衬体端与其栅极相连后作为所述运算放大器的第一输入端，场效应晶体管MP1的漏极与场效应晶体管MN1的漏极相连，场效应晶体管MN1的源极与接地端相连；
场效应晶体管MP2的源极与电流源I1的电流输出端相连，场效应晶体管MP2的衬体端与其栅极相连后作为所述运算放大器的第二输入端，场效应晶体管MP2的漏极与场效应晶体管MN3的漏极相连，场效应晶体管MN3的源极与接地端相连。
2.一种运算放大器，其特征在于，其包括PMOS场效应晶体管MP1、MP2、MP3、MP4、NMOS场效应晶体管MN1、MN2、MN3、MN4、MN5、MN6、第一电流源I1、第二电流源I2、第一电阻R1、第二电阻R2，
场效应晶体管MP3的源极与电源端相连，场效应晶体管MN2的源极与接地端相连，场效应晶体管MP3的漏极与场效应晶体管MN2的漏极相连，场效应晶体管MP3的栅极与其漏极和场效应晶体管MP4的栅极相连，场效应晶体管MN2的栅极与场效应晶体管MN1的栅极和漏极相连；
场效应晶体管MP4的源极与电源端相连，场效应晶体管MN4的源极与接地端相连，场效应晶体管MP4的漏极与场效应晶体管MN4的漏极相连后作为所述运算放大器的输出端，场效应晶体管MN4的栅极与场效应晶体管MN3的栅极和漏极相连；
场效应晶体管MP1的源极经由第一电阻R1与第一电流源I1的电流输出端相连，第一电流源I1的电流输入端与电源端相连，场效应晶体管MP1的衬体端与第一电流源I1的电流输出端相连，场效应晶体管MP1的栅极作为所述运算放大器的第一输入端，场效应晶体管MP1的漏极与场效应晶体管MN1的漏极相连，场效应晶体管MN1的源极与接地端相连；
场效应晶体管MP2的源极经由第二电阻R2与第一电流源I1的电流输出端相连，场效应晶体管MP2的衬体端与第一电流源I1的电流输出端相连，场效应晶体管MP2的栅极作为所述运算放大器的第二输入端，场效应晶体管MP2的漏极与场效应晶体管MN3的漏极相连，场效应晶体管MN3的源极与接地端相连；
场效应晶体管MN5的源极与第二电流源I2的电流输入端相连，其栅极与场效应晶体管MP1的栅极相连，其漏极与场效应晶体管MP1的源极相连，第二电流源I2的电流输出端与接地端相连；
场效应晶体管MN6的源极与第二电流源I2的电流输入端相连，其栅极与场效应晶体管MP2的栅极相连，其漏极与场效应晶体管MP2的源极相连。
3.根据权利要求2所述的运算放大器，其特征在于，
MN5和MN6设计为相同尺寸，第一电阻R1和第二 电阻R2采用相同尺寸，MP1和MP2采用相同尺寸。
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