CN110649893A - 一种低功耗轨到轨驱动放大器电路 - Google Patents

一种低功耗轨到轨驱动放大器电路 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种低功耗轨到轨驱动放大器电路包括第一级放大器、第一级放大器偏置电路、驱动级放大器和驱动级放大器偏置电路；第一级放大器与驱动级放大器通过端点相连；驱动级放大器包括补偿电容CM1、补偿电容CM2和补偿电阻R，用于进行密勒补偿；驱动级放大器包括MOS管M44、M47和M50，用于减少失配对驱动能力的影响；驱动级放大器包括MOS管M56和M57，用于降低了静态功耗。本发明的放大器既实现了轨到轨的输入，又满足了大电流驱动输出；采用电容CM1、CM2和电阻R进行密勒补偿；动态输出级增加匹配晶体管，减小失配的同时增大了输出级增益；采用高阈值N管和P管，相对于传统的驱动放大器降低了静态功耗。

Description

一种低功耗轨到轨驱动放大器电路
技术领域
本发明涉及电路设计领域，尤其涉及一种低功耗轨到轨驱动放大器电路。
背景技术
随着雷达系统小型化、集成化需求的发展，对高集成度阵面的硬件消耗要求越来越苛刻。现有雷达系统中功率放大器的栅极驱动芯片种类繁多，覆盖的驱动电压范围越来越大，驱动能力要求越来越高。传统的AB类放大器采用轨到轨输入和简单的AB类输出结构，如果要实现大电流驱动，则静态功耗较高。传统的功放栅极驱动芯片电路功耗高，同等硬件消耗下驱动能力难以满足雷达系统小型化、集成化需求的要求。
发明内容
本发明提供了一种低功耗轨到轨驱动放大器电路，实现将基准输入转换为可调的负压输出偏置，用以驱动功率放大器栅极，输出电压范围片外经过电阻连续可调。相对于传统的轨到轨驱动放大器电路，本发明功耗更低，可调整性大，同等静态功耗下驱动能力更强。
本发明的方法主要提出了一种低功耗轨到轨驱动放大器电路，其特征在于，包括第一级放大器、第一级放大器偏置电路、驱动级放大器和驱动级放大器偏置电路；
所述第一级放大器偏置电路与所述第一级放大器内部节点相连，提供偏置电压；所述驱动级放大器偏置电路与所述驱动级放大器内部节点相连，提供偏置电压；
所述第一级放大器设有输出端Vop1、Von1、Von2；所述第一级放大器偏置电路设有输出端Vp；所述驱动级放大器设有输入端Vop1’、Von1’、Von2’和Vp’；所述输出端Vop1、Von1、Von2和Vp分别与所述输入端Vop1’、Von1’、Von2’和Vp’相连；
所述第一级放大器、第一级放大器偏置电路、驱动级放大器和驱动级放大器偏置电路均连接电源VDD。
更进一步地，所述驱动级放大器包括补偿电容CM1、补偿电容CM2和补偿电阻R；
所述输入端Von1’与补偿电容CM1的一端相连；CM1的另一端与补偿电阻R的一端相连；补偿电阻的另一端与补偿电容CM2的一端相连，同时与输出端Vout相连；补偿电容CM2的另一端与输入端Von2’相连。
更进一步地，所述驱动级放大器包括MOS管M44、M47和M50，所述MOS管M44的栅极与输入端Vp相连；所述MOS管M47的栅极与输入端Vp相连；所述MOS管M50的栅极与输入端Vp相连。
更进一步地，所述驱动级放大器包括MOS管M56和M57，所述MOS管M56的漏极与补偿电阻R相连，源极接所述电源VDD，所述MOS管M56的栅极与所述MOS管M50的漏极相连；所述MOS管M57的漏极与补偿电阻R相连，源极接地，所述MOS管M57的栅极与所述MOS管M47的漏极相连。
更进一步地，所述MOS管M56和M57是高阈值管，负载电容在10nF以上。
本发明的有益效果是：
本发明采用高压BCD工艺，提供了一种低功耗轨到轨驱动放大器电路，实现了将基准输入转换为可调的负压输出偏置，用以驱动功率放大器栅极，输出电压范围片外经过电阻连续可调。相对于现有技术中传统AB类放大电路中静态功耗较高，本发明功耗更低，可调整性大，同等静态功耗下驱动能力更强。
第一级放大器和驱动级放大器利用电容CM1、CM2和电阻R进行频率补偿，在实现多级放大器高增益的同时，分离了第一级输出和驱动级输出的主次极点，提升了系统环路的稳定性。
相对于传统的驱动级放大器，增加了匹配晶体管M44、M47和M50，减小失配对驱动能力的影响，同时增大了输出级增益。
驱动级放大器的输出对管采用高阈值N管M57和P管M56，相对于传统的驱动放大器而言降低了静态功耗。当本发明的轨到轨驱动放大器电路负载开路时，输出对管工作于亚阈值区，系统静态功耗较低。当轨到轨驱动放大器电路工作于驱动负载态时，放大器提供大电流的驱动能力。
附图说明
图1是本发明实施例提供的一种低功耗轨到轨驱动放大器电路中第一级放大器和驱动级放大器的示意图；
图2是本发明实施例提供的一种低功耗轨到轨驱动放大器电路中第一级放大器偏置电路和驱动级放大器偏置电路的示意图。
具体实施方式
下面通过实施例，并结合附图1-2，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。
如附图1-2所示，一种轨到轨驱动放大器电路采用三级运放结构，包括第一级放大器100、第一级放大器偏置电路101、驱动级放大器200和驱动级放大器偏置电路201。
其中，第一级放大器100采用现有技术的轨到轨输入放大器，用于提供本发明轨到轨驱动放大器电路的主要增益，同时实现轨到轨的输入电压范围；并设有输出端Vop1、Von1、Von2。一级放大器偏置电路101采用现有技术的偏置电路，第一级放大器偏置电路由基准源提供两路基准电流，第一级放大器主电路偏置电流由Ib2以电流镜形式提供，N管尾管偏置由Ib1支路产生的偏压提供。第一级放大器偏置电路101与第一级放大器100内部节点相连，提供偏置电压；并设有输出端Vp。驱动级放大器偏置电路201与驱动级放大器200内部节点相连，提供偏置电压，由基准源Ib3提供基准电流，采用多级电流镜的形式产生驱动级放大器主体电路所需的偏置，电路形式简单，功耗较低。
驱动级放大器200设有输入端Vop1’、Von1’、Von2’和Vp’，第一级放大器100的输出端Vop1、Von1、Von2分别与驱动级放大器200的输入端Vop1’、Von1’、Von2’相连；第一级放大器偏置电路101的输出端Vp与驱动级放大器200的输入端Vp’相连。驱动级放大器200还设有输出端Vout和MOS管M43-M57。
驱动级放大器200包括补偿电容CM1、补偿电容CM2和补偿电阻R，用于进行密勒补偿，分离了第一级输出和驱动级输出的主次极点，提升了系统环路的稳定性。输入端Von1’与补偿电容CM1的一端相连；CM1的另一端与补偿电阻R的一端相连；补偿电阻的另一端与补偿电容CM2的一端相连，同时与输出端Vout相连；补偿电容CM2的另一端与输入端Von2’相连。
驱动级放大器200中MOS管M44、M47和M50用于减少失配对驱动能力的影响，提供更高的动态输出能力。MOS管M44的栅极与输入端Vp相连,MOS管M44的漏极与MOS管M45的漏极相连，MOS管M44的源极与MOS管M43的漏极相连；MOS管M47的栅极与输入端Vp相连，MOS管M47的漏极与MOS管M48的漏极相连，MOS管M47的源极与MOS管M46的漏极相连。
驱动级放大器200中MOS管M56和M57是动态输出级，用于降低了静态功耗，驱动能力更强，其中MOS管M56和M57尺寸较大的高阈值管，负载电容在10nF级别以上。MOS管M56的漏极与补偿电阻R相连，MOS管M56的栅极与MOS管M50的漏极相连，MOS管M56的源极接电源VDD；MOS管M57的漏极与补偿电阻R相连，MOS管M57的栅极与MOS管M47的漏极相连，MOS管M57的源极接地。
具体的，在一种实施方式中，驱动级放大器200输入端Von1’与MOS管M43的栅极相连，同时与补偿电容CM1的一端相连；CM1的另一端与补偿电阻R的一端相连；补偿电阻的另一端与补偿电容CM2的一端相连，同时与输出端Vout、MOS管M56的漏极、MOS管M57的漏极相连；补偿电容CM2的另一端与输入端Von2’相连；MOS管M43的源极与电源VDD相连，MOS管M43的漏极与MOS管M44的源极相连；MOS管M44的栅极与输入端Vp’相连,MOS管M44的漏极与MOS管M45的漏极相连，同时与MOS管M45的栅极相连；MOS管M45的栅极与MOS管M48的栅极相连，同时与MOS管M51的栅极相连，MOS管M45的源极接地；MOS管M46的栅极与输入端Vop1’相连，MOS管M46的源极接电源VDD，MOS管M46的漏极与MOS管M47的源极相连；MOS管M47的栅极与输入端Vp’相连，MOS管M47的漏极与MOS管M48的漏极相连，同时与MOS管M54的漏极、MOS管M55栅极、MOS管M57栅极相连；MOS管M48源极接地；MOS管M49的源极接电源VDD，MOS管M49栅极与输入端Vop1’相连，MOS管M49的漏极与MOS管M50的源极相连；MOS管M50的栅极与输入端Vp’相连，MOS管M50的漏极与MOS管M51的漏极相连，同时与MOS管M53的漏极、MOS管M52的栅极、MOS管M56的栅极相连；MOS管M51的源极接地；MOS管M52的源极接电源VDD，MOS管M52的栅极与MOS管M56栅极相连，同时与MOS管M53的漏极相连，MOS管M52的漏极与MOS管M53的源极相连；MOS管M53的栅极与驱动级放大器偏置电路201的MOS管M58的栅极和漏极相连，还与MOS管M59的漏极相连；MOS管M54的栅极与驱动级放大器偏置电路201的MOS管M64的栅极相连，还与MOS管M64的漏极相连，MOS管M54的漏极与MOS管M55的栅极相连，还与MOS管M57的栅极相连，MOS管M54的源极与MOS管M55的漏极相连；MOS管M55的栅极与MOS管M57的栅极相连，MOS管M55的源极接地；MOS管M56的源极接电源VDD，MOS管M56的漏极与MOS管M57的漏极相连，同时与输出端Vout相连；MOS管M57的源极接地。
驱动级放大器偏置电路201包括MOS管M58～M66、电流源Ib3；MOS管M58的源极接电源VDD，MOS管M58的栅极与漏极相连，同时与MOS管M59的漏极相连；MOS管M59的栅极与MOS管M62的栅极相连，同时与MOS管M62的漏极相连，MOS管M59的源极接地；MOS管M60的源极接电源VDD，MOS管M60的栅极与MOS管M63的栅极相连，还与MOS管M65的栅极和漏极相连，同时与MOS管M66的源极相连，MOS管M60的漏极与MOS管M61的源极相连；MOS管M61的栅极与MOS管M66的栅极和漏极相连，MOS管M61的漏极与MOS管M62的漏极和栅极相连；MOS管M62的源极接地；MOS管M63的源极接电源VDD，MOS管M63的栅极与MOS管M65的栅极和漏极相连，还与MOS管M66的源极相连，MOS管M63的漏极与MOS管M64的漏极和栅极相连；MOS管M64的源极接地；MOS管M65的源极接电源VDD，MOS管M65的栅极与漏极相连，同时与MOS管M66的源极相连；MOS管M66的栅极与漏极相连，同时与电流源Ib3的一端相连；电流源Ib3的另一端接地。
具体的工作原理如下：
第一级放大器100和驱动级放大器200中VDD端与电源连接，用于提供电源驱动放大器电路；将输入信号通过第一级放大器100中的Vin和Vip端口输入驱动放大器电路，并对第一级放大器偏置电路101的Ib1、Ib2和驱动级放大器偏置电路201的Ib3提供外部基准电流，无需进行其他控制操作，第一级放大器100即可对输入信号进行第一级放大，并将输出的信号通过输出端Vop1、Von1、Von2输送至驱动级放大器200中输入端Vop1’、Von1’、Von2’中，并由驱动级放大器200的输出端口Vout输出经过放大的信号。
在功放栅极驱动应用中，本发明的三级运放结构能够提供高直流增益。由于第一级轨到轨输入运放和动态输出级级联，很容易获取120dB以上的高增益。在功放不工作时，驱动放大器没有动态电流的输出。此时高阈值的输出级N管MOS管M57和P管MOS管M56的Vdsat电压较小，由此产生的静态电流较小，此时静态偏置MOS管M52-M55工作在饱和区。当功放工作时，功放栅极出现较大的栅流，MOS管M56或者M57出现大电流，由于闭环运放的负反馈作用，为了维持输出工作点的稳定，MOS管M52-M55开始进入线性区，输出级N管MOS管M57或P管MOS管M56的Vdsat电压急剧增大，维持负载所需要的栅流。
在稳定性补偿方面，第一级运放在Von1和Von2端存在输出极点，动态输出级MOS管M56和M57的尺寸较大，但负载电容也较大(在10nF级别以上)，因此也会产生一个主极点。仅采用电容CM1、CM2和电阻R进行密勒补偿，将增加的零点位置和极点位置设计为近似相等，能够很好的补偿三级运放多个极点产生的相移。这样在无负载情况下闭环运放的相位裕度能够达到70°以上，有大电容和电流输出/输入负载时也能实现大于30°的相位裕度。
虽然本发明已经以较佳实施例公开如上，但实施例并不是用来限定本发明的。在不脱离本发明之精神和范围内，所做的任何等效变化或润饰，同样属于本发明之保护范围。因此本发明的保护范围应当以本申请的权利要求所界定的内容为标准。

Claims (5)

1.一种低功耗轨到轨驱动放大器电路，其特征在于，包括第一级放大器(100)、第一级放大器偏置电路(101)、驱动级放大器(200)和驱动级放大器偏置电路(201)；
所述第一级放大器偏置电路(101)与所述第一级放大器(100)内部节点相连，提供偏置电压；所述驱动级放大器偏置电路(201)与所述驱动级放大器(200)内部节点相连，提供偏置电压；
所述第一级放大器(100)设有输出端Vop1、Von1、Von2；所述第一级放大器偏置电路(101)设有输出端Vp；所述驱动级放大器(200)设有输入端Vop1’、Von1’、Von2’和Vp’；所述输出端Vop1、Von1、Von2和Vp分别与所述输入端Vop1’、Von1’、Von2’和Vp’相连；
所述第一级放大器(100)、第一级放大器偏置电路(101)、驱动级放大器(200)和驱动级放大器偏置电路(201)均连接电源VDD；
所述低功耗轨到轨驱动放大器电路用于功率放大器的栅极驱动。
2.根据权利要求1所述的驱动放大器电路，其特征在于，所述驱动级放大器(200)包括补偿电容CM1、补偿电容CM2和补偿电阻R；
所述输入端Von1’与补偿电容CM1的一端相连；CM1的另一端与补偿电阻R的一端相连；补偿电阻的另一端与补偿电容CM2的一端相连，同时与输出端Vout相连；补偿电容CM2的另一端与输入端Von2’相连。
3.根据权利要求2所述的驱动放大器电路，其特征在于，所述驱动级放大器(200)包括MOS管M44、M47和M50，所述MOS管M44的栅极与输入端Vp相连；所述MOS管M47的栅极与输入端Vp相连；所述MOS管M50的栅极与输入端Vp相连。
4.根据权利要求3所述的驱动放大器电路，其特征在于，所述驱动级放大器(200)包括MOS管M56和M57，所述MOS管M56的漏极与补偿电阻R相连，源极接所述电源VDD，所述MOS管M56的栅极与所述MOS管M50的漏极相连；所述MOS管M57的漏极与补偿电阻R相连，源极接地，所述MOS管M57的栅极与所述MOS管M47的漏极相连。
5.根据权利要求4所述的驱动放大器电路，其特征在于，所述MOS管M56和M57是高阈值管，负载电容在10nF以上。
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