CN111277225A - 一种低功耗恒定跨导轨对轨运算放大器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种低功耗恒定跨导轨对轨运算放大器，包括输入级，输入级由N/P型互补差分对和P型跨导恒定控制结构连接构成，输出级采用浮动电流源的互补推挽式AB类，输入级与输出级之间还设置有共源共栅求和电路，共模信号经输入级将共模电压信号转换成电流信号，实现信号的初步放大和对共模噪声的抑制，再经过中间级共源共栅求和电路进行电流的求和放大，将放大后的电流信号转换成电压信号传送到输出级，最后经互补推挽式AB类输出级对电压信号进行宽摆幅输出。本发明在简化电路和不增加额外功耗的前提下，提高输入级的跨导恒定性能。

Description

一种低功耗恒定跨导轨对轨运算放大器
技术领域
本发明属于模拟缓冲输出电路技术领域，具体涉及一种低功耗恒定跨导轨对轨运算放大器。
背景技术
输入级跨导的恒定性反映轨对轨运算放大器的频率补偿难度。尤其在轨对轨运放作为单位增益输出缓冲应用时，输入级跨导在整个共模输入范围内变化越小，则整个运放开环增益越稳定，频率补偿难度越小，系统稳定性越容易保证。
传统的轨对轨运放输入级由P型MOS和N型MOS互补差分对构成，虽能实现轨对轨的输入范围，但输入级跨导会随共模输入电压的变化而变化，具体表现为：当共模输入电压在共模输入的中间范围时，输入级跨导等于P型和N型差分对的跨导之和；当共模输入电压在其它范围时，输入级跨导为P型或者N型差分对的跨导；可看出共模输入中间范围的输入级跨导是其它范围的2倍。这种输入级跨导随共模输入电压的变化的大幅度波动，会很很大程度上加大电路的频率补偿的难度，影响整个运放稳定性。现有的技术往往采用以下以下两种方式来提高轨对轨运算放大器的跨导恒定性：
方法1，利用电平移位的方法，通过使用两个源级跟随器分别对单个差分对的尾电流曲线进行相应的左移或者右移，使得P型和N型差分对的尾电流曲线在过渡区内适当的重叠，从而实现输入级跨导的恒定。该方法的优点是结构简单且容易实现，近年来采用的比较多。但其缺点是不能克服温度和工艺等原因所导致的跨导变化，直流增益也不能够保持恒定且变化幅度较大。
方法2，利用成比例的电流镜补偿技术，使偏置电流的大小随输入共模电压变化而变化以获得不变的输入级跨导。虽然电流镜技术是目前电路中使比较广泛的恒定跨导控制手段，但这种方法的缺点有以下几个方面：一是结构较为复杂，一定程度上会占用较大芯片面积而导致成本提升；二是在开关转换时，跨导的幅度大约会有15％的瞬间增加；三是这种方法只能通过平方律模型实现，不能在强反型区和弱反型区下工作。
发明内容
本发明的目的是提供一种低功耗恒定跨导轨对轨运算放大器，在简化电路和不增加额外功耗的前提下，提高输入级的跨导恒定性能。
本发明所采用的技术方案是，一种低功耗恒定跨导轨对轨运算放大器，包括输入级，输入级由N/P型互补差分对和P型跨导恒定控制结构连接构成，输出级采用浮动电流源的互补推挽式AB类，输入级与输出级之间还设置有共源共栅求和电路，共模信号经输入级将共模电压信号转换成电流信号，实现信号的初步放大和对共模噪声的抑制，再经过中间级共源共栅求和电路进行电流的求和放大，将放大后的电流信号转换成电压信号传送到输出级，最后经互补推挽式AB类输出级对电压信号进行宽摆幅输出。
本发明的特点还在于，
输入级具体结构为：包括由P型MOS管M5和P型MOS管M6构成的P型恒定跨导控制结构，其中，P型MOS管M5的栅极和P型MOS管M6的栅极分别接共模输入正负端，以达到对共模输入电压的实时监测，P型MOS管M5的漏极和P型MOS管M6的漏极相连后又与N/P型互补差分对的输出端连接，P型MOS管M5的源极和P型MOS管M6的源极相连后与N/P型互补差分对的输入端连接。
N/P型互补差分对的结构为：包括由N型MOS管M1和N型MOS管M2组成的N型输入对管，其中，N型MOS管M1的源极和N型MOS管M2的源极相连后与所述P型MOS管M6的漏极连接，同时，N型MOS管M1的源极和N型MOS管M2的源极相连后还与N型MOS管M8的漏极连接，N型MOS管M8的源极分别与共源共栅求和电路、以及输出级连接，N型MOS管M1的漏极和N型MOS管M2的漏极分别连接至共源共栅求和电路，N型MOS管M1的栅极和N型MOS管M2的栅极分别接共模输入正负端，同时，N型MOS管M1的栅极还与P型MOS管M3的栅极相连，P型MOS管M3的栅极相连的漏极与所述共源共栅求和电路连接，N型MOS管M2的栅极还与P型MOS管M4的栅极相连，P型MOS管M4的漏极与所述共源共栅求和电路连接，P型MOS管M3的源极和P型MOS管M4的源极相连后共同连接至P型MOS管M7的漏极，P型MOS管M7的漏极同时还与P型MOS管M5的源极和P型MOS管M6的源极相连，P型MOS管M7的源极与电源VDD连接。
共源共栅求和电路具体结构为：包括由8个MOS管M17～M24共同组成，其中，P型MOS管M17、P型MOS管M19、N型MOS管M21、N型MOS管M23为一组，与另外由P型MOS管M18、P型MOS管M20、N型MOS管M22、N型MOS管M24构成的一组一一对应构成折叠共源共栅放大器；
其中，P型MOS管M17的漏极与P型MOS管M19的源极连接，同时，P型MOS管M17的漏极与P型MOS管M19的源极连接后还与所述N型MOS管M1的漏极连接，P型MOS管M19的漏极通过所述输出级的浮动电流源后与N型MOS管M21的漏极连接，N型MOS管M21的源极又与N型MOS管M23的漏极连接，N型MOS管M21的源极同时还与所述P型MOS管M3的漏极连接，N型MOS管M23的源极还与所述N型MOS管M8的源极连接；
另一组中，P型MOS管M18的漏极与P型MOS管M20的源极连接，同时，P型MOS管M18的漏极与P型MOS管M20的源极连接后还与所述N型MOS管M2的漏极连接，P型MOS管M20的漏极通过所述输出级的浮动电流源后与N型MOS管M22的漏极连接，N型MOS管M22的源极又与N型MOS管M24的漏极连接，N型MOS管M22的源极同时还与所述P型MOS管M4的的漏极连接，N型MOS管M24的源极还与所述N型MOS管M8的源极连接；
所述P型MOS管M17和P型MOS管M18共栅极，P型MOS管M19和P型MOS管M20共栅极，N型MOS管M21和N型MOS管M22共栅极，N型MOS管M23和N型MOS管M24共栅极。
输出级由MOS管M11～M14构成浮动电流源，由MOS管M15～M16构成推挽式输出电路，R1、R2和C1、C2分别作为调零电阻和密勒补偿电容。
输出级具体结构为：包括与所述P型MOS管M19连接的P型MOS管M11，P型MOS管M11的源极与P型MOS管M19的漏极连接，P型MOS管M11的源极同时还与所述推挽式输出电路连接，P型MOS管M11的漏极与N型MOS管M12的源极连接，同时，P型MOS管M11的源极还与N型MOS管M12的漏极连接，N型MOS管M12的源极同时还与所述N型MOS管M21的漏极连接，N型MOS管M12同时还与所述推挽式输出电路连接；
还包括P型MOS管M13，P型MOS管M13的源极与所述P型MOS管M20的漏极连接，P型MOS管M13的漏极与N型MOS管M14的源极连接，同时，P型MOS管M13的源极还与N型MOS管M14的漏极连接，N型MOS管M14的源极同时还与所述N型MOS管M222的漏极连接；
所述P型MOS管M11和P型MOS管M13共栅极；N型MOS管M12和N型MOS管M14共栅极；
上述P型MOS管M11、P型MOS管M13、N型MOS管M12和N型MOS管M14共同构成浮动电流源。
推挽式输出电路包括P型MOS管M15，P型MOS管M15的源极与所述P型MOS管M17的源极、P型MOS管M18的源极共同与电源VDD连接，P型MOS管M15的栅极与所述P型MOS管M11的源极连接，P型MOS管M15的漏极与N型MOS管M16的漏极连接，N型MOS管M16的栅极与所述N型MOS管M12的源极连接，N型MOS管M16的源极与所述N型MOS管M23的源极、N型MOS管M24的源极、N型MOS管M8的源极连接；
所述P型MOS管M15的栅极和N型MOS管M16的栅极之间还依次连接有电阻R1、电容C1、电容C2、电阻R2，电容C1、电容C2之间设节点与所述P型MOS管M15的漏极连接，并同时连接至输出电源Vout。
本发明的有益效果是，采用P型跨导恒定控制结构，对共模输入电压进行实时监测，通过对N型输入差分对的尾电流进行高精度补偿，从而实现了输入级较好的跨导一致性，P型跨导控制结构和P型输入差分对的尾电流由同一偏置提供，通过P型跨导控制结构将输入级总跨导控制为N型或P型输入差分对工作时的跨导gm，在整个共模输入范围内，输入级电路只需提供得到一倍gm的偏置电流，避免了控制结构带来的额外功耗。
附图说明
图1是低功耗恒跨导轨对轨运算放大器结构框图；
图2是低功耗恒跨导轨对轨运算放大器具体电路结构。
图3是低功耗恒跨导轨对轨运算放大器输入级跨导恒定示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明一种低功耗恒定跨导轨对轨运算放大器，如图1所示，包括输入级，输入级由N/P型互补差分对和P型跨导恒定控制结构连接构成，输出级采用浮动电流源的互补推挽式AB类，输入级与输出级之间还设置有共源共栅求和电路，共模信号经输入级将共模电压信号转换成电流信号，实现信号的初步放大和对共模噪声的抑制，再经过中间级共源共栅求和电路进行电流的求和放大，将放大后的电流信号转换成电压信号传送到输出级，最后经互补推挽式AB类输出级对电压信号进行宽摆幅输出。
如图3所示，输入级具体结构为：包括由P型MOS管M5和P型MOS管M6构成的P型恒定跨导控制结构，其中，P型MOS管M5的栅极和P型MOS管M6的栅极分别接共模输入正负端，以达到对共模输入电压的实时监测，P型MOS管M5的漏极和P型MOS管M6的漏极相连后又与N/P型互补差分对的输出端连接，P型MOS管M5的源极和P型MOS管M6的源极相连后与N/P型互补差分对的输入端连接。
N/P型互补差分对的结构为：包括由N型MOS管M1和N型MOS管M2组成的N型输入对管，其中，N型MOS管M1的源极和N型MOS管M2的源极相连后与所述P型MOS管M6的漏极连接，同时，N型MOS管M1的源极和N型MOS管M2的源极相连后还与N型MOS管M8的漏极连接，N型MOS管M8的源极分别与共源共栅求和电路、以及输出级连接，N型MOS管M1的漏极和N型MOS管M2的漏极分别连接至共源共栅求和电路，N型MOS管M1的栅极和N型MOS管M2的栅极分别接共模输入正负端，同时，N型MOS管M1的栅极还与P型MOS管M3的栅极相连，P型MOS管M3的栅极相连的漏极与所述共源共栅求和电路连接，N型MOS管M2的栅极还与P型MOS管M4的栅极相连，P型MOS管M4的漏极与所述共源共栅求和电路连接，P型MOS管M3的源极和P型MOS管M4的源极相连后共同连接至P型MOS管M7的漏极，P型MOS管M7的漏极同时还与P型MOS管M5的源极和P型MOS管M6的源极相连，P型MOS管M7的源极与电源VDD连接。
共源共栅求和电路具体结构为：包括由8个MOS管M17～M24共同组成，其中，P型MOS管M17、P型MOS管M19、N型MOS管M21、N型MOS管M23为一组，与另外由P型MOS管M18、P型MOS管M20、N型MOS管M22、N型MOS管M24构成的一组一一对应构成折叠共源共栅放大器；
其中，P型MOS管M17的漏极与P型MOS管M19的源极连接，同时，P型MOS管M17的漏极与P型MOS管M19的源极连接后还与所述N型MOS管M1的漏极连接，P型MOS管M19的漏极通过所述输出级的浮动电流源后与N型MOS管M21的漏极连接，N型MOS管M21的源极又与N型MOS管M23的漏极连接，N型MOS管M21的源极同时还与所述P型MOS管M3的漏极连接，N型MOS管M23的源极还与所述N型MOS管M8的源极连接；
另一组中，P型MOS管M18的漏极与P型MOS管M20的源极连接，同时，P型MOS管M18的漏极与P型MOS管M20的源极连接后还与所述N型MOS管M2的漏极连接，P型MOS管M20的漏极通过所述输出级的浮动电流源后与N型MOS管M22的漏极连接，N型MOS管M22的源极又与N型MOS管M24的漏极连接，N型MOS管M22的源极同时还与所述P型MOS管M4的的漏极连接，N型MOS管M24的源极还与所述N型MOS管M8的源极连接；
所述P型MOS管M17和P型MOS管M18共栅极，P型MOS管M19和P型MOS管M20共栅极，N型MOS管M21和N型MOS管M22共栅极，N型MOS管M23和N型MOS管M24共栅极。
输出级由MOS管M11～M14构成浮动电流源，由MOS管M15～M16构成推挽式输出电路，R1、R2和C1、C2分别作为调零电阻和密勒补偿电容。
输出级具体结构为：包括与所述P型MOS管M19连接的P型MOS管M11，P型MOS管M11的源极与P型MOS管M19的漏极连接，P型MOS管M11的源极同时还与所述推挽式输出电路连接，P型MOS管M11的漏极与N型MOS管M12的源极连接，同时，P型MOS管M11的源极还与N型MOS管M12的漏极连接，N型MOS管M12的源极同时还与所述N型MOS管M21的漏极连接，N型MOS管M12同时还与所述推挽式输出电路连接；
还包括P型MOS管M13，P型MOS管M13的源极与所述P型MOS管M20的漏极连接，P型MOS管M13的漏极与N型MOS管M14的源极连接，同时，P型MOS管M13的源极还与N型MOS管M14的漏极连接，N型MOS管M14的源极同时还与所述N型MOS管M222的漏极连接；
所述P型MOS管M11和P型MOS管M13共栅极；N型MOS管M12和N型MOS管M14共栅极；
上述P型MOS管M11、P型MOS管M13、N型MOS管M12和N型MOS管M14共同构成浮动电流源。
推挽式输出电路包括P型MOS管M15，P型MOS管M15的源极与所述P型MOS管M17的源极、P型MOS管M18的源极共同与电源VDD连接，P型MOS管M15的栅极与所述P型MOS管M11的源极连接，P型MOS管M15的漏极与N型MOS管M16的漏极连接，N型MOS管M16的栅极与所述N型MOS管M12的源极连接，N型MOS管M16的源极与所述N型MOS管M23的源极、N型MOS管M24的源极、N型MOS管M8的源极连接；
所述P型MOS管M15的栅极和N型MOS管M16的栅极之间还依次连接有电阻R1、电容C1、电容C2、电阻R2，电容C1、电容C2之间设节点与所述P型MOS管M15的漏极连接，并同时连接至输出电源Vout。
图2为输入级跨导恒定控制示意图，在电路结构中，传统互补差分输入结构由P型输入对管和N型对管组成，可保证输入级共模输入达到电源到地的宽输入范围，M5、M6构成P型输入级跨导恒定控制结构，栅极分别接共模输入正负端，以达到对共模输入电压的实时监测，尾电流与P型输入差分对共用同一偏置电流，避免增加额外的功耗，利用MOS的压控电流源的特性将含有共模输入信息的电压信号转换成电流信号Ic后，对N型输入差分对的尾电流In进行动态的高精度补偿，即通过电流信号Ic动态调节In的大小以控制N型输入差分对在P型输入差分对进入线性区之前的共模输入范围内处于截止状态，保证在整个共模输入范围内输入级总跨导恒定。
本发明一种低功耗恒定跨导轨对轨运算放大器，P型跨导恒定控制结构通过对共模输入电压的实时监测，将含有共模输入信息的电压信号转换成电流信号后，对N型输入差分对的尾电流进行动态的高精度补偿，保证输入级跨导在整个共模输入范围内保持稳定。共模电压经过接成单位增益形式的轨对轨运算放大器，实现了共模信号的无失真、大动态范围缓冲输出。

Claims (7)

1.一种低功耗恒定跨导轨对轨运算放大器，其特征在于，包括输入级，输入级由N/P型互补差分对和P型跨导恒定控制结构连接构成，输出级采用浮动电流源的互补推挽式AB类，输入级与输出级之间还设置有共源共栅求和电路，共模信号经输入级将共模电压信号转换成电流信号，实现信号的初步放大和对共模噪声的抑制，再经过中间级共源共栅求和电路进行电流的求和放大，将放大后的电流信号转换成电压信号传送到输出级，最后经互补推挽式AB类输出级对电压信号进行宽摆幅输出。
2.根据权利要求1所述的一种低功耗恒定跨导轨对轨运算放大器，其特征在于，所述输入级具体结构为：包括由P型MOS管M5和P型MOS管M6构成的P型恒定跨导控制结构，其中，P型MOS管M5的栅极和P型MOS管M6的栅极分别接共模输入正负端，以达到对共模输入电压的实时监测，P型MOS管M5的漏极和P型MOS管M6的漏极相连后又与N/P型互补差分对的输出端连接，P型MOS管M5的源极和P型MOS管M6的源极相连后与N/P型互补差分对的输入端连接。
3.根据权利要求2所述的一种低功耗恒定跨导轨对轨运算放大器，其特征在于，所述N/P型互补差分对的结构为：包括由N型MOS管M1和N型MOS管M2组成的N型输入对管，其中，N型MOS管M1的源极和N型MOS管M2的源极相连后与所述P型MOS管M6的漏极连接，同时，N型MOS管M1的源极和N型MOS管M2的源极相连后还与N型MOS管M8的漏极连接，N型MOS管M8的源极分别与共源共栅求和电路、以及输出级连接，N型MOS管M1的漏极和N型MOS管M2的漏极分别连接至共源共栅求和电路，N型MOS管M1的栅极和N型MOS管M2的栅极分别接共模输入正负端，同时，N型MOS管M1的栅极还与P型MOS管M3的栅极相连，P型MOS管M3的栅极相连的漏极与所述共源共栅求和电路连接，N型MOS管M2的栅极还与P型MOS管M4的栅极相连，P型MOS管M4的漏极与所述共源共栅求和电路连接，P型MOS管M3的源极和P型MOS管M4的源极相连后共同连接至P型MOS管M7的漏极，P型MOS管M7的漏极同时还与P型MOS管M5的源极和P型MOS管M6的源极相连，P型MOS管M7的源极与电源VDD连接。
4.根据权利要求3所述的一种低功耗恒定跨导轨对轨运算放大器，其特征在于，所述共源共栅求和电路具体结构为：包括由8个MOS管M17～M24共同组成，其中，P型MOS管M17、P型MOS管M19、N型MOS管M21、N型MOS管M23为一组，与另外由P型MOS管M18、P型MOS管M20、N型MOS管M22、N型MOS管M24构成的一组一一对应构成折叠共源共栅放大器；
其中，P型MOS管M17的漏极与P型MOS管M19的源极连接，同时，P型MOS管M17的漏极与P型MOS管M19的源极连接后还与所述N型MOS管M1的漏极连接，P型MOS管M19的漏极通过所述输出级的浮动电流源后与N型MOS管M21的漏极连接，N型MOS管M21的源极又与N型MOS管M23的漏极连接，N型MOS管M21的源极同时还与所述P型MOS管M3的漏极连接，N型MOS管M23的源极还与所述N型MOS管M8的源极连接；
另一组中，P型MOS管M18的漏极与P型MOS管M20的源极连接，同时，P型MOS管M18的漏极与P型MOS管M20的源极连接后还与所述N型MOS管M2的漏极连接，P型MOS管M20的漏极通过所述输出级的浮动电流源后与N型MOS管M22的漏极连接，N型MOS管M22的源极又与N型MOS管M24的漏极连接，N型MOS管M22的源极同时还与所述P型MOS管M4的的漏极连接，N型MOS管M24的源极还与所述N型MOS管M8的源极连接；
所述P型MOS管M17和P型MOS管M18共栅极，P型MOS管M19和P型MOS管M20共栅极，N型MOS管M21和N型MOS管M22共栅极，N型MOS管M23和N型MOS管M24共栅极。
5.根据权利要求4所述的一种低功耗恒定跨导轨对轨运算放大器，其特征在于，所述输出级由MOS管M11～M14构成浮动电流源，由MOS管M15～M16构成推挽式输出电路，R1、R2和C1、C2分别作为调零电阻和密勒补偿电容。
6.根据权利要求5所述的一种低功耗恒定跨导轨对轨运算放大器，其特征在于，所述输出级具体结构为：包括与所述P型MOS管M19连接的P型MOS管M11，P型MOS管M11的源极与P型MOS管M19的漏极连接，P型MOS管M11的源极同时还与所述推挽式输出电路连接，P型MOS管M11的漏极与N型MOS管M12的源极连接，同时，P型MOS管M11的源极还与N型MOS管M12的漏极连接，N型MOS管M12的源极同时还与所述N型MOS管M21的漏极连接，N型MOS管M12同时还与所述推挽式输出电路连接；
还包括P型MOS管M13，P型MOS管M13的源极与所述P型MOS管M20的漏极连接，P型MOS管M13的漏极与N型MOS管M14的源极连接，同时，P型MOS管M13的源极还与N型MOS管M14的漏极连接，N型MOS管M14的源极同时还与所述N型MOS管M222的漏极连接；
所述P型MOS管M11和P型MOS管M13共栅极；N型MOS管M12和N型MOS管M14共栅极；
上述P型MOS管M11、P型MOS管M13、N型MOS管M12和N型MOS管M14共同构成浮动电流源。
7.根据权利要求6所述的一种低功耗恒定跨导轨对轨运算放大器，其特征在于，所述推挽式输出电路包括P型MOS管M15，P型MOS管M15的源极与所述P型MOS管M17的源极、P型MOS管M18的源极共同与电源VDD连接，P型MOS管M15的栅极与所述P型MOS管M11的源极连接，P型MOS管M15的漏极与N型MOS管M16的漏极连接，N型MOS管M16的栅极与所述N型MOS管M12的源极连接，N型MOS管M16的源极与所述N型MOS管M23的源极、N型MOS管M24的源极、N型MOS管M8的源极连接；
所述P型MOS管M15的栅极和N型MOS管M16的栅极之间还依次连接有电阻R1、电容C1、电容C2、电阻R2，电容C1、电容C2之间设节点与所述P型MOS管M15的漏极连接，并同时连接至输出电源Vout。
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