CN112994625A - 一种零温漂可变摆幅的运算放大器 - Google Patents
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Abstract
本发明提出一种零温漂可变摆幅的运算放大器，包括基准电压电路、偏置电路、补偿电路、对称温度系数电路、修正反馈电路、输入级放大电路以及输出级电路；基准电压电路连接所述补偿电路、对称温度系数电路以及所述输入级放大电路，为所述补偿电路、对称温度系数电路以及所述输入级放大电路提供稳定基准电源；偏置电路连接所述输入级放大电路和输出级电路，并为所述修正反馈电路提供偏置反馈信号；基准电压电路包括前置控制电路；前置控制电路包括多个MOS管以及可变电容C和可变电阻R；通过调节所述前置控制电路的可变电容C和可变电阻R，使得所述对称温度系数电路的输入基准电压值变化，从而控制所述输出级电路的摆幅。
Description
技术领域
本发明属于放大器技术领域，尤其涉及一种零温漂可变摆幅的运算放大器。
背景技术
运算放大器是集成电路的基本模块之一，也是最关键的模块之一，无论是在数字电路、模拟电路还是数模混合电路中，我们都能看见它的身影。随着模拟电路的不断发展，高精度低失调运算放大器越来越受到人们的重视。在很多领域中，不同的应用场合对运算放大器提出了更加严格的要求，比如在一些传感器以及高精度测量器材的采集信号部分的电路中，运用的运放需要有高共模抑制比，低失调以及低温漂系数，以及较高的开环增益。常规的运算放大器由于其失调电压大，温漂系数高使得它们无法应用于上述领域中。
精密运放要求低失调、低噪声、低温漂甚至零温漂，一般应用于精密仪器，传感器等。如今随着技术的进步，很多公司都推出了失调电压非常小的运放，例如TI的OPA2189，其失调电压只有5μV，失调电压温漂仅有0.005μV/℃；而Maxim也已经推出零温漂、满摆幅运算放大器MAX9617/MAX9618,可理想用于高精度和低静态电流的医疗设备。
在具体实现中，要实现零温漂基准，就要得到正温度系数电压和负温度系数电压，两者相互抵消可产生温漂很小的基准电压。
中国发明专利申请CN201911169917.3提出一种适应于小信号高噪声的零温漂运算放大器，其结构包括：电流镜，给后级电路提供高质量的电流；JFET输入差分对，完成对高噪声、小信号的拾取；JFET信号放大整形，实现对输入差分对的输出信号整形和放大；输出缓冲，对JFET信号放大整形输出的信号缓冲放大输出。
中国实用新型专利CN211979540U公开一种简易的零温漂电流偏置电路，包括电阻R1、电阻R2、三极管Q1、三极管Q2、三极管Q3、MOS管N1、MOS管N2和MOS管N3，所述电阻R1的一端连接电阻R2、三极管Q2的发射极和电源VCC，电阻R1的另一端连接三极管Q1的发射极，电阻R2的另一端连接三极管Q5的发射极，该实用新型声称的有益效果是：电路结构简单，性能参数稳定可靠；产生的偏置电流将不再受生产工艺的波动而影响，且产生的偏置电流受温度变化影响小，在-40℃～120℃的温度范围内变化量仅为1.4％左右；电路所需器件少，芯片版图面积可以减小80％以上。
然而，当前的运算放大器电路在温漂系数以及摆幅输出上，仍然有较大的的改进空间。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提出一种零温漂可变摆幅的运算放大器，包括基准电压电路、偏置电路、补偿电路、对称温度系数电路、修正反馈电路、输入级放大电路以及输出级电路；基准电压电路连接所述补偿电路、对称温度系数电路以及所述输入级放大电路，为所述补偿电路、对称温度系数电路以及所述输入级放大电路提供稳定基准电源；偏置电路连接所述输入级放大电路和输出级电路，并为所述修正反馈电路提供偏置反馈信号；基准电压电路包括前置控制电路；前置控制电路包括多个MOS管以及可变电容C和可变电阻R。
基于本发明的更具体的技术方案，通过调节所述前置控制电路的可变电容C和可变电阻R，使得所述对称温度系数电路的输入基准电压值变化，从而控制所述输出级电路的输出摆幅，所述输出摆幅包括满摆幅。
具体而言，本发明提出一种零温漂可变摆幅的运算放大器，所述运算放大器包括基准电压电路、偏置电路、补偿电路、对称温度系数电路以及修正反馈电路；
作为优选的改进，所述运算放大器还包括输入级放大电路以及输出级电路；
所述基准电压电路连接所述补偿电路、对称温度系数电路以及所述输入级放大电路，为所述补偿电路、对称温度系数电路以及所述输入级放大电路提供稳定基准电源；
所述偏置电路连接所述输入级放大电路和输出级电路，并为所述修正反馈电路提供偏置反馈信号；
所述对称温度系数电路包括负温度系数电路和正温度系数电路；
所述基准电压电路还包括启动电路与亚阈电流产生电路；
所述负温度系数电路包括多个尺寸完全一致的NPOS管，所述多个NPOS管的动作状态相同，同时处于饱和状态或者亚阈状态；
所述正温度系数电路包括级联正温度系数电路和电压调压管；
所述级联正温度系数电路包括两组不同的共栅串联NMOS管，所述两组不同的共栅串联NMOS管的漏极电流均来源于所述亚阈电流产生电路产生的亚阈电流。
作为再一个改进，所述基准电压电路包括前置控制电路；
所述前置控制电路包括多个MOS管以及可变电容C和可变电阻R；
所述输出级电路采用共源极双MOS管结构；
所述负温度系数电路和正温度系数电路的输出连接至所述共源极双MOS管各自的栅极；
通过调节所述前置控制电路的可变电容C和可变电阻R，使得所述对称温度系数电路的输入基准电压值变化，从而控制所述输出级的摆幅。
本发明的技术方案中，输入电路第一级采用差分结构、第二级采用折叠式共源共栅结构，使其可以在降低失调电压与温度系数的同时还能获得较大增益，而且输出摆幅更大；输出级采用基本的共源级结构来提高运放整体的输出摆幅；补偿电路使用嵌套式密勒补偿，使运放具有很好的闭环稳定性。
同时，为了逐步渐进式的降低偏置源的温漂系数，采用了包含前置控制电路的基准电压源为运算放大器提供基准电压，该结构可实现零温漂系数和可变摆幅的输出。
本发明的进一步优点将结合说明书附图在具体实施例部分进一步详细体现。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明一个实施例的一种零温漂可变摆幅的运算放大器的分电路组合架构图
图2是图1中所述运算放大器使用的输入级电路的结构图
图3是图1中所述运算放大器使用的基准电压电路的前置控制电路图
图4是图1中所述运算放大器使用的修正反馈电路图
图5是图1中所述运算放大器使用的基准电压电路的进一步结构图
图6是图1中所述运算放大器使用的偏置电路图
具体实施方式
参见图1，本发明一个实施例的一种零温漂可变摆幅的运算放大器的分电路组合架构图。
在图1中，所述运算放大器包括基准电压电路、偏置电路、补偿电路、对称温度系数电路、修正反馈电路、输入级放大电路以及输出级电路。
所述基准电压电路连接所述补偿电路、对称温度系数电路以及所述输入级放大电路，为所述补偿电路、对称温度系数电路以及所述输入级放大电路提供稳定基准电源；
所述偏置电路连接所述输入级放大电路和输出级电路，并为所述修正反馈电路提供偏置反馈信号。
作为优选，虽然未示出，但是图1中所述对称温度系数电路包括负温度系数电路和正温度系数电路；
所述基准电压电路还包括启动电路与亚阈电流产生电路；
所述负温度系数电路包括多个尺寸完全一致的NPOS管，所述多个NPOS管的动作状态相同，同时处于饱和状态或者亚阈状态；
所述正温度系数电路包括级联正温度系数电路和电压调压管；
所述级联正温度系数电路包括两组不同的共栅串联NMOS管，所述两组不同的共栅串联NMOS管的漏极电流均来源于所述亚阈电流产生电路产生的亚阈电流。
在图1基础上，参见图2，图2给出了所述输入级放大电路的具体结构图。
参见图2，所述输入级放大电路为包含第一级基础差分对电路和第二级高增益放大级的低噪声输入级电路。
所述第一级基础差分对电路包括尾电流源和电流镜。
更具体的，参见图2左半部分，所述第一级基础差分对电路由五个MOS管M1、M2、M3、M4、M5组成，其中M1作为所述尾电流源，M4和M5作为所述电流镜，M2和M3作为差分输入对。
参见图2右半部分，所述第二级高增益放大级包括共源共栅结构(Ma-Mb、Mc-Md)，所述共源共栅结构包括折叠结构(Ma-Mc、Mb-Md)。
所述基准电压电路包括前置控制电路；所述前置控制电路包括多个MOS管以及可变电容C和可变电阻R；所述输出级电路采用共源极双MOS管结构；所述负温度系数电路和正温度系数电路的输出连接至所述共源极双MOS管各自的栅极；通过调节所述前置控制电路的可变电容C和可变电阻R，使得所述对称温度系数电路的输入基准电压值变化，从而控制所述输出级的摆幅。
更具体的，参见图3，所述前置控制电路包括第一PMOS管M11、第三PMOS管M13、第五PMOS管M15、第二NMOS管M12、第四NMOS管M14以及可变电容C和可变电阻R；其中，M11和M12通过栅极对接，M13和M14通过栅极对接；M13、M11和M15的源极连接，并共同连接至可变电容C的第一端；M15的漏极连接至可变电容C的第二端；所述可变电容的第二端与所述可变电阻的第一端连接；M14的源极连接至所述可变电容的第一端，并连接至所述启动电路。
在上述实施例中，所述偏置电路连接所述输入级放大电路和输出级电路，并为所述修正反馈电路提供偏置反馈信号。
所述修正反馈电路包括第一电流镜阵列和第二电流镜阵列；
所述第一电流镜阵列用于针对所述输入级放大电路的PMOS管失调电压，所述第二电流镜阵列用于针对输入输入级放大电路的NMOS管失调电压。
更具体的，参见图4。
在图4上半部分，给出所述第一电流镜阵列的结构图，用来校正PMOS差分对工作时电路产生的失调电压。
在图4下半部分，给出所述第二电流镜阵列的结构图，用来校正NMOS差分对工作时电路产生的失调电压。其中，通过第二电流镜阵列产生自适应微调电流信号来校正NMOS差分对工作时的失调电压。
图中Ma1，Ma2，…Man是n个电流源晶体管，其由Ma0偏置，偏置电流大小由电流源I1控制；Mb1，Mb2，…Mbn是n个开关晶体管，通过数字电路控制，通过其开或关控制流过开关晶体管A1或B1的电流大小。A1或B1对POSTRIM或NEGTRIM产生补偿电流信号，具体要根据失调电压的正负决定。
在此基础上，参见图5，图5进一步给出了上述实施例中使用的基准电压电路的结构图。
在所述基准电压电路中，所述启动电路的输出端连接所述亚阈电流产生电路。
更具体的，参见图5所示，所述启动电路包括第一至第十晶体管M1-M10；
第一晶体管M1连接至电压源VDD，并且通过源极连接至所述第二前置控制电路、第四晶体管M4的栅极以及第七晶体管M7的源极；
第二晶体管M2的栅极连接至第一晶体管M1的漏极以及第三晶体管M3的栅极；
第三晶体管M3的漏极与第四晶体管的漏极、栅极以及第五晶体管M5的漏极连接；
所述第五晶体管M5通过栅极连接至第八晶体管M8与第十晶体管M10；
所述第五晶体管M5还通过源极连接至第六晶体管M6的漏极；
所述第六晶体管M6与第九晶体管M9通过栅极对接，第九晶体管M9与所述第十晶体管通过源极对接；
所述第一启动电路通过所述第七晶体管M7的栅极与所述第三亚阈电流产生电路连接。
上述各个实例中，还包括偏置电路和补偿电路。
偏置电路是模拟集成电路都必定需要的模块，有了偏置电路才能为整个电路提供偏置，电路才能工作。
关于偏置电路的设计，现有技术已经有成熟的方案，本发明对此不做展开，图6示出了某个运放偏置电路的设计图，本领域技术人员可以需要选用。
关于补偿电路，所述补偿电路包括频率补偿电容，所述频率补偿电容为密勒电容。
在本发明的各个实施例中，补偿电路使用嵌套式密勒补偿，使运放具有很好的闭环稳定性；相对常规密勒补偿，这种补偿的优点是零点出现在频率更高的位置。
优选的，为了降低偏置源的温漂系数(逐步渐进式接近0)，采用了一种三级集电极串联接地的带隙基准结构为运算放大器提供偏置电压，该结构具有超低的温漂系数和较高的输出精度。
相对于现有技术，本发明的有益效果和关键性技术手段至少包括：
(1)输入电路第一级采用差分结构、第二级采用折叠式共源共栅结构，使其可以在降低失调电压与温度系数的同时还能获得较大增益；而且输出摆幅更大；
(2)输出级采用基本的共源级结构来提高运放整体的输出摆幅；补偿电路使用嵌套式密勒补偿，使运放具有很好的闭环稳定性。
(3)为了逐步渐进式的降低偏置源的温漂系数，采用了包含前置控制电路的基准电压源为运算放大器提供基准电压，该结构可实现零温漂系数和可变摆幅的输出。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
Claims (10)
1.一种零温漂可变摆幅的运算放大器，所述运算放大器包括基准电压电路、偏置电路、补偿电路、对称温度系数电路以及修正反馈电路；
其特征在于：
所述运算放大器还包括输入级放大电路以及输出级电路；
所述基准电压电路连接所述补偿电路、对称温度系数电路以及所述输入级放大电路，为所述补偿电路、对称温度系数电路以及所述输入级放大电路提供稳定基准电源；
所述偏置电路连接所述输入级放大电路和输出级电路，并为所述修正反馈电路提供偏置反馈信号；
所述对称温度系数电路包括负温度系数电路和正温度系数电路；
所述基准电压电路还包括启动电路与亚阈电流产生电路；
所述负温度系数电路包括多个尺寸完全一致的NPOS管，所述多个NPOS管的动作状态相同，同时处于饱和状态或者亚阈状态；
所述正温度系数电路包括级联正温度系数电路和电压调压管；
所述级联正温度系数电路包括两组不同的共栅串联NMOS管，所述两组不同的共栅串联NMOS管的漏极电流均来源于所述亚阈电流产生电路产生的亚阈电流。
2.如权利要求1所述的一种零温漂可变摆幅的运算放大器，其特征在于：
所述输入级放大电路为低噪声输入级电路；
所述低噪声输入级电路包括第一级基础差分对电路和第二级高增益放大级；
所述第一级基础差分对电路包括尾电流源和电流镜；
所述第二级高增益放大级包括共源共栅结构，所述共源共栅结构包括折叠结构。
3.如权利要求1所述的一种零温漂可变摆幅的运算放大器，其特征在于：
所述基准电压电路包括前置控制电路；
所述前置控制电路包括多个MOS管以及可变电容C和可变电阻R；
所述输出级电路采用共源极双MOS管结构；
所述负温度系数电路和正温度系数电路的输出连接至所述共源极双MOS管各自的栅极；
通过调节所述前置控制电路的可变电容C和可变电阻R，使得所述对称温度系数电路的输入基准电压值变化，从而控制所述输出级的摆幅。
4.如权利要求1所述的一种零温漂可变摆幅的运算放大器，其特征在于：
所述修正反馈电路包括第一电流镜阵列和第二电流镜阵列；
所述第一电流镜阵列用于针对所述输入级放大电路的PMOS管失调电压，所述第二电流镜阵列用于针对输入输入级放大电路的NMOS管失调电压。
5.如权利要求1所述的一种零温漂可变摆幅的运算放大器，其特征在于：
所述补偿电路使用嵌套式密勒补偿。
6.如权利要求1所述的一种零温漂可变摆幅的运算放大器，其特征在于：
所述偏置电路采用共模反馈结构。
7.如权利要求1或3所述的一种零温漂可变摆幅的运算放大器，其特征在于：
所述前置控制电路包括第一PMOS管、第三PMOS管、第五PMOS管、第二NMOS管、第四NMOS管以及可变电容C和可变电阻R；
其中，第一PMOS管和第二NMOS管通过栅极对接，第二NMOS管和第四NMOS管通过栅极对接；
第二NMOS管、第一PMOS管和第五PMOS管的源极连接，并共同连接至可变电容C的第一端；
第五PMOS管的漏极连接至可变电容C的第二端；
所述可变电容的第二端与所述可变电阻的第一端连接；
第四NMOS管的源极连接至所述可变电容的第一端，并连接至所述启动电路。
8.如权利要求2所述的一种零温漂可变摆幅的运算放大器，其特征在于：
所述第一级基础差分对电路由五个MOS管M1、M2、M3、M4、M5组成，其中M1作为所述尾电流源，M4和M5作为所述电流镜，M2和M3作为差分输入对。
9.如权利要求1-6或8任一项所述的一种零温漂可变摆幅的运算放大器，其特征在于：
所述启动电路的输出端连接所述亚阈电流产生电路；
所述启动电路包括第一至第十晶体管；
第一晶体管连接至电压源；
第二晶体管的栅极连接至第一晶体管的漏极以及第三晶体管的栅极；
第三晶体管的漏极与第四晶体管的漏极、栅极以及第五晶体管的漏极连接；
所述第五晶体管通过栅极连接至第八晶体管与第十晶体管；
所述第五晶体管还通过源极连接至第六晶体管的漏极；
所述第六晶体管与第九晶体管通过栅极对接，第九晶体管与所述第十晶体管通过源极对接；
所述第一启动电路通过第七晶体管的栅极与所述亚阈电流产生电路连接。
10.如权利要求1-6或8任一项所述的一种零温漂可变摆幅的运算放大器，其特征在于：
所述补偿电路包括频率补偿电容，所述频率补偿电容为密勒电容。
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