发明内容
本发明的主要目的在于提供一种运算放大器电路及芯片,旨在减小运算放大器的失调电压前提下,减少芯片面积,以降低芯片制造成本。
为实现上述目的,根据本发明实施例的一个方面,所述运算放大器电路包括相连的输入模块和运算放大器,所述运算放大器包括输出级和输入级,所述输入级包括主输入差分对管和辅助输入差分对管,其中,所述输入模块,用于接收输入信号并转换得到差分输入信号和失调电压信号;所述主输入差分对管,用于对所述差分输入信号进行放大处理,得到第一放大信号;所述辅助输入差分对管,用于对所述失调电压信号进行放大处理,得到第二放大信号,并与所述第一放大信号输入至所述输出级,以减小所述运算放大器的失调电压。
在一示例性实施例中,所述主输入差分对管的输入端、所述辅助输入差分对管的输入端分别与第一电流源和第二电流源相连之后连接,形成连接第一端,所述连接第一端与电源端相连;所述主输入差分对管的输出端、所述辅助输入差分对管的输出端连接,形成连接第二端,所述连接第二端与所述输出级相连;所述主输入差分对管的控制端用于接收所述输入模块输出的差分输入信号;所述辅助输入差分对管的控制端用于接收所述输入模块输出的失调电压信号。
在一示例性实施例中,所述主输入差分对管包括第一MOS管和第二MOS管,所述差分输入信号包括第一差分信号和第二差分信号;所述第一MOS管的控制端用于接收所述第一差分信号,输入端与所述第一电流源的输出端相连,输出端连接至所述输出级的其中一组共源共栅结构的MOS管的中间节点;所述第二MOS管的控制端用于接收所述第二差分信号,输入端与所述第一电流源的输出端相连,输出端连接至所述输出级的另一组共源共栅结构的MOS管的中间节点。
在一示例性实施例中,所述辅助输入差分对管包括第三MOS管和第四MOS管,所述失调电压信号包括第一失调电压信号和第二失调电压信号;所述第三MOS管的控制端用于接收所述第一失调电压信号,输入端与所述第二电流源的输出端相连,输出端连接至所述输出级的其中一组共源共栅结构的MOS管的中间节点;所述第四MOS管的控制端用于接收所述第二失调电压信号,输入端与所述第二电流源的输出端相连,输出端连接至所述输出级的其中一组共源共栅结构的MOS管的中间节点。
在一示例性实施例中,所述第一MOS管的输出端和所述第三MOS管的输出端,直接连接至所述输出级的其中一组共源共栅结构的MOS管的中间节点;所述第二MOS管的输出端和所述第四MOS管的输出端,直接连接至所述输出级的另一组共源共栅结构的MOS管的中间节点。
在一示例性实施例中,所述第一MOS管的输出端和所述第三MOS管的输出端,通过差分对连接模块连接至所述输出级的其中一组共源共栅结构的MOS管的中间节点;所述第二MOS管的输出端和所述第四MOS管的输出端,通过差分对连接模块连接至所述输出级的另一组共源共栅结构的MOS管的中间节点。
在一示例性实施例中,所述主输入差分对管中的MOS管和所述辅助输入差分对管中的MOS管属于相同类型。
在一示例性实施例中,所述主输入差分对管中的MOS管和所述辅助输入差分对管中的MOS管为不同类型。
在一示例性实施例中,所述输出级包括输出端、至少两组共源共栅结构的MOS管;其中,至少两组共源共栅结构的MOS管的中间节点,与所述输入级的输出相连;所述输出端,用于输出经所述运算放大器减小失调电压的放大信号。
在一示例性实施例中,所述输出端为单端输出或者双端输出。
在一示例性实施例中,所述运算放大器的制作工艺包括:CMOS工艺、BiCMOS工艺、BCD工艺和Bipolar工艺。
根据本发明实施例的一个方面,一种芯片,包括如上所述的运算放大器电路。
本申请提供的技术方案带来的有益效果是:
在上述技术方案中,在运算放大器电路中增加辅助输入差分对管,与主输入差分对管共同构成运算放大器的输入级,差分输入信号通过主输入差分对管输入产生第一放大信号,失调电压信号通过辅助输入差分对管输入产生第二放大信号,第一放大信号与第二放大信号共同作用于运算放大器的输出级,从而有效地降低运算放大器的失调电压。
具体实施方式
下面详细描述本申请的实施例,所述实施例的示例在附图中示出,其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的,仅用于解释本申请,而不能解释为对本申请的限制。
本技术领域技术人员可以理解,除非特意声明,这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是,本申请的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件,但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组。应该理解,当我们称元件被“连接”或“耦接”到另一元件时,它可以直接连接或耦接到其他元件,或者也可以存在中间元件。此外,这里使用的“连接”或“耦接”可以包括无线连接或无线耦接。这里使用的措辞“和/或”包括一个或更多个相关联的列出项的全部或任一单元和全部组合。
为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚,下面将结合附图对本申请实施方式作进一步地详细描述。
如图1所示,为一个实施例的运算放大器电路的电路框图。
该实施例中的一种运算放大器电路100,包括相连的输入模块110和运算放大器130,运算放大器130包括输入级131和输出级133,输入级131包括主输入差分对管1311和辅助输入差分对管1313。
具体地,输入模块110,用于接收输入信号并转换得到差分输入信号和失调电压信号。
在一个具体实施例中,如图2所示,输入模块110包括电阻R1、R2,电容C1、C2组成的滤波电路,由偏置电流源I1、I2,MOS管M1、M2组成的放大器,所述滤波电路将输入信号VIP和VIN进行滤波处理得到滤波后的信号VIPA和VINA输入到所述运算放大电路的输入级131的主输入差分对管1311,所述放大器将输入信号VIP和VIN进行一级放大得到失调电压的放大信号VOSP和VOSN输入到所述运算放大电路输入级131的辅助输入差分对管1313。
在一个具体实施例中,如图3所示,输入模块110包括由电阻R1、R2,电容C1、C2组成的滤波电路和一个差分放大器,所述滤波电路将输入信号VIP和VIN进行滤波处理得到滤波后的信号VIPA和VINA输入到所述运算放大电路的输入级131的主输入差分对管1311,所述差分放大器将输入信号VIP和VIN进行一级放大得到失调电压的放大信号VOSP和VOSN输入到所述运算放大电路的输入级131的辅助输入差分对管1313。
运算放大器130包括输入级131和输出级133;输入级131包括主输入差分对管1311和辅助输入差分对管1313。
在一个示例性实施例中,主输入差分对管1311,用于对差分输入信号进行放大处理,得到第一放大信号。辅助输入差分对管1313,用于对失调电压信号进行放大处理,得到第二放大信号,并与第一放大信号共同输入至输出级133,以减小运算放大器130的失调电压。
在一个示例性实施例中,输出级133包括输出端、至少两组共源共栅结构的MOS管。其中,至少两组共源共栅结构的MOS管的中间节点,与输入级131的输出相连;输出端,用于输出经运算放大器130减小失调电压的放大信号。
在一个示例性实施例中,输出端为单端输出或者双端输出。
在一个具体实施例中,如图4所示,输出级133的输出端为单端输出,具体地,所述输出级133包括类型为NMOS管的MN1、MN3、MN2、MN4和类型为PMOS管的MP5、MP7、MP6、MP8,其中,MN1和MN3、MN2和MN4分别连接形成共源共栅结构,MP5和MP6、MP7和MP8连接形成电流镜结构;MN1的栅极和MN2的栅极连接到偏置电压VN1,MN3的栅极和MN4的栅极连接到偏置电压VN2,MP7的栅极和MP8的栅极连接到偏置电压VP2,MP5的栅极和MP6的栅极连接到MP7的漏极;MN1的源极和MN2的源极连接到负电源VSS(当然,在其他实施例,如果运算放大器电路的最高电位为正,最低电位为地时,源极连接到地GND端);MP5的源极和MP6的源极连接到正电源VDD;MN1的漏极连接到MN3的源极,MN2的漏极连接到MN4的源极;MN3的漏极连接到MP7的漏极,MN4的漏极连接到MP8的漏极;MP7的源极连接到MP5的漏极,MP8的源极连接到MP6的漏极。由此,输出端为单端输出时,适合不需要大负载能力的电路使用。
上述电路中,通过在运算放大器的输入级增设辅助差分输入对管,使得第一放大信号与第二放大信号共同作用于运算放大器的输出级,从而能够有效地降低运算放大器的失调电压,以此在减小运算放大器的失调电压前提下,减少芯片面积,最终达到降低芯片制造成本的目的。
在一个示例性实施例中,如图5所示,主输入差分对管1311的输入端、辅助输入差分对管1313的输入端分别与第一电流源和第二电流源相连之后连接,形成连接第一端,所述连接第一端与电源端相连;主输入差分对管1311的输出端、辅助输入差分对管1313的输出端连接,形成连接第二端,所述连接第二端与所述输出级相连;主输入差分对管1311的控制端用于接收输入模块110输出的差分输入信号;辅助输入差分对管1313的控制端用于接收输入模块110输出的失调电压信号。
在一个示例性实施例中,差分输入信号包括第一差分信号和第二差分信号。主输入差分对管1311包括第一MOS管和第二MOS管。
具体地,第一MOS管的控制端用于接收第一差分信号,输入端与第一电流源的输出端相连,输出端连接至输出级的其中一组共源共栅结构的MOS管的中间节点;第二MOS管的控制端用于接收第二差分信号,输入端与第一电流源的输出端相连,输出端连接至输出级的另一组共源共栅结构的MOS管的中间节点。
在一个示例性实施例中,失调电压信号包括第一失调电压信号和第二失调电压信号。辅助输入差分对管1313包括第三MOS管和第四MOS管。
具体地,第三MOS管的控制端用于接收第一失调电压信号,输入端与第二电流源的输出端相连,输出端连接至输出级的其中一组共源共栅结构的MOS管的中间节点;第四MOS管的控制端用于接收第二失调电压信号,输入端与第二电流源的输出端相连,输出端连接至输出级的另一组共源共栅结构的MOS管的中间节点。
在一个示例性实施例中,第一MOS管的输出端和第三MOS管的输出端,直接连接至输出级的其中一组共源共栅结构的MOS管的中间节点;第二MOS管的输出端和第四MOS管的输出端,直接连接至输出级的另一组共源共栅结构的MOS管的中间节点。
在一个示例性实施例中,第一MOS管的输出端和第三MOS管的输出端,通过差分对连接模块连接至输出级的其中一组共源共栅结构的MOS管的中间节点;第二MOS管的输出端和第四MOS管的输出端,通过差分对连接模块连接至输出级的另一组共源共栅结构的MOS管的中间节点。
在一个具体实施例中,差分对连接模块的电路原理如图6所示,差分对连接模块包括正电源VDD、负电源VSS、电流源I1、电流源I2、NMOS管M1和M2、两个输出端OUT1和OUT2。M1管的漏极通过电流源I1连接到正电源VDD,M2管的漏极通过电流源I2连接到正电源VDD。M1管的源极和M2管的源极连接到负电源VSS。M1管的栅极用于接收输入信号IN2,M2管的栅极用于接收输入信号IN1。M1管的漏极连接输出端OUT2,M2管的漏极连接输出端OUT1。
由此,辅助输入差分对管1313及电流源I2通过差分对连接模块,与主输入差分对管1311及电流源I1,并联接入到运算放大器的输出级133,以此实现在运算放大器的输入级中增设辅助输入差分对管,从而有利于降低运算放大器的失调电压。
在一个示例性实施例中,主输入差分对管1311中的MOS管和辅助输入差分对管1313中的MOS管属于相同类型。
在一个示例性实施例中,主输入差分对管1311中的MOS管和辅助输入差分对管1313中的MOS管为不同类型。
现以主输入差分对管1311中的MOS管和辅助输入差分对管1313中的MOS管均为PMOS管为例,结合图7对运算放大器电路减小失调电压的原理加以详细地说明如下:
如图7所示,为一个实施例的运算放大器电路的电路原理图。
该实施例中的运算放大器电路100,包括输入模块110和运算放大器130;运算放大器130包括输入级131和输出级133;输入级131包括主输入差分对管1311和辅助输入差分对管1313。
其中,输入信号VIP和VIN进入输入模块110,产生输出信号VIPA、VINA,VOSP、VOSN。VIPA、VINA,VOSP、VOSN作为运算放大器130的输入级131的输入信号,其中,VIPA、VINA为一对与VIP、VIN相关的输入信号,可以是滤波后的差分信号,也可以是直接输入的差分信号,这对信号连接到输入级131的主输入差分对管1311的控制端,提供差分输入信号,进行放大;VOSP、VOSN作为输入信号VIP、VIN通过输入模块110处理过后的失调电压信号,可以是VIP、VIN的失调电压进行一级放大,也可以直接采样的失调电压信号,这对信号连接到输入级131的辅助输入差分对管1313的控制端,与主输入差分对管1311一起调整运算放大器用以减小运算放大器的失调电压。
主输入差分对管1311包括第一PMOS管MP1和第二PMOS管MP2,MP1的源极和MP2的源极相连,并通过第一电流源I1连接到正电源VDD;MP1的栅极连接信号VINA,MP2的栅极连接信号VIPA;MP1的漏极、MP2的漏极分别连接到输出级133。
辅助输入差分对管1313包括第三PMOS管MP3和第四PMOS管MP4,MP3的源极和MP4的源极相连,并通过第二电流源I2连接到正电源VDD;MP3的栅极连接信号VOSN,MP4的栅极连接信号VOSP;MP3的漏极、MP4的漏极通过差分对连接模块分别与主输入差分对管1311中MP1的漏极、MP2的漏极相连之后连接到输出级133。
应当说明的是,当主输入差分对管和辅助输入差分对管中的MOS管均为PMOS管时,运算放大器130输入级131的输出连接至输出级133的C点和D点。当然,在其他实施例中,当主输入差分对管和辅助输入差分对管中的MOS管均为NMOS管时,运算放大器130输入级131的输出连接至输出级133的A点和B点。
输出级133包括四组共源共栅结构电路,分别是类型为NMOS管的MN1、MN3,MN2、MN4和类型为PMOS管的MP5、MP7,MP6、MP8;MN1的栅极和MN2的栅极连接到偏置电压VN1,MN3的栅极和MN4的栅极连接到偏置电压VN2,MP5的栅极和MP6的栅极连接到偏置电压VP1,MP7的栅极和MP8的栅极连接到偏置电压VP2;MN1的源极和MN2的源极连接到负电源VSS;MP5的源极和MP6的源极连接到正电源VDD;MN1的漏极连接到MN3的源极,MN2的漏极连接到MN4的源极;MN3的漏极连接到MP7的漏极,MN4的漏极连接到MP8的漏极;MP7的源极连接到MP5的漏极,MP8的源极连接到MP6的漏极。
输出级133的输出端为双端输出,输出信号包括Vop和Von,输出信号Vop的输出端连接在MN4和MP8的漏极,输出信号Von的输出端连接在MN3和MP7的漏极。
参照图7,将本发明的运算放大器电路的工作原理描述如下:
输入信号VIP和VIN经过输入模块110处理(滤波或直接连接)产生差分输入信号VINA和VIPA,差分信号VINA和VIPA输入到主输入差分对管1311(MP1、MP2)的控制端,主输入差分对管1311起到信号放大的作用;输入信号VIP和VIN经过输入模块110处理,把失调电压处理后产生另外一组输出信号VOSN、VOSP,信号VOSN、VOSP作为差分信号,输入到辅助输入差分对管1313(MP3、MP4)的控制端,两组并联的差分对,把失调电压信号和输入信号求和,共同作用于运算放大器输出级133,这样可以动态的减小运算放大器的失调电压。
本发明的辅助输入差分对管1313与主输入差分对管1311连接在同一位置上(直接或者间接相连),通过增加辅助输入对管来减小失调电压,大幅降低了现有技术通过增加输入差分对管宽长比或通过增加等效输出电阻来提高运算放大器增益,以减小失调电压,而导致大幅增加芯片面积的问题。本发明实施例对比现有技术可减小至少50%-70%的输入对管的电路面积。
本发明的辅助输入差分对管1313,可用在全差分运算放大器中,也可用在单端输出运算放大器中。
主输入差分对管1311(MP1和MP2)的控制端为MOS管栅极(gate),输入处理过的,与输入信号VIP和VIN相关差分信号VIPA和VINA,辅助输入差分对管1313(MP3和MP4)的控制端为MOS管栅极(gate),输入信号VIP和VIN经过输入模块处理,把失调电压处理后产生另外一组输出差分信号VOSP、VOSN,两对差分信号VIPA、VINA,VOSP、VOSN,输入到两组并联差分对,把失调电压信号和输入信号求和,共同作用于运算放大器输出级133,产生失调很小的放大信号Von和Vop。如果是单端输出,则产生失调很小的放大信号Vout。
不具备辅助输入差分对管的运算放大器虽然可以正常工作,但是有输入失调电压存在,也就是说在VINA=VIPA时,输出电压Vout≠0。而本发明在运算放大器的输入级中增设辅助输入差分对管MP3和MP4,使得主输入差分对管和辅助输入差分对管同时工作,即在有输入失调电压时,如果VOSP>VOSN,即ΔVos=(VOSP-VOSN)>0,则VD-VC存在一个正向与失调电压成比例的固定偏差,以减小由于失调电压给输出电压Vout带来的偏移,反之VOSP<VOSN,则VD-VC存在一个负向与失调电压成比例的固定偏差,也能够减小由于输入失调电压给输出电压Vout带来的偏移。
由此可见,在运算放大器的输入级中增设辅助输入差分对管之后,可以有效地减小由于失调电压而导致的输出电压的偏移。
如前所述,主输入差分对管1311中的MOS管和辅助输入差分对管1313中的MOS管还可以属于不同类型。
在一个示例性实施例中,如图8所示,输入级131包括主输入差分对管1311、辅助输入差分对管1313;主输入差分对管1311包括PMOS管MP1、MP2,辅助输入差分对管1313包括NMOS管MN1、MN2;辅助输入差分对管1313的输出通过差分对连接模块与主输入差分对管1311的输出连接到运算放大器的输出级133。
区别于图7所示,图8所示的电路中的主输入差分对管1311中的MOS管和辅助输入差分对管1313中的MOS管是属于不同类型的;辅助输入差分对管1313的MN1的源极和MN2的源极通过第二电流源I2连接到负电源VSS。同时,当主输入差分对管的MOS管为PMOS管,且辅助输入差分对管中的MOS管为NMOS管时,运算放大器130输入级131的输出端VC和VD连接在输出级133的C点和D点。
当然,在其他实施例中,主输入差分对管1311中的MOS管和辅助输入差分对管1313中的MOS管还可以是其他不同类型组合,例如,主输入差分对管1311中的MOS管为NMOS管,辅助输入差分对管1313中的MOS管为PMOS管等,此时,运算放大器130输出级131的输出连接至输出级133的A点和B点,本实施例并非对此构成具体限定。
较优地,当主输入差分对管和辅助输入差分对管均为同种类型的MOS管时,可以进一步减小因不同类型MOS管,需要隔离而导致增加芯片面积造成的浪费。
图9至图11是运算放大器电路使用在不同应用场景的示意图。
如图9所示,为实施例的一种全差分输出的应用实例。该实施例中的运算放大电路的全差分输出的应用场景,具体而言,将全差分输出的运算放大器电路100作为多级运放的输入级使用。由于本发明的运算放大电路的使用,可以减小输入失调电压,还能避免为提高增益而增加芯片的面积,进而减小芯片的制造成本。
如图10所示,为实施例的一种Buffer应用实例。该实施例中的运算放大电路应用于Buffer的应用场景下,具体而言,将单端输出的运算放大电路100的输出端与其反向输入端相连,就构成了一个Buffer结构。而现有技术中,Buffer减小失调电压,是通过增加运算放大器的输入对管的宽长比来实现,这无疑增加了芯片的面积,进而提高了芯片的制造成本。采用本发明的运算放大电路来设计Buffer,不需要增加输入对管的宽长比便能够有效地减小失调电压,从而有效降低芯片的制造成本。
如图11所示,为实施例的一种LDO应用实例。该实施例中的运算放大电路应用于LDO的应用场景下,具体而言,将单端输出的运算放大电路100作为LDO的输入级使用。由于本发明的运算放大电路的失调电压小,失调电压的漂移量就很小,进而LDO的输出电压的偏移量也很小,从而提高了LDO的输出精度。
可见,在上述应用场景中,通过使用在输入级增设了辅助输入差分对管的运算放大器,在减小失调电压的前提下,既能够防止失调电压漂移的增大,还能够防止运算放大器的输出电压偏移量的增大,从而有利于提升电路的输出精度。
以上所述仅是本申请的部分实施方式,应当指出,对于本技术领域的普通技术人员来说,在不脱离本申请原理的前提下,还可以做出若干改进和润饰,这些改进和润饰也应视为本申请的保护范围。