CN115765639B - 一种运算放大器及其输出级电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种运算放大器及其输出级电路，属于集成电路领域。所述输出级电路包括直流电流源、多个PNP三极管和多个NPN三极管等，直流电流源的第一输出端用于输出第三电流I3，第三电流I3通过第八PNP三极管P8和第九PNP三极管P9的电流镜像为第三PNP三极管P3提供电流偏置，第五PNP三极管P5和第六PNP三极管P6构成一组电流镜，第六NPN三极管N6和第七NPN三极管N7构成另外一组电流镜，可以镜像输出级的电流。本发明可以在保持较小的静态电流的情况下提供较大的电流驱动能力。

Description

一种运算放大器及其输出级电路

技术领域

本发明属于集成电路领域，特别是涉及一种运算放大器及其输出级电路。

背景技术

在运算放大器中，CLASS AB结构是最常用的输出级，以其较小的静态电流和较小的交越失真而著称，图1是CLASS AB输出级的典型电路，图1中，P1和P2是相同类型的PNP三极管，N1和N2是相同类型的NPN三极管；电流源I1和I2分别给P1和N1三极管提供电流偏置，被偏置的P1和N1同时给输出三极管N2和P1提供偏置；电阻R1和R2是微小电阻，用于给输出级作限流保护用。

忽略电阻R1和R2的影响，并假设P2和P1的发射结面积之比为kp，N2和N1的发射结面积之比为kn，输出级电流为I0，则有I0*I0=I1*I2*kp*kn。由此可以看出输出级电流I0与偏置电流I1、I2及三极管之间的面积比有关。如果想减小静态电流可以通过减小发射结面积比和减小偏置电流的方法实现，但为了可以输出大电流，往往输出级的三极管P2和N2面积很大，为了整体尺寸不至于过大，N1和P1尺寸面积要适当。

驱动能力也是衡量运放性能的一个关键指标，图1中电路最大拉电流是偏置电流I1全部流入三极管N2的基极，设N2的电流放大系数为βN,则最大拉电流为βN I1；同理，最大灌电流为βP I2。所以此输出电路的最大驱动能力受限于偏置电流I1和I2，更糟糕的是往往工艺厂的PNP管βP是比NPN管的βN小的多。为了大的驱动能力只能提高偏置电流I1和I2的值，这与小的静态电流是相互矛盾的。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种运算放大器及其输出级电路，可以在保持较小的静态电流的情况下提供较大的电流驱动能力。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

根据本发明的第一方面，一种运算放大器的输出级电路，包括直流电流源、第三电阻、第四电阻、第五电阻、第三PNP三极管、第四PNP三极管、第五PNP三极管、第六PNP三极管、第七PNP三极管、第八PNP三极管、第九PNP三极管、第三NPN三极管、第四NPN三极管、第五NPN三极管、第六NPN三极管、第七NPN三极管、第十NPN三极管和第一二极管；

所述直流电流源的第一输出端经第五电阻与第七PNP三极管的集电极连接，第七PNP三极管的基极与直流电流源的第一输出端连接，第七PNP三极管的发射极与第十NPN三极管的发射极连接，第十NPN三极管的基极构成输出级电路的输入端，第十NPN三极管的集电极与第九PNP三极管的集电极连接，第九PNP三极管的集电极与第九PNP三极管的基极连接，第九PNP三极管的发射极与第一二极管的阴极连接，第一二极管的阳极接电源电压，第一二极管的阴极与第八PNP三极管的发射极连接，第八PNP三极管的基极与第九PNP三极管的基极连接，第八PNP三极管的集电极与第三PNP三极管的发射极连接，第三PNP三极管的基极与第十NPN三极管的发射极连接，第三PNP三极管的集电极接负电压供电；

所述直流电流源的第二输出端与第三NPN三极管的发射极连接，第三NPN三极管的基极与第七PNP三极管的集电极连接，第三NPN三极管的集电极接电源电压；

所述第五NPN三极管的集电极接电源电压，第五NPN三极管的基极与第八PNP三极管的基极连接，第五NPN三极管的发射极与第四NPN三极管的集电极连接，第四NPN三极管的基极与第八PNP三极管的集电极连接，第四NPN三极管的的发射极与第三电阻的第一端连接，第三电阻的第二端与第四电阻的第一端连接，第三电阻与第四电阻的连接点构成输出级电路的输出端；

所述第七NPN三极管的集电极与直流电流源的第二输出端连接，第七NPN三极管的发射极接负电压供电，第七NPN三极管的基极与第六NPN三极管的基极连接，第六NPN三极管的基极与第六NPN三极管的集电极连接，第六NPN三极管的发射极接负电压供电，第六NPN三极管的集电极与第六PNP三极管的集电极连接，第六PNP三极管的发射极与第五PNP三极管的发射极连接，第五PNP三极管的发射极与第四电阻的第二端连接，第五PNP三极管的基极与第六PNP三极管的基极连接，第五PNP三极管的集电极与第五PNP三极管的基极连接，第五PNP三极管的集电极与第四PNP三极管的发射极连接，第四PNP三极管的基极与直流电流源的第二输出端连接，第四PNP三极管的集电极接负电压供电。

进一步地，所述直流电流源包括第八NPN三极管、第九NPN三极管和第六电阻，第九NPN三极管的集电极构成直流电流源的第一输出端，第九NPN三极管的基极用于接偏置电压，第九NPN三极管的发射极与第六电阻的第一端连接，第六电阻的第二端接负电压供电，第六电阻的第一端与第八NPN三极管的发射极连接，第八NPN三极管的基极与第九NPN三极管的基极连接，第八NPN三极管的集电极构成直流电流源的第二输出端。

根据本发明的第二方面，一种运算放大器，包括本发明的第一方面所述的输出级电路。

本发明的有益效果是：本发明设计了一种新的运算放大器的输出级电路，使输出级电路的驱动能力与偏置电流无关，从而可以获得更大的电流驱动能力；同时在静态电流相关变量中增加与三极管尺寸无关的因子，可以得到更低静态电流，以及节省面积，克服了现有的电路结构中低静态电流难以获得大的电流驱动能力的缺点。

附图说明

图1为现有技术中运算放大器的输出级电路的电路图；

图2为本发明中运算放大器的输出级电路的电路图。

具体实施方式

下面将结合实施例，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有付出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

参阅图2，本实施例提供了一种运算放大器及其输出级电路：

本发明的第一方面提供了一种运算放大器的输出级电路。如图2所示，所述输出级电路包括直流电流源、第三电阻R3、第四电阻R4、第五电阻R5、第三PNP三极管P3、第四PNP三极管P4、第五PNP三极管P5、第六PNP三极管P6、第七PNP三极管P7、第八PNP三极管P8、第九PNP三极管P9、第三NPN三极管N3、第四NPN三极管N4、第五NPN三极管N5、第六NPN三极管N6、第七NPN三极管N7、第十NPN三极管N10和第一二极管D1。所述第三PNP三极管P3、第四PNP三极管P4、第五PNP三极管P5、第六PNP三极管P6、第七PNP三极管P7、第八PNP三极管P8和第九PNP三极管P9为相同类型的PNP三极管。所述第三NPN三极管N3、第四NPN三极管N4、第五NPN三极管N5、第六NPN三极管N6和第七NPN三极管N7为相同类型的NPN三极管。

所述直流电流源的第一输出端与第五电阻R5的第一端连接，第五电阻R5的第二端与第七PNP三极管P7的集电极连接，第七PNP三极管P7的基极与直流电流源的第一输出端连接，第七PNP三极管P7的发射极与第十NPN三极管N10的发射极连接，第十NPN三极管N10的基极构成输出级电路的输入端，第十NPN三极管N10的集电极与第九PNP三极管P9的集电极连接，第九PNP三极管P9的集电极与第九PNP三极管P9的基极连接，第九PNP三极管P9的发射极与第一二极管D1的阴极连接，第一二极管D1的阳极接电源电压VCC，第一二极管D1的阴极与第八PNP三极管P8的发射极连接，第八PNP三极管P8的基极与第九PNP三极管P9的基极连接，第八PNP三极管P8的集电极与第三PNP三极管P3的发射极连接，第三PNP三极管P3的基极与第十NPN三极管N10的发射极连接，第三PNP三极管P3的集电极接负电压供电VEE。

本实施例中，直流电流源的第一输出端用于输出第三电流I3，第三电流I3通过第八PNP三极管P8和第九PNP三极管P9的电流镜像为第三PNP三极管P3提供电流偏置。第十NPN三极管N10为射随器，可以进行电平转移，同时相较现有技术（例如图1）提高了输出级电路的输入电阻，从而提高了运算放大器的整体增益。

所述直流电流源的第二输出端与第三NPN三极管N3的发射极连接，第三NPN三极管N3的基极与第七PNP三极管P7的集电极连接，第三NPN三极管N3的集电极接电源电压VCC。

本实施例中直流电流源的第二输出端用于输出第四电流I4，第四电流I4为第三NPN三极管N3提供偏置电流。

所述第五NPN三极管N5的集电极接电源电压VCC，第五NPN三极管N5的基极与第八PNP三极管P8的基极连接，第五NPN三极管N5的发射极与第四NPN三极管N4的集电极连接，第四NPN三极管N4的基极与第八PNP三极管P8的集电极连接，第四NPN三极管N4的的发射极与第三电阻R3的第一端连接，第三电阻R3的第二端与第四电阻R4的第一端连接，第三电阻R3与第四电阻R4的连接点构成输出级电路的输出端。

本实施例中，第五NPN三极管N5串联在第四NPN三极管N4（输出管）的上方，其基极连接电流镜第八PNP三极管P8和第九PNP三极管P9的基极。

所述第七NPN三极管N7的集电极与直流电流源的第二输出端连接，第七NPN三极管N7的发射极接负电压供电VEE，第七NPN三极管N7的基极与第六NPN三极管N6的基极连接，第六NPN三极管N6的基极与第六NPN三极管N6的集电极连接，第六NPN三极管N6的发射极接负电压供电VEE，第六NPN三极管N6的集电极与第六PNP三极管P6的集电极连接，第六PNP三极管P6的发射极与第五PNP三极管P5的发射极连接，第五PNP三极管P5的发射极与第四电阻R4的第二端连接，第五PNP三极管P5的基极与第六PNP三极管P6的基极连接，第五PNP三极管P5的集电极与第五PNP三极管P5的基极连接，第五PNP三极管P5的集电极与第四PNP三极管P4的发射极连接，第四PNP三极管P4的基极与直流电流源的第二输出端连接，第四PNP三极管P4的集电极接负电压供电VEE。

本实施例中，第五PNP三极管P5和第六PNP三极管P6构成一组电流镜，第六NPN三极管N6和第七NPN三极管N7构成另外一组电流镜，可以镜像输出级的电流。

在一些实施例中，所述直流电流源包括第八NPN三极管N8、第九NPN三极管N9和第六电阻R6。所述第三NPN三极管N3、第四NPN三极管N4、第五NPN三极管N5、第六NPN三极管N6、第七NPN三极管N7、第八NPN三极管N8和第九NPN三极管N9为相同类型的NPN三极管。

第九NPN三极管N9的集电极构成直流电流源的第一输出端，第九NPN三极管N9的基极用于接偏置电压VB，第九NPN三极管N9的发射极与第六电阻R6的第一端连接，第六电阻R6的第二端接负电压供电VEE，第六电阻R6的第一端与第八NPN三极管N8的发射极连接，第八NPN三极管N8的基极与第九NPN三极管N9的基极连接，第八NPN三极管N8的集电极构成直流电流源的第二输出端。

本实施例中，定义第四PNP三极管P4和第三PNP三极管P3的发射结面积之比为kp，第四NPN三极管N4和第三NPN三极管N3的发射结面积之比为kn，第五PNP三极管P5和第七PNP三极管P7的发射结面积之比为k0，第四NPN三极管N4的电流为I0，忽略第三电阻R3、第四电阻R4和第五电阻R5的影响，则有I0*I0*I0= I3*I3*I4*kp*kn*K0。这与图1的输出级电流公式I0*I0=I3*I4*kp*kn是相当的。本实施例中加入量第五电阻R5，由于第五电阻R5的存在，则I0*I0*I0= (I3*I3*I4*kp*kn*K0)/exp(I3*R3/VT)，VT是热电压。本实施例增加了一个与三极管发射极面积无关的一个因子，它与第五电阻R5的阻值相关，有助于减小芯片的总尺寸。

参见图2，本实施例中的电流最大驱动能力不再受限于偏置电流I3与I4的大小，因为本实施例中最大拉电流或最大灌电流来源不再来自于偏置电流，而是改为来源于自身，所以它的驱动只能力受限于三极管自身的性能。对于灌电流来说，第七NPN三极管N7的集电极电流是采样自灌电流的一部分，采样是通过第五PNP三极管P5和第六PNP三极管P6、第六NPN三极管N6和第七NPN三极管N7两组电流镜实现的，最大灌电流时，采样的这部分电流全部流入第四PNP三极管P4（发射管）的基极，这样，最大灌电流只与第四PNP三极管P4自身的性能有关。同样的道理，最大拉电流也只与第四NPN三极管N4自身有关。因此本实施例中的输出级电路可以在保持较小的静态电流的情况下提供较大的电流驱动能力。

本发明的第二方面提供了一种运算放大器，所述运算放大器包括本发明的第一方面所述的输出级电路。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。

Claims (3)

1.一种运算放大器的输出级电路，其特征在于，包括直流电流源、第三电阻、第四电阻、第五电阻、第三PNP三极管、第四PNP三极管、第五PNP三极管、第六PNP三极管、第七PNP三极管、第八PNP三极管、第九PNP三极管、第三NPN三极管、第四NPN三极管、第五NPN三极管、第六NPN三极管、第七NPN三极管、第十NPN三极管和第一二极管；

所述直流电流源的第一输出端经第五电阻与第七PNP三极管的集电极连接，第七PNP三极管的基极与直流电流源的第一输出端连接，第七PNP三极管的发射极与第十NPN三极管的发射极连接，第十NPN三极管的基极构成输出级电路的输入端，第十NPN三极管的集电极与第九PNP三极管的集电极连接，第九PNP三极管的集电极与第九PNP三极管的基极连接，第九PNP三极管的发射极与第一二极管的阴极连接，第一二极管的阳极接电源电压，第一二极管的阴极与第八PNP三极管的发射极连接，第八PNP三极管的基极与第九PNP三极管的基极连接，第八PNP三极管的集电极与第三PNP三极管的发射极连接，第三PNP三极管的基极与第十NPN三极管的发射极连接，第三PNP三极管的集电极接负电压供电；

所述直流电流源的第二输出端与第三NPN三极管的发射极连接，第三NPN三极管的基极与第七PNP三极管的集电极连接，第三NPN三极管的集电极接电源电压；

所述第五NPN三极管的集电极接电源电压，第五NPN三极管的基极与第八PNP三极管的基极连接，第五NPN三极管的发射极与第四NPN三极管的集电极连接，第四NPN三极管的基极与第八PNP三极管的集电极连接，第四NPN三极管的的发射极与第三电阻的第一端连接，第三电阻的第二端与第四电阻的第一端连接，第三电阻与第四电阻的连接点构成输出级电路的输出端；

所述第七NPN三极管的集电极与直流电流源的第二输出端连接，第七NPN三极管的发射极接负电压供电，第七NPN三极管的基极与第六NPN三极管的基极连接，第六NPN三极管的基极与第六NPN三极管的集电极连接，第六NPN三极管的发射极接负电压供电，第六NPN三极管的集电极与第六PNP三极管的集电极连接，第六PNP三极管的发射极与第五PNP三极管的发射极连接，第五PNP三极管的发射极与第四电阻的第二端连接，第五PNP三极管的基极与第六PNP三极管的基极连接，第五PNP三极管的集电极与第五PNP三极管的基极连接，第五PNP三极管的集电极与第四PNP三极管的发射极连接，第四PNP三极管的基极与直流电流源的第二输出端连接，第四PNP三极管的集电极接负电压供电。

2.根据权利要求1所述的一种运算放大器的输出级电路，其特征在于，所述直流电流源包括第八NPN三极管、第九NPN三极管和第六电阻，第九NPN三极管的集电极构成直流电流源的第一输出端，第九NPN三极管的基极用于接偏置电压，第九NPN三极管的发射极与第六电阻的第一端连接，第六电阻的第二端接负电压供电，第六电阻的第一端与第八NPN三极管的发射极连接，第八NPN三极管的基极与第九NPN三极管的基极连接，第八NPN三极管的集电极构成直流电流源的第二输出端。

3.一种运算放大器，其特征在于，包括权利要求1-2任一项所述的输出级电路。