CN202385060U

CN202385060U - 误差运算放大器

Info

Publication number: CN202385060U
Application number: CN2011205668849U
Authority: CN
Inventors: 谢芳; 严春; 刘祖韬
Original assignee: BCD Shanghai Micro Electronics Ltd
Current assignee: BCD Shanghai Micro Electronics Ltd
Priority date: 2011-12-29
Filing date: 2011-12-29
Publication date: 2012-08-15
Anticipated expiration: 2021-12-29

Abstract

本实用新型公开一种误差运算放大器，至少包括：前级增益模块，输入端接误差信号，其等效为一跨导级、一输出电阻及一寄生电容，以通过该跨导级、该输出电阻及该寄生电容将该误差信号形成误差电压信号增益输出；以及输出级缓冲模块，连接于该前级增益模块，其等效为第一电流源、第二电流源、第三电流源以及由第一电流源、第二电流源、第三电流源与一PMOS晶体管，该第一电流源、该第二电流源、该第三电流源形成一个能够动态调节的电流偏置点，通过本实用新型，可以实现环路的快速响应和合适的带宽、稳定性补偿以及负载瞬态响应。

Description

误差运算放大器

技术领域

本实用新型涉及一种误差运算放大器，特别是涉及一种运用在NMOS(N-Mental-Oxide-Semiconductor)电压源控制器的误差运放放大器。

背景技术

误差运算放大器是广泛应用的实现电路反馈控制的电路单元，其可以由分立的器件组成，也可以实现在半导体芯片当中。随着半导体技术的发展，如今绝大部分的误差运放是以芯片集成模块的形式存在。误差运放的结构类型各种各样，广泛存在于各类反馈控制系统中。对于性能要求不同的系统，结合不同的系统其他部件，要求其中的误差运算放大器的要求和设计参数也不同。

通常芯片中的误差运算放大器结构包括输入差分对部分、增益部分及输出部分。这样当误差运算放大器应用到负反馈环路当中，通常因为误差运算放大器的高增益，使得误差信号非常小，就实现了信号的跟踪，复制，阻抗变换等等目标。

当前，大多数的电压源系统或者模块是采用高增益环路负反馈的方式实现的，其中的环路的高增益主要来源于其中的误差运算放大器，通过由误差运算放大器构成的负反馈环路，带来了电压源结构的输出阻抗低、高电源抑制比(PSRR，Power Supply Rejection Ratio)、负载调整率(Load Regulation)好这些电压源的特性指标。

作为正电压线性电压源调整管，NMOS具有宽范围负载下易于稳定补偿，电源抑制比良好，市面上更为常见，集成NMOS具有相同面积相对较小的导通阻抗。正是基于这些特性优点，当前普遍采用NMOS作为线性电压源调整管，以实现线性电压源系统在大负载电流下的应用，为实现该目的，其中的负反馈误差运算放大器需要有高的电源抑制比、高的直流增益(DC Gain)、负载瞬态响应(Load Transient)快以及易于稳定补偿等特点。

然而，现有的误差运算放大器中均存在一个缺点，即在整个输出负载范围稳定性条件满足的条件下，负载瞬态响应(Load Transient)慢，响应的过冲电压(Over-shoot voltage)和欠冲电压(Under-shoot voltage)比较大，另外输出级电压范围比较窄，难以应用于低输出电压的电压源系统中。

实用新型内容

为克服上述现有技术存在的不足，本实用新型之一目的在于提供一种误差运算放大器，该误差运算放大器为输出级静态电流动态调节的误差运算放大器，其通过动态的调节输出级的电流，同时实现了稳定性补偿以及快速的瞬态响应。另外

本实用新型之另一目的在于提供一种误差放大器，其通过误差运算放大器输出电压检测模块检测输出电压，动态调节输出级的静态电流，实现了较宽的输出电压范围，使本实用新型的误差运算放大器可以应用于低输出电压电压源系统中。

为达上述及其它目的，本实用新型提供一种误差运算放大器，至少包括：

前级增益模块，输入端接误差信号，其等效为一跨导级、一输出电阻及一寄生电容，以通过该跨导级、该输出电阻及该寄生电容将该误差信号形成误差电压信号增益输出；以及

输出级缓冲模块，连接于该前级增益模块，其等效为第一电流源、第二电流源、第三电流源以及由第一电流源、第二电流源、第三电流源与一PMOS晶体管晶体管，该第一电流源、该第二电流源、该第三电流源形成一个能够动态调节的电流偏置点。

进一步地，当负载瞬态响应时，该第一电流源，给该PMOS晶体管和该输出级缓冲模块输出端灌以电流，其他时间该第一电流源关闭；当需要输出电压更低、输出范围更广时，该第二电流源关闭，其他时间该第二电流源开通；该第三电流源常通。

进一步地，该前级增益模块包括第八电流源、第一PMOS管、第二PMOS管、第三NMOS管、第四NMOS管、第五NMOS管、第六NMOS管、第七PMOS管、第八PMOS管、第九PMOS管及第十PMOS管，其中，该第一PMOS管、第二PMOS管、与第八电流源为差分输入对，作为输入端接入误差信号，该第三NMOS管与该第五NMOS管及该第四NMOS管与该第六NMOS管组成电流镜，将误差小信号电流转入到该前级增益模块输出端，该第七PMOS管、该第八PMOS管、该第九PMOS管及该第十PMOS管形成共源共栅的电流镜结构，将第六NMOS管的小信号电流转到该前级增益模块输出端。

进一步地，该第一电流源由一第四电流源通过第十二PMOS管与第十三PMOS管组成的电流镜，然后再经过第十九NMOS管与第二十NMOS管组成的电流镜，再经过第十六PMOS管与第十七PMOS管组成的电流镜形成。

进一步地，该第二电流源由第五电流源通过该第十九NMOS管与该第二十NMOS管组成的电流镜，然后再经过该第十六PMOS管与该第十七PMOS管组成的电流镜形成。

进一步地，该第三电流源由第六电流源通过该第十六PMOS管与该第十七PMOS管组成的电流镜形成。

进一步地，该输出级缓冲模块还包括第十一PMOS管，其栅极接该前级增益模块输出端，漏极接地电位，源极接该第一电流源、第二电流源及第三电流源的和。

进一步地，该输出级缓冲模块还包括一开关管以切断该第二电流源，该开关管的控制信号由第十五NMOS管与第七电流源组成的基本共源放大器检测该输出级缓冲模块输出端的电压获得。

进一步地，该开关管为第十四PMOS管，其栅极接该控制信号，源极通过第五电流源接至电源电压，漏极第十九NMOS管。

与现有技术相比，本实用新型一种误差放大器通过动态的调节输出级的电流，同时实现了稳定性补偿以及快速的瞬态响应，并且其通过误差运算放大器输出电压检测模块检测输出电压，动态调节输出级的静态电流，实现了较宽的输出电压范围，使本实用新型的误差运算放大器可以应用于低输出电压电压源系统中。

附图说明

图1为本实用新型一种误差放大器之较佳实施例的模块架构图；

图2是图1中前级增益模块101的具体实施例的电路示意图；

图3为图1中输出缓冲级模块102的具体实施例的电路示意图。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例并结合附图说明本实用新型的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭示的内容轻易地了解本实用新型的其它优点与功效。本实用新型亦可通过其它不同的具体实例加以施行或应用，本说明书中的各项细节亦可基于不同观点与应用，在不背离本实用新型的精神下进行各种修饰与变更。

图1为本实用新型一种误差放大器之较佳实施例的模块架构图。如图1所示，本实用新型一种误差放大器，其为一种动态可调节输出级NMOS电压源控制器误差运算放大器，至少包括：

前级增益模块101，用以实现误差运算放大器的高增益要求；以及

输出缓冲级模块102，该模块的静态电流点可调节，用于实现环路的快速响应和合适的带宽、稳定性补偿以及负载瞬态响应。

其中，前级增益模块101的小信号可以等效为一个跨导级103、一个输出电阻104(Ro)和一个寄生的电容105(Co)；输出缓冲级模块102可以等效为三个电流源106、107和109以及由电流源和PMOS管108实现的源级跟随器。

在前级增益模块101中，误差信号VREF-VFB经过跨导103的Gm转换成为误差小信号电流，流经输出的输出电阻104和一个寄生的电容105形成了误差电压信号增益，并带来相应的相位差。

在输出缓冲级模块102中，第一电流源106、第二电流源107及第三电流源109(以下简称电流源106、107、109)的和形成一个可以动态调节的电流偏置点，以实现同时满足速度、稳定性补偿和输出电压范围的要求。其中当负载瞬态响应时，为了实现快速响应，电流源106开启，给其中的PMOS管108和输出端OUTPUT灌以电流，其他时候，为了稳定性补偿的要求，电流源106关闭；在需要输出电压更低，输出范围更广时，电流源107关闭，使得PMOS管108的静态电流较小，栅源端绝对值电压较小，其他时候，电流源107都是开通的；电流源109是常通的，为了组成输出缓冲级的静态偏置电流。通过开关的切换，利用三个电流源106、107、109实现了输出缓冲级的动态调整，满足各种指标要求。

图2是图1中前级增益模块101的具体实施例的电路示意图，但图1中前级增益模块101的实现例子不仅限于图2的实现方式。图2中第八电流源110、第一PMOS晶体管M1、第二PMOS晶体管M2(以下简称PMOS管M1和M2)是差分输入对，用以接入输入信号的两端(IN+及IN-)；通过第三NMOS晶体管M3和第五NMOS晶体管(以下简称NMOS晶体管M3和M5)及第四NMOS晶体管M4和第六NMOS晶体管M6(以下简称NMOS晶体管M4和M6)组成的电流镜，将误差小信号电流转入到输出端OUT；第七PMOS晶体管M7和第八PMOS晶体管M8(以下简称PMOS晶体管M7和M8)及第九PMOS晶体管M9和第十PMOS晶体管M10(以下简称PMOS晶体管M9和M10)形成共源共栅的电流镜结构，进一步将NMOS晶体管M6的小信号电流转到输出端OUT，采用共源共栅以实现合适的增益。通过NMOS晶体管M5和PMOS晶体管M10的小信号电流到达输出端，也就形成了由小信号电压到小信号电流的跨导级，小信号电流流经由MOS管的沟道长度调制效应形成的小信号电阻，以及MOS管的漏极寄生电容，形成了电压的增益。

图3为图1中输出缓冲级模块102的具体实施例的电路示意图，但是输出缓冲级模块102的实现例子不仅限于图3的实现方式。第六电流源M114(以下简称电流源M114)电流通过第十六PMOS晶体管M106与第十七PMOS晶体管M107(以下简称PMOS晶体管M106和M107)组成的电流镜形成了图1中的电流源109，这个电流源是常通的；第五电流源M112(以下简称电流源M112)通过第十九NMOS晶体管M109与第二十NMOS晶体管M110(以下简称NMOS晶体管M109和M110)组成的电流镜，然后经过PMOS晶体管M106和M107组成的电流镜形成了图1中的电流源107，该电流源可以被开关管M104切断，在本实用新型之较佳实施例中，该开关管M104为一第十四PMOS晶体管M104，其控制信号来源于第十五NMOS晶体管M105和第七电流源M113组成的基本共源放大器，通过这个基本共源放大器检测OUTPUT的电压，如果OUTPUT的电压低于设定的值，则由电流源M112形成的电流源被切断，可以进一步减低OUTPUT的输出电压，增加输出电压范围；第四电流源M111(以下简称电流源M111)通过第十二PMOS晶体管M102与第十三PMOS晶体管M103(以下简称PMOS晶体管M102和M103)组成的电流镜，然后经过NMOS晶体管M109和M110组成的电流镜，再经过PMOS晶体管M106和M107组成的电流镜形成了图1中的电流源106。当负载瞬态调整时，导致误差信号变大，经过误差运算放大器的前级增益模块101放大，导致图3中输入端INPUT电压变化，关闭第十一PMOS晶体管M101，电流源M111经过PMOS晶体管M102和M103组成的电流镜，然后经过NMOS晶体管M109和M110组成的电流镜，再经过PMOS晶体管M106和M107组成的电流镜形成了图1中的电流源106，此瞬态过程电流源106开通，加快了瞬态反应速度，其余时候，这个部分的电流关断，不影响稳定性补偿。PMOS晶体管M108和以上电流源实现了输出缓冲级源级跟随器。

可见，本实用新型一种误差运算放大器通过合理的设置动态电流流经源级跟随器，使得本实用新型同时实现了快速负载瞬态响应、稳定性补偿以及宽输出范围的指标要求，可应用于低输出电压电压源系统中。

上述实施例仅例示性说明本实用新型的原理及其功效，而非用于限制本实用新型。任何本领域技术人员均可在不违背本实用新型的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰与改变。因此，本实用新型的权利保护范围，应如权利要求书所列。

Claims

1.一种误差运算放大器，至少包括：

输出级缓冲模块，连接于该前级增益模块，其等效为第一电流源、第二电流源、第三电流源、以及一PMOS晶体管，该第一电流源、该第二电流源、该第三电流源形成一个能够动态调节的电流偏置点。

2.如权利要求1所述的误差运算放大器，其特征在于：当负载瞬态响应时，该第一电流源，给该PMOS晶体管和该输出级缓冲模块输出端灌以电流，其他时间该第一电流源关闭；当需要输出电压更低、输出范围更广时，该第二电流源关闭，其他时间该第二电流源开通；该第三电流源常通。

3.如权利要求1所述的误差运算放大器，其特征在于：该前级增益模块包括第八电流源、第一PMOS管、第二PMOS管、第三NMOS管、第四NMOS管、第五NMOS管、第六NMOS管、第七PMOS管、第八PMOS管、第九PMOS管及第十PMOS管，其中，该第一PMOS管、第二PMOS管与第八电流源为差分输入对，作为输入端接入误差信号，该第三NMOS管与该第五NMOS管及该第四NMOS管与该第六NMOS管组成电流镜，将误差小信号电流转入到该前级增益模块输出端，该第七PMOS管、该第八PMOS管、该第九PMOS管及该第十PMOS管形成共源共栅的电流镜结构，将第六NMOS管的小信号电流转到该前级增益模块输出端。

4.如权利要求1或2所述的误差运算放大器，其特征在于：该第一电流源由第四电流源电流通过第十二PMOS管与第十三PMOS管组成的电流镜，然后再经过第十九NMOS管与第二十NMOS管组成的电流镜，再经过第十六PMOS管与第十七PMOS管组成的电流镜形成。

5.如权利要求1或2所述的误差运算放大器，其特征在于：该第二电流源由第五电流源电流通过该第十九NMOS管与该第二十NMOS管组成的电流镜，然后再经过该第十六PMOS管与该第十七PMOS管组成的电流镜形成。

6.如权利要求1或2所述的误差运算放大器，其特征在于：该第三电流源由第六电流源电流通过该第十六PMOS管与该第十七PMOS管组成的电流镜形成。

7.如权利要求1所述的误差运算放大器，其特征在于：该输出级缓冲模块还包括第十一PMOS管，其栅极接该前级增益模块输出端，漏极接地电位，源极接该第一电流源、第二电流源及第三电流源的和。

8.如权利要求1或2所述的误差运算放大器，其特征在于：该输出级缓冲模块还包括一开关管以切断该第二电流源，该开关管的控制信号由第十五NMOS管与第七电流源组成的基本共源放大器检测该输出级缓冲模块输出端的电压获得。

9.如权利要求8所述的误差运算放大器，其特征在于：该开关管为第十四PMOS管，其栅极接该控制信号，源极通过第五电流源接至电源电压，漏极接该第十九NMOS管。