CN217116034U

CN217116034U - 动态偏置低功耗高速运算放大器

Info

Publication number: CN217116034U
Application number: CN202220142682.XU
Authority: CN
Inventors: 陈涛
Original assignee: Chengdu Huanyuxin Technology Co ltd
Current assignee: Chengdu Huanyuxin Technology Co ltd
Priority date: 2022-01-19
Filing date: 2022-01-19
Publication date: 2022-08-02
Anticipated expiration: 2032-01-19

Abstract

动态偏置低功耗高速运算放大器，涉及集成电路，本实用新型由初级放大电路和差分输入单端输出放大电路构成，初级放大电路的两个输出端接差分输入单端输出放大电路的两个输入端，所述初级放大电路包括第一差分输入对管、第五晶体管、第六晶体管、第十七晶体管、第二差分输入对管、第七晶体管、第八晶体管、第十三晶体管、第十四晶体管、第十五晶体管、第十六晶体管、第十二晶体管、第九晶体管、第十晶体管和第十一晶体管。本实用新型能够降低电路平均功耗。

Description

动态偏置低功耗高速运算放大器

技术领域

本实用新型涉及集成电路技术，特别涉及运算放大器。

背景技术

运算放大器作为模拟信号处理单元，广泛应用于各种模拟或数模混合信号处理系统中。随着信息技术的发展，这些信号处理系统的集成度越来越复杂以及带宽越来越高，使得系统功耗越来越大。通常，这些信号处理系统使用运算放大器作为基本信号处理单元。运算放大器功耗在整个系统中占比较大。为降低系统功耗以及保证系统带宽，低功耗、高速运算放大器必不可少。

一般地，转换速率和带宽共同决定运算放大器的响应速率。运算放大器的带宽可以提供快速小信号时域响应。但大信号的响应速度常被运算放大器的转换速率限制。传统运算放大器中，只有通过增大差分输入对的尾电流来提高转换速率。如何保持高转换速率的前提下降低静态电流，是本发明的设计思想。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题是，提供一种运算放大器电路，具有动态偏置低功耗、高速的特性。

本发明解决所述技术问题采用的技术方案是，由初级放大电路和差分输入单端输出放大电路构成，初级放大电路的两个输出端接差分输入单端输出放大电路的两个输入端，所述初级放大电路包括：

第一差分输入对管，由第一晶体管和第二晶体管构成，第一晶体管的集电极接第一参考点，基极接第一差分输入端；第二晶体管的集电极接第一参考点，基极接第二差分输入端；

第五晶体管，基极接第二参考点，发射极通过第一电阻接第一晶体管的发射极，集电极接第六参考点；

第六晶体管，基极接第二参考点，发射极通过第二电阻接第二晶体管的发射极，集电极接第六参考点；

第十七晶体管，基极接控制端，集电极接第二参考点，发射极接第六参考点，第二参考点接第一电流源的输出端，第六参考点通过第二电流源接地；

第二差分输入对管，由第三晶体管和第四晶体管构成，第三晶体管的集电极接第一参考点，基极接第一差分输入端；第四晶体管的集电极接第一参考点，基极接第二差分输入端；

第七晶体管，基极接第二参考点，发射极通过第三电阻接第三晶体管的发射极，集电极接第一输出端；

第八晶体管，基极接第二参考点，发射通过第四电阻接第四晶体管的发射极，集电极接第二输出端；

第十三晶体管，基极接第五参考点，集电极接第一输出端，发射极通过电阻接地；

第十四晶体管，基极接第五参考点，集电极接第二输出端，发射极通过电阻接地；

第十五晶体管，基极接控制端，集电极接高电平；

第十六晶体管，基极和集电极接第五参考点，发射极接第十五晶体管5的发射极，集电极通过第五电流源接地；

第十二晶体管，基极接第四电流源的输出端，发射极接高电平，集电极接第一参考点；

第九晶体管，基极接第二晶体管的发射极，发射极接第三参考点，集电极接第四参考点，第四电流源的输出通过串联的两个二极管接第四参考点；

第十晶体管，基极接第一晶体管的发射极，发射极接第三参考点，集电极接第四参考点，第三参考点通过第三电流源接地；

第十一晶体管，基极接第三参考点，发射极接第四参考点，集电极接地。

和传统运算放大器相比，本实用新型使用动态偏置作为运放差分输入对的尾电流。当信号变化较快时，尾电流较大；当信号变化较慢时，尾电流较小；从而在满足信号转换速率的前提下，降低电路平均功耗。

附图说明

图1是现有技术的电路图。

图2是本实用新型的初级放大电路的电路图。

图3是本实用新型的差分输入单端输出放大电路的电路图。

具体实施方式

图2中，P1～P6分别为第一参考点～第六参考点。

本实用新型由初级放大电路和差分输入单端输出放大电路构成，初级放大电路的两个输出端接差分输入单端输出放大电路的两个输入端，其特征在于，所述初级放大电路包括：

第一差分输入对管，由第一晶体管Q1和第二晶体管Q2构成，第一晶体管 Q1的集电极接第一参考点，基极接第一差分输入端；第二晶体管Q2的集电极接第一参考点，基极接第二差分输入端；

第五晶体管Q5，基极接第二参考点，发射极通过第一电阻R1接第一晶体管 Q1的发射极，集电极接第六参考点；

第六晶体管Q6，基极接第二参考点，发射极通过第二电阻R2接第二晶体管 Q2的发射极，集电极接第六参考点；

第十七晶体管Q17，基极接控制端，集电极接第二参考点，发射极接第六参考点，第二参考点接第一电流源的输出端，第六参考点通过第二电流源接地；

第二差分输入对管，由第三晶体管Q3和第四晶体管Q4构成，第三晶体管 Q3的集电极接第一参考点，基极接第一差分输入端；第四晶体管Q4的集电极接第一参考点，基极接第二差分输入端；

第七晶体管Q7，基极接第二参考点，发射极通过第三电阻R3接第三晶体管 Q3的发射极，集电极接第一输出端；

第八晶体管Q8，基极接第二参考点，发射通过第四电阻R4接第四晶体管 Q4的发射极，集电极接第二输出端；

第十三晶体管Q13，基极接第五参考点，集电极接第一输出端，发射极通过电阻接地；

第十四晶体管Q14，基极接第五参考点，集电极接第二输出端，发射极通过电阻接地；

第十五晶体管Q15，基极接控制端，集电极接高电平；

第十六晶体管Q16，基极和集电极接第五参考点，发射极接第十五晶体管 Q15的发射极，集电极通过第五电流源接地；

第十二晶体管Q12，基极接第四电流源的输出端，发射极接高电平，集电极接第一参考点；

第九晶体管Q9，基极接第二晶体管的发射极，发射极接第三参考点，集电极接第四参考点，第四电流源的输出通过串联的两个二极管接第四参考点；

第十晶体管Q10，基极接第一晶体管的发射极，发射极接第三参考点，集电极接第四参考点，第三参考点通过第三电流源接地；

第十一晶体管Q11，基极接第三参考点，发射极接第四参考点，集电极接地。

为便于结合附图理解，下午以附图标记代表所指器件，例如，以Q1代表第一晶体管Q1，其他同理。

本实用新型的电路为两级放大结构。电路中I_SS为差分输入对Q1、Q2的尾电流，使用恒定电流源偏置，C_M为密勒补偿电容。不考虑负载电容，电路最大转换速率SR＝I_SS/C_M；对于y＝V_Asin(2πft)信号，信号变化速率最大为2πfV_A。要使信号不出现较大失真，运算放大器的转换速率必须满足SR＞2πfV_A。对于幅值为10V，频率为10MHz的正弦信号，转换速率最小值为628V/μs。假设密勒补偿电容C_M＝10pF，则尾电流Iss＝6.28mA。

为满足信号的最大变化速率，仅差分输入对尾电流就必须消耗较大静态电流。一般地，信号只在小部分时间内变化速率较快，需要运算放大器提供较大转换速率。如果运算放大器的尾电流可以根据信号的变化速率大小而改变，则可以显著降低运算放大器的功耗。

本实用新型的工作原理：

本实用新型的运算放大器是一种三级放大结构，完整电路如图2、图3所示。输出管Q317、Q318采用反馈偏置，可达到数百mA电流驱动能力。因此，运算放大器转换速率主要由差分输入对Q3、Q4的尾电流决定。从图2可知，差分输入对的尾电流由Q12提供。该电流并不恒定电流源，而是会随着信号的变化而变化。

本文主要分析第一级放大电路(初级放大电路)的动态和静态特性。图3所示部分电路为典型差分输入单端输出结构，本文不做详细描述。

本实用新型的运算放大器的转换速率是一个动态参数。电路处于动态工作时，在运放同相输入端V_IP施加阶跃信号，V_IP增大，晶体管Q2发射极电压增大， Q12发射极电压减小。Q11为射极跟随器，驱动能力强于Q9、Q10，因此Q12 基级电压增大。由于双极晶体管的集电极电流与其基极-发射极电压的指数关系，使得Q12的集电极电流急剧增大。阶跃响应过程中，晶体管Q12的瞬态电流会远大于静态电流。该瞬态电流会对密勒补偿电容充电，极大提高运算放大器转换速率。

电路处于静态工作时，晶体管Q1、Q2、Q3、Q4电流如下关系。设Q1、Q2、 Q3、Q4的发射结面积相同，Q5、Q6、Q7、Q8的发射结面积相同，电阻R1＝R2， R3＝R4。由于电路对称，只考虑Q2、Q4两路即可。忽略基极电流则有：

两式相除可得：

对晶体管Q6、Q8同理可得：

Q2、Q4基极电压相同：

V_IP＝V_BQ6+V_EB6+I_CQ2R₂+V_BE2 (4)

V_IP＝V_BQ8+V_EB8+I_CQ4R₄+V_BE4 (5)

Q6、Q8基极电压相同，(4)、(5)两式相减可得：

V_BE4-V_BE2＝(V_EB6-V_EB8)+(I_CQ2R₂-I_CQ4R₄) (6)

又ICQ6＝ICQ2，ICQ8＝ICQ4，结合公式(3)(5)可得：

将公式(7)带入公式(2)可得：

公式(8)化简后可得：

电路中I_CQ2＝(I_B2-I_B1)/2，通过设置R2、R4的值即可确定Q4的静态偏置电流。

Claims

1.动态偏置低功耗高速运算放大器，其特征在于，由初级放大电路和差分输入单端输出放大电路构成，初级放大电路的两个输出端接差分输入单端输出放大电路的两个输入端，所述初级放大电路包括：

第一差分输入对管，由第一晶体管(Q1)和第二晶体管(Q2)构成，第一晶体管(Q1)的集电极接第一参考点(P1)，基极接第一差分输入端；第二晶体管(Q2)的集电极接第一参考点(P1)，基极接第二差分输入端；

第五晶体管(Q5)，基极接第二参考点(P2)，发射极通过第一电阻(R1)接第一晶体管(Q1)的发射极，集电极接第六参考点(P6)；

第六晶体管(Q6)，基极接第二参考点(P2)，发射极通过第二电阻(R2接第二晶体管(Q2)的发射极，集电极接第六参考点(P6)；

第十七晶体管(Q17)，基极接控制端，集电极接第二参考点(P2)，发射极接第六参考点(P6)，第二参考点(P2)接第一电流源的输出端，第六参考点(P6)通过第二电流源接地；

第二差分输入对管，由第三晶体管(Q3)和第四晶体管(Q4)构成，第三晶体管(Q3)的集电极接第一参考点(P1)，基极接第一差分输入端；第四晶体管(Q4)的集电极接第一参考点(P1)，基极接第二差分输入端；

第七晶体管(Q7)，基极接第二参考点(P2)，发射极通过第三电阻(R3)接第三晶体管(Q3)的发射极，集电极接第一输出端；

第八晶体管(Q8)，基极接第二参考点(P2)，发射通过第四电阻(R4)接第四晶体管(Q4)的发射极，集电极接第二输出端；

第十三晶体管(Q13)，基极接第五参考点(P5)，集电极接第一输出端，发射极通过电阻接地；

第十四晶体管(Q14)，基极接第五参考点(P5)，集电极接第二输出端，发射极通过电阻接地；

第十五晶体管(Q15)，基极接控制端，集电极接高电平；

第十六晶体管(Q16)，基极和集电极接第五参考点(P5)，发射极接第十五晶体管(Q15)的发射极，集电极通过第五电流源接地；

第十二晶体管(Q12)，基极接第四电流源的输出端，发射极接高电平，集电极接第一参考点(P1)；

第九晶体管(Q9)，基极接第二晶体管的发射极，发射极接第三参考点(P3)，集电极接第四参考点(P4)，第四电流源的输出通过串联的两个二极管接第四参考点(P4)；

第十晶体管(Q10)，基极接第一晶体管的发射极，发射极接第三参考点(P3)，集电极接第四参考点(P4)，第三参考点(P3)通过第三电流源接地；

第十一晶体管(Q11)，基极接第三参考点(P3)，发射极接第四参考点(P4)，集电极接地。