TW449959B - Rail-to-rail operational amplifier and method for making same - Google Patents

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A7 B7 449959 五、發明説明（1) 發明背景： 1 .發明領域： 本發明係大致有關積體電路，尤係有關負軌電壓至正 軌電壓（即軌至軌）運算放大器電路。 2 .相關技術說明： 傳統的運算放大器（Operational AMPlifier:簡稱 OP AMP)是用來設計多種電路的習知多用途電子裝 置。舉例而言，當一個傳統〇P AMP的各端子在電氣 上連接到其他組件時，該OP AMP可用來作成微分電 路、積分電路、增益上升電路、增益下降電路等。通常以 一負電源供應電壓（亦即，- 5伏）及一正電源供應電壓 (例如+5伏）對傳統的OP AMP供電。在作業中， 具有一主要共模電壓及一差動電壓之信號輸入電壓通常係 輸入傳統OP AMP的正輸入端《在傳統的〇p_ AMP中，正輸入端（及負節點）通常係連接到一個內部 的單一輸入電晶體對。 在此種方式下，信號輸入電壓的範圍可在負電源供應 電壓與正電源供應電壓間之某一位置。此外，傳統的〇P Αώρ具有一對輸出電晶體，這對輸出電晶體通常在一輸 出節點上將其源極（或射極）連接在一起。在此種方式下 ，傳統OP AMP的輸出節點可產生輸出信號的範圍爲 :高於負電源供應電壓1伏至2伏，且低於正電源供應電 壓1伏至2伏。 表纸伕尺度適用令國國家椋準（CNJS )以規格（210X297公釐）·4 · (請先閱讀背面之注意事項再填β本頁) 訂 翅濟部中央標準局員工消费合作it印¾ 449 9 5 9 經漭部中央愫準扃貝工消费合作ft印¾ A7 B7 五、發明説明（2) 對於只需要在負電源供應電壓與正電源供應電壓之間 工作的電路，雖然傳統的OP AMP可運作良好，但是 許多電路現在要求運算放大器提供軌至軌之輸入及輸出。 例如，理想上係將軌至軌OP AMP設計成接收範圍在 負電源供應電壓（含）與正電源供應電壓（含）間之信號 輸入電壓。因而迫使電路設計工程師修改傳統的〇 P AMP設計，以便起動範圍在負軌電壓與正軌電壓間之输 入，並提供範圍在同一負軌電壓與正軌電壓間之輸出。但 是很不幸，現有的軌至軌電路設計無法達到π真實的^•軌 至軌性能。 圖1Α示出一個傳統的軌對軌OP AMP (10) ，該OP AMP使用一交叉電路（20)而獲致自負軌 電壓至正軌電壓之輸入信號擺動。在此實例中，代 表一正軌電壓，而代表一負軌電壓。圖示之傳統軌 對軌0 P AMP ( 10 )具有一個用於接近一正軌電壓 的輸入電壓之NPN差動電晶體對（12) °NPN差動 電晶體對（1 2)通常包含一 NPN電晶體（2 8 )及一 NPN電晶體（3 0)，這兩個NPN電晶體的射極係分 別耦合到一節點，而該節點則連接到交叉電路（2 0 ) » 圖ΐ亦示出包含一PNP電晶體（3 2 )及一PNP電晶 體（34)之ΡΝΡ差動電晶體對（14),這些ΡΝΡ 電晶體係用於接近一負軌電壓之輸入電壓。在此實例中， 示出ΡΝΡ電晶體（3 2 )及（34)之射極係耦合到交 叉電路（20) - ΝΡΝ電晶體C30)及ΡΝΡ電晶體 表紙伕尺度通用中國國家標準（CNS > Λ4規格（210X 297公釐）-5 ·

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449959 A7 B7 經濟部中央螵準局負工消资合作it印¾ 五 、發明説明（ 3) I ( 3 4 ) 之 基 極 端 係耦合到- -正輸入端 C ] 6 ) > 而 I 1 N P N 電 晶 體 ( 2 8 ) 及 P N P 電 晶 體 ( 3 2 ) 之 基 極 端 J 1 係 耦 合 到 負 *九 輸 入 端 ( 1 5 ) Q 請 先 閱 1 圖 示 N P N 差 動 電 晶 體 對 ( 1 2 ) 及 P N P 差 動 電 晶 1 Bltb 體 對 ( 1 4 ) 之 集 極 端 係 耦 合 到 — 曼 接放 大 電 路 ( 1 8 ) 讀 背 ι6 1 I —. 般 而 言 i 疊 接 放 大 電 路 C 1 8 ) 係 用 來 結 合 白 差 動 電 之 注 意 1 ϊ 晶 體 對 C 1 2 ) 及 ( 1 4 ) 接 收 的 輸 出 信 號 9 並 將 接 合 的 事 項 1 ! 信 號 輸 出 到 — 輸 出 級 ( 4 0 ) 〇 如 圖 所 示 S 疊 接 放 大 電 路 填 % 本 1 % ( 1 8 ) 及 輸 出 級 ( 4 0 ) 係 耦 合 到 —' 正 電 源 供 應 電 壓 ( 頁 1 I V ) 及 ~~· 負 電 源 供 應 電 壓 ( G ) 〇 如 刖 文 所 述 t TV G 代 I I 表 — 負 軌 電 壓 I 而 V ν 代 表 — 正 軌 電 壓 〇 輸 出 級 ( 4 0 1 1 I ) 通 常 包 含 —' P N Ρ 電 晶 體 ( 5 2 ) 及 —— N P N 電 晶 體 ( 1 訂 5 4 ) 0 P N P 電 晶 體 ( 5 2 ) 及 N P N 電 晶 遐 ( 5 4 ) [ 1 的 基 極 端 係 在 電 氣 上 耦 合 到 —' 位 準 移 動 器 ( 5 6 ) 〇 — 般 1 1 而 言 > 當 輸 出 級 ( 4 0 ) 接 收 一 高 位 準 時 7 P N P 電 晶 體 ! j .( 5 2 ) 即 斷 路 9 而 Ν P N 電 晶 體 C 5 4 ) 即 導 通 〇 相 反 ff 地 » 田 輸 出 級 ( 4 0 ) 接 收 —' 低 位 準 時 > N P N 電 晶 體 ( 1 1 5 4 ) 即 斷 路 f 而 Ρ Ν P 電 晶 體 ( 5 2 ) 即 導 通 0 因 此 ， l 1 輸 出 係 經 由 —* 共 用 集 極 而 傳 送 出 去 0 如 將 於 下 文 中 說 明 的 ! 1 j k 種 共 用 集 極 輸 出 配 置 的 缺 點 在 於 負 載 將 嚴 重 影 響 到 r 性能 〇 因 此 ， 輸 ϋ 負 m 有能能影響到頻寬及穩定性。 圖 1 B 是 信 號 輸 入 電 壓 對 圖 1 A 所 示 '* 電 流 I 1 及 一 1 1 | 電 流 I 2 響 應 之 電 流 電 壓 關 係 圖 Q 因 爲 大 部 分 的 信 輸 入 1 [ 電 壓 可 能 利 用 負 電 壓 位 準 及 較 低 的 正 電 壓 位 準 所 以 通 常 1 1 1 本汍張尺度適用中國國家標準（CNS ) Λ4規格（210X29·?公釐）-6- 449959 A7 B7 經濟部中央櫺進局叕工消费合作杜印繁 五、發明説明（4) 將交叉電路（2 0 )配置成在一轉變位置（6 2 )上使電 流I 1及I 2發生轉變，而該轉變位置（6 2)距離正電 源供應電壓（V)約有1伏》亦即，在信號輸入電壓的範 圍在負電源供應電壓（G)與一交叉範圍（V c 〇)的一 端時，電流I 2將導通（亦即PNP差動電晶體對（1 4 )將發生作用）β相反地，在信號輸入電壓的範圍在正電 源供應電壓（V)與交叉範圍（Vc 〇)的另一端時，電 流I 1將導通（亦即NPN差動電晶體對（1 2 )將發生 作用）。 雖然傳統的軌對軌0ΡΑΜΡ ( 1 0)可在正電壓與 負電壓之間產生電壓擺動，但是將導入各種誤差，此時將 很不幸地影響到該0 P AMP之軌至軌性能。務請注意 ，傳統的軌對軌OP AMP(1〇)之輸入通常在 NPN差動電晶體對（1 2)或PNP差動電晶體對（ 1 4 )導通時（例外的情形爲在Vc 〇範圍中，ith時兩個 差動電晶體對都導通）之情況下工作。但是很不幸，由於 習知的電壓偏移誤差，差動電晶體對（1 2 )之差動輸出 電流及PNP差動電晶體對（1 4)之差動輸出電流常會 變動》 因爲兩個電晶體的特性値很少完全相同，所以N P N 電晶體（2 8)及（3 0)之基極至射極電壓（Vb e ) 很少能相互匹配。因此，N P N電晶體（2 8 )及（3 0 )之基極至射極電壓（Vb e )界定了一輸入偏移電壓。 NPN差動電晶體對（1 2)之輸入偏移電壓將因而產生 本紙伕尺度適用中國國家標率（CNS ) Λ4^格（210X29*7公釐）· 7- (請先閱讀背而之注意事項再填舄本頁) 丁 4 4995 9 A7 B7 經濟部中失樣準局貝工消费合作社印聚 五 、發明説明（5) I 1 個 會 影 響到最終偏移 電壓 之誤差電流I 0 1 (亦即 該 誤 1 I 差 電 流將 通到S接放大' 電路 (1 8 ) ) »縱使降低了 f I N P N 差 動電晶體對（ 1 2 )之偏移誤差 ( 亦即以微 調 或 ^—1 1 其 他 方 式 降低該偏移誤 差） ，Ρ Ν P差動 電 晶體對（ 1 4 先 閱 1 1 ) 也 將 有其相關聯的偏 移電 壓，而該偏移 電 壓將產生 其 本 •fi 背 1¾ | 身特有的 電流I 0 2 ( 亦即 通到疊接放大 電 路（1 8 ) ) 之 注 意 t 1 〇 雖 然 單 獨看來電流I 0 1 與I 0 2間之 差 異可能是 小 的 章 項 再 1 1 1 9 但 是 在 高增益下，該 差異 很不幸地被放 大 了，而產 生 顯 填 本 1 > 著 的 增益非線性》 頁 1 1 傳 統 軌對軌0 P AM P ( 1 0 )的 輸 入也會有 輸 入 1 l 偏 動 電 流 誤差。如我們 所習 知的，Ν Ρ N 電 晶體（2 8 ) 1 I 及 ( 3 0 )之電流增益 (β >經常大於Ρ N F >電晶體（ l 訂 | 3 2 ) 及 (3 4 )之電 流增 益。因此，因 爲 偏動電流 大 約 1 1 爲 I e / /3，所以各N Ρ Ν電晶體的偏動電流將不同於 1 t P N P 電 晶體的偏動電 流， 這是因爲這些 電 晶體的J /3 不 同 1 1 0 還 有 更 複雜的事，N Ρ Ν差動電晶體對 ：1 2 )及 t P N P 差 動電晶體對（ 14 )的輸入偏動 電 流係以相 反 的 1 ! 1 方 向 流 動 。亦即，輸入 偏動 電流流進Ν P N 電晶體（ 2 8 1 i ) 及 ( 3 0 )之基極， 且流 出Ρ Ν P電晶 體 (32) 及 ( 1 1 3 4 ) 之 基極<舉例而 a， 1 0毫微安培 可 能沿著一 個 方 • ^ 向 流 動 > 而2 0毫微安 培可 能沿著另一方 向 流動》我 們 當 1 了 解 1 輸 入電流大小及 方向 的改變將產生 輸 入偏動電 流 誤 1 1 I 差 ， 該 誤 差又很不幸地在輸出端導入誤差。 1 1 當 然 ，可利用Μ 0 S F E T取代Ν P N 差動電晶 體 對 1 1 1 木紙法尺度適用中國國家標準（CNS > Λ4規輅（2丨OX 29?公釐）-8 M濟部中央標準局貝工消资合作社印¾ I dulAUftii.lLLJ'11·! 4 4995 9 A7 B7 五、發明説明（6) (12)及PNP差動電晶體對（14) β於使用 MOSFET時，係使用Ν通道的電晶體來取代ΝΡΝ電 晶體（2 8 )及（3 0 )，且利用Ρ通道的電晶體來取代 ΡΝΡ電晶體（3 2)及（34) 。雖然上述的輸入偏動 電流並不顯著，但是MOSFET所產生的輸入電壓偏移 誤差比雙極性電晶體大一倍。此外，於使用1^0 s F Ε 丁 時，一般皆習知轉變位置（6 2 )(圖1 B )係大致較不 —定。因此，圖1 A所示之雙極性電晶體及其相關聯的缺 點是優於MO S F ET »此外，輸入級的跨導經常在交叉 時改變》由於跨導的改變，將會產生頻寬的改變，此時可 能導致具有電容性負載的某些應用的不穩定性。 如前文所述，必須將Ρ N P電晶體（5 2 )及N Ρ N 電晶體（5 4 )的集極連接在一起，以便獲致一個在軌至 軌電壓擺動的輸出。然而，此種軌至軌電壓擺動並不真正 完全延伸到正軌電壓及負軌電壓》在最佳的作業中，正軌 電壓及負軌電壓擺動大約是離開一個集極至射極飽和電壓 C V c e s a t )。舉例而言，在較小電流時，V c e s a t可以小至〇 . 1伏，而在較大電流時，Vc e s a t則大至〇 . 5伏。因此t輸出信號擺動將不會是真 正ή軌至軌電壓擺動。有時將有限的軌至軌電壓擺動稱爲 Α安全界限値* ( Aheadroon^ ),該安全界限値意指一 個有限軌至軌電壓擺動與一個*完全理想的〃軌至軌電壓 擺動間之電壓差。 此外，傳統的軌對軌OP AMP(1〇)對共用集 本纸铁尺度適用中國囡家標準{ CNS ) Λ4規格{ 210X 29?公楚），9_ (諳先閱讀背面之iif項再填邛本頁)

經濟部中央標弟局！X工消f合作it印裝 «449 9 5 9 A7 B7 五、發明说明（7) 極輸出級的要求相當受到隨負載而變的困擾。這是因爲共 用集極輸出級有較高的輸出阻抗。因此，傳統的軌對軌 Ο P AMP (10)經常隨著電容性負載而振盪，因而 使該OP. AMP難以穩定。此外，將耗用更多的功率， 才能將足夠的驅動能力提供給傳統的軌對軌〇 P AMP (10)。 有鑑於此，目前需要一種運算放大器，該運算放大器 可充分消I輸入電壓偏移誤差及輸入偏動電流誤差，並可 提供一個真正的軌至軌電壓輸出，且減少對輸出負載的敏 感性3 發明槪述： 廣義而言，本發明藉由提供了一種可提供完全軌至軌 電壓輸出之運算放大器，而滿足了上述的需求。我們當了 解，可以多種方式來實施本發明，這些方式包括一種方法 、一種程序、一種系統、一種裝置、或一種元件》下文中 將說明本發明的數個創新實施例。 在一實施例中，掲露了一種運算放大器，該運算放大 器具有：一正輸入端、一負輸入端、一輸出端、一正電源 供i電壓輸入端、及一負電源供應電壓輸入端。該運算放 大器包含一個耦合到該正輸入端及該負輸入端之電晶體輸 入對。一第一充電泵係耦合到該運算放大器內包含的正電 源供應電路。該第一充電泵係經過配置，而在一個強化正 電源供應電壓下操作該運算放大器內包含的該正電源供應 本纸乐尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公楚）-10- (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁)

449 9 5 9 經濟部中央榡革局S工消费合作社印裝 A7 __ B7五、發明説明（8) 電路。該運算放大器又包含一第二充電泵，該第二充電泵 係耦合到該運算放大器內包含的負電源供應電路*該第二 充電泵係經過配置，而在一個強化負電源供應電壓下操作 該運算放大器內包含的該負電源供應電路。因此，電晶體 輸出對提供了 一個本質上完全的軌至軌電壓輸出。 在另一實施例中，揭露了一種放大器。該放大器包含 一放大級，該放大級具有一正信號輸入端、一負信號輸入 端、及一輸出端，係自一正電源輸入端及一負電源輸入端 對該放大級供電。一第一充電泵具有一個耦合到該正電源 輸入端之輸入，而產生一個高於該正電源輸入端電壓之電 壓。該第一充電泵具有一個耦合到該放大級之輸出端。該 放大器又包含一第二充電泵，該第二充電泵具有一個耦合 到該正電源輸入端之輸入，而產生一個低於該負電源輸入 端電壓之電壓。該第二充電泵具有一個耦合到該放大級之 輸出端。該放大器因而提供了一個本質上完全的fl至軌電 壓輸出。 在又一實施例中，揭露了一種製造軌至軌運算放大器 之方法。該運算放大器包含：一正輸入端、一負輸入端、 及一輸出端。該軌至軌運算放大器被配置成接收一正電源 供i電壓及一負電源供應電壓。該方法包含提供一第一內 部充電泵，用以驅動該運算放大器內包含的一正偏壓電路 。該第一充電泵係經過配置，而在一個強化正電源洪應電 壓下操作該正偏壓電路。該方法又包含提供一第二充電泵 ，用以驅動該運算放大器內包含的一負偏壓電路。該第二 (請先閱讀背而之注意事項再填{-1·3本頁) 訂 本紙乐尺度適用中囡國家標孪（CNS ) Λ4規格（210X297公釐）-”- 449959 Α7 Β7 經濟部中央標萆局只Μ消费合作社印裝 五、發明説明（9) 充電泵係經過配置，而在一個強化負電源供應電壓下操作 該負偏壓電路。此外，該方法包含：配置該軌至軌運算放 大器之一輸出級，用以接收一個較該正電源供應電壓更高 的且比該負電源供應電壓更低的強化閘極驅動信號。該強 化閘極驅動信號係經過配置，而以設有以推挽式共用源極 電路方式連接的若干輸出場效電晶體（例如爲P通道及N 通道），得以進行真正的軌至軌電壓輸出。 在又一實施例中，揭露了一種運算放大器，該運算放 大器具有：一正輸入端、一負輸入端、及一輸出端。該運 算放大器被配置成接收一正電源供應電壓及一負電源供應 電壓。該運算放大器包含：在一強化正電源供應電壓下驅 動該運算放大器內包含的電路之裝置；以及在一強化負電 源供應電壓下驅動該運算放大器內包含的電路之裝置。該 運算放大器又包含一輸出裝置，用以自該運算放大器內包 含的電路接收一強化閘極驅動信號。該強化閘極_動信號 之位準高於該正電源供應電壓，且其位準低於該負電源供 應電壓。該強化閘極驅動信號係經過配置，而驅動該輸出 裝置進行本質上完全軌至軌電壓輸出。 該放大器的各實施例之優點在於可包含一放大級，該 放关級具有：一正信號輸入端、一負信號輸入端、及一輸 出端。在一實施例中，最好是自一強化正電源供應電壓及 —強化負電源供應電壓對該放大級供電。自該正信號輸入 端及該負信號輸入端操作的兩個內部充電泵（或類似裝置 )(亦即該放大器的電源供應軌）產生這些強化電源供應 (請先閱讀背而之注意事項再填g本頁) 本紙張尺度適用中國囡家標準（CNS ) Λ4現格（2Ι0Χ 297公釐）.12 - I 44995 9 Α7 Β7 經濟部中央標準局K工消费合作杜印裝 五、發明説明（ip 電壓》在此種方式下，該放大級之輸出係在兩個強化1電源 供應電壓之間擺動β我們當了解，此種強化電壓擺動可讓 —信‘號驅動兩個輸出場效電晶體之閘極，而這兩個輸出場 效電晶體之源極信號即進行軌至軌電壓擺動。在一較佳實 施例中，該等兩個輸出場效電晶體之汲極係連接到電源供 應軌。若參照下文中以舉例方式說明本發明原理的詳細說 明，並配合各附圖，將可易於了解本發明其他的面向及優 點。. 附圖簡述： 若參照下文中之詳細說明並配合各附圖.，將可易於了 解本發明，在這些附圖中，相同的代號指示同類的結構元 件，這些附圖有： 圖1 Α示出具有一交叉電路用以進行軌至軌電壓擺動 的_傳統軌至軌運算放大器。 圖1B是圖1A所示一電流I 1及一電流I 2對輸入 信號共模電壓的響應之電流電壓關係圖。 圖2示出根據本發明一實施例的一軌至軌運算放大器 圖3是根據本發明一實施例的圖2所示軌至軌運算放 大器之電路圖。 圖4是根據本發明一實施例的一軌至軌運算放大器實 施例之示意圖。 (諳先閱讀背面之注fJa再填寫本頁) 訂 本紙張K度適用中國國家標準（CNS ) Λ4規格（210/297公楚）.-)3- 449959 M br.*iar<J£^i:,-a,..: A7 B7 經濟部中央揉革局Μ工消费合作杜印裝 五 、發明説明[ Ί 1 ] 主 要元 件 對 照 表 1 | 1 0 2 0 0 3 0 0 軌 至 軌 運 算 放大器 1 I 2 0 交 叉 電 路 1 1 請 1 I 1 2 N P N 差 動 電 晶 體 對 先 閲 1 I 讀 Γ 2 8 ， 3 0 N P N 電 晶 體 背 1 1 之 1 1 4 P N P 差 動 電 晶 體 rut 對 意 I | 3 2 1 3 4 5 2 5 4 P N P 電 晶體 事 項 再 1 1 t 1 6 2 1 6 正 輸 入 端 填 艿： 本 .) 1 5 2 1 5 負 輸 入 _Lt 1 r 1¾ 頁 i I 1 8 疊 接 放 大 電 路 1 i 4 0 輸 出 級 1 1 5 6 位 準 移 動 器 1 訂 [ 6 2 轉 變 位 置 1 1 2 0 2 電 壓 強 化 電 路 1 1 2 0 4 2 0 6 充 電 泵 i 1 2 2 8 輸 出 電 晶 體 對 2 0 8 N 通 道 電 晶 體 ! 1 I 2 1 0 P 通 道 電 晶 體 1 i 2 1 2 節 點 i 1 3 1 0 電 流 源 -L 1 3 2 6 輸 入 電 晶 體 對 3 3 0 * 3 2 1 9 3 3 2 信 m 線 1 1 1 3 1 2 電 流 源 1 1 4 0 8 偏 壓 電 路 1 1 本紙张尺度適用中國國家標隼（CNS ) Λ4规格（210'乂297公釐）-14 - 449959 A 7 _ B7 五、發明説明（ 406 時脈電路 404 充電泵電路單元 較隹實施例之詳細說明： 本發明揭露了一種可適應軌至軌輸入信號並提供一完 全的軌至軌電壓輸出之運算放大器。該運算放大器最好是 包含第一及第二充電泵，用以在增強到正及負電源供應電 壓之外的電壓上驅動該運算放大器內部的電路。由於係在 強化電壓位準上驅動內部電路，所以該運算放大器之輸出 級可供應一完全的軌至軌電壓輸出》在下列的說明中，述 及許多特定細節，以便本發明可以徹底被了解》然而，熟 悉本門技術者當可了解，在不限於這些特定細節的全部或 部分之情形下，亦可實施本發明。在其他的情形中，並未 詳述習知的程序作業，以便不會不必要地模糊了本發明。 圖2是根據本發明一實施例的一軌至軌運算放大器（ (諳先閱讀背面之注意事項再填，rcT本頁)

ρ ο Μ 2 A ( ρ ρ Μ ο A ο食 2 包 所 0 --□有 T具 丨個 示 軌 *nui 至 端 入 輸 正

經濟部中央樣单局負工消合作社印U 1 ( 2 路 C 電 端化 入強 輸壓 負電 1 之 \ly c 2 ( ο 泵 2 電 C充 路一 電到 化合 強耦 壓係 電 3 之 2 C地 1接 P 及 c XJ-。V )( 4 壓 ο 電 2 應 ( 供 )源 2 電 P 正 C 一 <到 泵合 霞 禹 钃 秦 充亦 1 是 及好 } 最 2 1 ο (ώ ρ 2 fe c 二， c 及中 - >例 地V實 樣彳此 同壓在 0 電 點應 供 源 電 正 該 至 合 0ΗΡ 条 是 好 最 4 ο 2 ρ c 及 4 ο :適 I度 义 -张 標 公 449 95 9 超其·部中央標泉局Η工消伦合作权印繁 A 7 B7 _五、發明説明（1? 係經過配置，而將一強化正電源供應電壓（V + )及一強 化負電源供應電壓（V -)分別提供給電壓強化電路（ 202)。在此種方式下，電壓強化電路（202)將最 好是在強化電壓位準上工作，以便提洪將傳送到一輸出電 晶體對（228)之輸出信號。如圖所示，輸出電晶體對 (228)包含一N通道電晶體（208)及一P通道電 晶體（2 1 0 )，這些電晶體之源極係耦合到一個界定一 輸出之節點（212) 通道電晶體（208)之汲極 最好是耦合到該正電源供應電壓（V),且Ρ通道電晶體 (2 10)之汲極係耦合到一負電源供應電壓（G) 在 此實例中，.該正電源供應電壓（V)及負電源供應電壓（ G )分別代表一正軌電壓及一負軌電壓。舉例而言，正電 源供應電壓（V)可以是+5伏，而負電源供應電壓（G )可以是一 5伏。亦即，（V)最好是一個較電壓（G) 爲高的電壓。因此，（V)可以是+5伏，而（0)可以 是0伏，或可界定一較高軌電壓及一較低軌電壓之其他組 合。當然，我們當了解，這些電源供應電壓只是舉例，亦 可使用任何適用的正及負電源供應電壓。 在一實施例中，最好是將充電泵（CP1) (206 )置成產生一個高於正電源供應電壓（V)之電壓。舉 例而言，強化正電源供應電壓（V + )可以自高於（V) 1.5 伏到高於（V) 5伏。在一較佳實施例中，強化 正電源供應電壓（V + )大約高於（V) 3伏。在同樣的 方式下，強化負電源供應電壓（V —)可以自低於（G) (請先閱讀背面之注意事項再填巧木頁) 夂紙張尺度適闳中國國家標準·（ CMS ) Α4規格（210X297公釐）. ^499 5 9 A7 B7 五、發明说明（1f 1 . 5伏到低於（G) 5伏。在一較佳實施例中，強化正 電源供應電壓（V—）大約低於（G) 3伏。當然.亦可 採用更高或更低的強化電壓。 舉例而言，如果正電源供應電壓（V)是+5伏，且 負電源供應電壓（G)是一 5伏，則強化正電源供應電壓 最好是約爲+8伏，而強化負電源供應電壓最好是約爲 一 8伏》在又一實施例中，如果正電源供應電壓（V)是 + 5伏，且負電源洪應電壓（G)是〇伏，則強化正電源 供應電壓最好是約爲+8伏，而強化負電源供應電壓最好 是約爲-3伏。在此種方式下，在將信號傳送到輸出電晶 體對（228)之前，電壓強化電路（22)內的所有組 件係在一強化電壓位準上工作。 在強化電壓位準上操作電壓強化電路（2 0 2 )之優 點在於：可使輸出電晶體對（2 2 8 ).的輸出信號進行完 全的軌至軌電壓擺動。換言之，當各別電晶體導通時，提 供給N通道電晶體（2 0 8 )或P通道電晶體（2 1 0 ) 的閘極驅動信號是超出正及負電源供應電壓之外。另一優 點在於：輸出電晶體對（2 2 8 )提供了一共用源極輸出 ，此種輸出對輸出負載的變化較不敏感，因而使軌至軌 Ο P AMP (200)對不同的電容性負載更具有穩定 性。尤其是消除了習用技術的安全界限値之限制，這是因 爲係利用充分強化的閘極驅動信號來驅動输出電晶體對（ 2 2 8 )- 圖3是根據本發明一實施例的一軌至軌運算放大器（ 本坻张尺度適用*0國家樣準（CNS ) A4%格（2丨0X297公釐)~;17· (請先w讀背面之注意事項再填3本頁) ·

、1T n 449959 附件1 :第87102187號專利申請案 中文說明書修正頁民國89年7月呈

經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 五、發明說明（矽 3 0 0 )之電路圖。在此實例中，圖示電壓強化電路（ 2 0 2 )之內部電路係耦合到一強化正電源供應電壓（ V+)及一強化負電源洪應電壓（V—),其優點在於： 產生了更強的閘極驅動信號而傳送到輸出電晶體對（ 2 2 8 ),因而得以進行一個完全的軌至軌電壓輸出。如 圖所示，負電源供應電壓（G )係耦合到一電流源（ 3 1 0),而該電流源（3 1 0)係連接到一個由電晶體 P6、P7、P8、及P9代表的電流鏡像電路。電晶體 之輸出因此提供一送入至一輸入對3 2 6之電流（I)。 輸入電晶體對（3 2 6 )最好是包含：一電晶體 P 1 0，該電晶體P 1 0之閘極係耦合到一正輸入端（ 2 1 6 );及一電晶體P 1 1 ,該電晶體P 1 ]_之閘極係 耦合到一負輸入端（215)。電晶體P1〇之汲極亦係 經由一信號線（3 3 0 )而耦合到一電晶體N 5與一·電晶 體N 6之間。在相同的方式下，電晶體P 1 1之汲極係經 由一信號線（3 3 2 )而耦合到一電晶體N 3與一電晶體 N 4之間。在此實例中，電晶體N 3、N 4、N 5、及 N6形成一疊接放大電路，圖示之該疊接放大電路係耦合 到該強化負電源供應電壓（V _)。 此外，電晶體P 3、P 4、及P 5形成一電流鏡像電 路之一部分，該電流鏡像電路係耦合到該強化正電源供應 電壓（V + )。電晶體P 5亦係經由一信號線（3 2 1 ) 而耦合到電晶體N 6。在此實例中，圖示之正電源供應電 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） -18^ -----------裝------Ϊ---^訂---------tl、.. ί (請先閱讀背面之注意ί項再填寫本頁) 44935 9

經濟部中央揉準局运工消费合作杜印絜 A7 B7 五、發明説明（1? 壓（V)係耦合到一電流源（3 1 2)，該電流源（ 3 1 2)又係耦合到偏壓電晶體N7及N8。在作業中， 電晶體N7及N8係經過配置，而將偏壓（VB 1 )及（ V B 2 )分別提供給電晶體N 6與N 3、以及電晶體N 5 與N 4。圖示電晶體N 2之閘極及汲極係耦合到電晶體 P 3,且電晶體N 2之源極係耦合到電晶體P 2之源極。 電晶體P 2亦係耦合到該疊接放大電路的電晶體N3之汲 極。 因此，電壓強化電路（202)內包含的整個電路係 在被增強到正電源供應電壓（V)之上且在負電源供應電 壓（G)之下的電壓下工作。在此種方式下，電晶體P 2 或N 2可將一個超過負及正電源供應電壓的閘極驅動電壓 提供給P通道電晶體（2 1 0 )或N通道電晶體（2 0 8 )。因此，輸出電晶體對（228)之優點在於適於提供 —個完全的軌至軌電壓輸出。此外，因爲N通道讀晶體（ 208)及P通道電晶體（2 1 0)之源極係連接到輸出 節點（2 1 2 ),所以將產生一個較低的輸出阻抗，因而 將減少對輸出負載之敏感性。. 務請注意，在自運算放大器（3 0 0 )提供一個完全 的至軌電壓輸出時，並不需要一交叉電路。因此，當採 用輸入電晶體對（3 2 6 )的電晶體P 1 0及P 1 1時， 將不會導入與交叉電路相關聯的輸入電壓偏移誤差。因此 ，其優點在於可避免任何的增益非線性》此外，設計成的 軌至軌運算放大器（3 0 0 )很像一個傳統的運算放大器 本紙&又度適用中國國家標隼（CNS ) Λ4規格（210Χ297公犮）-19 - 449959 ΗΠΕ

A7 B7 經"部中央榡苹局另工消资合作社印鉍 五 、發明説明（1Γ 1 | 0 亦即 9 當就輸入及輸出而檢視軌至軌運算放大器（ 1 I 3 0 0 ) 時，各介 面組 件 通 常 得 以 簡 化 —' 傳統 的 運 算 放 大 Γ 1 器 ( 例 如 單一輸入 電晶 體 對 正 電 源 供 應 電 壓 ( V ) 負 請 1 I. 電 源 供 應 電壓（G 及 —1 -* 個 將 源 極 連 接 在 —* 起 的 輸 出 電 先 閱 1 | 讀 .» 晶 體 對 ) ,且同時 提供 了 ~~ 個 真 正 的 軌 至 軌 電 壓 輸 出 擺 動 背 1 〇 換 言 之 ,由於內 部充 電 泵 C P 1 ( 2 0 6 ) 及 C Ρ 2 ( 之 注 意 I 2 0 4 ) 提供的電 壓強 化 9 所 以 電 壓 強 化 電 路 ( 2 0 2 ) 事 項 再 1 1 | 的強化 電 壓作業在本質. 上是不€ 月顯的< ) 填 本 1 .X 雖 然 本發明提 供了 電 壓 強 化 電 路 ( 2 0 2 ) 之 例 示 電 頁 I 1 晶 體 連 線 ，但是我 們當 了 解 1 在 保 持 電 壓 強 化 作 業 的 效 益 | 下 可 改 變或修改所實施的電晶體連線= 1 1 圖 4 示出根據 本發 明 — 實 施 例 的 — 運 算 放 大 器 之 例 示 訂 | 示 意 圖 ( 4 0 0 ) 。.如 圖 所 示 軌 至 軌 運 算 放 大 器 設 有 一 1 I 1 正 電 源 供 應電壓（ V ) 及 — 負 電 源 供 應 電 壓 ( G ) > 用 以 I 1 驅 動 偏 壓電路（ 4 0 8 ) —- 時 脈 電 路 ( 4 0 6 ) 、 及 1 I 一 充 電 栗 電路單元 (4 0 4 ) Q 圖 示 正 輸 入 端 ( 2 1 6 ) 及 負 輸 入 端（.2 1 5 ) 係 耦 合 到 一 0 Ρ A Μ Ρ ( 4 0 2 |· ) 之 各 輸 入端。一 般而 ~Ξ5* > 0 P A Μ Ρ ( 4 0 2 ) 最 好 是 1 1 1 包 含 圖 3 所示電壓 強化 電 路 ( 2 0 2 ) 及 輸 出 電 晶 體 對 ( 1 1 2 2 8 ) 內含的例· 承電路 〇 „ | t 舉 例 而言，圖 示0 Ρ A Μ P ( 4 0 2 ) 白 充 電 泵 ( I C Ρ 1 ) (206 )接 收 — 強 化 正 電 源 供 廬 電 壓 ( V + ) 1 » 並 白 一 充電泵（ C Ρ 2 ) ( 2 0 4 ) 接 收 •— 強 化 負 電 源 I 1 I 供 應 電 壓 (V -) 。在 此 實 施 例 中 1 C Ρ 1 ( 2 0 6 ) 及 1 1 I 本紙乐尺度適用中國國家標準（CNS ) Λ4現格（210X 297公楚）-20- 449959 經濟部中央捸蕈局·'«工消费合作社印炅 A7 B7 五、發明説明（1f CP2 (204)係包含在充電泵電路單元（404)之 內。圖示充電泵電路單元（4 0 4 )具有連接到時脈電路 (406)的若干端子，用以控制與CP1 (206)及 CP2 (204)作業相關聯的時序。如我們所習知的， 這些充電泵在本質上是作爲電容，用以經由一信號線而充 電，然後放電，以便產生所需的強化電源供應電壓。因此 ，時脈電路（4 0 6 )確保以正確的順序對各充電泵進行 適當的充電及放電。 圖示之偏壓電路（4 0 8 )係耦合到時脈電路（ 406)，充電泵電路單元（4 04)、及OP AMP (402)。雖然圖中只示出一個OP AMP (402 )及一個充電泵電路單元（4 0 4 ),但是我們當了解， 可採用任何數目的OP AMP (402)及充電泵電路 單元（4 0 4 )來產生多個真正的軌至軌運算放大器級。 雖然爲了要淸晰說明而稍微詳述了本發明，桓是我們 當了解，可在下列申請專利範圍的範圍內進行某些改變及 修改。此外，我們當了解，可以任何形式來實施各電路圖 ，這些形式包括諸如適用的半導體基板、印刷電路板、封 裝的積體電路、或軟體之實施形式。因此，上述各實施例 係i發明之舉例，而非對本發明加以限制，且本發明並不 受限於本文所述之細節，而是可在下列請專利範圍的範圍 及等效權項內對本發明加以修改。. 本紙張尺度通用中國國家標準{ CNS ) Λ4規格（2丨0X297公犮）-21 - (锖先閲讀背面之注意事項存填，ri本u ) -訂

Claims (1)

1. 449959 A8 B8 C8 D8 六、申請專利範圍 1 種運算放大器，該運算放大器具有一正輸入端 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 、一負輸入端、一輸出端、.一正電源供應電壓輸入端.及 一負電源供應電壓輸入端，該運算放大器包含： 一個耦合到該正輸入端及該負輸入端之電晶體輸入對 I —個耦合到該運算放大器內包含的正電源供應電路之 第一充電泵，該第一充電泵係經過配置，而在一個強化正 電源供應電壓下操作該運算放大器內包含的該正電源供應 電路；以及 一個耦合到該運算放大器內包含的負電源供應電路之 第二充電泵，該第二充電泵係經過配置，·而在一個強化負 電源供應電壓下操作該運算放大器內包含的該負電源供應 電路；因而該電晶體輸出對提供了一個本質上完全的軌至 軌電壓輸出。 經濟部中央樣準局貝工消費合作社印装 2.如申請專利範圍第1項之運算放大器，文包含一 個耦合到該運算放大器的該輸出端之電晶體輸出對，該電 晶體輸出對係經過配置，而自在該強化正電源供應電壓及 強化負電源供應電壓下工作的該正負電源供應電路接收一 驅動信號。 ^ 3.如申請專利範圍第2項之運算放大器，其中該電 晶體輸入對是一單一差動電晶體對。 4.如申請專利範圍第3項之運算放大器，其中該強 化正電源供應電壓高於該正電源供應電壓輸入約1 . 5伏 到5伏之間。 本紙張尺度適用中國®家揉半（CNS ) A4说格（210X297公釐）-22- 4499 5 9 A8 B8 C8 _ D8 六、申請專利範園 算放大器，其中該強 電壓輸入約1 . 5伏 算放大器，其中該電 節點，且該電晶體輸 正及負電源洪應電路 算放大器，其中該正 一電流鏡像電路.用 算放大器，又包含一 請 先 閱 讀 背 '之 注 意 事 項 再 % 5 ·如申請專利範圍第3項之運 化負電源供應電壓低於該負電源供應 到5伏之間。 6 .如申請專利範圍第2項之運 晶體輸出對係耦合到一共用源極輸出 出對具有經過配置之閘極，用以自該 接收驅動信號。 7 ·如申請專利範圍第1項之運 電源供應電路包含一個經過配置的第 以將一電流提供給該電晶體輸入對》 8 .如申請專利範圍第7項之運 第一電流源，該第一電流源係耦合於該負電源供應電壓輸 入端與該第一電流鏡像電路之間。 算放大器，其中該正 二電流鏡像Λ路，用 以將一第一輸出電流提供給一第一強化輸出電晶體，該第 訂 9 .如申請專利範圍第2項之運 電源供應電路包含一個.經過配置的第 一強化輸出電晶體係耦合到該電晶體輸出對之一第一閘極 經濟部t央櫺牟局負工消費合作社印策 10 .如申請專利範圍第9項之運算放大器，其中該 第上強化輸出電晶體是一 η通道電晶體。 1 1 .如申請專利範圍第項之運算放大器，其中 該負電源供應電路包含若干耦合到一第二電流源之偏壓電 晶體，該第二電流源係耦合到該正電源供應電壓輸入端》 1 2 .如申請專利範圍第1 1項之運算放大器，其中 本紙張尺度逋用令國國家揉準^泌以彳规格“^^之耵公釐）-23 - 8 8 8 8 ABCD 六、申請專利範圍 該負電源供應電路包含一疊接放大電路，該疊接放大電路 係親合到該等偏壓電晶體、該電晶體輸入對、及該第二電 流鏡像電路。 13. 如申請專利範圍第12項之運算放大器，其中 該疊接放大電路係經過配置，而將一第二輸出電壓提供給 一第二強化輸出電晶體，該第二強化輸出電晶體係耦合到 該電晶體輸出對之一第二閘極。 14. 如申請專利範圔第13項之運算放大器，其中 該第二強化輸出電晶體是一p通道電晶體。 15. 如申請專利範圍第13項之運算放大器，其中 該第一充電泵及該第二充電泵係耦合到一時脈電路，該時 脈電路被配置成控制該第一及第二充電泵之作業。 16種放大器，包含： —放大級，該放大級具有一正信號輸入端.一負信號 輸入端、及一輸出端，且係自一強化正電源輸入端及一強 化負電源輸入端對該放大級供電； 經濟部中央標準局貝工消費合作社印裝 <請先闖讀背面之注$項再填寫本頁) 一第一充電泵，該第一充電泵具有一個耦合到該正電 源輸入端之輸入端，而產生一個高於該正電源輸入端電壓 之電壓，該第一充電泵具有一個耦合到該放大級之輸出端 :ώ及 一第二充電泵，該第二充電泵具有一個耦合到該正電 源輸入端之輸入端，而產生一個低於該負電源輸入端電壓 之電壓，該第二充電泵具有一個耦合到該放大級之輸出端 本紙張又立逋用中國國家揉率（CNS ) Α4说格（210Χ297公釐）-24 - 4 499 5 9 B8 C8 D8 六、申請專利範圍 因而該放大器之該輸出端上提洪了一個在該正電源輸 入電壓與負電源輸入電壓間之本質上完全的軌至軌電壓輸 出。 1 7 .如申請專利範圍第1 6項之放大器，其中高於 該正電源輸入電壓的電壓約高出1.5伏到5伏之間。 18 .如申請專利範圍第16項之放大器，其中低於 該負電源輸入電壓的電壓約低於1 . 5伏到5伏之間。 19.如申請專利範圍第16項之放大器，其中該放 大級又包含一個經過配置的單一電晶體輸入對，用以自該 正信號輸入端及該負信號輸入端接收輸入。 2 〇 ..如申請專利範圍第1 9項之放大器，其中該放 大級又包含一個經過配置的電晶體輸出對，用以自該放大 級接收增強驅動信 2 1 · —種運算放大器之方法，該軌至 軌運算放大器具有一正輸入端、一負輸入端、及一輸出端 ,該軌至軌運算放大器被配置成接收一正電源供應電壓及 一負電源供應電壓，該方法包含下列各步驟： 經清部中央橾準局员工消費合作社印製 {請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 提洪一第一內部充電泵，用以驅動該運算放大器內包 含的一正偏壓電路，該第一充電泵係經過配置，而在一個 強彳{:正電源供應電壓下操作該正偏壓電路； 提供一第二充電泵，用以驅動該運算放大器內包含的 一負偏壓電路，該第二充電栗係經過配置，而在—個強化 負電源供應電壓下操作該負偏壓電路：以及 配置該軌至軌運算放大器之一輸出級，用以接收一個 / 本纸伕尺度逋用中國國家揉準（CNS ) Μ規格（210X297公^25- 44995 9 A8 B8 C8 D8 經濟部中央揉準局貝工消費合作社印裂 六、申請專利範圍 較該正電源供應電壓更高的且比該負電源供應電壓更低的 強化閘極驅動信號，該強化閘極驅動信號係經過配置，而 得以進行真正的軌至軌電壓輸出* 2 2 .如申請專利範圍第2 1項的製造一軌至軌運算 放大器之方法，又包含下列各步驟： 將該正輸入端及該負輸入端接線到該軌至軌運算放大 器之一差動電晶體對：以及 在該強化正電源供應電壓下操作該差動電晶體對。 2 3 .如申請專利範圍第2 2項的製造一軌至軌運算 放大器之方法，又包含下列步驟： 連接該輸出級內含的一對輸出電晶體，使該對輸出電 晶體的每一電晶體之源極界定該軌至軌運算放大器之輸出 端電壓。 2 4 .如申請專利範圍第2 3項的製造一軌至軌運算 放大器之方法，其中該輸出端產生一個與負載無南的輸出 〇 2 5 ·如申請專利範圍第2 3項的製造一軌至軌運算 放大器之方法，又包含下列步驟： 將該強化正電源供應電壓調整到高於該正電源供應電 壓备1 . 5伏到5伏之間。 2 6 .如申請專利範圍第2 3項的製造一軌至軌運算 放大器之方法，又包含下列步驟： 將該強化負電源供應電壓調整到低於該負電源僎應電 壓約1 . 5伏到5伏之間。 本紙铁尺度通用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐）-26 - ---«_^^----多-- (請先W讀背面之注意事項再填寫本頁) 訂 經濟部中央棣準局貝工消费合作社印裝 44995 9 A8 BS C8 m___ 六、申請專利範園 2 7 .—種積體電路，該積體電路包含一個利用申請 專利範圍第β1項所述程序製造的運算放大器。 2 8 . —種運算放大器，該運算放大器具有一正輸入 端、一負輸入端、及一輸出端，該運算放大器被配置成接 收一正電源供應電壓及一負電源供應電壓，該運算放大器 包含： 在一強化正電源供應電壓下驅動該運算放大器內包含 的電路之裝置； 在一強化負電源供應電壓下驅動該運算放大器內包含 的電路之裝置：以及 一輸出裝置，用以自該運算放大器內包含的電路接收 —強化閘極驅動信號，該強化閘極驅動信號之位準高於該 正電源供應電壓，且其位準低於該負電源供應電壓，該強 化閘極驅動信號係經過配置，而驅動該輸出裝置進行本質 上完全的軌至軌電壓輸出。 29.如申請專利範圍第28項之運算放大器，又包 含一個耦合到該正輸入端及該負輸入端之輸入裝置，該輸 入裝置被配置成在一強化電源供應電壓下工作。 3 0 _如申請專利範圍第2 8項之_算放大器，其中 該^化正電源供應電壓高於該正電源供應電壓輸入約 1 . 5伏到5伏之間。 31.如申請專利範圍第28項之運算放大器，其中 該強化負電源供應電壓低於該負電源供應電壓輸入約 1 . 5伏到5伏之間》 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS >A4规格（210X2!»7公釐）* 27 - ---„— ^J--- 1-----^---訂------棒· (請先聞讀背面之注$項再填寫本頁)