1344262 九、發明說明: 【發明所屬之技術領域】 本發明係有關一種應用於負迴授之單位增益輸入 , 緩衝器的運算放大器,尤指一種應用鏡射電流的比較來 -控制輔助輸出,用以增加運算放大器迴轉率之裝置。 -【先前技術】 習知的運算放大器為了達到高迴轉率(Slew Rate)的需 求,方式包括增加差動輸入對(Differential Input Pair)的電 0 流或減少補償電容;但增加差動輸入對的電流會增加靜態 電流消耗,減少補償電容則犧牲了運算放大器的穩定度。 習知另一方法是使用誤差放大器(Error Amplifier)去 推動共源極輸出級,即推挽式(Push-pull)輸出級輸出,也 就是增加額外的電路來達到目的。請參閱第1圖,係習知 高迴轉率運算放大器的示意圖,其組成是由一運算放大器 11,二個誤差放大器12與13,以及一 P型金氧半場效電 晶體(PM0S)14與一 N型金氧半場效電晶體(NM0S)15所 組成的推挽式(Push-pull)輸出級。誤差放大器12與13用 ® 來控制輸出級的P型金氧半場效電晶體14與N型金氧半 場效電晶體15,其原理為利用誤差放大器12與13反相 (Inverting)輸入端接至運算放大器11的輸出端,非反相 (Non- Inverting)輸入端接至輸出端節點Vout所構成的虛 擬短路(Virtual short)’加上誤差放大器12和P型金氧半 場效電晶體14,以及誤差放大器13和N型金氧半場效電 晶體15所形成的負迴授迴路來控制P型與N型金氧半場 效電晶體14、15所組成的推挽式輸出級,以提供負载端 推入(Push)或拉出(Pull)的電流。 ^44262 當其轉率的高迴轉率運算放大器的卫作原理是 誤差“大哭f V0小於運算放大器11的輸出電壓VI時’ 14择加輸出電壓…會使P型金氧半場效電晶體 金氧而誤差放大器13的輸出_ V3會使g 效電晶體15減少導通或完全關閉,此時p型金 力琢效電晶體14會推入(Push),也就是產生U電 二二輸出端節點Vout。當輸出電壓V0大於運算放大器11 型^電壓V1時’誤差放大器12的輸出電壓V2會使P 2氧+場效電晶體14減少導通或完全關閉,而誤差放 的輸出電壓V3會使Ν塑金氧半場效電晶體^增 通此時Ν型金氧半場效電晶體15會自輸出端節點 v〇ut拉出(Pull),也就是匯集(sink)電流。 :而當輸出電壓V0等於運算放大器的輸出電壓V1 時誤差放大器12的輸出電壓V2會使的p型金氧半場效 電曰a體14操作在一靜態電流下,而誤差放大器13的輸出 電壓V3會使的ν型金氧半場效電晶體15操作在此靜態 電流下。也就是當輸入與輸出相等時,p型金氧半場效電 晶體14與N型金氧半場效電晶體15操作在原先設定的 直流偏壓條件(DC bias condition)下。 這種架構通常是用來推動重負載,如小電阻、大電容 等。為了要讓P型金氧半場效電晶體14與N型金氧半場 效電aa體15能提供大電流至負載,其外觀比(ASpect ratio) 要非常大。因此,推挽式輸出級需消耗很大的靜態電流, 要符合低功率消耗、高迴轉率之目標反而非常困難。此 外’電路結構也較複雜’在誤差放大器的設計上亦需要考 慮其偏移電壓(Offset Voltage)、佈局上的對稱性、頻寬, 1344262 . 以及雜訊的大小,因此勢必要佔掉極大之晶片面積,增加 製造的成本。 【發明内容】 . 於是為解決上述之缺失,避免缺失存在,本發明之 目的在提供一種增加運算放大器迴轉率之裝置,且不增 , 加運算放大器靜態消耗電流,不改變運算放大器極零點 位置。 本發明是一種應用於具推挽式輸出級之負迴授單 φ 位增益輸入緩衝器的運算放大器,用以增加運算放大器 迴,率的裝置,本發明包括:一運算放大器,該運算放 大器具有一輸入級、一控制級與一輸出級,該輸入級接 收輸入訊號,而該輸出級的輸出端在該運算放大器對輸 入訊號運算放大後輸出訊號,其中該輸出級是由一推入 電晶體和一拉出電晶體串接所成,且該推入電晶體受該 控制級的一推入控制節點的控制,該拉出電晶體受該控 制級的一拉出控制郎點的控制;一輔助控制裝置,該輔 助控制裝置連接到該控制級的推入控制節點與拉出控 鲁制節點’該輔助控制裝置鏡射該輸出級的電流與參考電 流比較’用以產生一輔助推入控制訊號與一輔助拉出控 制訊波,以及一輔助輸出裝置,該輔助輸出裝置連接到 該運算放大器之輸出級’並受該輔助控制裝置的輔助推 入與輔助拉出控制訊號所控制。當該輸出訊號的電壓位 準實質上不等於該輸入訊號的電壓位準時,則該輔助控 制裝置控制開啟該輔助輸出裝置提供一辅助輸出電流 至該輸出端,而當該輸出訊號之電壓位準實質上等於該 輸入訊號之電壓位準時’該輔助輸出裝置則關閉不再提 1^44262 供電流。 其中’該輔助輸出裝置包括:一輔助推入電晶體, ^ 1推入電晶體用以接收該輔助推入控制信號,而其 ^f端連接至該運算放大器的輸出端;以及一輔助拉出 體該輔助拉出電晶體用以接收該輔助拉出控制信 〇;u而其輸出端連接至該運算放大器的輸出端。 5亥輔助控制裝置包括:一推入控制裝置與一拉出控 j裝置。該推入控制裝置具有一第一電流比較器與一第 一轉換装置’其中’該第一電流比較器接入與該輸出級 的推入電晶體鏡射且受該控制級的推入控制節點控制 的第一鏡射電晶體所輸入的一第一鏡射電流,該第一 鏡射電流與一第一參考電流透過該第一電流比較器後 產生一第一控制訊號給該第一轉換裝置,用以切換該第 二轉換裝置接入的一第一關閉訊號與一第一開啟訊號 形成該輔助推入控制訊號,用以控制該輔助輸出裝置的 輔助推入電晶體。該拉出控制裝置,具有一第二電流比 較器與一第二轉換裝置,其中,該第二電流比較器接入 與該輸出級的拉出電晶體鏡射且受該控制級的拉出控 制節點控制的一第二鏡射電晶體所輸入的一第二鏡射 電流,該第二鏡射電流與一第二參考電流透過該第二電 流比較器後產生一第二控制訊號給該第二轉換裝置,用 以切換該第二轉換裝置接入的一第二關閉訊號與一第 二開啟訊號形成該輔助拉出控制訊號,用以控制該辅助 輸出裝置的輔助拉出電晶體。 本發明對運算放大器添加一輔助輸出裝置及一輔 助控制裝置,該輔助控制裝置鏡射輸出級的電流與一參 1344262 考電流比較’透過監控輸出級的電流,快速的產生輔助 推挽(推入/拉出)控制訊號控制該輔助輸出裝置,當該輸 出訊號的電壓位準實質上不等於該輸入訊號的電壓位 • 準時’則該輸出級控制該輔助控制裝置開啟該輔助輸出 * ·: 裝置提供一輔助輸出電流至該輸出端,而當該輸出訊號 . 的電壓位準實質上等於該輸入訊號的電壓位準時,該輔 助輸出裝置則關閉不再提供電流。當然也可以透過該電 流比較器延遲該推出與輔助拉出電晶體的關閉時間,搭 Φ 配輸出電流至負載的考慮。與其他技術利用電壓變化來 控制’本發明利用電流調節輔助輸出端的開關可以更快 的反應輸入端的變化,且可視應用情況延遲輔助輸出級 電晶體之關閉。 【實施方式】 兹有關本發明的詳細内容及技術說明,現以實施例 來作進一步說明’但應瞭解的是,該等實施例僅為例示 說明之用’而不應被解釋為本發明實施之限制。 請先參閱第2圖,為一般AB類(Class AB)運算放大 # 器之電路示意圖。一般AB類(Class AB)運算放大器為 具推挽式輸出級之運算放大器,該運算放大器包含一輸 入級(Input Stage)110、一 AB 類(Class-AB)控制級 120 及一輸出級150。該輸入級110包含由p型電晶體lu、 113與115所組成的P型輸入對,p型電晶體m為其 電流源;以及三個N型電晶體112、114與116所組成 的N型輸入對’ N型電晶體116為其電流源。該AB類 (Class-AB)控制級120包含由四個ρ型電晶體131、 133、135與137所組成的P型主動負载130,以及四個 1344262 N型電晶體14卜143、145與147所組成的N型主動 載140。輸出級150由一個推入電晶體(p型電晶體口η 和一個拉出電晶體(Ν型電晶體)153串接所成。 非反相輸入端V+接到ρ型電晶體U5和Ν型電晶 體112的閘級,反相輸入端ν_接到ρ型電晶體ιΐ3 : 型電晶體114的閘級。輸出級15〇的推入電晶體ΐ5ι與 拉出電晶體153的汲極連接在一起接到輸出端v〇ut。ρ 型電晶體113與115的汲極接至N型主動負載14〇,n 型電晶體112與114的汲極接至ρ型主動負載13〇Qp 型主動負載130透過電阻121與122連接至ν型主動 負載140。輸出級150的推入電晶體151的閘極接至p 型主動負載130和電阻122之間的推入控制節點Gp,
受該推入控制節點GP的控制,而輸出級15〇的N型電 晶體152的閘極接至N型主動負載14〇和電阻122之 間的拉出控制節點GN,受該拉出控制節點GN的控制。 補償電容C1 一端接至ρ型主動負載丨3〇的ρ型電晶體 133和137之間,其另一端則接到輸出級丨5〇的輸出端 Vout;補償電容C2 —端接至N型主動負載140的N型 電晶體143和147之間,其另一端則接到輸出級15〇的 輸出端Vout。
Vb 1 ~Vb4為偏壓電壓’用來設定電晶體的工作範 圍’例如圖示中的偏壓電壓Vb 1連接到P型電晶體π 1 的閘極,用以偏壓P型電晶體1U,以控制該輸入級n〇 中P型輸入對的電流源。而圖示中的偏愿電壓Vb2連 接到N型電晶體116的閘極,用以偏壓ν型電晶體 116 ’以控制該輸入級11 〇中N型輸入對的電流源。而 1344262
偏壓電壓Vb3貝彳連接备丨p并〗+ A 』疋丧到p型主動負載130的P型電晶 體135和137,用以控制其偏壓的狀態。而偏壓電壓 Vb4則連接型主動負載刚㈣型電晶體⑷和 * 143 ’用以控制其偏壓的狀態。電容CL為運算放大器 ^ 所要推動之負載。 在上述AB類運算放大器中,p型電晶體lu為該 輸入級11〇的p型輸入對提供了一定電流lp,N型電晶 體為N型輸入對提供了一定電流In。當非反相輸 入端V+和反相輸入端的電壓相等時,定電流汴會平 均j流過P型電晶體113和115,即定電流化的一半, 而定電流In會平均地流過N型電晶體丨丨2和丨丨4,即 定電流In的一半。 當非反相輸入端V+的電壓位準大於反相輸入端v_ 的電壓位準時,定電流In會幾近全部流往N型電晶體 112 ’定電流ip會幾近全部流往p型電晶體113。定電 流In會流入P型主動負載i 3〇,使輸出級j 5〇的推入 電晶體151的源極與閘極的電壓差(Vsg)增加以提供更 • 大之推入電流至負載(電容CL)。定電流ip會流入n型 主動負載140,使輸出級150的拉出電晶體153的閘極 與源極的電壓差(Vgs)減少以降低自負載(電容CL)拉出 的電流。 當非反相輸入端V+的電壓位準小於反相輸入端γ_ 的電壓位準時,定電流In會幾近全部流往N型電晶體 114 ’定電流Ip會幾近全部流往p型電晶體115。定電 流In會流入P型主動負載130,使輸出級150的推入 電晶體151的源極與閘極的電壓差(vsg)減少以降低送 12 1344262 至負載(電容CL)的推入電流。定電流ip會流入n型主 動負載140 ’使輸出級150的拉出電晶體153的閘極與 源極的電壓差(Vgs)增加以增加自負載(電容CL)拉出的 電流。 電阻121和122是用以形成AB類控制級120控制 輸出級150靜態消耗電流的元件,為了說明方便此處使 用電阻,但也可以使用其它元件,如電晶體來替代。 為了達到增加運算放大器迴轉率的目的,本發明在 原有運算放大器的輸出級上增加一輔助輸出裝置與一 輔助控制裝置,該辅助輸出裝置是用來提供一額外電流 至負載’而該輔助控制裝置利用鏡射輸出級的電流與參 考電流比較的方式,透過電流的同步快速比較,快速的 控制該輔助輸出裝置。當輸出級的輸出訊號的電壓位準 實質上不等於輸入級的輸入訊號的電壓位準時,則開啟 該輔助輸出裝置提供一輔助輸出電流至該輸出端,而當 輸出訊號的電壓位準實質上等於輸入訊號的電壓位準 時’該輔助輸出裝置則關閉不再提供電流。 請參閱第3圖,為本發明增加運算器迴轉率之裝置 不意圖,以AB類運算放大器為例,其包括:一運算放 大器200,該運算放大器2〇〇具有一輸入級21〇、一控 制級220與一輸出級25〇,該輸入級21〇具有一非反相 輸入端V+與一反相輸入端v_接收輸入訊號,而該輸出 級250的輸出端Vout在該運算放大器2〇〇對輸入訊號 經過運算放大後輸出一輸出訊號,其中該輸出級250是 由一推入電晶體251和一拉出電晶體253串接所成,且 該推入電晶體251受該控制級22〇的一推入控制節點 13 1344262 GP的控制,該拉出電晶體253受該控制級220的一拉 出控制節點GN的控制。一輔助控制裝置260,連接到 該控制級220的推入控制節點GP與拉出控制節點 , GN,並鏡射該輸出級250的電流與參考電流(272、282) ‘ 比較,用以產生一輔助推入控制訊號GPP與一輔助拉 ' 出控制訊號GNN ;以及一輔助輸出裝置290連接到該 " 運算放大器200之輸出級250,並由該輔助控制裝置260 所控制。該輔助輸出裝置290包括:一輔助推入電晶體 291,該輔助推入電晶體291用以接收該輔助推入控制 * 信號GPP,而其汲極輸出端連接至該運算放大器200的 輸出端Vout ;以及一輔助拉出電晶體293,該輔助拉出 電晶體293用以接收該輔助拉出控制信號GNN,而其 汲極輸出端連接至該運算放大器200的輸出端Vout。 而該輔助控制裝置260包括:一推入控制裝置270 與一拉出控制裝置280。該推入控制裝置270具有一第 一電流比較器273與一第一轉換裝置274,其中該第一 電流比較器273接入與該輸出級250的推入電晶體251 • 鏡射且一樣受該控制級220的推入控制節點GP控制的 一第一鏡射電晶體271所輸入的一第一鏡射電流Π,該 第一鏡射電流II與一第一參考電流272透過該第一電 流比較器273後產生一第一控制訊號VI給該第一轉換 裝置274,用以切換該第一轉換裝置274接入的一第一 關閉訊號275(例如系統的操作電壓VDD)與一第一開啟 訊號276(例如用來設定電晶體工作範圍的偏壓電壓 VD1)形成該輔助推入控制訊號GPP,用以控制該辅助 輸出裝置290的輔助推入電晶體291。 14 1344262 該拉出控制裝置280,具有一第二電流比較器283 與一第二轉換裝置284,其中,該第二電流比較器283 接入與該輸出級250的拉出電晶體253鏡射且一樣受該 . 控制級220的拉出控制節點GN控制的一第二鏡射電晶 • 體281所輸入的一第二鏡射電流12,該第二鏡射電流 • 12與一第二參考電流282透過該第二電流比較器283 " 後產生一第二控制訊號V2給該第二轉換裝置284,用 以切換該第二轉換裝置284接入的一第二關閉訊號 285(例如系統的低電壓Vss)與一第二開啟訊號286(例 * 如用來設定電晶體工作範圍的偏壓電壓VD2)形成該輔 助拉出控制訊號GNN,用以控制該輔助輸出裝置290 的輔助拉出電晶體293。 在該運算放大器200穩態的情況下,即當非反相輸 入端V+和反相輸入端V-的電壓相等時,受該控制級220 的推入控制節點GP控制的第一鏡射電晶體271所輸入 的第一鏡射電流II將會小於該第一參考電流272,所以 該第一控制訊號VI的輸出為” low” ,則第一轉換裝 • 置274會將該輔助推入控制訊號GPP切換為第一關閉 訊號275(系統的操作電壓VDD),所以該輔助輸出裝置 290的輔助推入電晶體291關閉不工作;而受該控制級 220的拉出控制節點GN控制的第二鏡射電晶體281所 輸入的第二鏡射電流12將會小於該第二參考電流 282,所以該第二控制訊號V2的輸出為” low” ,則第 二轉換裝置284會將該輔助拉出控制訊號GPP切換為 第二關閉訊號285(系統的低電壓Vss),所以該輔助輸 出裝置290的輔助拉出電晶體293關閉不工作,也就是 15 1344262 . 整個輔助輸出裝置290都不工作。 當非反相輸入端V+的電壓位準大於反相輸入端v_ 的電壓位準時,該推入控制節點Gp的電壓會大幅降 ' 低,使該輸出級250中推入電晶體251的推入電流增 *; 大,相同的該第一鏡射電晶體271所輸入的第一鏡射電 , 流Π將會大於該第一參考電流272,所以該第一控制訊 號vi的輸出為’’ high” ,則第一轉換裝置274會將該 辅助推入控制訊號GPP切換為第一開啟訊號276 (偏壓 φ 電壓VD1) ’所以該輔助輸出裝置290的輔助推入電晶 體291導通,增加輸出端Vout送至負載的電流量。而 該拉出控制節點GN的電壓不變,所以該第二鏡射電流 Π還是小於該第二參考電流282,該第二控制訊號V2 的輸出為’’ l〇w” ,則第二轉換裝置284的辅助拉出控 制訊號GPP為第二關閉訊號285(系統的低電壓vss), 所以該輔助輸出裝置290的辅助拉出電晶體293關閉不 工作。 如果,當非反相輸入端V+的電壓位準小於反相輸 _ 入端V_的電壓位準時,該推入控制節點GP的電壓與穩 態時相同,所以該第一鏡射電晶體271所輸入的第一鏡 射電流11將會小於該第一參考電流272,所以該第一控 制訊號VI的輸出為” i〇w,’ ,則第一轉換裝置274會 將該輔助推入控制訊號GPP維持在第一關閉訊號 275(系統的操作電壓VDD),所以該輔助輸出裝置29〇 的輔助推入電晶體291關閉不工作。但該拉出控制節點 GN的電壓會大幅增加,使該輸出級25〇的拉出電晶體 253的拉出電流增大;相同的該第二鏡射電晶體28丨所 1344262 輸入的第二鏡射電流12將會大於該第二參考電流 ' 282,所以該第二控制訊號V2的輸出為” high” ,則第 二轉換裝置284會將該輔助推入控制訊號GNN切換為 . 第二開啟訊號286 (偏壓電壓VD2),所以該輔助輸出裝 置290的輔助拉出電晶體293導通,使增加自輸出端 Vout拉出的電流。 本發明透過監控輸出級的電流》可以快速的產生輔 助推入/拉出控制訊號控制該輔助輸出裝置,當該輸出 訊號之電壓位準實質上不等於該輸入訊號之電壓位準 •時1開啟該輔助輸出裝置提供一輔助輸出電流至該輸出 端,而當該輸出訊號之電壓位準實質上等於該輸入訊號 之電壓位準時,該輔助輸出裝置則關閉不工作。當然本 發明也可以於該電流比較器中加入遲滯電路,用以延遲 該輔助推入/拉出電晶體的關閉時間’搭配輸出電流至 負載的考慮。與其他技術利用電壓變化來控制,本發明 利用電流調節輔助輸出端的開關,可以更快的反應輸入 端的變化增加運算放大器迴轉率,且就電路結構而言, • 構造簡單,可以直接套用到現有的運算放大器上,不需 重新设計’也就是保有原有運送放大器的特性。 惟上述僅為本發明之較佳實施例而已,並非用來限 定本發明實施之範圍。即凡依本發明申請專利範圍所做 的均等變化與修飾,皆為本發明專利範圍所涵蓋。 17 C S > 1344262 【圖式簡單說明】 第1圖,為習知高迴轉率運算放大器的示意圖。 第2圖,為一般AB類(Class AB)運算放大器之電路示 . 意圖。 .. 第3圖,為本發明增加運算器迴轉率之裝置示意圖。 ^ 【主要元件符號說明】 :輸入級 ⑴、113、115、131、133、135、137 : P 型電晶體 鲁 112、114、116、141、143、145、147 : N 型電晶體 120 : AB類控制級 121、122 :電阻 130 : P型主動負載 140 : N型主動負載 15 0 ·輸出級 15 1 :推入電晶體 153 :拉出電晶體 2〇〇 :運算放大器 鲁 210 ·輸入級 220 :控制級 250 ·輸出級 251 :推入電晶體 253 :拉出電晶體 260 :輔助控制裝置 270 :推入控制裝置 271 :第一鏡射電晶體 272 :第一參考電流 1344262 273 :第一電流比較器 * 274 :第一轉換裝置 275 :第一關閉訊 , 276 :第一開啟訊號 280 :拉出控制裝置 ' 281 :第二鏡射電晶體 > 282 :第二參考電流 283 :第二電流比較器 284 :第二轉換裝置 • 285 :第二關閉訊號 286 :第二開啟訊號 290 :輔助輸出裝置 291 :輔助推入電晶體 293 :輔助拉出電晶體 V+ :非反相輸入端 V-:反相輸入端 Vout :輸出端 • GP:推入控制節點 GN :拉出控制節點 Cl、C2 :補償電容
Vbl、Vb2、Vb3、Vb4 :偏壓電壓
Ip、In .定電流 GPP :輔助推入控制訊號 GNN :輔助拉出控制訊號 11 :第一鏡射電流 12 :第二鏡射電流
19 1344262 νι :第一控制訊號 V2 :第二控制訊號