TWI445299B - 運算放大器之軌對軌輸出級之直流操作電流設定 - Google Patents

Description

運算放大器之軌對軌輸出級之直流操作電流設定

本發明之態樣大體上關於一種運算放大器，及特定言之關於在運算放大器之軌對軌輸出級內之靜態電流設定。

運算放大器(「op-amp」)是在很多應用中可採用之廣泛知曉且使用的電子裝置。通常，一運算放大器係具有差動輸入及一單一輸出的一直流耦合高增益電子電壓放大器。因為運算放大器使用較低供應電壓的趨勢，所以運算放大器在軌與軌之間的擺動的能力在重要性上已經增加。藉由能在軌與軌之間擺動，運算放大器在輸出及輸入上可使用其全部或接近其全部的電壓範圍。軌對軌運算放大器可適合低電壓應用。

然而，由於製造過程，在運算放大器中流動的靜態電流中可發生隨機變化。此等變化可影響適當偏壓一輸出電晶體以控制及保持在一電路中的理想靜態電流之能力。

因此，理想的係提供一電路配置，該電路配置精確地設定在運算放大器之一軌對軌輸出級內之靜態電流。

本發明之實施例克服習知技術之以上提到的及各種其他缺點，提供一運算放大器之一輸出級，其具有第一電晶體及第二電晶體，第一電晶體及第二電晶體各者可在靜態條件下提供一集極電流給第一電流源及第二電流源。一電阻器可接收該等集極電流之一者之一部分並且作出回應而產生一電阻器電壓。一輸出電晶體可提供具有一值的一靜態電流，該值係根據該電阻器電壓與該第二電晶體之一基極射極電壓而計算。

本發明之各種實施例的前述及其它態樣將通過以下結合所附圖式之其詳細描述的檢驗獲得深一層之瞭解。

從以下描述將瞭解本文提出的實施例連同具有各種應用的運算放大器可有用的，此等應用包含但不限於工業程序控制、使用電池的儀器、電源控制及保護、電信、遙感、低壓應變計放大器、及DAC輸出放大器。

藉由繪示，圖1係一示意圖，該圖係一運算放大器之一輸出級之一部分的一實施例。電晶體Q1 105及Q2 110可係雙極PNP電晶體。電晶體Q1 105及Q2 110可係相同的或匹配的電晶體。電晶體Q1 105及Q2 110的各自基極相互連接。Q1 105之一射極可被連接至一供應電壓軌，而一集極被連接至一電流源I1 130。電晶體Q2 110之一射極可被串聯地連接至電阻器R1 115之一端，而電阻器R1 115之另一端連接至供應電壓軌。電晶體Q2 110之一集極可被連接至一電流源I2 135。電阻器R1 115可設定其值使得其在靜態條件中(亦即，沒有輸入信號被施加)，電阻器R1 115透過跨電阻器115的電壓降負而使電晶體Q2 110之基極射極電壓V_BE 退化。在一實施例中，電阻器R1 115可具有一200Ω的值。作為跨電阻器115的電壓降的結果，電晶體Q2 110之基極射極電壓V_BE 可小於電晶體Q1 105之基極射極電壓V_BE ，且相對地，電晶體Q2 110之集極電流I_CQ2 可小於電晶體Q1 105之集極電流I_CQ1 。因為Q2 110之集極電流I_CQ2 小於Q1 105之集極電流I_CQ1 ，所以一集極電流差dI_c 可存在於該兩個電晶體Q1 105與Q2 110之間(亦即I_CQ1 -I_CQ2 =dI_c )。

在一實施例中，電流源I1 130及I2 135可向電晶體Q1 105及Q2 110要求相等量的電流。例如，電流源I1 130及I2 135可向電晶體Q1 105及Q2 110要求12μA。因為Q2 110之集極電流I_CQ2 小於Q1 105之集極電流I_CQ1 ，所以電流源I2 135可從二極體D1 120獲得電流差dI_c 。在電流源I1 130及I2 135向電晶體Q1 105及Q2 110要求12μA的實施例中，可由電晶體Q1 105之集極提供12μA電流，然而從電晶體Q2 110之集極僅可流出11μA電流。若來自電晶體Q3 125的基極電流誤差被忽略，則二極體D1 120可提供近似1μA。二極體D1 120可鏡射電流dI_c 至輸出級電晶體Q3 125，且電晶體Q3 125具有相對於二極體D1之一80：1比率。輸出級電晶體Q3可係一雙極PNP電晶體。由二極體鏡射至電晶體Q3 125且由電晶體Q3 125放大的電流差dI_c 設定在電晶體Q3 125內的靜態電流I_CQ3 之值。在圖1之討論中使用例示性圖式敍述本文，若由二極體D1 120提供的電流dI_c 近似1μA，則靜態電流可係近似80μA。

在圖1之前述實施例中，靜態電流I_CQ3 可根據退化電阻器R1 115之值而確定且設定。為了調整靜態電流I_CQ3 ，可改變退化電阻器R1 115之值。使用退化電阻器R1 115設定電晶體Q3 125之靜態電流I_CQ3 的一個缺點係電晶體Q1 105及Q2 110之射極必需非常匹配。例如，若電阻器R1具有一200Ω的值且電流源I1 130及I2 135都要求12μA，則在R1上形成一2.4mV電壓降。假設沒有基極電流誤差且在Q1 105與Q2 110之間有一完美的匹配，則電晶體Q1之集極電流I_c 將比電晶體Q2之集極電流I_c 大10%。若製程變異十分不佳使得電晶體Q1 105之射極比Q2 110射極小10%，則實際上，在電晶體Q1之集極電流I_c 與Q2之集極電流Ic之間將不存在差(亦即)。

圖2係一示意圖，該圖係一運算放大器之一輸出級之一部分的一實施例。如在圖2中顯示的，電晶體Q1 205及Q2 210可係PNP雙極電晶體。然而，根據本發明之原理，此等電晶體並不限於此。電晶體Q1 205及Q2 210之射極都可連接至相同的軌。各自電晶體之基極可相互連接。各自電晶體Q1 205及Q2 210之射極的面積可能不相匹配，使得用於一個電晶體之射極相對用於另一個電晶體之射極具有一較大面積。在一實施例中，Q1 205及Q2 210之射極的面積之比率可係5：6，但只要在該兩個電晶體之基極射極電壓間存在一差，則可使用其他比率。在一實施例中，此基極射極電壓差可至少係1mV。

一電阻器R1 215在一端可被連接至電晶體Q1 205及Q2 210之基極與Q1 205之集極，及在另一端被連接至電晶體Q2之集極。在一實施例中，電阻器R1 215可具有一20kΩ的值。電晶體Q2 210之集極及電阻器R1 215可被連接至電晶體Q3 230之基極及至電流源I2 225。電晶體Q1 205之集極可被連接至電流源I1 220。在一實施例中，電流源I1 220及I2 225可要求且提供相等量的電流I。在一實施例中，由電流源I1 220及I2 225要求的電流I可係12μA。若電晶體Q1 205之射極係電晶體Q2 210之射極的尺寸的5/6，則Q1 205之集極電流I_CQ1 將近似Q2 210之集極電流I_CQ2 的5/6。因為兩個電流源I1 220及I2 225向電晶體Q1 205及Q2 210要求相等量的電流I，所以在I_CQ1 與I_CQ2 之間的電流差(亦即1/6的I)，dI_c ，可在兩個電流源I1 220與I2 225之間分擔。用於I=12μA之實施例的從Q2 210向電流源I1 220流動之1μA或1/12電流I的此電流差dI_c 的一半可通過電阻器R1 215流動，建立跨越電阻器R1 215之一電壓降dV_BE (dV_BE =dI_c *R1)。電晶體Q3 230之基極射極電壓可表達為V_BEQ3 V_BEQ1 -dV_BE ，其中dV_BE =1/12*I*R1。

電晶體Q3 230之一靜態電流I_CQ3 可具有一根據電晶體Q3 230之基極射極電壓V_BEQ3 計算的值，且在電晶體Q3 230內之靜態電流值使用以下等式確定：(1)V_BEQ3 =V_BEQ1 -1/12*I*R1

(2)V_T ln(I_CQ3 /80)=V_T ln(I_CQ1 /5)-1/12*I*R1

(3)V_T ln(I_CQ3 /16*I_CQ1 ))=-1/12*I*R1

(4)I_CQ3 =e^{((-1/12*I*R1)/26mv)} *16*I_CQ1

在以上等式中，在等式(3)中使用的值16可代表電晶體Q3 230與電晶體Q1 205之間的比率。V_T 係由等式V_T =kT/q確定的熱電壓，k係玻茲曼常數(Boltzmann's constant)，T係在絕對溫標中的絕對溫度，及q係在電子上的電荷量 (以庫侖為電量單位)。V_T 近似26mV。電晶體Q1 205之基極射極電壓V_BEQ1 可隨在電流源I1 220中的任何變化而對數地改變。跨越電阻器R1 215之電壓降dV_BE 可稍微變化，因為電晶體Q1 205及Q2 210之接近及相似的擴散。

對比依賴退化電阻器R1 115之絕對精確值設定及控制電晶體Q3 125之靜態電流I_CQ3 的圖1之實施例，圖2之電路可藉由改變電晶體Q1 205及Q2 210之射極面積的比率而升高或降低電晶體Q3 230之靜態電流I_CQ3 。在電晶體Q1 205及Q2 210之射極面積的比率中之一較大差可減少在電晶體Q3 230中流動的靜態電流，而在電晶體Q1 205及Q2 210之射極面積的比率中之一較小差可增加靜態電流。圖2之實施例可進一步消除對在圖1之實施例中出現的鏡射靜態電流至電晶體Q3之二極體D1 120的需求。圖2之電路本來比圖1之實施例更穩定，關掉輸出級電晶體Q3 235(若未消除)之風險大大減少。

在一替代實施例中，代替電晶體Q1 205及Q2 210之射極面積之不相匹配，在圖2中實施的電路可具有匹配的電晶體Q1 205及Q2 210。電流源I1 220與I2 225可向電晶體Q1 205及Q2 210要求不同量的電流。例如，電流源I1 220可要求13μA及電流源I2 225可要求11μA。因為電流源I1 220比電流源I2 225要求更多電流，所以由電晶體Q2 210提供之電流的一部分可改向以饋送電流源I1 220，其中該改向的電流部分傳遞通過電阻器R1 215，該電阻器在一實施例中可具有一20kΩ的值。所得的跨越電阻器R1 215之電壓降，dV_BE ，可連同電晶體Q2 210之基極射極電壓V_BE 在計算電晶體Q3 230之基極射極電壓V_BEQ3 時使用。基極射極電壓V_BEQ3 可近似為V_BEQ1 -dV_BE 。電晶體Q3 230之靜態電流I_CQ3 可根據電晶體Q3 230之基極射極電壓V_BEQ3 而使用上述之等式設定及計算。

圖3係一示意圖，該圖係一運算放大器之一輸出級之一部分的一實施例。在圖3中，電晶體Q1 305及Q2 310可係雙極PNP電晶體。然而，根據本發明之原理，此等電晶體並不限於此。電晶體Q1 305及Q2 310在它們各自的射極之面積可能不相匹配。在一實施例中，Q1 305相對於Q2 310之射極面積的比率係5：6。電晶體Q1 305及Q2 310之射極可被連接至相同的軌。電晶體Q1 305及Q2 310之基極可相互連接。電晶體Q1 305之集極可連接至電阻器R1 315之一端，而電阻器R1之另一端連接至電流源I1 320。一第二電阻器R2 340可在一端連接至電阻器R1 315及Q1 305之集極，且在另一端連接至節點335、Q2 310之集極、Q3 330之基極、及電流源I2 325。電阻器R1 315可具有一小於圖2之實施例之電阻器R2 340的值。在一實施例中，電阻器R1 315可具有一200Ω的值，且電阻器R2 340可具有一20kΩ的值。

電流源I1 320及I2 325可向電晶體Q1 305及Q2 310要求相同量的電流I。因為電晶體Q1 305及Q2 310係不相匹配，所以Q1 305及Q2 310可提供不同量的集極電流。對於Q1 305及Q2 310的射極面積的比率係5：6的實施例，1/12電流I可從Q2 310之集極通過電阻器R2 340流出。可產生跨越電阻器R2 340的等於1/12*I*R2之一電壓降。

隨著集極電流從Q1 305流出，集極電流將經過電阻器R1 315，導致產生跨越電阻器R1 315的等於I*R1之一第二電阻器電壓或電壓降。使用圖3之電路，可將電晶體Q3 330之基極射極電壓V_BEQ3 約略計算為1/12*I*R1。電晶體Q3之靜態電流I_CQ3 使用以下描述的等式根據電晶體Q3之基極射極電壓V_BEQ3 而設定及計算：

I_CQ3 =e^{((-I*R2-1/12*I*R1)/26mv)} *16*I_CQ1

對於I=12μA、R1=200Ω、及R2=20kΩ的實施例，電晶體Q3 330之靜態電流I_CQ3 可係81μA。在以上等式中的值16可反映電晶體Q3 330與電晶體Q1 305之間的比率。圖3之實施例能藉由改變電阻器R1 315或R2 340之值加偏壓於且操縱電晶體Q3 330之靜態電流I_CQ3 。

圖4係一示意圖，該圖係一運算放大器之一輸出級之一部分的一實施例。圖4可包含在高側485的圖2之電路實施例，及在低側490的採用NPN電晶體之一對稱電路實施例。高側電路485及低側電路490之對稱性質可產生一平穩的運算放大器，在該運算放大器中I_CQ3 =I_CQ6 。低側490可類似圖2之實施例操作。對於此實施例，若電晶體Q4 455的射極之面積係具有一有一電晶體Q5 460的射極之面積之5/6，及若電流源I3 440及I4 445要求相等量的電流，則用於電晶體Q6 465之基極射極電壓可表達為V_BEQ6 =V_BEQ5 -1/12*I*R3，且I係由電流源I3 440及I4 445要求的電流量。

在本文揭示的實施例描述一運算放大器之一輸出級之一部分。任何此等實施例可為已知的運算放大器、H型橋、或其他電路之一部分或在圖1至3顯示的各種連接點處連接至一已知的運算放大器、H型橋、或其他電路。本文揭示的實施例非意欲限制在與任何特定運算放大器或其他電路使用中。

本發明之一些特徵及態樣已經僅藉由實例之方式，並不藉由限制的方式參考特定實施例被繪示及詳細描述。熟習此項技術者應瞭解在本發明之範圍及預期內對所揭示實施例的替代實施及各種修改。例如，前述實施例已經使用一特定類型的電晶體(例如n型，p型)被描述。明顯地是可改變輸入及電晶體類型以改變電路組態，但仍提供相同的效果。同樣，例如，前述實施例就雙極電晶體被描述。明顯地是可代替使用其他電晶體，但仍提供相同的效果。例如，本發明可適用於MOS電晶體，且一MOS電晶體之一閘極相應於一雙極電晶體之基極，一MOS電晶體之汲極相應於一雙極電晶體之集極，及一MOS電晶體之源極相應於一雙極電晶體之射極。使用替代雙極電晶體之MOS電晶體可消除任何與雙極電晶體相關的基極電流誤差。因此，期望本發明被認為僅由所附請求項之範圍限定。

335．．．節點

485．．．高側電路/高側

490．．．低側電路/低側

D1 120．．．二極體

I1 130．．．電流源

I1 220．．．電流源

I1 320．．．電流源

I1 425．．．電流源

I2 135．．．電流源

I2 225．．．電流源

I2 325．．．電流源

I2 430．．．電流源

I3 440．．．電流源

I4 445．．．電流源

Q1 105．．．電晶體

Q1 205．．．電晶體

Q1 305．．．電晶體

Q1 405．．．電晶體

Q2 110．．．電晶體

Q2 210．．．電晶體

Q2 310．．．電晶體

Q2 410．．．電晶體

Q3 125．．．電晶體

Q3 230．．．電晶體

Q3 330．．．電晶體

Q3 420．．．電晶體

Q4 455．．．電晶體

Q5 460．．．電晶體

Q6 465．．．電晶體

R1 115．．．電阻器

R1 215．．．電阻器

R1 315．．．電阻器

R1 415．．．電阻器

R2 340．．．電阻器

R2 435．．．電阻器

R3 450．．．電阻器

圖1係一示意圖，該圖係一運算放大器之一輸出級之一部分的一實施例；

圖2係一示意圖，該圖係一運算放大器之一輸出級之一部分的一實施例；

圖3係一示意圖，該圖係一運算放大器之一輸出級之一部分的一實施例；及

圖4係一示意圖，該圖係一運算放大器之一輸出級之一部分的一實施例。

D1 120．．．二極體

I1 130．．．電流源

I2 135．．．電流源

Q1 105．．．電晶體

Q2 110．．．電晶體

Q3 125．．．電晶體

R1 115．．．電阻器

Claims (22)

1. 一種用於在一放大器之一輸出級內設定一靜態電流之電路，其包括：第一雙極電晶體及第二雙極電晶體，該第一雙極電晶體及該第二雙極電晶體具有各自基極、集極及射極，其中該第一雙極電晶體及該第二雙極電晶體之基極相互連接，且該第一雙極電晶體及該第二雙極電晶體之射極係直接地連接至一供應電壓軌；一電阻器，其連接至該第一雙極電晶體與該第二雙極電晶體之集極之一者，並且連接至該第一雙極電晶體與該第二雙極電晶體之集極及基極；及一輸出雙極電晶體，其具有一基極、集極及射極，該輸出雙極電晶體之集極根據該第一雙極電晶體之一基極射極電壓與跨越該電阻器之一電壓降而提供一靜態電流。
2. 如請求項1之電路，其進一步包括第一電流源及第二電流源，用以向該第一雙極電晶體及該第二雙極電晶體要求電流。
3. 如請求項2之電路，其進一步包括一第二電阻器，該第二電阻器連接至該第一雙極電晶體之集極、該第一雙極電晶體與該第二雙極電晶體之基極、及該第一電流源。
4. 如請求項2之電路，其中該第一電流源被連接至該第一雙極電晶體之集極、該第一雙極電晶體與該第二雙極電晶體之基極、及該電阻器，且該第二電流源被連接至該 第二雙極電晶體之集極、該輸出雙極電晶體之基極、及該電阻器。
5. 如請求項1之電路，其中該第一雙極電晶體、該第二雙極電晶體及該輸出雙極電晶體係PNP雙極電晶體與NPN雙極電晶體之一者。
6. 如請求項1之電路，其中該第一雙極電晶體及該第二雙極電晶體之射極具有不同的面積。
7. 如請求項6之電路，其中該第二雙極電晶體之射極面積大於該第一雙極電晶體之射極面積。
8. 如請求項2之電路，其中該第一電流源及該第二電流源向該第一雙極電晶體及該第二雙極電晶體要求一相同量的電流。
9. 如請求項2之電路，其中該第一電流源及該第二電流源向該第一雙極電晶體及該第二雙極電晶體要求不同量的電流。
10. 如請求項1之電路，其中該輸出電晶體之靜態電流係根據該第二雙極電晶體之基極射極電壓與該電阻器之電壓降之差而計算。
11. 一種用於在一放大器之一輸出級內設定一靜態電流之電路，其包括：第一雙極電晶體及第二雙極電晶體，該第一雙極電晶體及該第二雙極電晶體各者用以在靜態條件下提供一集極電流給一第一電流源及一第二電流源；一電阻器，其用以回應於接收該等集極電流之一者之 一部分而產生一電阻器電壓；及一輸出雙極電晶體，用以提供具有一值的一靜態電流，該值係根據一相等於將該第二雙極電晶體之一基極射極電壓減去該電阻器電壓之電壓而計算。
12. 如請求項11之電路，其進一步包括一第二電阻器，用以回應於接收該第一雙極電晶體之集極電流而產生一第二電阻器電壓。
13. 如請求項11之電路，其中該第一雙極電晶體及該第二雙極電晶體包含各自基極、集極及射極，其中該第一雙極電晶體及該第二雙極電晶體之基極相互連接，並且該第一雙極電晶體及該第二雙極電晶體之射極連接至一供應電壓軌。
14. 如請求項11之電路，其中該電阻器被連接至該第一雙極電晶體與該第二雙極電晶體之集極之一者，並且連接至該第一雙極電晶體與該第二雙極電晶體之集極及基極。
15. 如請求項11之電路，其中該第一電流源及該第二電流源向該第一雙極電晶體及該第二雙極電晶體要求一相等量的電流。
16. 如請求項11之電路，其中該第一電流源及該第二電流源向該第一雙極電晶體及該第二雙極電晶體要求不同量的電流。
17. 如請求項11之電路，其中該第一雙極電晶體及該第二雙極電晶體之各自的射極有不同的面積。
18. 如請求項17之電路，其中該第一雙極電晶體及該第二雙 極電晶體提供不同量之集極電流。
19. 如請求項18之電路，其中由該電阻器接收的該等集極電流之一者的部分係由該第一雙極電晶體及該第二雙極電晶體提供的該等不同量之集極電流的差。
20. 如請求項11之電路，其中該輸出雙極電晶體之靜態電流係根據該第一雙極電晶體之基極射極電壓與該電阻器電壓之差而計算。
21. 如請求項12之電路，其中該輸出電晶體之靜態電流係根據該第一雙極電晶體之基極射極電壓與該電阻器及該第二電阻器電壓之差而計算。
22. 一種用於在一放大器之一輸出級內設定一靜態電流之電路，其包括：第一放大器構件及第二放大器構件，各者用以在靜態條件下提供一電流給一第一電流源及一第二電流源；電阻構件，用以回應於接收該等電流之一者之一部分而產生一電阻器電壓；及輸出放大器構件，用以根據一相等於將該第二放大器構件之一基極射極電壓減去該電阻器電壓之電壓而提供一靜態電流。