TWI718950B - 運算放大器以及直流電壓位準控制方法 - Google Patents

運算放大器以及直流電壓位準控制方法 Download PDF

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Abstract

一種運算放大器包含一差動放大器電路以及一共模回授電路。差動放大器電路包含一偏壓電路、一放大電路以及一負載電路。偏壓電路用以產生一第一操作電壓。放大電路用以接收一對輸入訊號，且依據輸入訊號以及第一操作電壓產生一對輸出訊號。共模回授電路用以基於關聯輸出訊號的一共模電壓以及一參考電壓產生至少一共模回授電壓。至少一共模回授電壓用以控制偏壓電路以及負載電路，以控制運算放大器的一直流電壓位準。

Description

運算放大器以及直流電壓位準控制方法
本案中所述實施例內容是有關於一種運算放大器，特別關於一種可鎖定直流電壓位準的運算放大器以及直流電壓位準控制方法。
隨著電路技術的發展，各式放大器已被發展出來且已被應用於許多不同的應用中。一些應用中的放大器具有高增益(gain)以及高頻寬(bandwidth)的特性。基於此條件，這些應用中的放大器的直流電壓位準須被有效地控制(鎖定)，以使其他相關電路得以正常運作。
本案之一些實施方式是關於一種運算放大器。運算放大器包含一差動放大器電路以及一共模回授電路。差動放大器電路包含一偏壓電路、一放大電路以及一負載電路。偏壓電路用以產生一第一操作電壓。放大電路用以接收一對輸入訊號，且依據輸入訊號以及第一操作電壓產生 一對輸出訊號。共模回授電路用以基於關聯輸出訊號的一共模電壓以及一參考電壓產生至少一共模回授電壓。至少一共模回授電壓用以控制偏壓電路以及負載電路，以控制運算放大器的一直流電壓位準。
本案之一些實施方式是關於一種直流電壓位準控制方法。直流電壓位準控制方法包含：藉由一運算放大器中的一差動放大器電路依據一對輸入訊號以及一第一操作電壓產生一對輸出訊號；藉由運算放大器中的一共模回授電路基於關聯輸出訊號的一共模電壓以及一參考電壓產生至少一共模回授電壓；以及藉由至少一共模回授電壓控制差動放大器電路中的一偏壓電路以及一負載電路，以控制運算放大器的一直流電壓位準。
綜上所述，本案的運算放大器以及直流電壓位準控制方法可有效地控制運算放大器中差動放大器電路的直流電壓位準。
100,200,300:運算放大器
120,220,320:差動放大器電路
122,222,322:偏壓電路
124,224,324:放大電路
126,226,326:負載電路
140,240,340:共模回授電路
400:直流電壓位準控制方法
VDD:電源電壓
VSS:地電壓
V1,V2:操作電壓
VIP,VIN:輸入電壓
VOP,VON:輸出電壓
VOCM:共模電壓
VCM:參考電壓
VFB,VFB1,VFB2:共模回授電壓
IS1,IS2,IS3:電流源
M1,M2,M3,M4,M5,M6,M7,M8,M9,M10,M11,M12:電晶體
R1,R2:電阻
N1,N2,N3,N4,N5,N6,N7,N8:節點
VB1,VB2:偏壓
S420,S440,S460:操作
為讓本案之上述和其他目的、特徵、優點與實施例能夠更明顯易懂，所附圖式之說明如下：第1圖是依照本案一些實施例所繪示的一運算放大器的示意圖；第2圖是依照本案一些實施例所繪示的一運算放大器的電路圖； 第3圖是依照本案一些實施例所繪示的一運算放大器的電路圖；以及第4圖是依照本案一些實施例所繪示的一直流電壓位準控制方法的流程圖。
在本文中所使用的用詞『耦接』亦可指『電性耦接』，且用詞『連接』亦可指『電性連接』。『耦接』及『連接』亦可指二個或多個元件相互配合或相互互動。
參考第1圖。第1圖是依照本案一些實施例所繪示的運算放大器100的示意圖。
以第1圖示例而言，運算放大器100包含差動放大器電路120以及共模回授電路140。差動放大器電路120耦接共模回授電路140。共模回授電路140可用於控制(鎖定)差動放大器電路120的直流電壓位準。
在一些實施例中，運算放大器100可應用於類比電路中。由於類比電路的放大器具有高增益(gain)以及高頻寬(bandwidth)的特性，因此差動放大器電路120的直流電壓位準需被有效地控制，以使類比電路得以正常運作。需注意的是，本案不限制為應用於類比電路中。
在一些實施例中，差動放大器電路120的直流電壓位準可為一預設位準。在一些實施例中，差動放大器電路120的直流電壓位準可為一輸入共模位準。上述僅為舉例，本案不以此為限。
差動放大器電路120包含偏壓電路122、放大電路124以及負載電路126。偏壓電路122耦接放大電路124。放大電路124耦接負載電路126以及共模回授電路140。共模回授電路140耦接偏壓電路122以及負載電路126。
偏壓電路122依據電源電壓VDD產生操作電壓V1。放大電路124接收一對輸入訊號VIP以及VIN，且依據輸入訊號VIP和VIN、操作電壓V1以及操作電壓V2，產生一對輸出訊號(如第2圖中的一對輸出訊號VON以及VOP)。放大電路124基於該對輸出訊號產生且傳送共模電壓VOCM至共模回授電路140。負載電路126耦接於放大電路124與地電壓VSS之間。
除了來自放大電路124的共模電壓VOCM外，共模回授電路140更接收參考電壓VCM。共模回授電路140基於共模電壓VOCM以及參考電壓VCM產生至少一共模回授電壓VFB。舉例而言，共模回授電路140比較共模電壓VOCM以及參考電壓VCM，藉以產生至少一共模回授電壓VFB。在一些實施例中，至少一共模回授電壓VFB包含共模回授電壓VFB1以及共模回授電壓VFB2。共模回授電壓VFB1可控制負載電路126且共模回授電壓VFB2可控制偏壓電路122，進而鎖定差動放大器電路120的直流電壓位準。
在一些相關技術中，共模回授電路只對偏壓電路或只對負載電路執行共模回授控制。在只對偏壓電路執行共模回授控制的相關技術中，若偏壓電路中的電晶體發生 變異，會使得共模回授電路無法有效地控制(鎖定)差動放大器電路的直流電壓位準。相似地，在只對負載電路執行共模回授控制的相關技術中，若負載電路中的電晶體發生變異，會使得共模回授電路無法有效地控制(鎖定)差動放大器電路的直流電壓位準。
相較於上述相關技術，本案的運算放大器100可同時對偏壓電路122以及負載電路126執行共模回授控制，因此本案可有效地控制(鎖定)差動放大器電路120的直流電壓位準。
參考第2圖。第2圖是依照本案一些實施例所繪示的運算放大器200的電路圖。以第2圖示例而言，運算放大器200包含差動放大器電路220以及共模回授電路240。差動放大器電路220包含偏壓電路222、放大電路224以及負載電226。偏壓電路222包含電流源IS1以及電晶體M1。放大電路224包含電晶體M2-M5以及電阻R1-R2。負載電226包含電流源IS2以及電晶體M6。共模回授電路240包含電流源IS3以及電晶體M7-M12。
在一些實施例中，電晶體M1-M3、電晶體M7-M8以及電晶體M11是以P型電晶體實現，且電晶體M4-M6、電晶體M9-10以及電晶體M12是以N型電晶體實現，但本案不以此為限。
電流源IS1與電晶體M1接收電源電壓VDD且耦接節點N1。電晶體M1與電流源IS1依據電源電壓VDD於節點N1產生操作電壓V1。電晶體M1受共模回授電壓 VFB2控制。電晶體M2與電晶體M4串聯耦接於節點N1與節點N2之間。電晶體M3與電晶體M5串聯耦接於節點N1與節點N2之間。操作電壓V2產生於節點N2。電流源IS2與電晶體M6耦接於節點N2且接收地電壓VSS。電晶體M6受共模回授電壓VFB1控制。電晶體M2的控制端(例如：閘極端)以及電晶體M4的控制端接收輸入訊號VIP。電晶體M3的控制端以及電晶體M5的控制端接收輸入訊號VIN。基於差動放大器電路220的運作，輸出訊號VON產生於電晶體M2與電晶體M4的連接節點N3，且輸出訊號VOP產生於電晶體M3與電晶體M5的連接節點N4。電阻R1以及電阻R2串聯耦接於節點N3與節點N4之間。共模電壓VOCM產生於電阻R1以及電阻R2的連接節點。
電流源IS3接收電源電壓VDD且耦接節點N5。電晶體M7與電晶體M9串聯耦接。電晶體M7耦接節點N5以及節點N6。電晶體M9耦接節點N6且接收地電壓VSS。電晶體M8與電晶體M10串聯耦接。電晶體M8耦接節點N5以及節點N7。電晶體M10耦接節點N7且接收地電壓VSS。電晶體M9的控制端以及電晶體M6的控制端耦接節點N6，且共模回授電壓VFB1產生於節點N6。電晶體M10的控制端以及電晶體M12的控制端耦接節點N7。電晶體M11接收電源電壓VDD且耦接節點N8。電晶體M12耦接節點N8且接收地電壓VSS。電晶體M11以及電晶體M12的連接節點N8耦接至電晶體M11的控制端以及電晶體M1的控制端。共模回授電壓VFB2產生於節點N8。
在運作上，當共模電壓VOCM高於參考電壓VCM時，電流源IS3所產生的電流較多會流向電晶體M7以及電晶體M9。據此，節點N6電壓值會提高。等效而言，共模回授電壓VFB1的電壓值會提高，使得電晶體M6的導通程度變大。在這個情況下，放大電路224中的共模電壓VOCM的電壓值可透過電晶體M5、電晶體M4以及電晶體M6往下拉，使得共模電壓VOCM的電壓值降低且變的較接近參考電壓VCM，進而控制差動放大器電路220的直流電壓位準。在一些實施例中，當共模電壓VOCM與參考電壓VCM的差值越大時，共模回授電壓VFB1的電壓值越高。
另一方面，當共模電壓VOCM高於參考電壓VCM時，電流源IS3所產生的電流較少會流向電晶體M8以及電晶體M10。據此，節點N7的電壓值會降低，使得電晶體M12的導通程度變小。據此，節點N8的電壓值會提高。等效而言，共模回授電壓VFB2的電壓值會提高，使得電晶體M1的導通程度變小。在這個情況下，放大電路224中的共模電壓VOCM的電壓值較不易透過電晶體M3、電晶體M2以及電晶體M1往上拉，使得共模電壓VOCM的電壓值降低且變的較接近參考電壓VCM，進而控制差動放大器電路220的直流電壓位準。在一些實施例中，當共模電壓VOCM與參考電壓VCM的差值越大時，共模回授電壓VFB2的電壓值越高。
相反地，當共模電壓VOCM低於參考電壓VCM時，電流源IS3所產生的電流較多會流向電晶體M8以及電 晶體M10，而較少會流向電晶體M7以及電晶體M9。據此，節點N6的電壓值會降低且節點N7的電壓值會提高，使得電晶體M6的導通程度變小且電晶體M12的導通程度變大。由於電晶體M12的導通程度變大，節點N8的電壓值會降低。由於節點N6的電壓值降低，因此共模回授電壓VFB1的電壓值降低。同時，由於節點N8的電壓值亦降低，因此共模回授電壓VFB2的電壓值也會降低。在這個情況下，電晶體M6的導通程度變小且電晶體M1的導通程度變大。據此，放大電路224中的共模電壓VOCM的電壓值較不易透過電晶體M5、電晶體M4以及電晶體M6往下拉，而較容易透過電晶體M3、電晶體M2以及電晶體M1往上拉，使得共模電壓VOCM的電壓值上升且變的較接近參考電壓VCM，進而控制差動放大器電路220的直流電壓位準。
藉由上述運作，若負載電路226中的電晶體M6發生變異，仍可透過共模回授電壓VFB2控制偏壓電路222，以控制差動放大器電路220的直流電壓位準。若偏壓電路222中的電晶體M1發生變異，仍可透過共模回授電壓VFB1控制負載電路226，以控制差動放大器電路220的直流電壓位準。
參考第3圖。第3圖是依照本案一些實施例所繪示的運算放大器300的電路圖。以第3圖示例而言，運算放大器300包含差動放大器電路320以及共模回授電路340。差 動放大器電路320包含偏壓電路322、放大電路324以及負載電326。
第3圖的運算放大器300與第2圖的運算放大器200之間的主要差異在於，在第3圖中，放大電路324的電晶體M4的控制端以及電晶體M5的控制端接收偏壓VB1，共模回授電路340的電晶體M9的控制端以及電晶體M10的控制端接收偏壓VB2，偏壓電路322的電晶體M1的控制端直接耦接共模回授電路340中的節點N7以接收共模回授電壓VFB2。
相似地，若負載電路326中的電晶體M6發生變異，仍可透過共模回授電壓VFB2控制偏壓電路322，以控制差動放大器電路320的直流電壓位準。若偏壓電路322中的電晶體M1發生變異，仍可透過共模回授電壓VFB1控制負載電路326，以控制差動放大器電路320的直流電壓位準。
參考第4圖。第4圖是依照本案一些實施例所繪示的直流電壓位準控制方法400的流程圖。直流電壓位準控制方法400包含操作S420、S440以及S460。
在一些實施例中，直流電壓位準控制方法400應用於第1圖的運算放大器100、第2圖的運算放大器200或第3圖的運算放大器300中，但本案不以此為限。為易於理解，直流電壓位準控制方法400將搭配第1圖的運算放大器100進行討論。
在操作S420中，藉由運算放大器100中的差動放大器電路120依據一對輸入訊號VIP以及VIN以及操作電壓V1產生一對輸出訊號VON以及VOP。在一些實施例中，輸入訊號VIP以及VIN為一對差動輸入訊號，且輸出訊號VON以及VOP為一對差動輸出訊號。
在操作S440中，藉由運算放大器100中的共模回授電路140基於關聯該對輸出訊號VON以及VOP的共模電壓VOCM以及參考電壓VCM產生至少一共模回授電壓VFB。在一些實施例中，至少一共模回授電壓VFB包含共模回授電壓VFB1以及共模回授電壓VFB2。
在操作S460中，藉由至少一共模回授電壓VFB控制差動放大器電路100中的偏壓電路122以及負載電路126，以控制差動放大器電路120的直流電壓位準。在一些實施例中，共模回授電壓VFB1以及共模回授電壓VFB2分別控制負載電路126以及偏壓電路122。據此，若負載電路126中的電晶體發生變異，仍可透過共模回授電壓VFB2控制偏壓電路122，以控制差動放大器電路120的直流電壓位準。若偏壓電路122中的電晶體發生變異，仍可透過共模回授電壓VFB1控制負載電路126，以控制差動放大器電路120的直流電壓位準。
綜上所述，本案的運算放大器以及直流電壓位準控制方法可有效地控制運算放大器中差動放大器電路的直流電壓位準。
各種功能性元件和方塊已於此公開。對於本技術領域具通常知識者而言，功能方塊可由電路(不論是專用電路，或是於一或多個處理器及編碼指令控制下操作的通用電路)實現，其一般而言包含用以相應於此處描述的功能及操作對電氣迴路的操作進行控制之電晶體或其他電路元件。進一步地理解，一般而言電路元件的具體結構與互連，可由編譯器(compiler)，例如暫存器傳遞語言(Register Transfer Language,RTL)編譯器決定。暫存器傳遞語言編譯器對與組合語言代碼(assembly language code)相當相似的指令碼(script)進行操作，將指令碼編譯為用於佈局或製作最終電路的形式。
雖然本案已以實施方式揭示如上，然其並非用以限定本案，任何本領域具通常知識者，在不脫離本案之精神和範圍內，當可作各種之更動與潤飾，因此本案之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。
100:運算放大器
120:差動放大器電路
122:偏壓電路
124:放大電路
126:負載電路
140:共模回授電路
VDD:電源電壓
VSS:地電壓
V1,V2:操作電壓
VIP,VIN:輸入電壓
VOCM:共模電壓
VCM:參考電壓
VFB,VFB1,VFB2:共模回授電壓

Claims (10)

  1. 一種運算放大器，包含：一差動放大器電路，包含：一偏壓電路，用以產生一第一操作電壓；一放大電路，用以接收一對輸入訊號，且依據該對輸入訊號以及該第一操作電壓產生一對輸出訊號；以及一負載電路，耦接該放大電路，其中該負載電路包含一第一電流源以及一第一電晶體，且該第一電流源以及該第一電晶體並聯耦接於一第一節點與一地電壓之間；以及一共模回授電路，用以基於關聯該對輸出訊號的一共模電壓以及一參考電壓產生至少一共模回授電壓，其中該至少一共模回授電壓用以控制該偏壓電路以及該負載電路的該第一電晶體，以控制該差動放大器電路的一直流電壓位準。
  2. 如請求項1所述的運算放大器，其中該共模回授電路用以接收該共模電壓，且比較該共模電壓與該參考電壓，以產生該至少一共模回授電壓。
  3. 如請求項1所述的運算放大器，其中該偏壓電路包含：一第二電流源；以及一第二電晶體，與該第二電流源耦接於一第二節點， 其中該第二電晶體與該第二電流源用以依據一電源電壓於該第二節點產生該第一操作電壓，其中該第二電晶體受該至少一共模回授電壓中的一第一共模回授電壓控制。
  4. 如請求項3所述的運算放大器，其中一第二操作電壓產生於該第一節點，其中該放大電路依據該對輸入訊號、該第一操作電壓以及該第二操作電壓產生該對輸出訊號，且該第一電晶體受該至少一共模回授電壓中的一第二共模回授電壓控制。
  5. 如請求項4所述的運算放大器，其中當該共模電壓與該參考電壓的一差值越大時，該第一共模回授電壓或該第二共模回授電壓的電壓值越高。
  6. 如請求項4所述的運算放大器，其中該第一電晶體的形式與該第二電晶體的形式不同。
  7. 如請求項6所述的運算放大器，其中該第二電晶體為P型電晶體，且該第一電晶體為N型電晶體。
  8. 如請求項1所述的運算放大器，其中一第二操作電壓產生於該第一節點，其中該放大電路依據該對輸入訊號、該第一操作電壓以及該第二操作電壓產生該對輸 出訊號。
  9. 一種直流電壓位準控制方法，包含：藉由一運算放大器中的一差動放大器電路依據一對輸入訊號以及一第一操作電壓產生一對輸出訊號；藉由該運算放大器中的一共模回授電路基於關聯該對輸出訊號的一共模電壓以及一參考電壓產生至少一共模回授電壓；以及藉由該至少一共模回授電壓控制該差動放大器電路中的一偏壓電路以及一負載電路，以控制該差動放大器電路的一直流電壓位準，其中該負載電路包含一電流源以及一電晶體，且該電流源以及該電晶體並聯耦接於一節點與一地電壓之間。
  10. 如請求項9所述的直流電壓位準控制方法，更包含：藉由該共模回授電路接收該共模電壓，且比較該共模電壓與該參考電壓，以產生該至少一共模回授電壓。
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