TWI756027B - 運算放大器 - Google Patents

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Abstract

一種運算放大器，包含第一輸出電晶體與第二輸出電晶體，串聯於二電源節點之間，第二輸出電晶體的半導體類型相反於第一輸出電晶體，第一輸出電晶體與第二輸出電晶體電性耦接至輸出節點，且第一輸出電晶體的閘極與第二輸出電晶體的閘極分別連接至第一驅動節點與第二驅動節點；及去耦合電容電路，電性連接於第一驅動節點與第二驅動節點之間。

Description

運算放大器
本發明係有關一種運算放大器，特別是關於一種運算放大器的輸出級。
運算放大器(operational amplifier)為一種直流耦合(DC-coupled)且高增益(high-gain)的電壓放大器，為差動放大器(differential amplifier)的一種，通常具有差動輸入與單端(single-ended)輸出。運算放大器普遍使用於各種的消費、工業及科學裝置中。
AB類(class-AB)電路通常作為運算放大器的輸出緩衝器。然而，於傳統運算放大器中，輸出振幅(swing)於交流(AC)期間經常會耦合回到推拉(pull-pull)級，造成輸出緩衝器的短路電流。此外，傳統運算放大器的輸出級經常發生電壓波動(fluctuation)。根據運算放大器的特性，當電壓轉換更頻繁發生時，會有更多的交流(AC)電流被保存。
因此，亟需提出一種新穎的運算放大器，以克服傳統運算放大器的缺失。
鑑於上述，本發明實施例的目的之一在於提出一種運算放大器，可穩定輸出級、減少短路電流且壓抑輸出級的電壓波動。在一實施例中，使用米勒電容器連接至輸出節點，藉以穩定輸出級且降低短路電流。在一實施例中， 使用去耦合電容電路以增加驅動節點之間的電容，藉以壓抑驅動節點之間的電壓波動。
根據本發明實施例，運算放大器包含第一輸出電晶體、第二輸出電晶體及去耦合電容電路。第一輸出電晶體與第二輸出電晶體串聯於二電源節點之間，第二輸出電晶體的半導體類型相反於第一輸出電晶體，第一輸出電晶體與第二輸出電晶體電性耦接至輸出節點，且第一輸出電晶體的閘極與第二輸出電晶體的閘極分別連接至第一驅動節點與第二驅動節點。去耦合電容電路電性連接於第一驅動節點與第二驅動節點之間。
100:運算放大器
200:運算放大器
300:運算放大器
11:浮動電流輸入級
111:浮動電流電路
112A:第一電流源
112B:第二電流源
113A:第一串接電路
113B:第二串接電路
12:輸出級
121:去耦合電容電路
VSP1:正供應電壓/電源
MPO1:第一輸出電晶體
MNO1:第二輸出電晶體
OUT:輸出節點
PI:第一驅動節點
NI:第二驅動節點
CPN:去耦合電容器
CM1:第一米勒電容器
CM2:第二米勒電容器
MP1:第一浮動電晶體
MN1:第二浮動電晶體
MP2:第三浮動電晶體
MN2:第四浮動電晶體
VB1:第一偏壓
VB2:第二偏壓
VSP:電源
CPN1:第一去耦合電容器
CPN2:第二去耦合電容器
SB1:第一開關
SB2:第二開關
SB3:第三開關
SA1:第四開關
SA2:第五開關
SA3:第六開關
VIN:輸入電壓
VOUT:輸出電壓
PC:第一連接節點
NC:第二連接節點
VB3:偏壓
VB4:偏壓
第一圖顯示本發明第一實施例的運算放大器的電路圖。
第二圖顯示本發明第二實施例的運算放大器的電路圖。
第三圖顯示本發明第三實施例的運算放大器的電路圖。
第一圖顯示本發明第一實施例的運算放大器100的電路圖，可適用於平板顯示器(例如液晶顯示器)的源極驅動器(source driver)，但不限定於此。本實施例的運算放大器100主要包含浮動電流(floating current)輸入級11與輸出級12。
在本實施例中，輸出級12可包含第一輸出電晶體MPO1(例如p通道金屬氧化物半導體場效應電晶體(PMOS field effect transistor))與第二輸出電晶體MNO1(例如n通道金屬氧化物半導體場效應電晶體(NMOS field effect transistor))，串聯於二電源節點之間(例如正供應電壓VSP1與地之間)。因此，運算放大器可操作於正電源範圍。在其他實施例中，二電源節點可為地與負供應電壓。因此，運算放大器可操作於負電源範圍。第二輸出電晶體MNO1的半導體類型相反於第一輸出電晶體MPO1。其中，第一輸出電晶體MPO1的汲極(drain)與第二輸出電晶 體MNO1的汲極電性耦接至輸出節點OUT。第一輸出電晶體MPO1的源極(source)與第二輸出電晶體MNO1的源極分別電性耦接至電源VSP1與地。第一輸出電晶體MPO1的閘極(gate)與第二輸出電晶體MNO1的閘極分別連接至第一驅動節點PI與第二驅動節點NI。
輸出級12可包含第一米勒電容器(Miller capacitor)CM1與第二米勒電容器CM2，分別連接至第一輸出電晶體MPO1與第二輸出電晶體MNO1，以增加輸出級12的穩定性。在一實施例中，如第一圖所示，第一米勒電容器CM1電性連接於第一輸出電晶體MPO1的閘極與汲極之間，第二米勒電容器CM2電性連接於第二輸出電晶體MNO1的閘極與汲極之間。換句話說，第一米勒電容器CM1電性連接於第一驅動節點PI與輸出節點OUT之間，第二米勒電容器CM2電性連接於第二驅動節點NI與輸出節點OUT之間。
根據本實施例的特徵之一，輸出級12可包含去耦合(decoupling)電容電路121，用以穩定輸出級12。在一實施例中，如第一圖所示，去耦合電容電路121電性連接於第一驅動節點PI與第二驅動節點NI之間，且去耦合電容電路121可包含單一去耦合電容器CPN，可分別穩定第一驅動節點PI與第二驅動節點NI的電壓。
在本實施例中，浮動電流輸入級11可包含浮動電流電路111。在一實施例中，如第一圖所示，浮動電流電路111電性連接於第一驅動節點PI與第二驅動節點NI之間，且浮動電流電路111包含(第一)浮動電流源，其包含電性併聯的第一浮動電晶體MP1(例如p通道金屬氧化物半導體場效應電晶體)與第二浮動電晶體MN1(例如n通道金屬氧化物半導體場效應電晶體)。第一浮動電晶體MP1的半導體類型相反於第二浮動電晶體MN1。其中，第一浮動電晶體MP1的源極與第二浮動電晶體MN1的汲極電性耦接至第一驅動節點PI。第一浮動電晶體MP1的汲極與第二浮動電晶體MN1的源極電性耦接至第二驅動節點NI。第一浮動電晶體MP1的閘極與第二浮動電晶體MN1的閘極分別耦接第一偏壓VB1與第二偏壓VB2。此外，第一電流源112A可電性連接於浮動電流電路111與電源VSP(其可相 同或異於輸出級12的電源VSP1)之間，且第二電流源112B可電性連接於浮動電流電路111與地之間。
根據上述的運算放大器100，當第一驅動節點PI與第二驅動節點NI的電壓降低時，輸出節點OUT的電壓增加。輸出節點OUT所增加的電壓可分別藉由第一米勒電容器CM1與第二米勒電容器CM2，將第一驅動節點PI與第二驅動節點NI的電壓拉起，因而穩定輸出級12且降低短路電流。類似的情形，當第一驅動節點PI與第二驅動節點NI的電壓升高時，輸出節點OUT的電壓減少。輸出節點OUT所減少的電壓可分別藉由第一米勒電容器CM1與第二米勒電容器CM2，將第一驅動節點PI與第二驅動節點NI的電壓下拉，因而穩定輸出級12且降低短路電流。此外，去耦合電容電路121的去耦合電容器CPN可增加第一驅動節點PI與第二驅動節點NI之間的電容，因而壓抑第一驅動節點PI與第二驅動節點NI之間的電壓波動。
第二圖顯示本發明第二實施例的運算放大器200的電路圖。第二圖的運算放大器200類似於第一圖的運算放大器100，其差別說明如下。
在本實施例中，去耦合電容電路121可包含第一去耦合電容器CPN1與第二去耦合電容器CPN2，切換(switchably)併聯於第一驅動節點PI與第二驅動節點NI之間。其中，第一去耦合電容器CPN1的第一端藉由(選擇的)第一開關SB1電性連接至輸出節點OUT，且藉由第二開關SB2電性連接至第二驅動節點NI；第一去耦合電容器CPN1的第二端藉由第三開關SB3電性連接至第一驅動節點PI。第二去耦合電容器CPN2的第一端藉由(選擇的)第四開關SA1電性連接至輸出節點OUT，且藉由第五開關SA2電性連接至第一驅動節點PI；第二去耦合電容器CPN2的第二端藉由第六開關SA3電性連接至第二驅動節點NI。於操作時，第一開關SB1與第四開關SA1為斷開，而其他開關SB1、SB3、SA2及SA3為導通，使得第一去耦合電容器CPN1與第二去耦合電容器CPN2併聯於第一驅動節點PI與第二驅動節點NI之間，因而增加去耦合電容。在另一操作當中，第二開關SB2與第五開關SA2為斷開，而其他開關SB1、SB3、SA1及SA3為導通，使得第一去耦合 電容器CPN1併聯於第一米勒電容器CM1，且第二去耦合電容器CPN2併聯於第二米勒電容器CM2，因而增加米勒電容。
在本實施例中，浮動電流電路111具折疊(folded)結構，包含第一浮動電流源(包含MP1與MN1)與折疊的第二浮動電流源，該第二浮動電流源包含電性併聯的第三浮動電晶體MP2(例如p通道金屬氧化物半導體場效應電晶體)與第四浮動電晶體MN2(例如n通道金屬氧化物半導體場效應電晶體)。第三浮動電晶體MP2的半導體類型相反於第四浮動電晶體MN2。其中，第三浮動電晶體MP2的源極與第四浮動電晶體MN2的汲極電性耦接在一起。第三浮動電晶體MP2的汲極與第四浮動電晶體MN2的源極電性耦接在一起。第三浮動電晶體MP2的閘極與第四浮動電晶體MN2的閘極分別耦接第一偏壓VB1與第二偏壓VB2。
第三圖顯示本發明第三實施例的運算放大器300的電路圖。第三圖的運算放大器300類似於第二圖的運算放大器200，其差別說明如下。
在本實施例中，第一米勒電容器CM1電性連接於第一連接節點PC(而非第一驅動節點PI)與輸出節點OUT之間，且第二米勒電容器CM2電性連接於第二連接節點NC(而非第二驅動節點NI)與輸出節點OUT之間。去耦合電容電路121電性連接於第一連接節點PC與第二連接節點NC之間(而非第一驅動節點PI與第二驅動節點NI之間)。
在本實施例中，浮動電流輸入級11可更包含第一串接(cascade)電路113A與第二串接電路113B。其中，第一串接電路113A電性連接於第一電流源112A與浮動電流電路111之間，可包含併聯的二電晶體(例如p通道金屬氧化物半導體場效應電晶體)，其閘極連接在一起。第二串接電路113B電性連接於第二電流源112B與浮動電流電路111之間，可包含併聯的二電晶體(例如n通道金屬氧化物半導體場效應電晶體)，其閘極連接在一起。
在另一(未顯示)實施例中，第二去耦合電容器CPN2與相應開關SA1~SA3可省略。此外，第一開關SB1也可省略以降低電路面積。
以上所述僅為本發明之較佳實施例而已，並非用以限定本發明之申請專利範圍；凡其它未脫離發明所揭示之精神下所完成之等效改變或修飾，均應包含在下述之申請專利範圍內。
100:運算放大器 11:浮動電流輸入級 111:浮動電流電路 112A:第一電流源 112B:第二電流源 12:輸出級 121:去耦合電容電路 VSP1:正供應電壓/電源 MPO1:第一輸出電晶體 MNO1:第二輸出電晶體 OUT:輸出節點 PI:第一驅動節點 NI:第二驅動節點 CPN:去耦合電容器 CM1:第一米勒電容器 CM2:第二米勒電容器 MP1:第一浮動電晶體 MN1:第二浮動電晶體 VB1:第一偏壓 VB2:第二偏壓 VSP:電源

Claims (13)

  1. 一種運算放大器，包含：一第一輸出電晶體與一第二輸出電晶體，串聯於二電源節點之間，該第二輸出電晶體的半導體類型相反於該第一輸出電晶體，該第一輸出電晶體與該第二輸出電晶體電性耦接至輸出節點，且該第一輸出電晶體的閘極與該第二輸出電晶體的閘極分別連接至第一驅動節點與第二驅動節點；及一去耦合電容電路，電性連接於該第一驅動節點與該第二驅動節點之間；其中該去耦合電容電路包含一第一去耦合電容器，其第一端藉由第一開關電性連接至該輸出節點，且藉由第二開關電性連接至該第二驅動節點；該第一去耦合電容器的第二端藉由第三開關電性連接至該第一驅動節點。
  2. 如請求項1之運算放大器，更包含：一第一米勒電容器，電性連接於該第一驅動節點與該輸出節點之間；及一第二米勒電容器，電性連接於該第二驅動節點與該輸出節點之間。
  3. 如請求項1之運算放大器，其中該去耦合電容電路包含一去耦合電容器。
  4. 如請求項1之運算放大器，其中該去耦合電容電路更包含一第二去耦合電容器，切換連接於該第一驅動節點與該第二驅動節點之間。
  5. 如請求項4之運算放大器，其中該第二去耦合電容器切換連接於該第二驅動節點與該輸出節點之間。
  6. 如請求項1之運算放大器，更包含：一浮動電流輸入級，包含： 一浮動電流電路，電性連接於該第一驅動節點與該第二驅動節點之間。
  7. 如請求項6之運算放大器，其中該浮動電流電路包含：一第一浮動電流源，包含一第一浮動電晶體與一第二浮動電晶體，電性併聯於該第一驅動節點與該第二驅動節點之間，該第一浮動電晶體的半導體類型相反於該第二浮動電晶體。
  8. 如請求項7之運算放大器，其中該浮動電流電路更包含：一第二浮動電流源，包含一第三浮動電晶體與一第四浮動電晶體，電性併聯於該第一驅動節點與該第二驅動節點之間，該第三浮動電晶體的半導體類型相反於該第四浮動電晶體。
  9. 一種運算放大器，包含：一第一輸出電晶體與一第二輸出電晶體，串聯於二電源節點之間，該第二輸出電晶體的半導體類型相反於該第一輸出電晶體，該第一輸出電晶體與該第二輸出電晶體電性耦接至輸出節點，且該第一輸出電晶體的閘極與該第二輸出電晶體的閘極分別連接至第一驅動節點與第二驅動節點；一第一米勒電容器，電性連接於第一連接節點與該輸出節點之間；一第二米勒電容器，電性連接於第二連接節點與該輸出節點之間；及一去耦合電容電路，電性連接於該第一連接節點與該第二連接節點之間。
  10. 如請求項9之運算放大器，其中該去耦合電容電路包含一第一去耦合電容器，切換連接於該第一連接節點與該第二連接節點之間。
  11. 如請求項10之運算放大器，其中該第一去耦合電容器切換連接於該第一連接節點與該輸出節點之間。
  12. 如請求項10之運算放大器，其中該去耦合電容電路更包含一第二去耦合電容器，切換連接於該第一連接節點與該第二連接節點之間。
  13. 如請求項12之運算放大器，其中該第二去耦合電容器切換連接於該第二連接節點與該輸出節點之間。
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