專利名稱：電流反饋運算放大器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明關(guān)于一種電流反饋運算放大器，特別是關(guān)于一種在輸入端及輸入對晶體管間形成負(fù)反饋以增強(qiáng)增益的電流反饋運算放大器。
一般而言，電流反饋運算放大器的轉(zhuǎn)換速度(slew rate)及頻寬均較電壓反饋運算放大器的大而且適合低電壓操作，因此常用于線驅(qū)動器(line driver)以驅(qū)動一較大的負(fù)載。


圖1為已知的一電流反饋運算放大器的電路，包含一第二代電流傳送體(second generation current conveyor；CCII+)11及一輸出級12。該電流傳送體11有A類(class A)及A/B類(class A/B)兩種型式，A類電流傳送體11的輸入端具有較精確的頻率響應(yīng)且適合于低電壓操作，而A/B類電流傳送體15具有較佳的轉(zhuǎn)換速度及信噪比(signal tonoise ratio；S/N ratio)。
圖2(a)為已知的一A/B類電流傳送體15的電路，公開于ThomasKaulberg的題目為“一種CMOS電流模運算放大器(A CMOSCurrent-Mode Operational Amplifier)”的文章中，該文章發(fā)表于1993年7月，IEEE刊物《晶體管電路》(IEEE Journal of Solid-StateCircuits)第28卷，第7期，849～852頁。另在一美國專利號6,028,479，標(biāo)題為“低電壓傳輸線驅(qū)動器(Low Voltage Transmission LineDriver)”的專利說明書內(nèi)也說明了類似的全差動電路。
理想的電流傳送體的輸入信號是電流，因此其X端的輸入阻抗為0。在圖2的電路中其X端輸入阻抗為(gm2+gm4)-1。為了得到較低的輸入阻抗，M2和M4晶體管通常被設(shè)計為具有較大的長寬比(aspect ratio)及偏壓電流，因此占據(jù)較大的面積。此外，也存在有較大的偏移電壓及增益誤差的問題。為了改善效能，可以引入反饋電路來降低輸入阻抗，如圖2(b)所示。此已知電路在Eyad Abou-Allam的文章“一種在1.2μm COMS工藝下的200MHz導(dǎo)入電流運算放大器(A 200MHz Steered Current Operational Amplifier in 1.2μm COMSTechnology)”中進(jìn)行了說明，其發(fā)表于1997年2月，IEEE刊物《晶體管電路》(IEEE Journal of Solid-State Circuits)第32卷第2期。根據(jù)反饋理論，此已知電路的輸入阻抗被減為原來的(1+Av)-1，即(gm1)-1/(1+Av)。但該已知電路為A類電流傳送體，因而無法適用于AB類電流傳送體。
本發(fā)明的第一目的是降低電流反饋運算放大器的設(shè)計復(fù)雜度。
本發(fā)明的第二目的是向電流反饋運算放大器提供一較低的輸入阻抗。
本發(fā)明的第三目的是改善電流反饋運算放大器所包含晶體管的長寬比及偏壓電流本發(fā)明的第四目的是改善電流反饋運算放大器的偏移電壓及增益誤差的問題。
為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明提出一種電流反饋運算放大器，其將第一及第二輸入端連接至一第一放大器，該第一放大器輸出至一個或多個輸入對晶體管的柵極，且該輸入對晶體管之一的源極連接至該第一輸入端。因此該第一放大器及輸入對晶體管之間將構(gòu)成一個反饋電路。通過該反饋電路，輸入阻抗、偏移電壓(offset voltage)及增益誤差均被降低。本發(fā)明的輸入阻抗為(gm2+gm4)-1/(1+A)，其中A為放大器的增益。輸入阻抗被減為原來的1/1+A，所以M2和M4晶體管的長寬比可以較小。
本發(fā)明的電流反饋運算放大器的第一實施例具有第一與第二輸入端及第一輸出端，包含一電流傳送體及一輸出級。該電流傳送體包含一第一放大器、一輸入對晶體管及一電流鏡(current mirror)，該第一放大器的輸入端連接至該第一及第二輸入端。該輸入對晶體管的柵一放大器的輸入端連接至該第一及第二輸入端。該輸入對晶體管的柵極連接至該第一放大器的輸出，且其中一晶體管的源極連接至該第一輸入端。該電流鏡的源極連接至該輸入對晶體管的源極。該輸出級連接至該電流傳送體，且輸出至該第一輸出端。
本發(fā)明的電流反饋運算放大器的第二實施例具有第一與第二輸入端及第一與第二輸出端，包含一電流傳送體及一輸出級。該電流傳送體包含一第一放大器、兩個輸入對晶體管及兩個電流鏡。該第一放大器的輸入端連接至該第一及第二輸入端。該兩個輸入對晶體管的柵極分別連接至該第一放大器的輸出，且其中分別有一晶體管的源極連接至該第一及第二輸入端。該兩個電流鏡的源極連接至該兩個輸入對晶體管的源極。該輸出級連接至該電流傳送體，且輸出至該第一及第二輸出端。
此外，該輸出級的部分晶體管也可采用負(fù)反饋的方式以增強(qiáng)增益。
本發(fā)明將依照附圖來說明，其中圖1為已知的電流反饋運算放大器的電路；圖2(a)至(b)為已知的A/B類電流傳送體的電路；圖3(a)至(b)為本發(fā)明的A/B類電流傳送體的第一實施例的電路；圖4(a)至(b)為本發(fā)明的A/B類電流傳送體的第二實施例的電路；圖5為本發(fā)明的電流反饋運算放大器的第一實施例的電路；圖6為本發(fā)明的電流反饋運算放大器的第二實施例的電路；及圖7為本發(fā)明的電流反饋運算放大器的第三實施例的電路。
圖3(a)至(b)為本發(fā)明的A/B類電流傳送體15的第一實施例的電路。在圖3(a)電路中，M1及M2晶體管構(gòu)成一輸入對晶體管31，其柵極分別連接至一第一放大器33的輸出，且該第一放大器33的輸入分別連接至該A/B類電流傳送體15的輸入端X及Y。因M2晶體管的源極亦連接至該A/B類電流轉(zhuǎn)換器15的輸入端X，因此在該第一放大器33及M2晶體管之間將構(gòu)成一個反饋電路，該M1及M2的增益將被增強(qiáng)(gain enhancement)。通過該反饋電路，輸入阻抗、偏移電壓及增益誤差均被降低。和已有技術(shù)不同的是，本發(fā)明的A/B類電流傳送體15的輸入阻抗為(gm2+gm4)-1/(1+A)，其中A為放大器的增益，gm2、gm3分別為M2、M3的跨導(dǎo)。因為輸入阻抗被減為原來的1/(1+A)，因此可降低該M2和M4晶體管的長寬比及靜態(tài)電流。M3及M4晶體管構(gòu)成一電流鏡32，其源極分別連接至該輸入對晶體管31的源極，其目的是使M1及M2的電流成一定的比例關(guān)系。該電流鏡32具有和該輸入對晶體管31相反的極性。換句話說，當(dāng)該對晶體管32為P型晶體管時，則該輸入對晶體管31為N型晶體管；或當(dāng)該對晶體管32為N型晶體管時，則該輸入對晶體管31為P型晶體管。M2及M4晶體管的漏極連接至一電流鏡21，用于復(fù)制一等比例的輸出電流Z。
在圖3(b)電路中，M3及M4晶體管構(gòu)成一輸入對晶體管31，其柵極分別連接至該第一放大器33的輸出，且該第一放大器33的輸入分別連接至該A/B類電流傳送體15的輸入端X及Y。因M4晶體管的源極也連接至該A/B類電流傳送體15的輸入端X，因此在該第一放大器33及M4晶體管之間將構(gòu)成一個反饋電路，而輸入阻抗也自然地被降低。與圖3(a)的原理相同，M3和M4晶體管的長寬比可以不必太大。此外，M1及M2晶體管構(gòu)成一電流鏡32，其源極分別連接至該輸入對晶體管31的源極。
圖4(a)至(b)為本發(fā)明的A/B類電流傳送體15的第二實施例的電路。圖3(a)及(b)為一單端輸出電路，而圖4(a)及(b)為一全差動輸出電路。圖4(a)的電路為以面對面的方式組合兩個圖3(a)的電路，且具有兩個輸出端Z-及Z+。其中M1與M2晶體管及M1′與M2′晶體管分別構(gòu)成輸入對晶體管31，且M3與M4晶體管及M3′與M4′晶體管分別構(gòu)成電流鏡32。M1及M1′晶體管的柵極分別連接至該第一放大器33的輸出。該第一放大器33的“+輸入”連接至該A/B類電流傳送體15的輸入端INN。該第一放大器33的“一輸入”連接至該A/B類電流傳送體15的輸入端INP。因M1晶體管的源極也連接至該A/B類電流傳送體15的輸入端INP，且M1′晶體管的源極也連接至該A/B類電流傳送體15的輸入端INN，因此在該第一放大器33與M1晶體管及M1′晶體管之間將分別構(gòu)成反饋電路，該M1與M2及M1′與M2′的增益被增強(qiáng)，而輸入阻抗也自然地被降低，與圖3(a)的原理相同，M2和M4及M2′和M4′晶體管的長寬比可以不必太大。
圖4(b)的電路為以面對面的方式組合兩個圖3(b)的電路，且具有兩個輸出端Z一及Z+。其中M3與M4晶體管及M3′與M4′晶體管分別構(gòu)成輸入對晶體管31，且M1與M2晶體管及M1′與M2′晶體管分別構(gòu)成電流鏡32。M3及M3′晶體管的柵極分別連接至該第一放大器33的輸出，該第一放大器33的“+輸入”連接至該A/B類電流傳送體15的輸入端INN，且該第一放大器33的“一輸入”連接至該A/B類電流傳送體15的輸入端INP。因M3晶體管的源極也連接至該A/B類電流傳送體15的輸入端INP，且M3′晶體管的源極也連接至該A/B類電流傳送體15的輸入端INN，因此在該第一放大器33與M3晶體管及M3′晶體管之間將分別構(gòu)成反饋電路，而輸入阻抗也自然地被降低。與圖3(b)的原理相同，M2和M4及M2′和M4′晶體管的長寬比可以不必太大。
圖5為本發(fā)明的電流反饋運算放大器的第一實施例的電路。該電路結(jié)合了圖3(a)的A/B類電流傳送體及一已知的輸出級12。該輸出級12由M5、M6、M7、M8、M9和M10晶體管所構(gòu)成，其中VB1、VB2、VB3及VB4為直流偏移電壓。顯然地，該電路也可以是結(jié)合圖3(b)的A/B類電流傳送體15及該已知的輸出級12的電路。
圖6是本發(fā)明的電流反饋運算放大器的第二實施例的電路。圖5為一單端輸出的電路，而圖6為一全差動輸出的電路。該電路結(jié)合了圖4(a)的A/B類電流傳送體15及一已知的輸出級12。該輸出級12由M5、M5、M6、M6′、M7、M7′、M8、M8′、M9、M9′、M10和M10′晶體管所構(gòu)成，其中VB1、VB2、VB3及VB4為直流偏移電壓。顯然地，該電路也可以是結(jié)合圖4(b)的A/B類電流傳送體15及該已知的輸出級12的電路。在該電流反饋運算放大器的差動輸出端OUTP及OUTN之間還包含一共模反饋(common modefeedback；CMFB)電路，用以消除共模因子且提高共模抑制比(Common Mode Rejection Ratio；CMRR)。
圖7為本發(fā)明的電流反饋運算放大器的第三實施例的電路，用于改良圖6的部分線路。該電路在該輸出級12的部分晶體管間建立負(fù)反饋通路以增強(qiáng)增益。例如使用兩個第二放大器71輸出至M5及M5′晶體管的柵極，且該第二放大器71的輸入連接至M1與M1′的漏極及第一偏移電壓VB4；且/或使用兩個第三放大器72輸出至M8及M8′晶體管的柵極，且該第三放大器72的輸入連接至M3與M3′的漏極及第二偏移電壓VB1。
本發(fā)明的技術(shù)內(nèi)容及技術(shù)特點已如上所述，然而本專業(yè)技術(shù)人員仍可能基于本發(fā)明的示例及說明而作種種不背離本發(fā)明精神的替換及修改；因此，本發(fā)明的保護(hù)范圍應(yīng)不限于實施例所說明的內(nèi)容，而應(yīng)包括各種不背離本發(fā)明的替換及修改，并為以下的權(quán)利要求范圍所涵蓋。
權(quán)利要求
1.一種電流反饋運算放大器，具有第一及第二輸入端，包含一電流傳送體，包含一第一放大器及至少一輸入對晶體管，其特征為以該第一及第二輸入端作為該第一放大器的輸入，該第一放大器輸出至該至少一輸入對晶體管的柵極，且該至少一輸入對晶體管之一的源極連接至該第一輸入端；以及一輸出級，連接至該電流傳送體，用于提高輸出的驅(qū)動能力；通過上述連接方式而建立負(fù)反饋通路以增強(qiáng)增益，且降低輸入阻抗。
2.如權(quán)利要求1所述的電流反饋運算放大器，其中該電流傳送體還包含一個或多個電流鏡以連接至所說至少一輸入對晶體管，且該輸入對晶體管及該電流鏡具有相反的極性。
3.如權(quán)利要求1所述的電流反饋運算放大器，還包含一第二放大器，其中該至少一輸入對晶體管之一的漏極及一第一偏移電壓連接至該第二放大器的輸入，且該第二放大器輸出至該輸出級的一晶體管的柵極；通過上述連接方式而建立負(fù)反饋通路以增強(qiáng)增益。
4.如權(quán)利要求1所述的電流反饋運算放大器，還包含一第三放大器，其中該電流鏡之一的漏極及一第二偏移電壓連接至該第三放大器的輸入，且該第三放大器輸出至該輸出級的一晶體管的柵極；通過上述連接方式而建立負(fù)反饋通路以增強(qiáng)增益。
5.一種電流反饋運算放大器，具有第一與第二輸入端及第一輸出端，包含一電流傳送體，包含一第一放大器，其輸入端連接至該第一及第二輸入端；一輸入對晶體管，其柵極連接至該第一放大器的輸出，且其中一晶體管的源極連接至該第一輸入端；及一電流鏡，其源極連接至該輸入對晶體管的源極；以及一輸出級，連接至該電流傳送體，用于提高輸出的驅(qū)動能力，且輸出至該第一輸出端。
6.如權(quán)利要求5所述的電流反饋運算放大器，其中該輸入對晶體管及該電流鏡具有相反的極性。
7.如權(quán)利要求5所述的電流反饋運算放大器，還包含一第二放大器，其中該輸入對晶體管之一的漏極及一第一偏移電壓連接至該第二放大器的輸入，且該第二放大器輸出至該輸出級的一晶體管的柵極；通過上述連接方式而建立負(fù)反饋通路以增強(qiáng)增益。
8.如權(quán)利要求5所述的電流反饋運算放大器，還包含一第三放大器，其中該電流鏡之一的漏極及一第二偏移電壓連接至該第三放大器的輸入，且該第三放大器輸出至該輸出級的一晶體管的柵極；通過上述連接方式而建立負(fù)反饋通路以增強(qiáng)增益。
9.一種電流反饋運算放大器，具有第一與第二輸入端及第一與第二輸出端，包含一電流傳送體，包含一第一放大器，其輸入端連接至該第一及第二輸入端；兩個輸入對晶體管，其柵極分別連接至該第一放大器的輸出，且其中分別有一晶體管的源極連接至該第一及第二輸入端；及兩個電流鏡，其源極分別連接至該兩個輸入對晶體管的源極；以及一輸出級，連接至該電流傳送體，用于提高輸出的驅(qū)動能力，且輸出至該第一與第二輸出端。
10.如權(quán)利要求9所述的電流反饋運算放大器，其中該輸入對晶體管及該電流鏡具有相反的極性。
11.如權(quán)利要求9所述的電流反饋運算放大器，還包含一第二放大器，其中該輸入對晶體管之一的漏極及一第一偏移電壓連接至該第二放大器的輸入，且該第二放大器輸出至該輸出級的一晶體管的柵極；通過上述連接方式而建立負(fù)反饋通路以增強(qiáng)增益。
12.如權(quán)利要求9所述的電流反饋運算放大器，還包含一第三放大器，其中該電流鏡之一的漏極及一第二偏移電壓連接至該第三放大器的輸入，且該第三放大器輸出至該輸出級的一晶體管的柵極；通過上述連接方式而建立負(fù)反饋通路以增強(qiáng)增益。
全文摘要
本發(fā)明關(guān)于一種電流反饋運算放大器,其將輸入端連接至一第一放大器,該第一放大器輸出至一個或多個輸入對晶體管的柵極,且該輸入對晶體管之一的源極連接至該輸入端之一。因此該第一放大器及輸入對晶體管之間將構(gòu)成一個反饋電路。通過該反饋電路,輸入阻抗、偏移電壓及增益誤差均被降低。本發(fā)明的輸入阻抗會減為原來的1/A+1,因此輸入對晶體管的長寬比不必太大。
文檔編號H03F1/34GK1369962SQ0110401
公開日2002年9月18日 申請日期2001年2月14日 優(yōu)先權(quán)日2001年2月14日
發(fā)明者劉鴻志, 廖敏順 申請人:矽統(tǒng)科技股份有限公司