專利名稱：運(yùn)放設(shè)計(jì)的電流平衡方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種關(guān)于運(yùn)放(Operational Amplifier)設(shè)計(jì)的電流平衡方法。
背景技術(shù)：
目前，運(yùn)放設(shè)計(jì)時(shí)，偏置電流是通過電流鏡(current mirror)來指定的，如圖1所示。這種運(yùn)放設(shè)計(jì)方法在輸入為小信號(hào)時(shí)，運(yùn)放能夠正常工作。如果輸入信號(hào)為大信號(hào)，例如輸入信號(hào)幅度接近電源電壓(supply)，這時(shí)，NMOS輸入對(duì)管N1、N2導(dǎo)通，而PMOS輸入對(duì)管P1、P2關(guān)斷，N5、N6需要電流I以維持其工作在飽和區(qū)，而N3、N4只能提供電流I/2，從而有可能迫使N5、N6進(jìn)入線性區(qū)，運(yùn)放的增益顯著下降。當(dāng)輸入信號(hào)幅度接近電源地(ground)時(shí)，也會(huì)遇到同樣的問題。
特別地，對(duì)于恒定輸入跨導(dǎo)全擺幅(constant-gm rail-to-rail)運(yùn)放，當(dāng)輸入信號(hào)偏置在VDD/2時(shí)，PMOS輸入對(duì)管P1、P2和NMOS輸入對(duì)管N1、N2都導(dǎo)通，它們注入到套筒(cascode)級(jí)的電流為I。當(dāng)輸入共模電壓偏置在電源電壓(supply)(或電源地(ground))附近時(shí)，PMOS輸入對(duì)管P1、P2(或NMOS輸入對(duì)管N1、N2)關(guān)斷，為維持恒定跨導(dǎo)(constant-gm)特性，NMOS輸入對(duì)管N1、N2的尾電流(tail)應(yīng)為原來的四倍，相應(yīng)地，NMO輸入對(duì)管從套筒(cascode)級(jí)吸收的電流為原來的四倍，如此大的電流很容易使套筒(cascode)級(jí)的P4、P5進(jìn)入線性區(qū)，使得運(yùn)放的增益顯著下降。

發(fā)明內(nèi)容
為了避免上述由于電流的變化使得運(yùn)放內(nèi)部的晶體管進(jìn)入線性區(qū)工作，以保證運(yùn)放的增益，本發(fā)明利用控制電路對(duì)輸入運(yùn)放內(nèi)部晶體管的電流進(jìn)行有效的監(jiān)測(cè)，動(dòng)態(tài)的平衡流經(jīng)這些晶體管的電流，使這些晶體管始終工作在飽和區(qū)，如圖2所示。當(dāng)輸入信號(hào)為小信號(hào)時(shí)，PMOS輸入對(duì)管P1、P2注入到套筒(cascode)級(jí)的電流為I+2ISS，由N5、N6和與其并聯(lián)的兩電流源吸收。NMOS輸入對(duì)管N1、N2從套筒(cascode)級(jí)吸收的電流為I+2ISS，由P4、P5和與其并聯(lián)的兩電流源提供。當(dāng)輸入信號(hào)為大信號(hào)時(shí)，例如輸入信號(hào)共模電平接近電源電壓(supply)時(shí)，PMOS輸入對(duì)管P1、P2關(guān)斷，流過N5、N6的電流由I變?yōu)镮/2，為使N5、N6在PMOS輸入對(duì)管P1、P2關(guān)斷時(shí)安全地工作在飽和區(qū)，通過檢測(cè)輸入對(duì)管工作狀態(tài)的控制電路，控制流經(jīng)N5、N6的電流，即當(dāng)控制電路檢測(cè)到PMOS輸入對(duì)管P1、P2關(guān)斷時(shí)，該控制電路同時(shí)關(guān)斷與N5、N6并聯(lián)的兩路電流源，平衡流經(jīng)N5、N6的電流，從而在整個(gè)輸入電壓范圍內(nèi)，N5、N6始終工作在飽和區(qū)，輸出電壓增益不會(huì)隨輸入共模電壓的變化而變化。同理，在輸入信號(hào)共模電壓接近電源地(ground)時(shí)，NMOS輸入對(duì)管N1、N2關(guān)斷，流經(jīng)P4、P5的電流由I變?yōu)镮/2，為使P4、P5在此情況下安全的工作在飽和區(qū)，通過檢測(cè)輸入對(duì)管工作狀態(tài)的控制電路，控制流經(jīng)P4、P5的電流，即當(dāng)控制電路檢測(cè)到NMOS輸入對(duì)管N1、N2關(guān)斷時(shí)，該控制電路同時(shí)關(guān)斷與P4、P5并聯(lián)的兩路電流源，平衡流經(jīng)P4、P5的電流，從而在整個(gè)輸入電壓范圍內(nèi)，P4、P5始終工作在飽和區(qū)，輸出電壓增益不會(huì)隨輸入共模電壓的變化而變化。
本電流平衡方法簡(jiǎn)單有效，使用該方法，可以使運(yùn)放在大信號(hào)激勵(lì)下工作時(shí)，運(yùn)放內(nèi)部每個(gè)晶體管都工作在飽和區(qū)下，獲得最大限度的擺幅，很大程度上改進(jìn)了運(yùn)放的性能。


圖1是傳統(tǒng)的全差分運(yùn)放的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是本發(fā)明的運(yùn)放電流平衡方法的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施例方式
在電流架構(gòu)上采用本發(fā)明所述的電流平衡方法，在三種工藝邊緣(corner)下，當(dāng)輸入電壓接近電源地(ground)時(shí)，只有PMOS輸入對(duì)管導(dǎo)通，在NMOS輸入對(duì)管關(guān)斷的同時(shí)控制電路關(guān)斷了與其相關(guān)的并聯(lián)的電流源；當(dāng)輸入電壓接近電源電壓(supply)時(shí)，只有NMOS輸入對(duì)管導(dǎo)通，在PMOS輸入對(duì)管關(guān)斷的同時(shí)控制電路關(guān)斷了與其相關(guān)的并聯(lián)的電流源；輸入電壓介于兩者之間時(shí)，PMOS和NMOS的輸入對(duì)管都導(dǎo)通，同時(shí)控制電路沒有關(guān)斷這些并聯(lián)的電流源。這樣，在整個(gè)輸入電壓范圍內(nèi)，輸入對(duì)管的跨導(dǎo)之和基本上恒定，且在三種工藝邊緣(corner)下都運(yùn)行正常。
權(quán)利要求
1.一種關(guān)于運(yùn)放設(shè)計(jì)的電流平衡方法，其特征在于利用控制電路對(duì)輸入運(yùn)放內(nèi)部晶體管的電流進(jìn)行有效的監(jiān)測(cè)，動(dòng)態(tài)的平衡流經(jīng)這些晶體管的電流。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電流平衡方法，其特征在于當(dāng)控制電路檢測(cè)到有晶體管輸入對(duì)管關(guān)斷時(shí)，該控制電路會(huì)同時(shí)關(guān)斷與相關(guān)的晶體管并聯(lián)的電流源。
全文摘要
一種關(guān)于運(yùn)放(Operational Amplifier)設(shè)計(jì)的電流平衡方法，利用控制電路對(duì)輸入運(yùn)放內(nèi)部晶體管的電流進(jìn)行有效的監(jiān)測(cè)，動(dòng)態(tài)的平衡流經(jīng)這些晶體管的電流，使這些晶體管始終工作在飽和區(qū)。輸入信號(hào)為大信號(hào)時(shí)，有晶體管輸入對(duì)管關(guān)斷，流過運(yùn)放內(nèi)部有些晶體管的電流由I變?yōu)镮/2，為使這些晶體管在此情況下安全地工作在飽和區(qū)，通過檢測(cè)輸入對(duì)管工作狀態(tài)的控制電路，控制流經(jīng)這些晶體管的電流，即當(dāng)控制電路檢測(cè)到有晶體管輸入對(duì)管關(guān)斷時(shí)，該控制電路同時(shí)關(guān)斷與這些晶體管并聯(lián)的兩路電流源，平衡流經(jīng)這些晶體管的電流，從而在整個(gè)輸入電壓范圍內(nèi)，這些晶體管始終工作在飽和區(qū)，輸出電壓增益不會(huì)隨輸入共模電壓的變化而變化。
文檔編號(hào)H03F3/45GK1614880SQ20031011394
公開日2005年5月11日 申請(qǐng)日期2003年11月9日 優(yōu)先權(quán)日2003年11月9日
發(fā)明者楊建明 申請(qǐng)人:珠海炬力集成電路設(shè)計(jì)有限公司