專(zhuān)利名稱(chēng)：形成運(yùn)算放大器的方法及其結(jié)構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般涉及電子學(xué)，更具體地，涉及形成半導(dǎo)體器件的方法 和結(jié)構(gòu)。
背景技術(shù)：
在過(guò)去，半導(dǎo)體工業(yè)利用各種方法和結(jié)構(gòu)來(lái)形成運(yùn)算放大器。早 先的運(yùn)算放大器的一種設(shè)計(jì)通常給運(yùn)算放大器提供輸出上的基本從一條電源軌(rail)到另一條的電壓擺幅(swing)。此外，輸出期望將相對(duì) 大的電流提供給連接至運(yùn)算放大器的輸出的負(fù)載。然而，在沒(méi)有負(fù)栽 的條件下，這樣的運(yùn)算放大器一般具有大的靜態(tài)電流。這些早先的運(yùn) 算放大器中的一些還要求復(fù)雜的電路，并且經(jīng)常包括幾組差分對(duì)連接 的晶體管，以便實(shí)現(xiàn)運(yùn)算放大器。因此，期望有一種運(yùn)算放大器，其具有大的輸出電壓擺幅、可以 向負(fù)載提供大電流、并且在沒(méi)有負(fù)載的情況下具有小的靜態(tài)電流。


圖1簡(jiǎn)要示出了根據(jù)本發(fā)明的運(yùn)算放大器的一部分的實(shí)施例；圖2簡(jiǎn)要示出了另一運(yùn)算放大器的一部分的實(shí)施例，其是根據(jù)本 發(fā)明的圖1的運(yùn)算放大器的可選實(shí)施例；以及圖3簡(jiǎn)要示出了包括根據(jù)本發(fā)明的圖l或圖2的運(yùn)算放大器的半 導(dǎo)體器件的放大的平面視圖。圖4簡(jiǎn)要示出了在半導(dǎo)體管芯上形成的半導(dǎo)體器件或集成電流 的實(shí)施例的一部分的放大的平面視圖。為了說(shuō)明的簡(jiǎn)單和明了，圖中的元件不一定按照比例，并且在不 同的圖中相同的參考號(hào)代表相同的元件。此外，為了說(shuō)明的簡(jiǎn)要，省略了眾所周知的步驟和元件的說(shuō)明和細(xì)節(jié)。這里使用的栽流電極(current carrying electrode )是指器件的元件，其承栽通過(guò)該器件的 電流，例如MOS晶體管的源極或漏極、或雙極晶體管的發(fā)射極或集 電極、或二極管的正極或負(fù)極，控制電極是指器件的元件，其控制通 過(guò)該器件的電流，例如MOS晶體管的柵極或者雙極晶體管的基極。 雖然這里把器件解釋為確定的N-溝道或P-溝道器件，本領(lǐng)域的普通 技術(shù)人員應(yīng)認(rèn)識(shí)到，根據(jù)本發(fā)明，互補(bǔ)器件也是可能的。本領(lǐng)域的普 通技術(shù)人員應(yīng)認(rèn)識(shí)到，這里使用的詞匯"在...期間"、"在...的時(shí)候"、 以及"當(dāng)...時(shí)"不是表示一旦開(kāi)始操作馬上就會(huì)出現(xiàn)反應(yīng)的準(zhǔn)確術(shù)語(yǔ)， 而是可能會(huì)在被初始操作激起的反應(yīng)之間有一些微小但合理的延遲， 例如傳播延遲。
具體實(shí)施方式
圖1簡(jiǎn)要示出了包括運(yùn)算放大器10的放大器電路9的一部分的 實(shí)施例。運(yùn)算放大器10配置成形成靜態(tài)電流以及配置成形成最大負(fù) 栽電流，所述靜態(tài)電流被控制為與來(lái)自放大器10的電流源的電流成 比例，所述最大負(fù)載電流與來(lái)自電流源的電流不成比例。負(fù)栽17通 常連接至放大器10的輸出15,以接收來(lái)自放大器10的負(fù)載電流16。 在一些情況下，負(fù)栽17可能需要來(lái)自放大器10的負(fù)栽電流16，以及 在其他情況下，負(fù)載17可能不需要負(fù)載電流16。例如，如果負(fù)載17 為電容性負(fù)栽，可能僅僅需要負(fù)載電流16對(duì)電容器充電到一個(gè)電壓， 以及在充電完成之后，負(fù)載電流16可能基本上變?yōu)榱恪＿\(yùn)算放大器10包括配置在半橋(half-bridge)或堆棧結(jié)構(gòu)中的一 對(duì)輸出晶體管18和20,其在放大器10的電源電壓輸入11和公共電 壓端子或電源電壓返回12之間。輸出晶體管20配置成接收來(lái)自輸入 11的電源電壓并獲得電流以形成輸出電流16。晶體管18配置成接收 通過(guò)晶體管18至返回12的電流16。放大器IO還包括被顯示為差分 對(duì)晶體管22和23的單組或單對(duì)的差分耦合晶體管。差分對(duì)晶體管22 和23接收分別的輸入13和14之間的輸入信號(hào)，并響應(yīng)于輸入信號(hào)而控制電流16的值。放大器10的電流源32提供流過(guò)差分對(duì)晶體管 22和23的基本恒定的偏置電流或DC共模(common mode)電流33。 放大器10的控制電路除了晶體管24、 25和38之外還包括電流源29。 在大部分應(yīng)用中，放大器IO連接在反饋結(jié)構(gòu)中，所述反饋結(jié)構(gòu) 例如具有連接在輸出15和輸入13和14中一個(gè)之間的反饋網(wǎng)絡(luò)47。 反饋網(wǎng)絡(luò)連接的一個(gè)樣例以虛線(xiàn)顯示為反饋網(wǎng)絡(luò)或反饋47。對(duì)于本領(lǐng) 域技術(shù)人員而言，這樣的反饋網(wǎng)絡(luò)是眾所周知的。在其他實(shí)施例中， 其他元件可以連接至輸入13或輸入14，以提供其他反饋或信號(hào)輸入 結(jié)構(gòu)。在這樣的結(jié)構(gòu)的運(yùn)行中，當(dāng)負(fù)栽17不需要負(fù)載電流時(shí)，電流 16的值基本上為零。然而，因?yàn)殡娏?3使晶體管22和23偏置，瞬 態(tài)電流21流過(guò)晶體管18和20。瞬態(tài)電流21基本上為DC電流。為 了在負(fù)載電流16基本上為零的條件下進(jìn)行清晰地解釋?zhuān)糯笃?0的 優(yōu)選實(shí)施例的操作被解釋?zhuān)坏?，其他?shí)施例應(yīng)給類(lèi)似的操作提供電 流源和晶體管之間的比例，而不是用于解釋優(yōu)選實(shí)施例的比例。放大 器10的控制電路配置成將瞬態(tài)電流21控制為與電流33的值成比例。 因此，可以將瞬態(tài)電流21的值設(shè)置為特定值，而相反地，負(fù)載電流 16的最大值由晶體管22和23提供的增益所控制，并且不限于由電流 源32或電流源29設(shè)置的特定值。在運(yùn)行時(shí)，當(dāng)負(fù)栽電流16的值基 本上為零時(shí)，通過(guò)晶體管22和23的電流必須累加至電流33的值。 電流源29配置成提供優(yōu)選地基本為電流33的值的一半的電流30。因 此，通過(guò)晶體管23的電流30的值優(yōu)選地大約為電流33的一半，這 迫使通過(guò)晶體管22和25的電流27的值也大約為電流33的值的一半。 因?yàn)榫w管25和20具有相同的柵極到源極(Vgs)電壓，通過(guò)晶體 管20的電流21的值被迫以晶體管20和25之間的尺寸比與電流27 的值成比例。因此，電流21以晶體管20和25之間的尺寸比以及電 流30與電流33的比例與電流33的值成比例。在優(yōu)選實(shí)施例中，晶 體管20和25尺寸相同，使得電流21基本上等于電流30，并且大約 為電流33的一半。晶體管18和38之間的電流鏡像結(jié)構(gòu)迫使通過(guò)晶 體管18的電流21以晶體管18和38之間的尺寸比與電流37的值成比例。因?yàn)橥ㄟ^(guò)晶體管18的電流是電流21，所以電流37以晶體管 18和38之間的尺寸比而與電流21成比例。在優(yōu)選實(shí)施例中，該比例 為1:1，所以電流37基本等于電流21。電流27的值以晶體管25和 20的尺寸比而與電流30成比例。在優(yōu)選實(shí)施例中，該尺寸比為1:1， 所以電流27的值等于電流21。因此，通過(guò)晶體管18的電流21以晶 體管18和38之間的尺寸比、晶體管24和25之間的尺寸比以及電流 30和電流33之間的比例而與電流33成比例。因此，通過(guò)選擇電流 33的值以及如上文所述的晶體管的比例，可以將瞬態(tài)電流21的值控 制為期望的盡可能小的值。如上文所指出的，電流16的最大值不被電流33的值控制。為了 確定電流16的最大值，例如假定對(duì)于開(kāi)環(huán)運(yùn)行，放大器10與配置成 維持晶體管18和29在飽和區(qū)的負(fù)載17連接。電壓源類(lèi)型的負(fù)栽是 提供這樣的運(yùn)行的一個(gè)樣例。本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)認(rèn)識(shí)到，使晶體管 18和29運(yùn)行在飽和區(qū)一般意味著漏極-源極電壓足夠，使得MOS晶 體管根據(jù)MOS晶體管的平方律方程運(yùn)算特征(square law equation operational characteristics )放大信號(hào)。晶體管22和23被構(gòu)成為基本 相等，并且具有高增益，使得施加給輸入13和14的輸入信號(hào)中的微 小變化導(dǎo)致電流16的較大的最大值。例如，假定輸入14上的信號(hào)略 微增加。由于晶體管22和23的高增益，Vgs增加使晶體管23試圖并 傳導(dǎo)比源29可以提供的更多的電流。因?yàn)殡娏髟?9可以?xún)H僅為電流 30提供固定的值，并且由于負(fù)載17的電壓源負(fù)載，晶體管23的漏極 上的電壓被迫為晶體管23的飽和電壓，這也迫^f吏晶體管20的Vgs為 晶體管23的飽和電壓。因此，晶體管20的Vgs使晶體管20向輸出 15提供更多的電流，如電流16。在下列等式中示出了由晶體管20提 供的電流16的最大值120 = (K(W20/2L20))*(Vll-V14-Vgs23+Vst23-Vth20)2其中K一常數(shù)；120—源自晶體管20的最大電流，如電流16;W20—晶體管20的寬度；L20—晶體管20的長(zhǎng)度；Vll—輸入11和返回12之間的電壓；V14—以返回12為參考，施加至輸入14的輸入信號(hào)；Vgs23—晶體管23的柵極到源極電壓；Vst23—晶體管23的漏極到源極飽和電壓；以及Vth20—晶體管20的閾值電壓。本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)認(rèn)識(shí)到，利用不同類(lèi)型的負(fù)載17而不是電 壓源負(fù)栽，晶體管20可將輸出15盡可能近地拉到輸入11上的電源 電壓。下拉晶體管20的柵極使晶體管20啟動(dòng)以傳導(dǎo)最大值的電流16。 晶體管23的漏極上的電壓也將晶體管25的柵極拉低，這更充分地增 強(qiáng)了晶體管25，從而使晶體管25將晶體管24的柵極基本上拉至輸入 11的電壓。這降低了晶體管24的Vgs并抑制晶體管24傳導(dǎo)任何電流。 因此，沒(méi)有電流流過(guò)晶體管38。由于晶體管38和18的電流鏡像連接， 沒(méi)有電流流過(guò)晶體管18，這基本上阻止了晶體管18接收任何電流16。如果輸入13上的輸入信號(hào)增加，晶體管22的柵極電壓使晶體管 22試圖傳導(dǎo)更多的電流，并迫使晶體管22的漏極上的電壓降低。晶 體管22的增加的電流需求使晶體管23試圖并傳導(dǎo)更少的電流，并迫 使晶體管23的漏極上的電壓增加。增加晶體管23的漏極上的電壓降 低了晶體管20的Vgs，從而使晶體管20傳導(dǎo)得更少。晶體管22的降 低的漏極電壓還迫使晶體管25試圖并傳導(dǎo)更多的電流以支持晶體管 22的電流需求，從而增加了晶體管24的Vgs以及增加了電流37。由 于晶體管38和18的電流鏡像結(jié)構(gòu)，電流37的增加的值使晶體管38 和晶體管18的Vgs增加。由于晶體管18的大增益，增加的Vgs迫使 晶體管18傳導(dǎo)最大值的電流16。晶體管18提供的電流16的最大值在下列等式中示出118 = ((L38*W18)/(L18/W38))*(K(W24/2L24))*(V11-V13-Vgs22+Vst22畫(huà)Vth24)2其中U8—晶體管18接收的電流的最大值，如電流16;L38—晶體管38的長(zhǎng)度；W18—晶體管18的寬度；L18—晶體管20的長(zhǎng)度；W38—晶體管38的寬度；W24—晶體管24的寬度；L24—晶體管24的長(zhǎng)度；V13—以返回12為參考，施加至輸入13的輸入信號(hào)； Vgs—晶體管22的柵極到源極電壓； Vst22—晶體管22的漏極到源極飽和電壓；以及 Vth24—晶體管24的閾值電壓。如以上等式所示，施加至負(fù)載17的電流16的最大值不是電流源 32和29的電流值的函數(shù)，而是晶體管18和20的增益的函數(shù)，放大器IO還可以包括頻率補(bǔ)償元件以為放大器10的運(yùn)行提供穩(wěn) 定性。頻率補(bǔ)償元件的一個(gè)樣例在圖1中以虛線(xiàn)示出。頻率補(bǔ)償電阻 器50和電容器51可以連接在晶體管20的漏極和柵極之間，而另一 頻率補(bǔ)償電阻器52和電容器53可以連接在晶體管18的漏極和柵極 之間?？蛇x地，頻率補(bǔ)償電阻器52和/或電容器53可以連接在晶體管 25的柵極和漏極之間，而不改變電阻器50和電容器51的連接。目的是配置放大器IO，使得在放大器10的輸入信號(hào)被平衡時(shí)， 晶體管18和20僅形成電流21。然而，如在本領(lǐng)域中所公知的，總是 存在阻止負(fù)載電流16絲亳不差地相等的微小變化。此外，期望將所 描述的電流形成為嚴(yán)格地為零或者嚴(yán)格地相等，但是如在本領(lǐng)域中所 公知的，總是有微小變化，其阻止電流絲毫不差地相等但是使它們基 本相等或基本為零。本領(lǐng)域中適當(dāng)?shù)匾?guī)定，直到大約10%的變化被認(rèn) 為是自理想目標(biāo)的合理的變化，所述理想目標(biāo)是由保持電流16嚴(yán)格 為零或者由使電流和晶體管的比例嚴(yán)格相等而形成晶體管與電流源的比例。為了實(shí)現(xiàn)放大器10的這個(gè)功能，晶體管20的源極被連接以從輸 入11接收輸入電壓。晶體管20的漏極一般連接至輸出15以及晶體 管18的漏極。晶體管18的源極被連接以通過(guò)到返回12的連接接收 功率。晶體管20的柵極連接至晶體管23的漏極。晶體管23的柵極 連接至輸入13，而源極一般連接至電流源32的第一端子以及晶體管 22的源極。晶體管22的柵極連接至輸入14,而晶體管22的漏極連 接至晶體管25的漏極。晶體管25的源極連接至輸入11。電流源29 的第一端子連接至輸入11，而第二端子一般連接至晶體管20的柵極、 晶體管25的柵極以及晶體管23的漏極。晶體管24的源極連接輸入 11，而晶體管24的柵極連接至晶體管22和25的漏極。晶體管24的 漏極一般連接至晶體管38的漏極和柵極以及晶體管18的柵極。晶體 管38的源極連接至返回12。電流源32的第二端子連接至返回12。圖2簡(jiǎn)要示出了包括運(yùn)算放大器100的放大器電路99的一部分 的實(shí)施例。放大器100是在圖1的說(shuō)明中解釋的放大器10的可選實(shí) 施例。除了晶體管120和121之外，放大器IOO還包括單個(gè)差分對(duì)的 晶體管106和107。放大器100還包括晶體管104、幫助形成晶體管 106和107的偏置電流的電流源110、形成電流133以幫助形成瞬態(tài) 電流21的電流源132、電流鏡像耦合晶體管112、 113和114、電流 鏡像耦合晶體管118和121、可選的晶體管120以及電流鏡像耦合晶 體管101和102。偏置電流119和122流過(guò)各個(gè)晶體管106和107。偏置電流119 和122與由電流源110形成的電流111成比例。電流源110迫4吏電流 111流過(guò)晶體管112。晶體管112、 113和114之間的電流鏡像結(jié)構(gòu)迫 使電流116流過(guò)晶體管113并迫使電流115流過(guò)晶體管114。由于輸 入13和14處于基本相等的值，晶體管118也傳導(dǎo)電流115,晶體管 118和121之間的電流鏡像結(jié)構(gòu)迫使電流119和122流過(guò)相應(yīng)的晶體 管120和121。在優(yōu)選實(shí)施例中，晶體管112、 113和114都為相同的 尺寸，并且晶體管120和121大約為晶體管118的尺寸的一半。因此， 電流116大約等于電流111，以及每個(gè)電流119和122都大約等于電流111的一半。在大部分應(yīng)用中，放大器110連接在反饋結(jié)構(gòu)中，所述反饋結(jié)構(gòu) 例如具有連接在輸出15和輸入13和14中的一個(gè)之間的反饋網(wǎng)絡(luò)47。 在這樣的結(jié)構(gòu)的運(yùn)行中，當(dāng)負(fù)栽17不需要負(fù)栽電流時(shí)，電流16的值 基本為零，并且可以確定控制瞬態(tài)電流21的元件。為了在負(fù)栽電流 16基本為零的條件下進(jìn)行清晰地解釋?zhuān)糯笃?00的優(yōu)選實(shí)施例的操 作被解釋?zhuān)坏牵渌麑?shí)施例應(yīng)給類(lèi)似的操作提供電流源和晶體管之 間的比例，而不是用于解釋優(yōu)選實(shí)施例的比例。放大器100的控制電 路配置成將瞬態(tài)電流21控制為與電流133的值成比例。因此，可以 將瞬態(tài)電流21的值設(shè)置為特定值，而相反地，負(fù)載電流16的最大值 由晶體管106和107提供的增益所控制，并且不限于由電流源132設(shè) 置的特定值。在運(yùn)行時(shí)，當(dāng)負(fù)載電流16值基本為零時(shí)，晶體管101 控制晶體管20，使得通過(guò)晶體管20的電流21與流過(guò)晶體管101的電 流133成比例。由于晶體管101和102之間的電流鏡像結(jié)構(gòu)，電流103 流過(guò)晶體管102和104。電流103的值以晶體管101和102之間的尺 寸比而與電流133成比例。晶體管104和18的柵極電壓被迫基本上 相等，因此，通過(guò)晶體管18的電流21以晶體管104和18之間的尺 寸比而與通過(guò)晶體管104的電流103成比例。在優(yōu)選實(shí)施例中，晶體 管18和104尺寸大約相同，并且電流103大約等于電流21。因此， 通過(guò)晶體管20的電流21的值以晶體管20和101之間的尺寸比而與 電流133成比例，以及通過(guò)晶體管18的電流21的值以晶體管101和 102之間的尺寸比以及晶體管104和18之間的尺寸比而與電流133成 比例。如上文所指出的，電流16的最大值不被電流133的值控制。為 了確定電流16的最大值，例如假定對(duì)于開(kāi)環(huán)運(yùn)行，放大器10與配置 成維持晶體管18和20在飽和區(qū)的負(fù)載17連接。由于晶體管106和 107以及晶體管18和20的高增益，輸入13和14上的輸入信號(hào)中的 微小變化導(dǎo)致了負(fù)栽電流16的最大值的較大改變。例如，如果輸入 13上的信號(hào)減少微小的量，則晶體管106傳導(dǎo)更多的電流，這迫使晶體管107傳導(dǎo)更少的電流并降低電流122的值。由于電流鏡像結(jié)構(gòu)， 降低電流122降低了晶體管118的Vgs并迫使晶體管118試圖并傳導(dǎo) 電流。但是，電流115的值基本恒定，并且與電流lll的值成比例， 因此，晶體管118的降低的Vgs迫使晶體管118的漏極電壓增加。增 加晶體管118的漏極電壓增加了晶體管104的Vgs并使晶體管104試 圖并傳導(dǎo)更多的電流，這使晶體管104的漏極電壓降低。降低晶體管 104的漏極電壓還增加了晶體管102和101的Vgs,并使晶體管101 試圖并傳導(dǎo)更多的電流。因?yàn)殡娏?33的值基本恒定，晶體管101的 增加的Vgs迫使晶體管101的漏極電壓增加，從而使晶體管20的Vgs 降低。由于晶體管20的高增益，降低的Vgs使晶體管20基本上停止 傳導(dǎo)，以及來(lái)自晶體管20的電流16的值基本上變?yōu)榱恪４送?，增加晶體管118的漏極電壓增加了晶體管18的Vgs。由 于晶體管18的高增益，Vgs中的微小增加使晶體管18傳導(dǎo)最大值的 電流16。以下示出了通過(guò)晶體管18的電流16的最大值的方程118 = K(W18/(2*L18))*(Vgsl8-Vthl8)2 =K(W18/(2*L18))*(V11-V12-Vthl8)2其中K一常數(shù)；118—晶體管18傳導(dǎo)的最大電流，如電流16; W18—晶體管18的寬度； L18—晶體管20的長(zhǎng)度； Vgsl8—晶體管18的Vgs; Vthl8—晶體管18的閾值電壓； Vll—輸入ll的電壓；以及 V12—返回12的電壓。如果輸入13上的信號(hào)增加微小的量，則晶體管106傳導(dǎo)更少的 電流，這迫使晶體管107傳導(dǎo)更多的電流，從而降低電流119的值， 并增加了電流122的值。增加電流122增加了晶體管121的Vgs，且由于電流鏡像結(jié)構(gòu)還增加了晶體管118的Vgs。因?yàn)殡娏?15的值為 常數(shù)，晶體管118的增加的Vgs迫使晶體管118的漏極電壓降低。降 低晶體管118的漏極電壓降低了晶體管18的Vgs。由于晶體管18的 高增益，Vgs中微小的減少使晶體管18停止傳導(dǎo)，從而使通過(guò)晶體管 18的電流16基本為零。降低晶體管118的漏極電壓還減少了晶體管 104的Vgs，使晶體管104試圖并傳導(dǎo)更少的電流。這使晶體管104 的漏極電壓值增加。晶體管104的增加的漏極電壓降低了晶體管102 和101的Vgs，并^f吏晶體管101試圖并傳導(dǎo)更少的電流。因?yàn)殡娏?33 的值基本恒定，晶體管101的降低的Vgs迫使晶體管101的漏極電壓 降低，從而增加了晶體管20的Vgs。由于晶體管20的高增益，增加 的Vgs使晶體管20傳導(dǎo)最大值的電流16。以下示出了通過(guò)晶體管20 的電流16的最大值的方程120 = K(W20/(2*L20))*(Vgs20-Vth20)2其中K一常數(shù)；120—晶體管20傳導(dǎo)的最大電流，如電流16; W20—晶體管20的寬度； L20—晶體管20的長(zhǎng)度； Vgs20—晶體管20的Vgs;以及 Vth20—晶體管20的閾值電壓；輸入14上的輸入信號(hào)的值的降低使晶體管107傳導(dǎo)更多的電流， 這迫使晶體管106傳導(dǎo)更少的電流，并降低了電流119的值，從而增 加晶體管118的Vgs。然而，電流115的值為常數(shù)，因此，晶體管118 的增加的柵極電壓迫使晶體管118的漏極電壓降低。放大器100上剩 余的影響與以前對(duì)輸入13上的信號(hào)值的增加的解釋相同。輸入14上 信號(hào)值的增加使晶體管107傳導(dǎo)得更少，并降低了電流122的值。放 大器100上剩余的影響與以前對(duì)輸入13上的信號(hào)值的降低的解釋相 同。圖3簡(jiǎn)要示出了包括運(yùn)算放大器152的放大器電路150的一部分的實(shí)施例。放大器152為在圖1說(shuō)明中解釋的放大器10的可選實(shí)施 例。除了電流源160和晶體管166之外，放大器152還包括單個(gè)差分 對(duì)的晶體管154和155。除了電流源157和170之外，放大器150還 包括電流鏡像連接的晶體管172和173。在大部分應(yīng)用中，放大器152連接在反饋結(jié)構(gòu)中，所述反饋結(jié)構(gòu) 例如具有連接在輸出15和輸入13和14中一個(gè)之間的反饋網(wǎng)絡(luò)47。 在這樣的結(jié)構(gòu)的運(yùn)行中，當(dāng)負(fù)載17不需要負(fù)栽電流時(shí)，電流16的值 基本為零，并且可以確定控制瞬態(tài)電流21的元件。為了在負(fù)載電流 16基本為零的條件下進(jìn)行清晰地解釋?zhuān)糯笃?52的優(yōu)選實(shí)施例的操 作被解釋?zhuān)坏?，其他?shí)施例應(yīng)給類(lèi)似的操作提供電流源和晶體管之 間的比例，而不是用于解釋優(yōu)選實(shí)施例的比例。放大器152的控制電 路配置成將瞬態(tài)電流21控制為與由電流源157形成的電流158和與 電流171—起的電流161之間的差值成比例。因此，可以將瞬態(tài)電流 21的值設(shè)置為特定值，而相反地，負(fù)載電流16的最大值由晶體管154 和155提供的增益所控制，并且不限于由電流源157和170設(shè)置的特 定值。在運(yùn)行中，當(dāng)負(fù)栽電流16的值基本為零時(shí)，電流源160形成 流過(guò)晶體管155的電流161。電流161優(yōu)選地約為電流158的一半， 因此，通過(guò)晶體管154的電流164也大約為電流158的一半。電流源 170形成流過(guò)晶體管172的電流171。晶體管172和173的電流鏡4象 結(jié)構(gòu)迫使電流174以晶體管172和173的尺寸比而與電流171成比例。 在優(yōu)選實(shí)施例中，晶體管172和173尺寸大致相同，并且電流171和 174基本相等。通過(guò)晶體管166的電流165為電流164減去電流174, 因而減去電流171。因此，電流165為電流158減去電流161減去電 流171。因?yàn)榫w管18和166的Vgs基本相等，通過(guò)晶體管28的電 流21以晶體管18和166之間的尺寸比而與電流165成比例。在優(yōu)選 實(shí)施例中，晶體管18和166的尺寸大致相等。如果電流16為零，通 過(guò)晶體管20的電流21必須等于通過(guò)晶體管18的電流21。因此，電 流21的值以電流161和171的值、晶體管171和173之間的尺寸比 以及晶體管18和166之間的尺寸比而與來(lái)自源157的電流158的值成比例。如上文所指出的，電流16的最大值不與電流158或電流171或 電流161的值成比例。為了確定電流16的最大值，例如假定對(duì)于開(kāi) 環(huán)運(yùn)行，放大器10與配置成維持晶體管154和155在飽和區(qū)的負(fù)栽 17連接。由于晶體管154和155以及晶體管18和29的高增益，輸入 13和14上輸入信號(hào)中的孩t小變化導(dǎo)致負(fù)栽電流16的最大值的;f艮大變 化。例如，如果輸入13上的信號(hào)降低微小的量，晶體管154傳導(dǎo)更 多的電流，這迫使晶體管155傳導(dǎo)更少的電流并增加了電流164的值。 降低電流161減少了晶體管166的Vgs，因此，降低了晶體管18的 Vgs。由于晶體管18和166的高增益，降低的Vgs使晶體管18和166 基本上停止傳導(dǎo)，而且通過(guò)晶體管18的值基本變?yōu)榱?。增加電?64 和降低電流165^f吏通過(guò)晶體管173的電流174增加。晶體管172和173 以柵極和源極連接在一起的方式連接在電流鏡像結(jié)構(gòu)中，所以電流 174的增加還增加了電流171。因?yàn)殡娏?70是固定的，晶體管172 的漏極上的電壓降低。降低172的漏極電壓使晶體管20的Vgs降低， 這使晶體管20通過(guò)輸出15輸出最大值的電流16。以下示出了通過(guò)晶 體管20的電流16的最大值的方程120 = K(W20/(2*L20))*(Vll-V12-Vth20)2其中*.K一常數(shù)；120—晶體管20傳導(dǎo)的最大電流，如電流16; W20—晶體管20的寬度； L20—晶體管20的長(zhǎng)度； V20—輸入11上的電壓； V12—返回12上的電壓；以及 Vth20—晶體管20的閾值電壓。如果輸入13上的信號(hào)增加微小的量，晶體管154傳導(dǎo)更少的電 流，這迫使晶體管155傳導(dǎo)更多的電流并增加電流161的值。增加電流165和降低電流164使電流174降低。當(dāng)晶體管172和173以柵極 和源極被連接的方式處于鏡像結(jié)構(gòu)中時(shí)，降低通過(guò)晶體管173的電流 174還降低了通過(guò)晶體管172的電流171。因?yàn)殡娏?71為固定的電 流，當(dāng)通過(guò)晶體管172的電流降低時(shí)，晶體管172的漏極電壓增加。 這降低了晶體管20的Vgs,因此使通過(guò)晶體管20的電流21的值基本 上為零。增加電流161增加了晶體管166的Vgs,因而增加了晶體管 18的Vgs。由于晶體管18的高增益，增加的Vgs使晶體管18傳導(dǎo)最 大值的電流16。以下示出了通過(guò)晶體管18的電流16的最大值的方程118 = K(W18/(2*L18))*(Vin+Vgsl55-Vsatl55-Vthl8)2其中K一常數(shù)；118—晶體管18傳導(dǎo)的最大電流，如電流16; W18—晶體管18的寬度； L18—晶體管20的長(zhǎng)度；Vin—相對(duì)于返回12的輸入13或輸入14上接收的輸入電壓； Vgsl55—晶體管155的Vgs; Vsatl55—晶體管155的飽和電壓； Vthl8—晶體管18的閾值電壓。如以上方程所示，提供至負(fù)載17的電流16的最大值不是來(lái)自電 流源157和170的電流的值的函數(shù)，而是晶體管154和155的增益以 及晶體管18和20的增益的函數(shù)。同樣，放大器152的結(jié)構(gòu)提供通過(guò) 晶體管20的較大值的電流16，因?yàn)榫w管20從電流源170接收較大 的Vgs。此外，對(duì)于電流16包括基本為零的電流16和最大值的電流 16的所有情況，放大器152的結(jié)構(gòu)保持通過(guò)除了晶體管18和20之外 的所有晶體管的瞬態(tài)電流的總合基本恒定。這降低了放大器152的總功率耗散。圖4簡(jiǎn)要示出了在半導(dǎo)體管芯(die)141上形成的半導(dǎo)體器件或集 成電流140的實(shí)施例的一部分的放大的平面視圖。放大器10在管芯141上形成。管芯141還可以包括為了簡(jiǎn)化附圖而未在圖4中示出的 其他電路。放大器10和器件或集成電路140由本領(lǐng)域技術(shù)人員公知 的半導(dǎo)體制備技術(shù)在管芯141上形成。本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)認(rèn)識(shí)到， 除了放大器10或替換放大器10之外，放大器100也可在管芯141上 形成。鑒于上述內(nèi)容，顯然公開(kāi)了一種新穎的器件和方法。包括其他特 征的是形成具有單個(gè)差分對(duì)和具有與放大器的電流源的電流成比例 的瞬態(tài)電流以及向負(fù)栽提供AC電流的放大器，其中，AC電流不與 來(lái)自電流源的電流成比例。該結(jié)構(gòu)形成具有比現(xiàn)有放大器少的組件的 放大器，從而降低了放大器的成本。盡管用具體的優(yōu)選實(shí)施例對(duì)本發(fā)明的主題進(jìn)行了描述，但是顯然 對(duì)于半導(dǎo)體技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員而言很多替換和變更是明顯的。更具體地，本發(fā)明的主題是對(duì)特定的N-溝道和P-溝道晶體管來(lái)描述的， 盡管本方法也可直接應(yīng)用于其他晶體管，例如，雙極、雙極互補(bǔ)金屬 氧化物半導(dǎo)體(BiCMOS)、金屬半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管(MESFET)、 異質(zhì)結(jié)場(chǎng)效應(yīng)晶體管(HFET)以及其他晶體管結(jié)構(gòu)。另外，為了清 楚地描述，始終使用詞語(yǔ)"連接(connect)"，但是，其意味著與詞語(yǔ) "耦合(couple)"具有相同的意思。因此，應(yīng)該將"連接"解釋為包括 直接連接或間接連接。
權(quán)利要求
1.一種運(yùn)算放大器，其包括第一晶體管，其具有耦合成接收第一輸入電壓以及將輸出電流提供至所述運(yùn)算放大器的輸出的第一載流電極，所述第一晶體管還具有第二載流電極和控制電極；第二晶體管，其具有耦合成接收公共電壓以及從所述運(yùn)算放大器的輸出接收輸出電流的第一載流電極，所述第二晶體管還具有第二載流電極和控制電極；單個(gè)差分對(duì)，其具有耦合成接收第一輸入信號(hào)的第三晶體管和耦合成接收第二輸入信號(hào)的第四晶體管，所述第三晶體管具有第一和第二載流電極以及控制電極，以及所述第四晶體管具有第一和第二載流電極以及控制電極；第一電流源，其耦合成提供通過(guò)所述差分對(duì)的恒定電流，所述第一電流源具有第一端子和第二端子；以及控制電路，其耦合至所述第三晶體管和所述第四晶體管，以及配置成形成通過(guò)所述第一晶體管和所述第二晶體管的瞬態(tài)電流以及形成不與所述第一電流成比例的所述輸出電流的最大值，所述瞬態(tài)電流在基本上沒(méi)有負(fù)載電流流過(guò)所述第一和第二晶體管的情況下與所述恒定電流成比例。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的運(yùn)算放大器，其中，所述控制電路包 括具有大約為所述恒定電流的一半的第一電流的第二電流源，所述第 二電流源耦合成向所述第三或所述第四晶體管中的一個(gè)提供所述第 一電流，所述第二電流源具有第一端子和第二端子。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的運(yùn)算放大器，其中，所述控制電路包 括耦合至所述第四晶體管并耦合成接收所述笫一電流的第五晶體管， 以及其中，所述第一晶體管耦合至所述第五晶體管，以迫使所述第一 晶體管和所述第五晶體管的柵極到源極電壓基本相等，所述第五晶體 管具有第一載流電極和第二載流電極以及控制電極。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的運(yùn)算放大器，其中，所述第三晶體管 的所述第一載流電極一般耦合至所述第一晶體管的所述控制電極、所 述第五晶體管的所述控制電極以及所述第二電流源的所述第二端子， 以及其中，所述第三晶體管的所述第二載流電極一般耦合至所述第四 晶體管的所述第二載流電極以及所述第一電流源的所述第一端子。
5. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的運(yùn)算放大器，其中，所述控制電路包 括耦合至所述第五晶體管以形成與所述第一電流成比例的第二電流 的第六晶體管，以及還包括與所述第二晶體管耦合在電流鏡像結(jié)構(gòu)中 且配置成接收來(lái)自所述第六晶體管的所述第二電流的第七晶體管，所 述第六晶體管具有第一和第二載流電極以及控制電極，以及所述第七 晶體管具有第一和第二栽流電極以及控制電極。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的運(yùn)算放大器，其中，所述第六晶體管 的控制電極一般耦合至所述第四晶體管的所述第一栽流電極以及所 述第五晶體管的所述第二載流電極，其中，所述第六晶體管的所述第 一載流電極耦合至所述第七晶體管的所述第一栽流電極，以及其中， 所述第七晶體管的所述控制電極耦合至所述第二晶體管的所述控制 電極。
7. —種運(yùn)算放大器，其包括第一和第二晶體管，其耦合在堆棧結(jié)構(gòu)中以響應(yīng)于所述運(yùn)算放大 器的輸入信號(hào)而向負(fù)栽提供輸出電流，以及形成通過(guò)所述第 一和第二 晶體管的瞬態(tài)電流；第一電流源，其耦合成將第一電流提供至耦合為所述運(yùn)算放大器 的單個(gè)差分對(duì)的第三和第四晶體管；以及控制電路，其配置成形成通過(guò)所述笫一晶體管和所述第二晶體管 的瞬態(tài)電流，以及形成不與所述第一電流成比例的所述輸出電流的最 大值，所述瞬態(tài)電流是所述第一電流的比例。
8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的運(yùn)算放大器，其中，所述控制電路配 置成在基本沒(méi)有負(fù)載電流流過(guò)所述第一和第二晶體管的條件下形成 所述瞬態(tài)電流。
9. 一種形成運(yùn)算放大器的方法，其包括將第一晶體管和第二晶體管耦合在堆棧結(jié)構(gòu)中以響應(yīng)于所述運(yùn) 算放大器的輸入信號(hào)而形成輸出電流，以及形成通過(guò)所述第一和第二 晶體管的瞬態(tài)電流；以及配置所述運(yùn)算放大器以將通過(guò)所述第一晶體管和所述第二晶體 管的所述瞬態(tài)電流控制為來(lái)自所述運(yùn)算放大器的第一電流源的第一 電流的第一比例，以及形成不與來(lái)自所述第一電流源的所述第一電流 成比例的所述輸出電流的最大值。
10. 根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其中，所述配置所述運(yùn)算放大 器以控制所述瞬態(tài)電流的步驟，包括配置具有包括第三晶體管和第四 晶體管的單個(gè)差分晶體管對(duì)的所述運(yùn)算放大器，以及配置所述運(yùn)算放大器的控制電路以控制所述第一晶體管具有是通過(guò)所述第三或第四 晶體管中的一個(gè)的笫二電流的第二比例的瞬態(tài)電流，以及配置所述控 制電路以控制所述第二晶體管具有是通過(guò)所述第三或第四晶體管中 的另一個(gè)的第三電流的第三比例的瞬態(tài)電流。
全文摘要
在一個(gè)方面，運(yùn)算放大器配置成形成是所述運(yùn)算放大器的電流源的電流的比例的瞬態(tài)電流，以及向負(fù)載提供不與電流源的電流成比例的負(fù)載電流。
文檔編號(hào)H03F3/45GK101227173SQ200710181658
公開(kāi)日2008年7月23日 申請(qǐng)日期2007年10月22日 優(yōu)先權(quán)日2007年1月15日
發(fā)明者約翰·D·斯通 申請(qǐng)人:半導(dǎo)體元件工業(yè)有限責(zé)任公司