專利名稱：套筒式運算放大器與參考緩沖器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是有關(guān)于運算放大器(operational amplifier)，且特別是關(guān)于套筒式運 算放大器(telescopic operational amplifier)。
背景技術(shù)：
隨著半導(dǎo)體技術(shù)的M，模數(shù)轉(zhuǎn)換器(Analog to Digital Converter, ADC)在較 低的電壓運行。由此，ADC的參考緩沖器需要操作于較低的電壓。當ADC的 速度與分辨率較高時，ADC的參考緩沖器必須具有高帶寬。
圖1為先前技術(shù)參考緩沖器的示意圖。參考S爰沖器100包含差分運算放大 器(differential operational amplifier)llO以及電阻Rl與R2。參考緩沖器100更包 含輸入端VREFP與VREFN以及輸出端VREFP—BUF與VREFN—BUF 。電阻Rl 與R2 —般包含相同阻抗，用以在差分運算放大器110的增益與帶寬之間做取舍。
圖2為圖1中差分運算it大器110的示意圖。差分運算放大器110包含晶 體管Ml、 M2、 M3、 M4、 MPl與MP2，并且具有端點V+、 V-、 Vb、 VREFN—BUF 與VREFP—BUF。差分運算放大器110為二級結(jié)構(gòu)，用以取得高增益與低輸出阻 抗。然而，在高速設(shè)計中，差分運算^L大器110的第二級設(shè)計通常消耗大量的 電流來遠離第二極點。此外，因為差分運算放大器110的反饋因子大致為0.5， 所以相較于單位增益緩沖器，差分運算放大器110的閉合環(huán)路帶寬僅為單位增 益緩沖器的一半。

發(fā)明內(nèi)容
為解決上述運算放大器消耗電流量大與閉合環(huán)路帶寬小的問題，本發(fā)明提 出一種套筒式運算放大器與幾種參考緩沖器，可減少電流消耗并且擴展環(huán)路帶寬。
根據(jù)本發(fā)明的一實施方式，提供一種套筒式運算放大器，包含電流源、輸 入級與負載級。輸入級耦接于電流源，包舍一紐^俞入晶體管，用來接收輸入電壓。負載級耦接于輸入級，包含一組負載晶體管，用來輸出輸出電壓，其中該 組輸入晶體管的臨界電壓值大于該組負載晶體管的臨界電壓值。
根據(jù)本發(fā)明的另一實施方式，提供一種參考緩沖器，包含套筒式運算放大 器與輸出級。套筒式運算放大器包含第一電流源、輸入級與負載級。輸入級耦 接于第一電流源，包含一組輸入晶體管，用來接收輸入電壓。負載級耦接于輸 入級，包含一組負載晶體管，用來產(chǎn)生中間電壓。其中該組輸入晶體管的臨界 電壓值大于該組負載晶體管的臨界電壓值。輸出級包含輸出晶體管，用來接收 中間電壓值，以產(chǎn)生輸出電壓并且將輸出電壓輸返至套筒式運算放大器的輸入 級。
根據(jù)本發(fā)明的又一實施方式，提供一種參考緩沖器，包含第一套筒式運算 放大器、第二套筒式運算放大器與輸出級。第一套筒式運算放大器包含第一電 流源、第一輸入級與第一負載級。第一輸入級身禺4妄于第一電流源，包含第一組 輸入晶體管。第一負載級耦接于第一輸入級，包含第一組負載晶體管，用來產(chǎn) 生第一中間電壓。其中第一組輸入晶體管的臨界電壓值大于第一組負載晶體管 的臨界電壓值。第二套筒式運算放大器，包含第二電流源、第二輸入級與第二 負載級。第二輸入級耦接于第二電流源，包含第二組輸入晶體管。第二負載級 耦接于第二輸入級，包含第二組負載晶體管，用來產(chǎn)生第二中間電壓，其中第 二組輸入晶體管的臨界電壓值大于第二組負載晶體管的臨界電壓值。輸出級包 含第 一輸出晶體管與第二輸出晶體管，其中第 一輸出晶體管用來接收第 一 中間 電壓值，以產(chǎn)生第一輸出電壓，第二輸出晶體管用來接收第二中間電壓值，以
產(chǎn)生第二輸出電壓，以及輸出級用來分別將第一iir出電壓與第二輸出電壓輸返 至第一輸入級與第二輸入級。
上述套筒式運算放大器與參考緩沖器通過^f吏一組輸入晶體管的臨界電壓值 大于一組負載晶體管的臨界電壓值，擴大了運算放大器的帶寬，并且降低了電 源消誄毛。


圖i為先前技術(shù)參考緩沖器的示意圖。
圖2為差分運算放大器的示意圖。
圖3為參考緩沖器的一實施方式的示意圖。
圖4為參考緩沖器的另一實施方式的示意圖。圖5為參考緩沖器的又一實施方式的示意圖。 圖6為參考緩沖器的又一實施方式的示意圖。
具體實施例方式
為使本發(fā)明的制造、操作方法、目標和優(yōu)點能更明顯易懂，下文特舉幾個 較佳實施方式，并配合所附圖式，作詳細說明如下
圖3為參考緩沖器的一實施方式的示意圖。參考緩沖器300包含運算放大 器(operational amplifier)310與輸出級320。輸出級320接收運算放大器310產(chǎn)生 的中間電壓Vmedl,以產(chǎn)生輸出電壓VREF—TOP,并且將輸出電壓VREF一TOP 輸返運算放大器310。本實施方式中，輸出級320包含輸出晶體管321與電流源 322。輸出晶體管321串聯(lián)在電流源322與運算》欠大器310之間。
運算放大器310具有伸縮式(telescopic)結(jié)構(gòu)(例如套筒式運算放大器)，包含 電流源311、輸入級312、負載級313與N型金屬氧化物半導(dǎo)體(Metallic Oxide Semiconductor, MOS)晶體管314與316。電流源311耦接于輸入級312與電壓源 Vss之間。本實施方式中，N型金屬氧化物半導(dǎo)體晶體管構(gòu)成電流源311,以及 N型金屬氧化物半導(dǎo)體晶體管的柵極接收偏壓Vb。
輸入級312耦接于電流源311,包含一組輸入晶體管，用來接收輸入電壓 VR1。負載級313耦接于輸入級312，包含一組負載晶體管，用來產(chǎn)生電壓，例 如中間電壓Vmedl。該組輸入晶體管的臨界電壓值大于該組負載晶體管的臨界 電壓值。本實施方式中，該組輸入晶體管與該組負載晶體管為N型金屬氧化物 半導(dǎo)體晶體管，但這是并非本發(fā)明的限制。本領(lǐng)域的技術(shù)人員可利用雙極結(jié)型 晶體管(Bipolar Junction Transistor, BJT)或其它任4可適合的電子組件來代替晶體 管。
輸入級312的一組輸入晶體管包含輸入晶體管Mil與MI2。輸入晶體管Mil 與MI2耦接在電流源311與負載級313之間。豐lr入晶體管Mil的柵極可用作運 算放大器310的正極端。輸入晶體管MI2的柵才及可用作運算放大器310的負極 端，并且接收輸出電壓VREF一TOP，以形成負反々責回路。
本實施方式中，輸入晶體管Mil與MI2的臨界電壓值大于用于運算放大器 310的其它晶體管的臨界電壓值。 一種實施方式中，輸入晶體管Mil與MI2可 為3.3V輸入/輸出(Input/Output, 1/0)裝置，而其它晶體管可為1.2V的核心裝置 (core device)。另一實施方式中，輸入晶體管MIl、 MI2與其它晶體管可通過用于常規(guī)低壓(Low Voltage, LV)晶體管的工藝制造，并且輸入晶體管Mil與MI2 較其它晶體管具有更大的臨界電壓值(LV-HVT)。例如，運算放大器310的所有 晶體管為低壓裝置，其臨界電壓值小于0.4V,其中輸入晶體管Mil與MI2的臨 界電壓值較大(例如為0.6V)。又一實施方式中，輸入晶體管Mil與MI2可為原 生晶體管(native transistor),也就是說，輸入晶體管Mil與MI2的臨界電壓值 約為0V。
負載級313的該組負載晶體管包含負載晶體管ML1-1、 MLl-2、 ML2-1與 ML2-2。負載晶體管ML1-1、 MLl-2、 ML2-1與ML2-2為低壓裝置。輸入晶體 管Mil與MI2為高壓(High Voltage, HV)(例如3.3V)裝置，運算放大器310操作 在低壓模式，例如1.8V或1.2V。
如圖3所示，負載晶體管ML1-1與MLl-2在電壓源Vdd與電流源311之間， 與輸入晶體管Mil相串聯(lián)。負載晶體管ML2-1與ML2-2在電壓源Vdd與電流 源311之間，與輸入晶體管MI2相串聯(lián)。負載晶體管ML2-2的漏極可用作運算 放大器310的輸出端，用來輸出運算放大器310的輸出電壓，例如中間電壓 Vmedl。更進一步的說，N型金屬氧化物半導(dǎo)體晶體管314與316分別耦接于負 載級313與輸入級312之間，其可視為級聯(lián)裝置(cascade device),用以提高輸出 阻抗，例如中間電壓Vmed 1所處節(jié)點的阻抗。
由于運算放大器310為伸縮式結(jié)構(gòu)，本實施方式中，其增益與帶寬增大， 而電源消耗減少。更進一步的說，輸入晶體管MIl與MI2的臨界電壓值超過其 它晶體管的臨界電壓值，由此保證輸入晶體管Mil與MI2的正常運行。例如， 假若輸出電壓VREF_TOP高(例如約0.925V),同時提供給運算放大器310的為 低電壓(例如約1.2V)，則輸入晶體管MI2的柵4及與漏極之間的電壓差仍可小于 其臨界電壓值。這是因為輸入晶體管MI2為高壓裝置，其臨界電壓值足夠高， 因此輸入晶體管MI2可操作于飽和區(qū)域。此外，由于輸出電壓VREF—TOP高， 電壓源311的N型金屬氧化物半導(dǎo)體晶體管的漏才及與源極之間的電壓差也高。 由此，N型金屬氧化物半導(dǎo)體不會進入線性區(qū)域，使得提供給電流源311的電 流大致上不會減少。
圖4為參考緩沖器的另一實施方式的示意圖。圖4與圖3相似，但其中負 載晶體管與輸入晶體管的連接關(guān)系不同。如圖4所示，參考緩沖器包含晶體管 414、 416、 M3、 M4、 M5與MP1。其中，晶體管414的柵極耦接于輸入晶體管 Mil的柵極，用來接收輸入電壓VR1。晶體管416的4冊極耦接于輸入晶體管MI2的柵極，用來接收輸出電壓VREF—TOP。請參閱圖3，因為晶體管314與316 的相財及接收了附加的偏壓Vb2，所以圖3中的電流消^^大于圖4中的電流消一毛。
圖5為參考緩沖器的又一實施方式的示意圖。參考緩沖器500包含運算放 大器510與輸出級520。輸出級520接收運算放大器510產(chǎn)生的中間電壓Vmed2， 以產(chǎn)生輸出電壓VREF_BOT，并且將輸出電壓VREF一BOT輸返運算放大器510。 本實施方式中，輸出級520包含電流源521與輸出晶體管522。
運算放大器510與圖3中的運算放大器310相似。不同之處在于電流源511 耦接在電壓源Vdd與輸入級512之間，并且負載級耦接在輸入級512與電壓源 Vss之間。P型金屬氧化物半導(dǎo)體晶體管514與515分別耦接于負載級513與輸 入級512之間，其可被視為級聯(lián)裝置，以提高專俞出阻抗，例如中間電壓Vmed2 所處節(jié)點的阻抗。電壓源Vdd^l是供的電壓大于電壓源Vss^是供的電壓。
請參閱圖5，運算放大器510的連接關(guān)系描述如下。運算放大器510的正極 端，例如輸入晶體管Mil的柵極，接收電壓VR2。運算放大器510的負極端， 例如輸入晶體管MI2的柵極，耦接于輸出晶體管522的漏極。運算放大器510 的輸出端，例如負載晶體管ML2-2的漏極，耦4妻于輸出晶體管522的柵極。
由于圖3、圖4與圖5所示的運算放大器的帶寬可擴展，因此其趨穩(wěn)時間 (settling time)較短。運算放大器的增益非常高，使得運算放大器達到了更佳的電 源電壓抑制比(Power Supply Rejection Ratio,以下簡稱為PSRR)。運算放大器 的功率消耗得以減少。此外，參考緩沖器的電壓參考區(qū)域擴大，使得參考緩沖
器具有更佳的信噪比(Sigal Noise Rate, SNR)。
圖6為參考緩沖器的又一實施方式的示意圖。參考緩沖器600包含分級電 路(stage circuit)610與620。分級電路610提供高增益，以及分級電路620減少 輸出阻抗并且也提供增益。本實施方式中，分級電路610包含運算放大器611 與612,分級電^各620包含輸出晶體管MP1、MN1與耦接在兩者之間的電阻Rl。 輸出晶體管MP1用于接收中間電壓Vmedl ，來產(chǎn)生輸出電壓VREF一TOP。輸出 晶體管MN1用于接收中間電壓Vmed2,來產(chǎn)生另 一輸出電壓VREF—BOT。運 算放大器611與612具有伸縮式結(jié)構(gòu)。由于運算》支大器611與310(請參閱圖3) 的結(jié)構(gòu)相同，運算放大器612與510(請參閱圖5)的結(jié)構(gòu)相同，因此出于簡潔的 目的，運算放大器611與612的詳細敘述在此省略。輸出晶體管MP1、 MN1與 電阻Rl串聯(lián)在電壓源Vdd與Vss之間。電壓源Vdd提供的電壓大于電壓源Vss 提供的電壓。請注意，本實施方式中，運算放大器611與612的結(jié)構(gòu)分別與運算放大器 310與510的結(jié)構(gòu)相同僅用于說明本發(fā)明，而不是用于限定本發(fā)明。例如，運算 放大器611的結(jié)構(gòu)也可與運算放大器510或者圖4中運算放大器的結(jié)構(gòu)相同。 同樣的，運算放大器613的結(jié)構(gòu)也可與運算放大器310或者圖4中運算放大器 的結(jié)構(gòu)相同。
應(yīng)用于參考緩沖器600的運算放大器611的正極端接收輸入電壓VR1，其
負極端耦接于輸出晶體管MP1的漏極，用來接收輸出電壓VERF—TOP。運算放
大器611將中間電壓Vmedl輸出至輸出晶體管MP1的柵極。相似的，運算放大
器612的正極端接收另一輸入電壓VR2，其負極端耦接于輸出晶體管MN1的漏
極，用來接收另 一輸出電壓VERF—BOT。運算放大器612將另 一中間電壓Vmed2
輸出至輸出晶體管MN1的柵極。
流經(jīng)輸出級620的電流I2ndstage由下面公式(l)表示 一 _ ro尸-K/ 五F _ sor
2"rf加ge — d ,，、
^ .................................….(1)
其中R為電阻R1的阻抗。
因為參考緩沖器600包含一個輸出級(例如輸出級620)，用于兩個運算放大 器611與612，所以在同等帶寬條件下，參考緩沖器600的電流消耗為圖l所示 差分運算放大器110的一半。此外，運算放大器611與612構(gòu)成單位增益緩沖 器(unity gain buffer),因此反饋因子大致為1，由此本實施方式擴展了其閉合環(huán) 路帶寬，并且達到了更好的高頻PSRR。
以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施方式，凡依本發(fā)明權(quán)利要求所做的均等變 化與修飾，皆應(yīng)屬本發(fā)明的涵蓋范圍。
權(quán)利要求
1. 一種套筒式運算放大器，包含電流源；輸入級，耦接于該電流源，包含一組輸入晶體管，用來接收輸入電壓；以及負載級，耦接于該輸入級，包含一組負載晶體管，用來輸出輸出電壓，其中該組輸入晶體管的臨界電壓值大于該組負載晶體管的臨界電壓值。
2. 如權(quán)利要求1所述的套筒式運算放大器，其特征在于，該組輸入晶體管與 該組負載晶體管為金屬氧化物半導(dǎo)體晶體管。
3. 如權(quán)利要求1所述的套筒式運算放大器，其特征在于，該組輸入晶體管包 含第 一輸入晶體管與第二輸入晶體管，該第二輸入晶體管耦接于該第 一輸入晶 體管，以及該第一輸入晶體管與該第二輸入晶體管耦接于該電流源與該負載級 之間。
4. 如權(quán)利要求3所述的套筒式運算放大器，其特征在于，該組負載晶體管包含多個第一負載晶體管，在電壓源與該電流源之間，與該第一輸入晶體管串 聯(lián)；以及多個第二負載晶體管，在該電壓源與該電流源之間，與該第二輸入晶體管 串聯(lián)。
5. 如權(quán)利要求4所述的套筒式運算放大器，其特征在于，該多個第一負載晶 體管其中之一的柵極耦接于該第一輸入晶體管的柵極，用來接收該輸入電壓，以及該多個第二負載晶體管其中之一的柵極耦接于該第二輸入晶體管的柵極， 用來耦接該輸出電壓。
6. —種參考緩沖器，包含套筒式運算放大器和輸出級，該套筒式運算放大器 包含第一電流源；輸入級，耦接于該第一電流源，包含一組輸入晶體管，用來接收輸入電壓；以及負載級，耦接于該輸入級，包含一組負載晶體管，用來產(chǎn)生中間電壓，其中該組輸入晶體管的臨界電壓值大于該組負載晶體管的臨界電壓值；該輸出級包含輸出晶體管，用來接收該中間電壓，以產(chǎn)生輸出電壓并且將 該輸出電壓輸返至該套筒式運算放大器的該輸入級。
7. 如權(quán)利要求6所述的參考緩沖器，其特征在于，該組輸入晶體管與該組負 載晶體管為金屬氧化物半導(dǎo)體晶體管。
8. 如權(quán)利要求6所述的參考緩沖器，其特征在于，該輸出級更包含第二電流 源，其中該輸出晶體管串聯(lián)在該負載級與該第二電流源之間。
9. 如權(quán)利要求6所述的參考緩沖器，其特征在于，該組輸入晶體管包含第一 輸入晶體管與第二輸入晶體管，該第二輸入晶體管耦接于該第一輸入晶體管， 以及該第一輸入晶體管與該第二輸入晶體管耦接在該第一電流源與該負載級之 間。
10. 如權(quán)利要求9所述的參考緩沖器，其特征在于，該組負載晶體管包含 多個第一負載晶體管，在電壓源與該第一電流源之間，與該第一輸入晶體管串聯(lián)；以及多個第二負載晶體管，在該電壓源與該第一電流源之間，與該第二輸入晶 體管串聯(lián)。
11. 如權(quán)利要求IO所述的參考緩沖器，其特征在于，該多個第一負載晶體管 其中之一的柵極耦接于該第一輸入晶體管的柵極，用來接收該輸入電壓，以及 該多個第二負載晶體管其中之一的柵極耦接于該第二輸入晶體管的柵極，用來耦才妄該輸出電壓。
12. —種參考緩沖器，包含第一套筒式運算^:大器，第二套筒式運算放大器 和輸出級，該第一套筒式運算放大器，包含 第一電流源；第一輸入級，耦接于該第一電流源，包含第一組輸入晶體管；以及 第一負載級，耦接于該第一輸入級，包含第一組負載晶體管，用來產(chǎn)生第一中間電壓，其中該第一組輸入晶體管的臨界電壓值大于該第一組負載晶體管的臨界電壓值；該第二套筒式運算放大器，包含第二電流源；第二輸入級，耦接于該第二電流源，包含第二組輸入晶體管；以及第二負載級，耦接于該第二輸入級，包含第二組負載晶體管，用來產(chǎn)生第 二中間電壓，其中該第二組輸入晶體管的臨界電壓值大于該第二組負載晶體管的臨界電壓值；以及該輸出級，包含第一輸出晶體管與第二輸出晶體管，其中該第一輸出晶體 管用來接收該第一中間電壓，以產(chǎn)生第一輸出電壓，該第二輸出晶體管用來接 收該第二中間電壓，以產(chǎn)生第二輸出電壓，以及該輸出級用來分別將該第一輸 出電壓與該第二輸出電壓輸返至該第一輸入級與該第二輸入級。
13. 如權(quán)利要求12所述的參考緩沖器，其特征在于，該第一組輸入晶體管與 該第二組輸入晶體管以及該第一組負載晶體管與該第二組負載晶體管為金屬氧 化物半導(dǎo)體晶體管。
14. 如權(quán)利要求12所述的參考緩沖器，其特征在于，該輸出級更包含電阻， 且該電阻耦接在該第一輸出晶體管與該第二輸出晶體管之間。
15. 如權(quán)利要求12所述的參考緩沖器，其特征在于，該第一組輸入晶體管包 含第 一輸入晶體管與第二輸入晶體管，該第二輸入晶體管耦接于該第 一輸入晶 體管，并且該第一輸入晶體管與該第二輸入晶體管耦接于該第一電流源與該第 一負載級之間；以及該第二組輸入晶體管包含第三輸入晶體管與第四輸入晶體管，該第四輸入 晶體管耦接于該第三輸入晶體管，并且該第三輸入晶體管與該第四輸入晶體管 耦接于該第二電流源與該第二負載級之間。
16. 如權(quán)利要求15所述的參考緩沖器，其特征在于，該第一組負載晶體管包 含多個第一負載晶體管與多個第二負載晶體管，該多個第一負載晶體管，在第 一電壓源與該第一電流源之間，與該第一輸入晶體管串聯(lián)，以及該多個第二負 載晶體管，在該第一電壓源與該第一電流源之間，與該第二輸入晶體管串聯(lián)； 以及該第二組負載晶體管包含多個第三負載晶體管與多個第四負載晶體管，該 多個第三負載晶體管，在第二電壓源與該第二電流源之間，與該第三輸入晶體 管串聯(lián)，以及該多個第四負載晶體管，在該第二電壓源與該第二電流源之間， 與該第四輸入晶體管串聯(lián)。
17.如權(quán)利要求16所述的參考緩沖器，其特征在于，該第一電壓源提供的電 壓大于該第二電壓源提供的電壓。
18.如權(quán)利要求16所述的參考緩沖器，其特征在于，該第一電流源耦接在該第一輸入級與該第二電壓源之間，以及該第二電流源耦接在該第二輸入級與該 第一電壓源之間。
19.如權(quán)利要求16所述的參考緩沖器，其特征在于，該多個第一負載晶體管 其中之一的柵極耦接于該第一輸入晶體管的柵極，用來接收該第一輸入電壓， 該多個第二負載晶體管其中之一的柵極耦接于該第二輸入晶體管的柵極，用來接收該第 一 輸出電壓，該多個第三負載晶體管其中之 一 的柵極耦接于該第三輸 入晶體管的柵極，用來接收該第二輸入電壓，以及該多個第四負載晶體管其中 之一的柵極耦接于該第四輸入晶體管的柵極，用來4妻收該第二輸出電壓。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種套筒式運算放大器，包含電流源、輸入級與負載級。輸入級耦接于電流源，包含一組輸入晶體管，用來接收輸入電壓。負載級耦接于輸入級，包含一組負載晶體管，用來輸出輸出電壓，其中該組輸入晶體管的臨界電壓值大于該組負載晶體管的臨界電壓值。上述套筒式運算放大器擴大了運算放大器的帶寬，并且降低了電源消耗。
文檔編號H03M1/34GK101534096SQ20081013505
公開日2009年9月16日 申請日期2008年7月29日 優(yōu)先權(quán)日2008年3月13日
發(fā)明者李洪松, 顏永智 申請人:聯(lián)發(fā)科技股份有限公司