專利名稱：可降低耗電量的軌對(duì)軌運(yùn)算放大器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是指一種可降低耗電量的軌對(duì)軌運(yùn)算放大器，尤指一種通過(guò)調(diào)整補(bǔ)償電容的偏壓，以降低耗電量的軌對(duì)軌運(yùn)算放大器。
背景技術(shù)：
隨著半導(dǎo)體技術(shù)的進(jìn)步，集成電路的操作電壓也越來(lái)越低。因此，在設(shè)計(jì)模擬電路時(shí)，常會(huì)發(fā)生運(yùn)算放大器的輸入和輸出共模電壓不足的問(wèn)題。為
了解決此問(wèn)題，運(yùn)算放大器需具備有軌對(duì)軌(Rail-to-Rail)輸入及輸出的共模電壓范圍。
一般來(lái)說(shuō)，傳統(tǒng)運(yùn)算放大器通常為兩級(jí)結(jié)構(gòu)的》欠大器，其包含有第一級(jí)放大電路(放大級(jí))以及第二級(jí)輸出電路(輸出級(jí))。傳統(tǒng)運(yùn)算放大器中的第一級(jí)放大電路用來(lái)提高運(yùn)算放大器的增益，而第二級(jí)^r出電路則用來(lái)推動(dòng)運(yùn)算放大器所連接的電容性或是電阻性負(fù)載。此外，傳統(tǒng)運(yùn)算放大器具有回路穩(wěn)定度不足的問(wèn)題，因此已知運(yùn)算放大器通過(guò)米勒補(bǔ)4嘗(Miller Compensation)電容進(jìn)行頻率補(bǔ)償，以達(dá)到穩(wěn)定回路的效果。
請(qǐng)參考圖1,圖1為已知運(yùn)算放大器IO的示意圖。運(yùn)算放大器IO是軌對(duì)軌運(yùn)算放大器，包含有放大級(jí)電路ll、輸出級(jí)電^各12及補(bǔ)償電路13,用來(lái)通過(guò)正輸入端VP接收輸入信號(hào)，以及通過(guò)輸出端V0UT輸出放大信號(hào)并反饋至負(fù)輸入端VN。放大級(jí)電路11由第一差動(dòng)對(duì)110、第二差動(dòng)對(duì)120、第一電流鏡130、第二電流鏡140及第三電流鏡150所《且成。第一差動(dòng)對(duì)110由一對(duì)互相匹配的N型金屬氧化物半導(dǎo)體晶體管(NM0S)國(guó)1、 MN2及一電流源II所組成。電流源Il耦接于晶體管顧l、 MN2的源極，用來(lái)提供第一差動(dòng)對(duì)110的靜態(tài)電流。同樣地，第二差動(dòng)對(duì)120由一對(duì)互相匹配的P型金屬氧化物半導(dǎo)體晶體管(PM0S)MP1、 MP2及一電流源12所組成。電流源12耦接于晶體管MP1、 MP2的源極，用來(lái)提供第二差動(dòng)對(duì)120的,爭(zhēng)態(tài)電流。第一電流鏡130由PM0S晶體管MP3、 MP4、 MP5及MP6所組成。第二電流鏡140由麗0S晶體管MN3、 MN4、 MN5及MN6所組成。晶體管MP5、 MP6、 MN5及MN6的4冊(cè)才及皆誄禺才妻于偏壓VB。第 一電流鏡130及第二電流鏡140用來(lái)作為第 一差動(dòng)對(duì)110及第 二差動(dòng)對(duì)120的主動(dòng)負(fù)載。第三電流鏡150以電流源13及14表示，用來(lái)將 第一差動(dòng)對(duì)IIO及第二差動(dòng)對(duì)120的輸出信號(hào)迭加并輸出至輸出級(jí)電路12。 上述的電流鏡工作原理為本領(lǐng)域技術(shù)人員所熟知，在此不贅述。
輸出級(jí)電路12是PMOS晶體管MP7及畫OS晶體管MN7所組成的AB類推 挽式輸出電路。晶體管MP7的柵極與放大級(jí)電路11耦4妾于節(jié)點(diǎn)E，晶體管MN7 的柵極與放大級(jí)電路11耦接于節(jié)點(diǎn)F。補(bǔ)償電路13井禺^妾于放大級(jí)電路11及 輸出級(jí)電路12之間，由開(kāi)關(guān)S1 S4及補(bǔ)償電容CM1、 CM2所組成。開(kāi)關(guān)S1、 S2及補(bǔ)償電容CM1耦接于節(jié)點(diǎn)A，開(kāi)關(guān)Sl與放大級(jí)電路11耦接于節(jié)點(diǎn)B。 開(kāi)關(guān)S3、 S4及補(bǔ)償電容CM2耦接于節(jié)點(diǎn)C，開(kāi)關(guān)S3與》文大級(jí)電路11耦接于 節(jié)點(diǎn)D。運(yùn)算放大器10根據(jù)補(bǔ)償電路13中開(kāi)關(guān)SI ~ S4的切換操作，對(duì)補(bǔ)償 電容CM1及CM2進(jìn)行充放電，以達(dá)到穩(wěn)定回路的效果。當(dāng)運(yùn)算放大器10的輸 入信號(hào)由高電位轉(zhuǎn)換至低電位，或由低電位轉(zhuǎn)換至高電位時(shí)，開(kāi)關(guān)Sl及S3 關(guān)閉且開(kāi)關(guān)S2及S4導(dǎo)通，放大級(jí)電路11產(chǎn)生的》文大信號(hào)不經(jīng)過(guò)補(bǔ)償電容 CM1及CM2。當(dāng)運(yùn)算放大器10的輸入信號(hào)到達(dá)穩(wěn)態(tài)時(shí)，開(kāi)關(guān)Sl及S3導(dǎo)通且 開(kāi)關(guān)S2及S4關(guān)閉，放大級(jí)電路11產(chǎn)生的放大信號(hào)經(jīng)過(guò)補(bǔ)償電容CM1及CM2 進(jìn)行頻率補(bǔ)償。
值得注意的是，當(dāng)開(kāi)關(guān)S1及S3關(guān)閉且開(kāi)關(guān)S2及S4導(dǎo)通時(shí)，節(jié)點(diǎn)A接 到電源端VDD，節(jié)點(diǎn)C接到地端GND。在此情形下，節(jié)點(diǎn)A的電壓不等于節(jié)點(diǎn) B于穩(wěn)態(tài)時(shí)的電壓，且節(jié)點(diǎn)C的電壓不等于節(jié)點(diǎn)D于穩(wěn)態(tài)時(shí)的電壓。當(dāng)運(yùn)算 放大器10的輸入信號(hào)到達(dá)穩(wěn)態(tài)，開(kāi)關(guān)Sl導(dǎo)通時(shí)，節(jié)點(diǎn)A與節(jié)點(diǎn)B會(huì)進(jìn)行電 荷分享。如此一來(lái)，節(jié)點(diǎn)B的電壓將大于其穩(wěn)態(tài)電壓而必須進(jìn)行放電。同樣 地，當(dāng)運(yùn)算放大器10的輸入信號(hào)到達(dá)穩(wěn)態(tài)，開(kāi)關(guān)S3導(dǎo)通時(shí)，節(jié)點(diǎn)C與節(jié)點(diǎn) D會(huì)進(jìn)行電荷分享。如此一來(lái)，節(jié)點(diǎn)D的電壓將小于其穩(wěn)態(tài)電壓而必須進(jìn)行 充電。換言之，節(jié)點(diǎn)B及節(jié)點(diǎn)D的充放電效應(yīng)將會(huì)增加晶體管MP6及MN6的 耗電流。
由上可知，當(dāng)運(yùn)算放大器10的輸入信號(hào)到達(dá)穩(wěn)態(tài)時(shí)，節(jié)點(diǎn)A及節(jié)點(diǎn)C的 電壓將影響節(jié)點(diǎn)B及節(jié)點(diǎn)D產(chǎn)生充放電效應(yīng)，導(dǎo)致運(yùn)算放大器10的耗電流增 加，將因此延長(zhǎng)運(yùn)算放大器10的穩(wěn)定時(shí)間(Settling Time)。除此之外，由 于已知運(yùn)算放大器10須仰賴外部電路產(chǎn)生控制信號(hào)，以控制開(kāi)關(guān)Sl ~ S4的 切換操作，因此在電路應(yīng)用上較不具彈性。

發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明的主要目的即在于提供一種可降低耗電量的軌對(duì)軌運(yùn)算放 大器。
本發(fā)明揭露一種可降低耗電量的軌對(duì)軌運(yùn)算放大器，包含有放大級(jí)電路、 輸出級(jí)電路及補(bǔ)償電路。該放大級(jí)電路包含有第一補(bǔ)償輸出端、第二補(bǔ)償輸 出端、第一電流輸出端及第二電流輸出端，用來(lái)根據(jù)該軌對(duì)軌運(yùn)算放大器的
輸入信號(hào)，產(chǎn)生放大信號(hào)。該輸出級(jí)電路耦接于該;汰大級(jí)電路的該第一電流
輸出端及該第二電流輸出端，包含有輸出端，用來(lái)車ir出該放大信號(hào)。該補(bǔ)償 電路耦接于該放大級(jí)電路及該輸出級(jí)電路，包含有第一電壓產(chǎn)生器，用來(lái)產(chǎn) 生第一電壓，該第一電壓近似于該放大級(jí)電路的該第一補(bǔ)償輸出端的穩(wěn)態(tài)電
壓；第二電壓產(chǎn)生器，用來(lái)產(chǎn)生第二電壓，該第二電壓近似于該放大級(jí)電路 的該第二補(bǔ)償輸出端的穩(wěn)態(tài)電壓；第一補(bǔ)償電容，包含有第一端，及第二端
耦接于該輸出級(jí)電路的該輸出端；第二補(bǔ)償電容，包含有第一端，及第二端 耦接于該輸出級(jí)電路的該輸出端；第一開(kāi)關(guān)，耦接于該》文大級(jí)電路的該第一 補(bǔ)償輸出端及該第一補(bǔ)償電容的該第一端之間，用來(lái)才艮據(jù)第一控制信號(hào)，控 制該第一補(bǔ)償輸出端及該第一補(bǔ)償電容的該第一端之間的信號(hào)連結(jié)；第二開(kāi) 關(guān)，耦接于該第一電壓產(chǎn)生器及該第一補(bǔ)償電容的該第一端之間，用來(lái)根據(jù) 第二控制信號(hào)，控制該第一電壓產(chǎn)生器及該第一補(bǔ)償電容的該第一端之間的 信號(hào)連結(jié)；第三開(kāi)關(guān)，耦接于該放大級(jí)電路的該第二^^卜償輸出端及該第二補(bǔ) 償電容的該第一端之間，用來(lái)根據(jù)第三控制信號(hào)，控制該第二補(bǔ)償輸出端及 該第二補(bǔ)償電容的該第一端之間的信號(hào)連結(jié)；以及第四開(kāi)關(guān)，耦接于該第二
電壓產(chǎn)生器及該第二補(bǔ)償電容的該第一端之間，用來(lái)才艮據(jù)第四控制信號(hào)，控 制該第二電壓產(chǎn)生器及該第二補(bǔ)償電容的該第一端之間的信號(hào)連結(jié)。


圖1為一已知運(yùn)算放大器的示意圖。
圖2至圖5為本發(fā)明實(shí)施例運(yùn)算放大器的示意圖。
圖6為本發(fā)明實(shí)施例一控制信號(hào)產(chǎn)生裝置的示意圖。
圖7為圖6的控制信號(hào)產(chǎn)生裝置中比較器的示意圖。10、20、 30、 40、 50運(yùn)算放大器60控制信號(hào)產(chǎn)生裝置
11、21、 31、 41、 51放大級(jí)電路12、22、 32、 42、 52輸出級(jí)電路13、23、 33、 43、 53補(bǔ)償電^各110、210、 310、 410、510第一差動(dòng)對(duì)
120、220、 320、 420、520第二差動(dòng)對(duì)
130、230、 330、 430、530第一電流鏡
140、240、 340、 440、540第二電流鏡
150、250、 350、 450、550第三電流鏡
600第一比較器
602第二比較器
604NOR邏輯門
MP1 --MP 12 PMOS晶體管
MN1-MN12 畫OS晶體管
I1-I4 電流源
CM1、 CM2 補(bǔ)償電容
S1 S4 開(kāi)關(guān)
VG1 第一電壓產(chǎn)生器
VG2 第二電壓產(chǎn)生器
0P1、 OP2 單位增益運(yùn)算放大器
VCTR1 VCTR4 控制信號(hào)
SW 開(kāi)關(guān)控制信號(hào)
VI 第一電壓
V2 第二電壓
VB 偏壓
VI匯l、 VIN —2 輸入電壓 Vref — A、 Vref-B 參考電壓 VP 正4命入端 VN 負(fù)輸入端 VOUT 輸出端VDD 電源端
GND 地端
A、 B、 C、 D、 E、 F 節(jié)點(diǎn)
具體實(shí)施例方式
請(qǐng)參考圖2，圖2為本發(fā)明實(shí)施例一運(yùn)算放大器20的示意圖。運(yùn)算放大 器20是軌對(duì)軌運(yùn)算放大器，包含有放大級(jí)電路21、輸出級(jí)電路22及補(bǔ)償電 路23，用來(lái)通過(guò)正輸入端VP接收輸入信號(hào)，以及通過(guò)輸出端VOUT輸出放大 信號(hào)并反饋至負(fù)輸入端VN。放大級(jí)電路21由第一差動(dòng)對(duì)210、第二差動(dòng)對(duì) 220、第一電流鏡230、第二電流鏡240及第三電流《竟250所組成，用來(lái)根據(jù) 輸入信號(hào)產(chǎn)生放大信號(hào)。輸出級(jí)電路22是PMOS晶體管MP7及畫OS晶體管 MN7所組成的推挽式輸出電路，包含有輸出端VOUT,用來(lái)輸出放大信號(hào)。放 大級(jí)電路21及輸出級(jí)電路22中的電流源II ~ 14、晶體管MP1 MP7及MN1 ~ 匪7的連接方式及操作，與圖1中放大級(jí)電路11及輸出級(jí)電路12相同，相 關(guān)操作可參考前述說(shuō)明，在此不贅述。
除此之外，放大級(jí)電路21包含有第一補(bǔ)償輸出端，第二補(bǔ)償輸出端、第 一電流輸出端及第二電流輸出端，其分別對(duì)應(yīng)為節(jié)點(diǎn)B、節(jié)點(diǎn)D、節(jié)點(diǎn)E及節(jié) 點(diǎn)F。輸出級(jí)電路22的晶體管MP7的柵極耦接于節(jié)點(diǎn)E,晶體管MN7的柵極 耦接于節(jié)點(diǎn)F。補(bǔ)償電路23耦接于節(jié)點(diǎn)B、節(jié)點(diǎn)D及^r出端VOUT,包含有第 一電壓產(chǎn)生器VG1、第二電壓產(chǎn)生器VG2、補(bǔ)償電容CM1、 CM2、及開(kāi)關(guān)SI ~ S4。第一電壓產(chǎn)生器VG1用來(lái)產(chǎn)生第一電壓VI,第一電壓V1等于放大級(jí)電 路21的第一補(bǔ)償輸出端的穩(wěn)態(tài)電壓，即節(jié)點(diǎn)B的穩(wěn)態(tài)電壓。第二電壓產(chǎn)生器 VG2用來(lái)產(chǎn)生第二電壓V2,第二電壓V2等于放大級(jí)電路21的第二補(bǔ)償輸出 端的穩(wěn)態(tài)電壓，即節(jié)點(diǎn)D的穩(wěn)態(tài)電壓。補(bǔ)償電容CM1包含有第一端耦接于開(kāi) 關(guān)S2，及第二端耦接于輸出端VOUT。補(bǔ)償電容CM2包含有第一端耦接于開(kāi)關(guān) S4，及第二端耦接于輸出端VOUT。運(yùn)算放大器20根據(jù)補(bǔ)償電路23中開(kāi)關(guān)SI ~ S4的切換操作，對(duì)補(bǔ)償電容CM1及CM2進(jìn)行充放電，以達(dá)到穩(wěn)定回路的效果。
關(guān)于開(kāi)關(guān)S1 S4的連接及運(yùn)作方式，說(shuō)明如下。開(kāi)關(guān)Sl耦接于節(jié)點(diǎn)B 及補(bǔ)償電容CM1的第一端之間，用來(lái)根據(jù)控制信號(hào)VCTR1，控制節(jié)點(diǎn)B及補(bǔ) 償電容CM1的第一端之間的信號(hào)連結(jié)。開(kāi)關(guān)S2耦接于第一電壓產(chǎn)生器VG1及 補(bǔ)償電容CM1的第一端之間，用來(lái)根據(jù)控制信號(hào)VCTR2,控制第一電壓產(chǎn)生器VG1及補(bǔ)償電容CM1的第一端之間的信號(hào)連結(jié)。開(kāi)關(guān)S3耦接于節(jié)點(diǎn)D及補(bǔ) 償電容CM2的第一端之間，用來(lái)根據(jù)控制信號(hào)VCTR3,控制節(jié)點(diǎn)D及補(bǔ)償電 容CM2的第一端之間的信號(hào)連結(jié)。開(kāi)關(guān)S4耦接于第二電壓產(chǎn)生器VG2及補(bǔ)償 電容CM2的第一端之間，用來(lái)根據(jù)控制信號(hào)VCTR4,控制第二電壓產(chǎn)生器VG2 及補(bǔ)償電容CM2的第一端之間的信號(hào)連結(jié)。
當(dāng)運(yùn)算放大器20的輸入信號(hào)由高電位轉(zhuǎn)換至低電位，或由低電位轉(zhuǎn)換至 高電位時(shí)，控制信號(hào)VCTR1及VCTR3分別控制開(kāi)關(guān)Sl及S3關(guān)閉，且控制信 號(hào)VCTR2及VCTR4分別控制開(kāi)關(guān)S2及S4導(dǎo)通。此時(shí)，；故大級(jí)電路21所產(chǎn)生 的放大信號(hào)不經(jīng)過(guò)補(bǔ)償電容CM1及CM2。當(dāng)運(yùn)算放大器20的輸入信號(hào)到達(dá)穩(wěn) 態(tài)時(shí)，控制信號(hào)VCTR1及VCTR3分別控制開(kāi)關(guān)Sl及S3導(dǎo)通，且控制信號(hào)VCTR2 及VCTR4分別控制開(kāi)關(guān)S2及S4關(guān)閉，放大級(jí)電路21所產(chǎn)生的放大信號(hào)經(jīng)過(guò) 補(bǔ)償電容CM1及CM2進(jìn)行頻率補(bǔ)償。
在本發(fā)明實(shí)施例中，第一電壓產(chǎn)生器VG1所產(chǎn)生的第一電壓VI等于節(jié)點(diǎn) B的穩(wěn)態(tài)電壓，第二電壓產(chǎn)生器VG2所產(chǎn)生的第二電壓V2等于節(jié)點(diǎn)D的穩(wěn)態(tài) 電壓。如此一來(lái)，當(dāng)運(yùn)算放大器20的輸入信號(hào)到達(dá)穩(wěn)態(tài)時(shí)，節(jié)點(diǎn)A的電壓趨 近于節(jié)點(diǎn)B的電壓，節(jié)點(diǎn)C的電壓趨近于節(jié)點(diǎn)D的電壓。因此，節(jié)點(diǎn)A與節(jié) 點(diǎn)B之間以及節(jié)點(diǎn)C與節(jié)點(diǎn)D之間不會(huì)進(jìn)行電荷分享。換言之，運(yùn)算放大器 20不需對(duì)節(jié)點(diǎn)B及節(jié)點(diǎn)D進(jìn)行充放電，進(jìn)而可降低晶體管MP6及MN6的耗電 量。相較于已知技術(shù)，本發(fā)明實(shí)施例可降低運(yùn)算放大器20的耗電量，并且不 會(huì)增加額外的穩(wěn)定時(shí)間。
值得注意的是，本發(fā)明的主要精神在于控制第一電壓產(chǎn)生器VG1及第二 電壓產(chǎn)生器VG2所產(chǎn)生的電壓，使運(yùn)算放大器20的輸入信號(hào)到達(dá)穩(wěn)態(tài)時(shí)，運(yùn) 算放大器20不需對(duì)節(jié)點(diǎn)B及節(jié)點(diǎn)D進(jìn)行充放電。因此，凡以不同方式實(shí)現(xiàn)第 一電壓產(chǎn)生器VG1及第二電壓產(chǎn)生器VG2的實(shí)施例，皆應(yīng)涵蓋于本發(fā)明所保 護(hù)的范圍中。
關(guān)于第一電壓產(chǎn)生器VG1及第二電壓產(chǎn)生器VG2的實(shí)現(xiàn)方式，請(qǐng)參考圖 3。圖3為本發(fā)明實(shí)施例一運(yùn)算放大器30的示意圖。運(yùn)算放大器30類似于圖 2的運(yùn)算放大器20,包含有放大級(jí)電路31、輸出級(jí)電路32及補(bǔ)償電路33, 各電路中的元件與運(yùn)算放大器20中相同，在此不贅述。不同之處在于，第一 電壓產(chǎn)生器VG1是由PMOS晶體管MP8及MP9組成，第二電壓產(chǎn)生器VG2是由 畫OS晶體管MN8及MN9組成。晶體管MP8的源極耦4妄于電源端VDD,柵極及漏極皆耦接于開(kāi)關(guān)S2，且柵極及漏才及的電壓設(shè)計(jì)為第一電壓VI,即節(jié)點(diǎn)B的 穩(wěn)態(tài)電壓。晶體管MP9的源極耦接于晶體管MP8的柵極及漏極，漏極耦接于 地端，柵極耦接于放大級(jí)電路31中的偏壓VB。另一方面，晶體管MN8的源 極耦接于地端，柵極及漏極皆耦接于開(kāi)關(guān)S4，且柵極及漏極的電壓設(shè)計(jì)為第 二電壓V2，即節(jié)點(diǎn)D的穩(wěn)態(tài)電壓。晶體管MN9的源極耦接于晶體管MN8的柵 極及漏極，漏極耦接于電源端VDD,柵極耦接于偏壓VB。補(bǔ)償電路33的開(kāi)關(guān) Sl - S4的控制方式同于運(yùn)算放大器20。當(dāng)運(yùn)算放大器30的輸入信號(hào)到達(dá)穩(wěn) 態(tài)時(shí)，節(jié)點(diǎn)A的電壓趨近于節(jié)點(diǎn)B的電壓，節(jié)點(diǎn)C的電壓趨近于節(jié)點(diǎn)D的電 壓。換言之，運(yùn)算放大器30不須對(duì)節(jié)點(diǎn)B及節(jié)點(diǎn)D進(jìn)行充放電，進(jìn)而降低運(yùn) 算放大器30中晶體管MP6及廳6的耗電量。
請(qǐng)參考圖4。圖4為本發(fā)明實(shí)施例一運(yùn)算放大器40的示意圖。運(yùn)算放大 器40類似于圖2的運(yùn)算放大器20,包含有放大級(jí)電路41、輸出級(jí)電路42及 補(bǔ)償電路43,各電路中的元件與運(yùn)算放大器20中相同，在此不贅述。不同 之處在于，第一電壓產(chǎn)生器VG1及第二電壓產(chǎn)生器VG2分別由單位增益運(yùn)算 放大器0P1及0P2所實(shí)現(xiàn)。單位增益運(yùn)算放大器0P1的輸出端耦接于開(kāi)關(guān)S2, 當(dāng)單位增益運(yùn)算放大器0P1的輸入電壓VIN—1設(shè)計(jì)為節(jié)點(diǎn)B的穩(wěn)態(tài)電壓時(shí)， 其輸出電壓等于第一電壓VI。單位增益運(yùn)算放大器0P2的輸出端耦接于開(kāi)關(guān) S4，當(dāng)單位增益運(yùn)算放大器0P2的輸入電壓VIN—2設(shè)計(jì)為節(jié)點(diǎn)D的穩(wěn)態(tài)電壓 時(shí)，其輸出電壓等于第二電壓V2。補(bǔ)償電路43的開(kāi)關(guān)S1-S4的控制方式同 于運(yùn)算放大器20。當(dāng)運(yùn)算放大器40的輸入信號(hào)到達(dá)穩(wěn)態(tài)時(shí)，節(jié)點(diǎn)A的電壓 趨近于節(jié)點(diǎn)B的電壓，節(jié)點(diǎn)C的電壓趨近于節(jié)點(diǎn)D的電壓。換言之，運(yùn)算放 大器40不須對(duì)節(jié)點(diǎn)B及節(jié)點(diǎn)D進(jìn)行充放電，進(jìn)而可降低運(yùn)算放大器40中晶 體管MP6及MN6的耗電量。
值得注意的是，運(yùn)算放大器20、 30及40中開(kāi)關(guān)SI-S4的控制方式為本 發(fā)明的一實(shí)施例，本領(lǐng)域技術(shù)人員當(dāng)可據(jù)以做不同的變化及修飾。請(qǐng)參考圖 5。圖5為本發(fā)明實(shí)施例一運(yùn)算放大器50的示意圖。運(yùn)算放大器50類似于圖 3的運(yùn)算放大器30,包含有放大級(jí)電路51、輸出級(jí)電i 各52及補(bǔ)償電路53, 各電路中的元件與運(yùn)算放大器30中相同，在此不贅述。不同之處在于，第一 電壓產(chǎn)生器VG1僅由PMOS晶體管MP8實(shí)現(xiàn)，第二電壓產(chǎn)生器VG2僅由麗OS 晶體管MN8實(shí)現(xiàn)。除此之外，運(yùn)算放大器50的開(kāi)關(guān)SI S4的控制方式可與 前述的運(yùn)算放大器不同，說(shuō)明如下。當(dāng)運(yùn)算放大器50的輸入信號(hào)由低電位轉(zhuǎn)換至高電位時(shí)，控制信號(hào)VCTR1及VCTR4分別控制開(kāi)關(guān)S1及S4導(dǎo)通，且控 制信號(hào)VCTR2及VCTR3分別控制開(kāi)關(guān)S2及S3關(guān)閉。當(dāng)輸入信號(hào)由高電位轉(zhuǎn) 換至低電位時(shí)，控制信號(hào)VCTR1及VCTR4分別控制開(kāi)關(guān)Sl及S4關(guān)閉，且控 制信號(hào)VCTR2及VCTR3分別控制開(kāi)關(guān)S2及S3導(dǎo)通。當(dāng)運(yùn)算放大器50的輸入 信號(hào)到達(dá)穩(wěn)態(tài)時(shí)，控制信號(hào)VCTR1及VCTR3分別控制開(kāi)關(guān)S1及S3導(dǎo)通，且 控制信號(hào)VCTR2及VCTR4分別控制開(kāi)關(guān)S2及S4關(guān)閉，放大級(jí)電路51所產(chǎn)生 的放大信號(hào)經(jīng)過(guò)補(bǔ)償電容CM1及CM2進(jìn)行頻率補(bǔ)償。
由前可知，已知運(yùn)算放大器須仰賴外部電路產(chǎn)生控制信號(hào)VCTR1 ~ VCTR4, 以控制開(kāi)關(guān)SI S4的切換操作。較佳地，本發(fā)明實(shí)施例進(jìn)一步根據(jù)運(yùn)算放大 器內(nèi)部現(xiàn)有的信號(hào)，產(chǎn)生控制開(kāi)關(guān)S1 S4的控制信號(hào)。請(qǐng)參考圖6,圖6為 本發(fā)明實(shí)施例一控制信號(hào)產(chǎn)生裝置60的示意圖?？刂菩盘?hào)產(chǎn)生裝置60包含 于本發(fā)明實(shí)施例的運(yùn)算放大器中，用來(lái)產(chǎn)生控制信號(hào)VCTR1 VCTR4。
下述說(shuō)明是假設(shè)控制信號(hào)產(chǎn)生裝置60用于圖2的運(yùn)算放大器20中。控 制信號(hào)產(chǎn)生裝置60包含有第一比較器600、第二比較器602及NOR邏輯門604。 第一比較器600用來(lái)比較放大級(jí)電路21的第一電流輸出端的電壓(即節(jié)點(diǎn)E 的電壓)及參考電壓Vref-A,以產(chǎn)生比較值OUT-A。同樣地，第二比較器602 用來(lái)比較放大級(jí)電路21的第二電流輸出端的電壓(即節(jié)點(diǎn)F的電壓)及參考電 壓Vref-B，以產(chǎn)生比較值OUT—B。 NOR邏輯門604對(duì)比較值OUT—A及OUT—B 進(jìn)行NOR邏輯運(yùn)算，以產(chǎn)生開(kāi)關(guān)控制信號(hào)SW。
詳細(xì)說(shuō)明開(kāi)關(guān)控制信號(hào)SW的設(shè)計(jì)條件如下。當(dāng)運(yùn)算放大器20的輸入信 號(hào)由低電位轉(zhuǎn)換至高電位時(shí)，運(yùn)算放大器20為了提高輸出端VOUT的電壓， 會(huì)降低節(jié)點(diǎn)E的電壓。當(dāng)節(jié)點(diǎn)E的電壓小于參考電壓Vref-A時(shí)，開(kāi)關(guān)控制信 號(hào)SW必須控制開(kāi)關(guān)SI及S3關(guān)閉且控制開(kāi)關(guān)S2及S4導(dǎo)通，使補(bǔ)償電路23 開(kāi)路，以提高運(yùn)算放大器20的回轉(zhuǎn)率。類似地，當(dāng)運(yùn)算放大器20的輸入信 號(hào)由高電位轉(zhuǎn)換至低電位時(shí)，運(yùn)算放大器2G為了降低輸出端VOUT的電壓， 會(huì)提高節(jié)點(diǎn)F的電壓。當(dāng)節(jié)點(diǎn)F的電壓大于參考電壓Vref-B時(shí)，開(kāi)關(guān)控制信 號(hào)SW必須控制開(kāi)關(guān)SI及S3關(guān)閉且控制開(kāi)關(guān)S2及S4導(dǎo)通，使補(bǔ)償電路23 開(kāi)路。當(dāng)運(yùn)算放大器20的輸入信號(hào)到達(dá)穩(wěn)態(tài)時(shí)，節(jié)點(diǎn)E的電壓回到正常值且 大于參考電壓Vref-A，節(jié)點(diǎn)F的電壓回到正常值且小于參考電壓Vref_B。此 時(shí)，開(kāi)關(guān)控制信號(hào)SW必須控制開(kāi)關(guān)SI及S3導(dǎo)通且控制開(kāi)關(guān)S2及S4關(guān)閉。 如以一來(lái)，放大信號(hào)得以經(jīng)過(guò)補(bǔ)償電容CM1及CM2進(jìn)行頻率補(bǔ)償，以維持回路穩(wěn)定。
換言之，第一比較器600、第二比較器602及NOR邏輯門604的電路操 作必需設(shè)計(jì)以符合上述情形，方能產(chǎn)生開(kāi)關(guān)控制信號(hào)SW，進(jìn)而產(chǎn)生控制信號(hào) VCTR1 ~ VCTR4，以控制開(kāi)關(guān)SI ~ S4的切換操作。
關(guān)于第一比較器600、第二比較器602的實(shí)現(xiàn)方式，請(qǐng)參考圖7。圖7為 圖6中第一比較器600及第二比較器602的示意圖。首先說(shuō)明第一比較器600。 第一比較器600包含有PMOS晶體管MPIO、 MP11及畫OS晶體管MNIO。晶體 管MP10的源極耦接于電源端VDD,柵極與漏極耦接在一起。晶體管MP11的 源極耦接于晶體管MP1Q的柵極及漏極，柵極耦接于節(jié)點(diǎn)E，而漏極耦接于NOR 邏輯門604,且漏極電壓為比較值OUT_A。晶體管MN10的漏極耦接于晶體管 MP11的漏極及NOR邏輯門604，源極耦接于地端，且柵極的驅(qū)動(dòng)電壓為參考 電壓Vref-A。另一方面，第二比較器602包含有PMOS晶體管MP12、麗OS晶 體管MN11及MN12。晶體管MP12的源極耦接于電源端VDD,漏極耦接于NOR 邏輯門604，且漏極電壓為比較值OUT_B。晶體管MP12的柵極的驅(qū)動(dòng)電壓為 參考電壓Vref_B。晶體管MN11的漏極耦接于晶體管MP12的漏極及NOR邏輯 門604，柵極耦接于節(jié)點(diǎn)F。晶體管MN12的柵極及漏極皆耦接于晶體管MN11 的源極，源極耦接于地端。
請(qǐng)同時(shí)參考圖6及圖7。在圖7中，當(dāng)節(jié)點(diǎn)E的電壓小于參考電壓Vref-A 時(shí)，晶體管MP10導(dǎo)通，比較值OUT-A位于高電位。當(dāng)節(jié)點(diǎn)F的電壓大于參考 電壓Vref-B時(shí)，晶體管MN12導(dǎo)通，比較值OUT—B位于低電位。因此，當(dāng)節(jié) 點(diǎn)E的電壓小于參考電壓Vref—A或節(jié)點(diǎn)F的電壓大于參考電壓Vref_B時(shí)， NOR邏輯門604根據(jù)比較值OUT_A及OUT-B,產(chǎn)生開(kāi)關(guān)控制信號(hào)SW。在此情 形下，根據(jù)開(kāi)關(guān)控制信號(hào)SW所產(chǎn)生的控制信號(hào)VCTR1 VCTR4，將控制開(kāi)關(guān) S1及S3關(guān)閉且控制開(kāi)關(guān)S2及S4導(dǎo)通。另一方面，當(dāng)輸入信號(hào)到達(dá)穩(wěn)態(tài)時(shí)， 節(jié)點(diǎn)E及F的電壓回到正常值，因此晶體管MPIO及MN12不會(huì)導(dǎo)通。在此情 形下，根據(jù)開(kāi)關(guān)控制信號(hào)SW所產(chǎn)生的控制信號(hào)VCTR1 VCTR4，將控制開(kāi)關(guān) SI及S3導(dǎo)通且控制開(kāi)關(guān)S2及S4關(guān)閉。
值得注意的是，本發(fā)明的主要精神在于根據(jù)運(yùn)算放大器內(nèi)部的信號(hào)，產(chǎn) 生控制開(kāi)關(guān)S1 S4的控制信號(hào)VCTR1 VCTR4。圖7中的第一比較器600及 第二比較器602僅為本發(fā)明的一實(shí)施例，其亦可通過(guò)不同的電路產(chǎn)生開(kāi)關(guān)控 制信號(hào)SW，進(jìn)而產(chǎn)生控制信號(hào)VCTR1 ~ VCTR4。
14綜上所述，本發(fā)明實(shí)施例通過(guò)控制補(bǔ)償電容的偏壓，避免運(yùn)算放大器的 輸入信號(hào)到達(dá)穩(wěn)態(tài)時(shí)，放大級(jí)電路與補(bǔ)償電容之間所產(chǎn)生的充放電效應(yīng)。此 外，本發(fā)明實(shí)施例根據(jù)運(yùn)算放大器內(nèi)部的信號(hào)，產(chǎn)生控制補(bǔ)償電路中各個(gè)開(kāi) 關(guān)的控制信號(hào)。相較于已知技術(shù)，本發(fā)明實(shí)施例降低了運(yùn)算放大器的耗電量， 同時(shí)不需通過(guò)外部電路產(chǎn)生開(kāi)關(guān)的控制信號(hào)，進(jìn)而提升運(yùn)算放大器的使用彈 性。
以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例，凡依本發(fā)明權(quán)利要求范圍所做的均 等變化與修飾，皆應(yīng)屬本發(fā)明的涵蓋范圍。
權(quán)利要求
1.一種降低耗電量的軌對(duì)軌運(yùn)算放大器，包含有放大級(jí)電路，包含有第一補(bǔ)償輸出端、第二補(bǔ)償輸出端、第一電流輸出端及第二電流輸出端，用來(lái)根據(jù)該軌對(duì)軌運(yùn)算放大器的輸入信號(hào)，產(chǎn)生放大信號(hào)，輸出級(jí)電路，耦接于該放大級(jí)電路的該第一電流輸出端及該第二電流輸出端，包含有輸出端，用來(lái)輸出該放大信號(hào)；補(bǔ)償電路，耦接于該放大級(jí)電路及該輸出級(jí)電路，包含有第一電壓產(chǎn)生器，用來(lái)產(chǎn)生第一電壓，該第一電壓近似于該放大級(jí)電路的該第一補(bǔ)償輸出端的穩(wěn)態(tài)電壓；第二電壓產(chǎn)生器，用來(lái)產(chǎn)生第二電壓，該第二電壓近似于該放大級(jí)電路的該第二補(bǔ)償輸出端的穩(wěn)態(tài)電壓；第一補(bǔ)償電容，包含有第一端，及第二端耦接于該輸出級(jí)電路的該輸出端；第二補(bǔ)償電容，包含有第一端，及第二端耦接于該輸出級(jí)電路的該輸出端；第一開(kāi)關(guān)，耦接于該放大級(jí)電路的該第一補(bǔ)償輸出端及該第一補(bǔ)償電容的該第一端之間，用來(lái)根據(jù)第一控制信號(hào)，控制該第一補(bǔ)償輸出端及該第一補(bǔ)償電容的該第一端之間的信號(hào)連結(jié)；第二開(kāi)關(guān)，耦接于該第一電壓產(chǎn)生器及該第一補(bǔ)償電容的該第一端之間，用來(lái)根據(jù)第二控制信號(hào)，控制該第一電壓產(chǎn)生器及該第一補(bǔ)償電容的該第一端之間的信號(hào)連結(jié)；第三開(kāi)關(guān)，耦接于該放大級(jí)電路的該第二補(bǔ)償輸出端及該第二補(bǔ)償電容的該第一端之間，用來(lái)根據(jù)第三控制信號(hào)，控制該第二補(bǔ)償輸出端及該第二補(bǔ)償電容的該第一端之間的信號(hào)連結(jié)；以及第四開(kāi)關(guān)，耦接于該第二電壓產(chǎn)生器及該第二補(bǔ)償電容的該第一端之間，用來(lái)根據(jù)第四控制信號(hào)，控制該第二電壓產(chǎn)生器及該第二補(bǔ)償電容的該第一端之間的信號(hào)連結(jié)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的軌對(duì)軌運(yùn)算放大器，其中該輸入信號(hào)由低電位轉(zhuǎn)換至高電位及由高電位轉(zhuǎn)換至低電位時(shí)，該第 一開(kāi)關(guān)及該第三開(kāi)關(guān)關(guān)閉，且該第二開(kāi)關(guān)及該第四開(kāi)關(guān)導(dǎo)通，以及該輸入信號(hào)于穩(wěn)態(tài)時(shí)，該第一開(kāi)關(guān)及該第三開(kāi)關(guān)導(dǎo)通，且該第二開(kāi)關(guān)及該第四開(kāi)關(guān)關(guān)閉。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的軌對(duì)軌運(yùn)算放大器，其中該輸入信號(hào)由低電位轉(zhuǎn)換至高電位時(shí)，該第一開(kāi)關(guān)及該第四開(kāi)關(guān)導(dǎo)通，且該第二開(kāi)關(guān)及該第三開(kāi)關(guān)關(guān)閉；該輸入信號(hào)由高電位轉(zhuǎn)換至低電位時(shí)，該第一開(kāi)關(guān)及該第四開(kāi)關(guān)關(guān)閉，且該第二開(kāi)關(guān)及該第三開(kāi)關(guān)導(dǎo)通；以及該輸入信號(hào)于穩(wěn)態(tài)時(shí)，該第一開(kāi)關(guān)及該第三開(kāi)關(guān)導(dǎo)通，且該第二開(kāi)關(guān)及該第四開(kāi)關(guān)關(guān)閉。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的軌對(duì)軌運(yùn)算放大器，其中該第一電壓產(chǎn)生器包含有第一 p型金屬氧化物半導(dǎo)體晶體管，該第一 P型金屬氧化物半導(dǎo)體晶體管包含有源極耦接于電源端，柵極耦接于該第二開(kāi)關(guān)，及漏極耦接于該第二開(kāi)關(guān)，且該4冊(cè)極及該漏極的電壓為該第 一 電壓。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的軌對(duì)軌運(yùn)算放大器，其中該第一電壓產(chǎn)生器還包含有第二 P型金屬氧化物半導(dǎo)體晶體管，該第二 P型金屬氧化物半導(dǎo)體晶體管包含有源極耦接于該第一 P型金屬氧化物半導(dǎo)體晶體管的該柵極及該漏極，漏極耦接于地端，以及柵極耦接于該放大級(jí)電路。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的軌對(duì)軌運(yùn)算放大器，其中該第二電壓產(chǎn)生器包含有第一 N型金屬氧化物半導(dǎo)體晶體管，該第一 N型金屬氧化物半導(dǎo)體晶體管包含有源極耦接于地端，柵極耦接于該第四開(kāi)關(guān)，及漏極耦接于該第四開(kāi)關(guān)，且該柵極及該漏極的電壓為該第二電壓。
7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的軌對(duì)軌運(yùn)算放大器，其中該第二電壓產(chǎn)生器還包含有第二 N型金屬氧化物半導(dǎo)體晶體管，該第二 N型金屬氧化物半導(dǎo)體晶體管包含有源極耦接于該第一 N型金屬氧化物半導(dǎo)體晶體管的該柵極及該漏極，漏極耦接于電源端，以及柵極耦接于該放大級(jí)電路。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的軌對(duì)軌運(yùn)算放大器，其中該第一電壓產(chǎn)生器是單位增益運(yùn)算放大器，該單位增益運(yùn)算放大器的輸入電壓等于該第一電壓。
9. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的軌對(duì)軌運(yùn)算放大器，其中該第二電壓產(chǎn)生器是單位增益運(yùn)算放大器，該單位增益運(yùn)算放大器的輸入電壓等于該第二電壓。
10. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的軌對(duì)軌運(yùn)算放大器，其還包含有第一比較器，用來(lái)比較該放大級(jí)電路的該第一電流輸出端的電壓及第一參考電壓，以產(chǎn)生第一比較值；第二比較器，用來(lái)比較該放大級(jí)電路的該第二電流輸出端的電壓及第二參考電壓，以產(chǎn)生第二比較值；以及NOR邏輯門，用來(lái)根據(jù)該第一比較值及該第二比4交值，產(chǎn)生開(kāi)關(guān)控制信其中，該開(kāi)關(guān)控制信號(hào)用來(lái)產(chǎn)生該第一控制信號(hào)、該第二控制信號(hào)、該第三控制信號(hào)及該第四控制信號(hào)。
11. 根據(jù)權(quán)利要求IO所述的軌對(duì)軌運(yùn)算放大器，其中于該放大級(jí)電路的該第一電流輸出端的電壓低于該第一參考電壓時(shí)，該第一開(kāi)關(guān)及該第三開(kāi)關(guān)關(guān)閉且該第二開(kāi)關(guān)及該第四開(kāi)關(guān)導(dǎo)通。
12. 根據(jù)權(quán)利要求IO所述的軌對(duì)軌運(yùn)算放大器，其中于該放大級(jí)電路的該第二電流輸出端的電壓高于該第二參考電壓時(shí)，該第一開(kāi)關(guān)及該第三開(kāi)關(guān)關(guān)閉且該第二開(kāi)關(guān)及該第四開(kāi)關(guān)導(dǎo)通。
13. 根據(jù)權(quán)利要求IO所述的軌對(duì)軌運(yùn)算放大器，其中該第一比較器包含有第一 P型金屬氧化物半導(dǎo)體晶體管，包含有源極耦接于電源端，柵極，及漏纟及耦接于該4冊(cè)才及；第二 P型金屬氧化物半導(dǎo)體晶體管，包含有源極耦接于該第一 P型金屬氧化物半導(dǎo)體晶體管的該漏極， 一冊(cè)極耦接于該第一電流輸出端，及漏極耦接于該N0R邏輯門；以及第一 N型金屬氧化物半導(dǎo)體晶體管，包含有漏極耦接于該第二 P型金屬氧化物半導(dǎo)體晶體管的該漏極及該N0R邏輯門，柵;恢，及源極耦接于地端；其中，該第一 N型金屬氧化物半導(dǎo)體晶體管的該;慨極的電壓等于該第一參考電壓。
14. 根據(jù)權(quán)利要求IO所述的軌對(duì)軌運(yùn)算放大器，其中該第二比較器包含有第一 P型金屬氧化物半導(dǎo)體晶體管，包含有源極耦接于電源端，柵極，及漏極耦接于該N0R邏輯門；第一 N型金屬氧化物半導(dǎo)體晶體管，包含有漏極耦接于該第一 P型金屬氧化物半導(dǎo)體晶體管的該漏極及該NOR邏輯門，柵極耦接于該第二電流輸出端，及源4及；以及第二 N型金屬氧化物半導(dǎo)體晶體管，包含有漏^l耦接于該第一 N型金屬氧化物半導(dǎo)體晶體管的該源極，柵極耦接于該漏極，及源極耦接于地端；其中，該第一 P型金屬氧化物半導(dǎo)體晶體管的該柵極的電壓等于該第二參考電壓。
全文摘要
可降低耗電量的軌對(duì)軌運(yùn)算放大器，包含有放大級(jí)電路，包含有第一補(bǔ)償輸出端及第二補(bǔ)償輸出端，用來(lái)根據(jù)輸入信號(hào)產(chǎn)生放大信號(hào)；輸出級(jí)電路耦接于該放大級(jí)電路，用來(lái)輸出該放大信號(hào)；以及補(bǔ)償電路耦接于該放大級(jí)電路及該輸出級(jí)電路，包含有第一電壓產(chǎn)生器，用來(lái)產(chǎn)生第一電壓、第二電壓產(chǎn)生器，用來(lái)產(chǎn)生第二電壓、第一補(bǔ)償電容、第二補(bǔ)償電容、以及第一至第四開(kāi)關(guān)。其中，該第一電壓近似于該第一補(bǔ)償輸出端的穩(wěn)態(tài)電壓，且該第二電壓近似于該第二補(bǔ)償輸出端的穩(wěn)態(tài)電壓。
文檔編號(hào)H03F3/45GK101674057SQ20081021508
公開(kāi)日2010年3月17日 申請(qǐng)日期2008年9月9日 優(yōu)先權(quán)日2008年9月9日
發(fā)明者張淙豪, 林家弘, 林永正, 林直慶 申請(qǐng)人:聯(lián)詠科技股份有限公司