專利名稱：運(yùn)算放大電路的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明 涉及集成電路設(shè)計領(lǐng)域，特別涉及運(yùn)算放大電路。
背景技術(shù)：
傳統(tǒng)的運(yùn)算放大器在對于信號放大時，較少或并沒有采用相應(yīng)的措施來對輸出信 號的幅度進(jìn)行限制。當(dāng)輸入信號的幅度過大時，就會出現(xiàn)截止失真或飽和失真的現(xiàn)象。為 了避免截止失真或飽和失真的現(xiàn)象，現(xiàn)有技術(shù)通常采用限幅電路來限制輸入及輸出信號的 幅度。參照圖1所示，現(xiàn)有技術(shù)的一種具有限幅電路的運(yùn)算放大器，包括運(yùn)算放大器 10，其反向輸入端經(jīng)由電阻R2接收輸入信號Vin，其正向輸入端經(jīng)由電阻R3接地，其輸出電 阻為R0，在其輸出端和反向輸入端間還接有電阻R1，電阻Rl和R2構(gòu)成負(fù)反饋網(wǎng)絡(luò)。所述 運(yùn)算放大器10的正向輸入端和反向輸入端間還接有一對接法相反的齊納二極管D1、D2，所 述運(yùn)算放大器10的輸出電阻RO還接有一對串聯(lián)于VDD和地間的齊納二極管D3、D4。齊納 二極管Dl、D2對運(yùn)算放大器10的正向輸入端和反向輸入端的輸入信號進(jìn)行限幅，齊納二極 管D3、D4對運(yùn)算放大器10的輸出信號進(jìn)行限幅。所述具有限幅電路的運(yùn)算放大器通過所 述的兩對齊納二極管的限幅，來避免截止失真和飽和失真現(xiàn)象。然而，例如圖1所示的限幅電路是對輸入信號和輸出信號強(qiáng)制限幅來保證運(yùn)算放 大器的正常工作。所述限幅電路結(jié)構(gòu)雖然相對簡單，但卻是一種被動、強(qiáng)制的調(diào)節(jié)輸入及輸 出信號的方式。因此，現(xiàn)有技術(shù)的這種限幅手段無法實現(xiàn)對輸入信號和輸出信號的按需調(diào) 節(jié)，也就是說當(dāng)輸入及輸出信號幅度過大時再進(jìn)行限幅。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明解決的問題是現(xiàn)有技術(shù)通過強(qiáng)制限幅來保證運(yùn)算放大器的正常工作，其無 法實現(xiàn)對輸入及輸出信號的按需調(diào)節(jié)。為解決上述問題，本發(fā)明提供一種運(yùn)算放大電路，包括可變增益放大單元，基于其控制端上的調(diào)節(jié)信號對輸入信號進(jìn)行可變增益放大；信號檢測單元，檢測可變增益放大單元的輸出信號幅度，相應(yīng)輸出檢測信號；以及，增益調(diào)節(jié)單元，在檢測信號表示輸出信號幅度超過閾值時，向可變增益放大 單元的控制端輸出增益減小的調(diào)節(jié)信號，且在輸出增益減小的調(diào)節(jié)信號時進(jìn)行信號衰減控 制。與現(xiàn)有技術(shù)相比，上述運(yùn)算放大電路具有以下優(yōu)點通過信號檢測單元檢測可變 增益放大單元的輸出信號，即整個運(yùn)算放大電路的輸出端信號幅度，并相應(yīng)輸出檢測信號。 在可變增益放大單元的輸出信號幅度超過閾值時，通過增益調(diào)節(jié)單元產(chǎn)生減小增益的調(diào)節(jié) 信號，從而改善截止失真及飽和失真的現(xiàn)象，實現(xiàn)輸出信號的按需調(diào)節(jié)。并且，增益調(diào)節(jié)單元在輸出所述調(diào)節(jié)信號時進(jìn)行信號衰減控制，使得增益調(diào)節(jié)后 的整個運(yùn)算放大電路的輸出端信號能較為緩慢平滑地輸出。


圖1是現(xiàn)有技術(shù)的一種具有限幅電路的運(yùn)算放大器的電路結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是本發(fā)明運(yùn)算放大電路的一種實施方式示意圖；圖3是本發(fā)明運(yùn)算放大電路的一種實施例電路圖；圖4是圖3所示運(yùn)算放大電路中的比較器201的一種電路圖；圖5是本發(fā)明運(yùn)算放大電路的另一種實施例電路圖；圖6是圖5所示運(yùn)算放大電路中的運(yùn)算放大器103的一種電路圖。
具體實施例方式
參照圖2所示，本發(fā)明運(yùn)算放大電路的一種實施方式包括可變增益放大單元100，基于其控制端上的調(diào)節(jié)信號對輸入信號進(jìn)行可變增益放 大；信號檢測單元200，檢測可變增益放大單元100的輸出信號幅度，相應(yīng)輸出檢測信 號；以及，增益調(diào)節(jié)單元300，在檢測信號表示輸出信號幅度超過閾值時，向可變增益 放大單元100的控制端輸出增益減小的調(diào)節(jié)信號，且在輸出增益減小的調(diào)節(jié)信號時進(jìn)行信 號衰減控制。上述實施方式的運(yùn)算放大電路，通過檢測及調(diào)節(jié)單元200對可變增益放大單元 100的輸出信號，即整個運(yùn)算放大電路的輸出端信號進(jìn)行監(jiān)控。當(dāng)發(fā)現(xiàn)所述輸出信號的幅度 超過閾值時，就通過增益調(diào)節(jié)單元300產(chǎn)生控制可變增益放大單元100增益減小的調(diào)節(jié)信 號，實現(xiàn)了輸出信號的按需調(diào)節(jié)。而為保證增益減小的調(diào)節(jié)信號能較為緩慢及平滑地反饋 至可變增益放大單元100，使得可變增益放大單元100的輸出信號，即整個運(yùn)算放大電路的 輸出端信號也能夠較為緩慢及平滑地輸出，所述增益調(diào)節(jié)單元300還對于增益減小的調(diào)節(jié) 信號的輸出進(jìn)行信號衰減控制。在一種實施例中，所述信號檢測單元200可以為比較器，用于比較所述輸出信號 及參考信號。所述比較器輸出的比較信號作為增益調(diào)節(jié)單元300產(chǎn)生調(diào)節(jié)信號的依據(jù)。在另一種實施例中，所述增益調(diào)節(jié)單元300可以為濾波器，所述濾波器配置為對 增益減小的調(diào)節(jié)信號的信號衰減進(jìn)行控制。以下通過一些電路實例對上述可變增益放大器作進(jìn)一步說明。參照圖3所示，本發(fā)明運(yùn)算放大電路的一種實施例包括可變增益放大器101，基于其控制端上的調(diào)節(jié)信號Vcont對輸入信號Vin進(jìn)行可變 增益放大；比較器201，反向輸入端接收可變增益放大器101的輸出信號Vout，正向輸入端接 收參考信號Vref，比較輸出信號Vout和參考信號Vref，并相應(yīng)輸出比較信號Vcom ；濾波器301，包括正極接于比較器201輸出、接收比較信號Vcom的第一二極管 D5 ；一端接于第一二極管D5的負(fù)極的第一電阻R4 ；并聯(lián)于第一電阻R4的另一端的第二電 阻R5及第一電容Cl，第二電阻R5及第一電容Cl的另一端均接地，第一電阻R4的另一端還 與可變增益放大器101的控制端相連，以使得可變增益放大器101的控制端接收整個濾波器301輸出的調(diào)節(jié)信號Vcont。

本實施例運(yùn)算放大電路中，可變增益放大單元為可變增益放大器101。比較器201 通過比較可變增益放大器101的輸出信號Vout與參考信號Vref，輸出比較信號Vcom來進(jìn) 行信號檢測。所述比較信號Vcom用于表示輸出信號Vout的幅度是否超過閾值，所述比較 信號Vcom作為濾波器301產(chǎn)生調(diào)節(jié)信號Vcont的依據(jù)。當(dāng)輸出信號Vout大于或等于參考信號Vref時，表示輸出信號Vout的幅度過大， 需要進(jìn)行限幅處理。所述比較器201在比較輸出信號Vout與參考信號Vref后，相應(yīng)輸出負(fù) 值或零值的比較信號Vcom ；而當(dāng)輸出信號Vout小于或等于參考信號Vref時，表示輸出信 號Vout的幅度處于設(shè)計范圍內(nèi)，無需進(jìn)行限幅處理。所述比較器201在比較輸出信號Vout 與參考信號Vref后，相應(yīng)輸出正值的比較信號Vcom。所述濾波器301中的第一二極管D5在獲得正值的比較信號Vcom后導(dǎo)通，通過第 一電阻R4對第一電容Cl充電，則第一電阻R4的另一端相對于地的電壓值逐漸升高，即濾 波器301輸出的調(diào)節(jié)信號Vcont逐漸增強(qiáng)。所述可變增益放大器101對應(yīng)于調(diào)節(jié)信號Vcont 的逐漸增強(qiáng)而增大增益。所述濾波器301中的第一二極管D5在獲得負(fù)值或零值的比較信號Vcom后截止， 則第一電容Cl通過第二電阻R5放電，則第一電阻R4的另一端相對于地的電壓值逐漸減 小，即濾波器301輸出的調(diào)節(jié)信號Vcont逐漸衰減。所述可變增益放大器101對應(yīng)于調(diào)節(jié) 信號Vcont的逐漸衰減而減小增益。為保證整個運(yùn)算放大電路的輸出端信號能夠緩慢而平 滑地衰減，例如音頻信號緩慢而平滑變小，需要使得調(diào)節(jié)信號Vcont也能夠緩慢而平滑地 反饋至可變增益放大器101。也就是說，使得第一電容Cl、第二電阻R5構(gòu)成的放電回路緩 慢放電，因此要求時間常數(shù)τ =R5XC1較大。另外，增大可變增益放大器101的增益的過程可以較快，也就是說第一電阻R4、第 一電容Cl構(gòu)成的充電回路的充電速度可以較快，相應(yīng)要求時間常數(shù)τ =R4XC1較小。參照圖4所示，為實現(xiàn)更為快速及更高靈敏度的比較，所述比較器201可以為具 有正反饋結(jié)構(gòu)的CMOS差動放大器。所述CMOS差動放大器包括PM0S管Ml M6及NMOS 管M7 M11，其中，NMOS管M7、M8作為差動管分別接收輸出信號Vout及參考信號Vref ； PMOS管M3和M5，PMOS管M4和M6，NMOS管M9和MlO分別構(gòu)成鏡像電流源結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)雙端 輸入_單端輸出的轉(zhuǎn)換；NMOS管Ml 1，其接收偏置電壓Vb，為差動管提供偏置電流；PMOS管 M1、M2構(gòu)成正反饋結(jié)構(gòu)，以鉗制或放大兩差動輸入端上的信號Vout及Vref的差值，從而實 現(xiàn)比較信號Vcom的輸出。因此，所述具有正反饋結(jié)構(gòu)的CMOS差動放大器可以在輸出信號 Vout與參考信號Vref的差值較微小時，也輸出較顯著的比較信號Vcom，從而有助于整個運(yùn) 算放大電路對輸出信號的限幅處理。另外，為保證較小的增益誤差，所述可變增益放大器101設(shè)計為可以實現(xiàn)較高的 信號增益。如此，也更有利于比較器201對輸出信號Vout與參考信號Vref進(jìn)行比較。此外，為保證整個可變增益放大器的穩(wěn)定性，還可考慮對所述比較器201進(jìn)行頻 率補(bǔ)償。例如，可以采用Rc-Cc米勒補(bǔ)償方式。參照圖5所示，本發(fā)明運(yùn)算放大電路的另一種實施例包括可變增益放大器102，基于其控制端上的調(diào)節(jié)信號Vcont對輸入信號Vin進(jìn)行可變 增益放大，輸出預(yù)放大信號Vs;
運(yùn)算放大器103，具有由第三電阻R6、第四電阻R7構(gòu)成的負(fù)反饋網(wǎng)絡(luò)，其反向輸入 端經(jīng)由第四電阻R7接收預(yù)放大信號Vs，正向輸入端接地，對預(yù)放大信號Vs放大后輸出放大 信號Vout ；比較器202，反向輸入端接收運(yùn)算放大器103的輸出信號Vout，正向輸入端接收參 考信號Vref，比較輸出信號Vout和參考信號Vref，并相應(yīng)輸出比較信號Vcom ；濾波器302，包括正極接于比較器202輸出、接收比較信號Vcom的第一二極管 D5 ；一端接于第一二極管D5的負(fù)極的第一電阻R4 ；并聯(lián)于第一電阻R4的另一端的第二電 阻R5及第一電容Cl，第二電阻R5及第一電容Cl的另一端均接地，第一電阻R4的另一端還 與可變增益放大器101的控制端相連，以使得可變增益放大器101的控制端接收整個濾波 器302輸出的調(diào)節(jié)信號Vcont。本實施例運(yùn)算放大電路中，可變增益放大單元包括可變增益放大器102及運(yùn)算放 大器103兩部分?？勺冊鲆娣糯笃?02對輸入信號Vin進(jìn)行可變增益預(yù)放大或衰減并輸出 預(yù)放大信號Vs，運(yùn)算放大器103對預(yù)放大信號Vs進(jìn)行放大并輸出運(yùn)算放大電路的輸出信 號Vout。所述比較器202及濾波器302的結(jié)構(gòu)與前述運(yùn)算放大電路的實施例中相應(yīng)部分相 同，此處就不再重復(fù)說明了。本實施例運(yùn)算放大電路實際通過調(diào)節(jié)可變增益放大器102的增益，進(jìn)而對運(yùn)算放 大器103輸入端的預(yù)放大信號Vs的幅度進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而保證運(yùn)算放大器103的輸出信號 Vout的幅度處于設(shè)計范圍內(nèi)。具體地說，當(dāng)輸出信號Vout的幅度處于設(shè)計范圍內(nèi)時，保持 或增加可變增益放大器102的增益；而一旦輸出信號Vout的幅度過大時，減小可變增益放 大器102的增益，使得預(yù)放大信號Vs的幅度減小，以保證后續(xù)運(yùn)算放大器103的輸出信號 Vout的幅度處于設(shè)計范圍內(nèi)。為降低增益偏低帶來的增益誤差，運(yùn)算放大器103設(shè)計為可以實現(xiàn)較高的信號增 益。參照圖6所示，運(yùn)算放大器103采用增益自舉電路結(jié)構(gòu)，包括運(yùn)算放大器104、NM0S管 M12、M13，其中，運(yùn)算放大器104的反向輸入端接于NMOS管M12的源極，正向輸入端接收偏 置電壓Vc ；NMOS管M12的柵極接于運(yùn)算放大器104的輸出端，漏極作為整個運(yùn)算放大器103 的輸出端輸出放大信號Vout，源極接于NMOS管M13的漏極；NMOS管M13的柵極接收預(yù)放大 信號Vs，源極接地。NMOS管M13作為信號輸入管，NMOS管M12及運(yùn)算放大器104構(gòu)成負(fù)反饋結(jié)構(gòu)，以 增大輸出阻抗，進(jìn)而提高整個運(yùn)算放大器的直流增益。結(jié)合圖5和圖6所示，所述運(yùn)算放大 器103的直流增益為Vout/VS = -R6/R7。另外，需要說明的是，負(fù)反饋網(wǎng)絡(luò)并不局限于由 第三電阻R6、第四電阻R7構(gòu)成，其也可采用電容構(gòu)成。綜上所述，本發(fā)明運(yùn)算放大電路通過信號檢測單元檢測可變增益放大單元的輸出 信號，即整個運(yùn)算放大電路的輸出端信號幅度，并相應(yīng)輸出檢測信號。在可變增益放大單元 的輸出信號幅度超過閾值時，通過增益調(diào)節(jié)單元產(chǎn)生減小增益的調(diào)節(jié)信號，從而改善截止 失真及飽和失真的現(xiàn)象，實現(xiàn)輸出信號的按需調(diào)節(jié)。并且，增益調(diào)節(jié)單元在輸出所述調(diào)節(jié)信 號時進(jìn)行信號衰減控制，使得增益調(diào)節(jié)后的整個運(yùn)算放大電路的輸出端信號能較為緩慢平 滑地輸出。雖然本發(fā)明已以較佳實施例披露如上，但本發(fā)明并非限定于此。任何本領(lǐng)域技術(shù) 人員，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)，均可作各種更動與修改，因此本發(fā)明的保護(hù)范圍應(yīng)當(dāng)以權(quán)利要求所限定的范圍為準(zhǔn)。
權(quán)利要求
1.一種運(yùn)算放大電路，其特征在于，包括可變增益放大單元，基于其控制端上的調(diào)節(jié)信號對輸入信號進(jìn)行可變增益放大； 信號檢測單元，檢測可變增益放大單元的輸出信號幅度，相應(yīng)輸出檢測信號； 以及，增益調(diào)節(jié)單元，在檢測信號表示輸出信號幅度超過閾值時，向可變增益放大單元 的控制端輸出增益減小的調(diào)節(jié)信號，且在輸出增益減小的調(diào)節(jié)信號時進(jìn)行信號衰減控制。
2.如權(quán)利要求1所述的運(yùn)算放大電路，其特征在于，所述可變增益放大單元為可變增 益放大器。
3.如權(quán)利要求2所述的運(yùn)算放大電路，其特征在于，所述可變增益放大器為具有增益 自舉電路結(jié)構(gòu)的可變增益放大器。
4.如權(quán)利要求1所述的運(yùn)算放大電路，其特征在于， 所述可變增益放大單元包括可變增益放大器，接收輸入信號進(jìn)行可變增益預(yù)放大； 運(yùn)算放大器，對可變增益放大器的預(yù)放大信號進(jìn)行放大； 以及，所述調(diào)節(jié)信號發(fā)送至可變增益放大器的控制端。
5.如權(quán)利要求4所述的運(yùn)算放大電路，其特征在于，所述運(yùn)算放大器為具有增益自舉 電路結(jié)構(gòu)的運(yùn)算放大器。
6.如權(quán)利要求1所述的運(yùn)算放大電路，其特征在于，所述信號檢測單元為比較器。
7.如權(quán)利要求6所述的運(yùn)算放大電路，其特征在于，所述比較器為具有正反饋結(jié)構(gòu)的 CMOS差動放大器。
8.如權(quán)利要求1所述的運(yùn)算放大電路，其特征在于，所述增益調(diào)節(jié)單元為濾波器，所述 濾波器配置為對增益減小的調(diào)節(jié)信號的信號衰減進(jìn)行控制。
9.如權(quán)利要求8所述的運(yùn)算放大電路，其特征在于，所述濾波器包括 第一二極管，正極接于信號檢測單元的輸出端；第一電阻，一端接于第一二極管負(fù)極，另一端接于可變增益放大單元的控制端； 第二電阻及第一電容，并聯(lián)于第一電阻的另一端，第二電阻及第一電容的另一端均接 地，第二電阻及第一電容配置為對增益減小的調(diào)節(jié)信號的信號衰減進(jìn)行控制。
10.如權(quán)利要求9所述的運(yùn)算放大電路，其特征在于，所述濾波器在檢測信號表示輸出 信號幅度未超過閾值時，向可變增益放大單元的控制端輸出增益增大或增益維持的調(diào)節(jié)信 號。
11.如權(quán)利要求10所述的運(yùn)算放大電路，其特征在于，所述濾波器配置為對增益增大 的調(diào)節(jié)信號的信號增強(qiáng)進(jìn)行控制。
12.如權(quán)利要求11所述的運(yùn)算放大電路，其特征在于，所述第一電阻及第一電容配置 為對增益增大的調(diào)節(jié)信號的信號增強(qiáng)進(jìn)行控制。
全文摘要
一種運(yùn)算放大電路，包括可變增益放大單元，基于其控制端上的調(diào)節(jié)信號對輸入信號進(jìn)行可變增益放大；信號檢測單元，檢測可變增益放大單元的輸出信號幅度，相應(yīng)輸出檢測信號；以及，增益調(diào)節(jié)單元，在檢測信號表示輸出信號幅度超過閾值時，向可變增益放大單元的控制端輸出增益減小的調(diào)節(jié)信號，且在輸出增益減小的調(diào)節(jié)信號時進(jìn)行信號衰減控制。所述運(yùn)算放大電路可以在輸出信號的幅度超過閾值時，通過減小增益以減小輸出信號的幅度，從而改善截止失真及飽和失真的現(xiàn)象。
文檔編號H03G3/30GK102045029SQ20091020419
公開日2011年5月4日 申請日期2009年10月19日 優(yōu)先權(quán)日2009年10月19日
發(fā)明者李超 申請人:無錫華潤上華半導(dǎo)體有限公司, 無錫華潤上華科技有限公司