專利名稱：一種具有最小電位選擇功能的運(yùn)算放大器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于微電子技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種運(yùn)算放大器的設(shè)計(jì)。
背景技術(shù)：
運(yùn)算放大器是具有放大功能的電路單元。在實(shí)際電路中，通常結(jié)合反饋網(wǎng)絡(luò)共同組成某種功能模塊。現(xiàn)有的運(yùn)算放大器，無論是使用晶體管或真空管，分立式元件或集成電路元件，運(yùn)算放大器的效能都已經(jīng)逐漸接近理想運(yùn)算放大器的要求。早期的運(yùn)算放大器是使用真空管設(shè)計(jì)，現(xiàn)在則多半是集成電路式的元件。但是如果系統(tǒng)對(duì)于放大器的需求超出集成電路放大器的需求時(shí)，常常會(huì)利用分立式元件來實(shí)現(xiàn)這些特殊規(guī)格的運(yùn)算放大器。運(yùn)算放大器可以按不同的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行分類。其中，折疊式共源共柵運(yùn)算放大器相比套筒式共源共柵運(yùn)算放大器而言，具有更好的輸入輸出擺幅，并且解決了套筒式運(yùn)算放大器輸出端和輸入端短接時(shí)可能造成的晶體管進(jìn)入線性區(qū)的問題，因此在目前電源電壓逐漸降低的趨勢下得到了廣泛的應(yīng)用。一種普通折疊式共源共柵運(yùn)算放大器結(jié)構(gòu)如圖1所示， 這種運(yùn)算放大器在使用時(shí)，如果一個(gè)輸入端的電壓過低或過高，則該輸入端連接的晶體管極容易進(jìn)入線性區(qū)，使得運(yùn)算放大器不能正常工作。在微電子技術(shù)領(lǐng)域，折疊式共源共柵運(yùn)算放大器還被廣泛用在多路LED驅(qū)動(dòng)電路中，作為誤差放大器來使用。但在普通的多路LED 驅(qū)動(dòng)電路中，誤差放大器的一個(gè)輸入端需要接最小選取電路的輸出，如圖2所示，選出電壓最小的LED端，再輸入到誤差放大器進(jìn)行環(huán)路調(diào)節(jié)，但這種形式的放大器需要外部接若干個(gè)比較器，造成了系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)復(fù)雜。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是為了解決現(xiàn)有的普通折疊式共源共柵運(yùn)算放大器在進(jìn)行多路選取時(shí)造成的系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)復(fù)雜的問題，提出了一種具有最小電位選擇功能的運(yùn)算放大器。本發(fā)明的技術(shù)方案是一種具有最小電位選擇功能的運(yùn)算放大器，包括偏置電路、 最小電壓選取電路、反相輸入管、輸入跟隨電路和輸出級(jí)電路，其中，所述的偏置電路分別為最小電壓選取電路、輸入跟隨電路和輸出級(jí)電路提供偏置電壓，具體為偏置電路的第一輸出端子為最小電壓選取電路提供偏置電壓并作為最小電壓選取電路的第一輸出端子，偏置電路的第二輸出端子為輸入跟隨電路提供偏置電壓并作為輸入跟隨電路的輸出端子，偏置電路的第三、第四輸出端子分別與輸出級(jí)電路的第四輸入端子、第五輸入端子相連，為輸出級(jí)電路提供偏置電壓；最小電壓選取電路的多路輸入端子作為運(yùn)算放大器的多路輸入端子，最小電壓選取電路的第一輸出端子與反相輸入管的源極相連，反相輸入管的漏極與輸出級(jí)電路的第一輸入端子相連，反相輸入管的柵極接外部的基準(zhǔn)電壓和輸入跟隨電路的輸入端子，最小電壓選取電路的第二輸出端子與輸出級(jí)電路的第二輸入端子相連，輸入跟隨電路的輸出端子與輸出級(jí)電路的第三輸入端子相連，輸出級(jí)電路的第五輸入端子作為輸出級(jí)電路的輸出端子即為所述運(yùn)算放大器的輸出端。進(jìn)一步的，最小電壓選取電路包括多個(gè)并聯(lián)連接的PMOS管，具體為多個(gè)PMOS管的源極連接在一起作為最小電壓選取電路的第一輸出端子，多個(gè)PMOS管的漏極連接在一起作為最小電壓選取電路的第二輸出端子，多個(gè)PMOS管的柵極分別作為最小電壓選取電路的多路輸入端子用于接外部的多路輸入電壓。作為一種實(shí)施方式，所述的最小電壓選取電路包括第一 PMOS管、第二 PMOS管、第三PMOS管和第四PMOS管，所述四個(gè)PMOS管并聯(lián)連接，具體為四個(gè)PMOS管的源極連接在一起作為最小電壓選取電路的第一輸出端子，四個(gè)PMOS管的漏極連接在一起作為最小電壓選取電路的第二輸出端子，四個(gè)PMOS管的柵極分別作為最小電壓選取電路的四路輸入端子用于接外部的四路輸入電壓；所述的偏置電路包括一偏置電流源、第六PMOS管、第七PMOS管、第八PMOS管、第九PMOS管、第十PMOS管、第i^一 PMOS管、第十二 PMOS管、第十三PMOS管、第十四PMOS管和第十五PMOS管，具體連接關(guān)系為第六PMOS管的源極接電源電壓，第六PMOS管的柵極接第六PMOS管的漏極和第七PMOS管的源極，第七PMOS管極接第七PMOS管的漏極同時(shí)串接偏置電流源的一端，偏置電流源的另一端接地電位；第八PMOS管的源極接電源電壓，第八 PMOS管的柵極接第六PMOS管的柵極，第八PMOS管的漏極接第九PMOS管的源極，第九PMOS 管的柵極接第七PMOS管的柵極，第九PMOS管的漏極作為偏置電路的第一輸出端子；第十 PMOS管的源極接電源電壓，第十PMOS管的柵極接第六PMOS管的柵極，第十PMOS管的漏極接第十一 PMOS管的源極，第十一 PMOS管的柵極接第七PMOS管的柵極，第十一 PMOS管的漏極作為偏置電路的第二輸出端子；第十二PMOS管的源極接電源電壓，第十二PMOS管的柵極接第六管的柵極，第十二 PMOS管的漏極接第十三PMOS管的源極，第十三PMOS管的柵極接第七PMOS管的柵極，第十三PMOS管的漏極作為偏置電路的第三輸出端子；第十四PMOS管的源極接電源電壓，第十四PMOS管的柵極接第六PMOS管的柵極，第十四PMOS管的漏極接第十五PMOS管的源極，第十五PMOS管的柵極接第七PMOS管的柵極，第十五PMOS管的漏極作為偏置電路的第四輸出端子；所述輸出級(jí)電路包括第一 NMOS管、第二 NMOS管、第三NMOS管和第四NMOS管，第二 NMOS管的漏極和第一 NMOS管的柵極相連，作為輸出級(jí)電路的第四輸入端子；第二 NMOS 管的柵極作為輸出級(jí)電路的第三輸入端子；第二 NMOS管的源極接第一 NMOS管的漏極并作為輸出級(jí)電路的第一輸入端子；第一 NMOS管的源極和第三NMOS管的源極接地電位，第四NMOS管的漏極作為輸出級(jí)電路的第五輸入端子；第四NMOS管的柵極接第二 NMOS管的柵極，第四NMOS管的源極接第三NMOS管的漏極，并作為輸出級(jí)電路的第二輸入端子，第三 NMOS管的柵極接第一 NMOS管的柵極；所述的輸入跟隨電路包括第十六PMOS管，其中，第十六PMOS管的柵極作為輸入跟隨電路的輸入端子，源極作為輸入跟隨電路的輸出端子，漏極接地電位。本發(fā)明的有益效果是本發(fā)明提供的一種具有最小電位選擇功能的運(yùn)算放大器， 與普通的折疊式共源共柵運(yùn)算放大器相比，增加了最小電壓選取電路，使得該運(yùn)算放大器兼具有對(duì)同相輸入端的多個(gè)輸入信號(hào)的最小值進(jìn)行選擇的功能，因此省去了外部最小電壓選取電路，直接在放大器上實(shí)現(xiàn)了最小電壓選取功能，從而節(jié)省了功耗和面積。同時(shí)，由于采用了輸入跟隨電路，在反相輸入端的電壓過低的情況下，通過使輸入管的漏極跟隨柵極變化，避免了輸入管進(jìn)入線性區(qū)的問題，使得運(yùn)算放大器能夠在反相輸入端電壓過低的情況下仍然保持正常工作。


圖1為一種普通折疊式共源共柵運(yùn)算放大器結(jié)構(gòu)示意圖。圖2為普通的多路LED驅(qū)動(dòng)電路中帶最小選取電路的誤差放大器的電路結(jié)構(gòu)示意圖。圖3為本發(fā)明的具有最小電位選擇功能的運(yùn)算放大器的電路結(jié)構(gòu)示意圖。圖4為本發(fā)明實(shí)施例提供的具有最小電位選擇功能的運(yùn)算放大器的電路結(jié)構(gòu)示意5為本發(fā)明實(shí)施例的輸入跟隨電路的說明示意圖。圖6為本發(fā)明實(shí)施例的最小電壓選取電路的說明示意圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和具體的實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的闡述。本發(fā)明提供的一種具有最小電位選擇功能的運(yùn)算放大器，具體示意圖如圖3所示，包括偏置電路、最小電壓選取電路、反相輸入管、輸入跟隨電路和輸出級(jí)電路，其中，所述的偏置電路分別為最小電壓選取電路、輸入跟隨電路和輸出級(jí)電路提供偏置電壓，具體為偏置電路的第一輸出端子為最小電壓選取電路提供偏置電壓并作為最小電壓選取電路的第一輸出端子，偏置電路的第二輸出端子為輸入跟隨電路提供偏置電壓并作為輸入跟隨電路的輸出端子，偏置電路的第三、第四輸出端子分別與輸出級(jí)電路的第四輸入端子、第五輸入端子相連，為輸出級(jí)電路提供偏置電壓；最小電壓選取電路的多路輸入端子作為運(yùn)算放大器的多路輸入端子，最小電壓選取電路的第一輸出端子與反相輸入管的源極相連，反相輸入管的漏極與輸出級(jí)電路的第一輸入端子相連，反相輸入管的柵極接外部的基準(zhǔn)電壓和輸入跟隨電路的輸入端子，最小電壓選取電路的第二輸出端子與輸出級(jí)電路的第二輸入端子相連，輸入跟隨電路的輸出端子與輸出級(jí)電路的第三輸入端子相連，輸出級(jí)電路的第五輸入端子作為輸出級(jí)電路的輸出端子即為所述運(yùn)算放大器的輸出端。這里的，最小電壓選取電路可以包括多個(gè)PMOS管，多個(gè)PMOS管并聯(lián)連接，具體為 多個(gè)PMOS管的源極連接在一起作為最小電壓選取電路的第一輸出端子，多個(gè)PMOS管的漏極連接在一起作為最小電壓選取電路的第二輸出端子，多個(gè)PMOS管的柵極分別作為最小電壓選取電路的多路輸入端子用于接外部的多路輸入電壓。圖4給出了一種實(shí)施方案，其中，最小電壓選取電路包括PMOS管MP1、MP2、MP3和 MP4，偏置電路包括一偏置電流源 IBIAS、MP5、MP6、MP7、MP8、MP9、MPlO、MPll、MP12、MP13、 MP14、和MP15，輸出級(jí)電路包括麗1、麗2、麗3和麗4，輸入跟隨電路包括MP16，具體連接關(guān)系如下PMOS管MPl到MP5的源極接在一起，MPl到MP4的漏極接在一起。PMOS管MP6的源極接電源電壓VDD，MP6的柵極接MP6的漏極和PMOS管MP7的源極，MP7的柵極接MP7的漏極同時(shí)串接偏置電流源IBIAS的一端，IBIAS的另一端接地VSS。PMOS管MP8的源極接 VDD, MP8的柵極接MP6的柵極，MP8的漏極接PMOS管MP9的源極，MP9的柵極接MP7的柵極，MP9的漏極接MPl的源極。PMOS管MPlO的源極接VDD，MP10的柵極接MP6的柵極，MPlO 的漏極接PMOS管MPll的源極，MPll的柵極接MP7的柵極，MPll的漏極接PMOS管MP16的源極，MP16的柵極接MP5的柵極，MP16的漏極接地電位VSS。PMOS管MP12的源極接VDD， MP12的柵極接MP6的柵極，MP12的漏極接PMOS管MP13的源極，MP13的柵極接MP7的柵極，MP13的漏極接匪OS管麗2的漏極和匪OS管麗1的柵極，麗2的柵極接MP16的源極， 麗2的源極接麗1的漏極和MP5的漏極，麗1的源極接地電位VSS。PMOS管MP14的源極接 VDD，MP14的柵極接MP6的柵極，MP14的漏極接PMOS管MP15的源極，MP15的柵極接MP7的柵極，MP15的漏極接NMOS管MN4的漏極作為運(yùn)算放大器的輸出，MN4的柵極接麗2的柵極， MN4的源極接NMOS管麗3的漏極和MPl的漏極，麗3的柵極接麗1的柵極，麗3的源極接地電位VSS。輸入跟隨電路的說明示意圖如圖4所示，當(dāng)外部的基準(zhǔn)電壓VREF降低時(shí)，MP16源極跟隨其柵極VREF的變化，麗2的柵極又接MP16的源極，麗2的源極又跟隨麗2的柵極即VREF的變化，麗2的源極接輸入管MPl的漏極，就完成了 MPl的漏極對(duì)柵極的跟隨，避免 VREF過低時(shí)進(jìn)入線性區(qū)。最小電壓選取電路的說明示意圖如圖5所示，包括四個(gè)并聯(lián)的PMOS管，由于輸入差分對(duì)為PMOS管，所以對(duì)于同相輸入端的四個(gè)輸入信號(hào)，只有最低的那一個(gè)才有效，其他三個(gè)管子處于截止?fàn)顟B(tài)。即使是同相輸入端四個(gè)輸入信號(hào)完全一致，四個(gè)PMOS管完全工作，也只會(huì)帶來幾十到一百mV的失調(diào)電壓，不會(huì)對(duì)系統(tǒng)帶來過大的影響。整個(gè)電路結(jié)構(gòu)為一個(gè)折疊式共源共柵的結(jié)構(gòu)，采用這種結(jié)構(gòu)，可以保證電路有足夠的增益，同時(shí)實(shí)現(xiàn)自補(bǔ)償，只有一個(gè)低頻極點(diǎn)。設(shè)Gm為電路的總跨導(dǎo)，其大小為五個(gè)輸入管其中一個(gè)管子的跨導(dǎo)， 根據(jù)模擬電路的知識(shí)可以得到電路的增益Av為AV = GmI^其中，Rtj可以表示為^ = (gffl,
MP17ro，MP17ro，MP16) I I (Sn, ΜΝ5『。, MN5 (『。, MN4 I I ^o, MP4 I I ^o, MP3 I I ^o, MP2 I I『。，MPi) ) 0設(shè)Q為輸出端總電容，則電路唯一的主極點(diǎn)Pd在輸出端，且主極點(diǎn)的位置為PD = 1/R0C0,電路的增益帶寬積GBW可以表示為:GBW今。該電路中，外部的基準(zhǔn)電壓VREF為可調(diào)電壓，為了防止調(diào)節(jié)VREF時(shí)，差分對(duì)的輸入對(duì)管進(jìn)入線性區(qū)，通過MP16和麗2形成反饋環(huán)，使得MP5的柵端電壓與漏端電壓同步變化，防止了差分對(duì)管進(jìn)入線性區(qū)。可以看出，本發(fā)明的運(yùn)算放大器由于采用了輸入跟隨電路，在反相輸入端的電壓過低的情況下，通過使輸入管的漏極跟隨柵極變化，避免了輸入管進(jìn)入線性區(qū)的問題，可以對(duì)反相輸入端電壓進(jìn)行靈活調(diào)節(jié)，同時(shí)保證該端輸入管不進(jìn)入線性區(qū)，從而大大增加了該運(yùn)算放大器的靈活性，使得運(yùn)算放大器能夠在反相輸入端電壓過低的情況下仍然保持正常工作。與此同時(shí)，該運(yùn)算放大器同相輸入端由于采用四個(gè)晶體管并聯(lián)，基本上所有的電流都流向了四個(gè)晶體管中柵電壓最低的那個(gè)管子，而其它三個(gè)管子都處于截止?fàn)顟B(tài)，四個(gè)管子的輸入信號(hào)中只有最低的那一個(gè)輸入信號(hào)才有效，這就相當(dāng)于對(duì)于同相輸入端的四個(gè)輸入信號(hào)進(jìn)行了選擇，因此該運(yùn)算放大器同時(shí)還兼具有對(duì)同相輸入端四個(gè)輸入信號(hào)的最小值進(jìn)行選擇的功能。與傳統(tǒng)的多路LED驅(qū)動(dòng)相比而言，省去了最小電壓選取電路，直接在誤差放大器上實(shí)現(xiàn)了最小電壓選取功能，從而節(jié)省了功耗和面積。本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員將會(huì)意識(shí)到，這里所述的實(shí)施例是為了幫助讀者理解本發(fā)明的原理，應(yīng)被理解為本發(fā)明的保護(hù)范圍并不局限于這樣的特別陳述和實(shí)施例。本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員可以根據(jù)本發(fā)明公開的這些技術(shù)啟示做出各種不脫離本發(fā)明實(shí)質(zhì)的其它各種具體變形和組合，這些變形和組合仍然在本發(fā)明的保護(hù)范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種具有最小電位選擇功能的運(yùn)算放大器，包括偏置電路、反相輸入管和輸出級(jí)電路，其特征在于，還包括最小電壓選取電路和輸入跟隨電路，其中，所述的偏置電路分別為最小電壓選取電路、輸入跟隨電路和輸出級(jí)電路提供偏置電壓，具體為偏置電路的第一輸出端子為最小電壓選取電路提供偏置電壓并作為最小電壓選取電路的第一輸出端子，偏置電路的第二輸出端子為輸入跟隨電路提供偏置電壓并作為輸入跟隨電路的輸出端子，偏置電路的第三、第四輸出端子分別與輸出級(jí)電路的第四輸入端子、第五輸入端子相連，為輸出級(jí)電路提供偏置電壓；最小電壓選取電路的多路輸入端子作為運(yùn)算放大器的多路輸入端子，最小電壓選取電路的第一輸出端子與反相輸入管的源極相連，反相輸入管的漏極與輸出級(jí)電路的第一輸入端子相連，反相輸入管的柵極接外部的基準(zhǔn)電壓和輸入跟隨電路的輸入端子，最小電壓選取電路的第二輸出端子與輸出級(jí)電路的第二輸入端子相連，輸入跟隨電路的輸出端子與輸出級(jí)電路的第三輸入端子相連，輸出級(jí)電路的第五輸入端子作為輸出級(jí)電路的輸出端子即為所述運(yùn)算放大器的輸出端。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的運(yùn)算放大器，其特征在，最小電壓選取電路包括多個(gè)并聯(lián)連接的PMOS管，具體為多個(gè)PMOS管的源極連接在一起作為最小電壓選取電路的第一輸出端子，多個(gè)PMOS管的漏極連接在一起作為最小電壓選取電路的第二輸出端子，多個(gè)PMOS管的柵極分別作為最小電壓選取電路的多路輸入端子用于接外部的多路輸入電壓。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的運(yùn)算放大器，其特征在于，所述的最小電壓選取電路包括第一 PMOS管、第二 PMOS管、第三PMOS管和第四PMOS管， 所述四個(gè)PMOS管并聯(lián)連接，具體為四個(gè)PMOS管的源極連接在一起作為最小電壓選取電路的第一輸出端子，四個(gè)PMOS管的漏極連接在一起作為最小電壓選取電路的第二輸出端子， 四個(gè)PMOS管的柵極分別作為最小電壓選取電路的四路輸入端子用于接外部的四路輸入電壓；所述的偏置電路包括一偏置電流源、第六PMOS管、第七PMOS管、第八PMOS管、第九 PMOS管、第十PMOS管、第i^一 PMOS管、第十二 PMOS管、第十三PMOS管、第十四PMOS管和第十五PMOS管，具體連接關(guān)系為第六PMOS管的源極接電源電壓，第六PMOS管的柵極接第六 PMOS管的漏極和第七PMOS管的源極，第七PMOS管極接第七PMOS管的漏極同時(shí)串接偏置電流源的一端，偏置電流源的另一端接地電位；第八PMOS管的源極接電源電壓，第八PMOS 管的柵極接第六PMOS管的柵極，第八PMOS管的漏極接第九PMOS管的源極，第九PMOS管的柵極接第七PMOS管的柵極，第九PMOS管的漏極作為偏置電路的第一輸出端子；第十PMOS 管的源極接電源電壓，第十PMOS管的柵極接第六PMOS管的柵極，第十PMOS管的漏極接第十一 PMOS管的源極，第十一 PMOS管的柵極接第七PMOS管的柵極，第十一 PMOS管的漏極作為偏置電路的第二輸出端子；第十二 PMOS管的源極接電源電壓，第十二 PMOS管的柵極接第六管的柵極，第十二 PMOS管的漏極接第十三PMOS管的源極，第十三PMOS管的柵極接第七PMOS管的柵極，第十三PMOS管的漏極作為偏置電路的第三輸出端子；第十四PMOS管的源極接電源電壓，第十四PMOS管的柵極接第六PMOS管的柵極，第十四PMOS管的漏極接第十五PMOS管的源極，第十五PMOS管的柵極接第七PMOS管的柵極，第十五PMOS管的漏極作為偏置電路的第四輸出端子。所述輸出級(jí)電路包括第一匪OS管、第二匪OS管、第三匪OS管和第四匪OS管，第二匪OS 管的漏極和第一 NMOS管的柵極相連，作為輸出級(jí)電路的第四輸入端子；第二 NMOS管的柵極作為輸出級(jí)電路的第三輸入端子；第二 NMOS管的源極接第一 NMOS管的漏極并作為輸出級(jí)電路的第一輸入端子；第一 NMOS管的源極和第三NMOS管的源極接地電位，第四NMOS管的漏極作為輸出級(jí)電路的第五輸入端子；第四NMOS管的柵極接第二 NMOS管的柵極，第四 NMOS管的源極接第三NMOS管的漏極，并作為輸出級(jí)電路的第二輸入端子，第三NMOS管的柵極接第一匪OS管的柵極；所述的輸入跟隨電路包括第十六PMOS管，其中，第十六PMOS管的柵極作為輸入跟隨電路的輸入端子，源極作為輸入跟隨電路的輸出端子，漏極接地電位。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種具有最小電位選擇功能的運(yùn)算放大器，包括偏置電路、反相輸入管和輸出級(jí)電路，其特征在于，還包括最小電壓選取電路和輸入跟隨電路。本發(fā)明的運(yùn)算放大器增加了最小電壓選取電路，使得該運(yùn)算放大器兼具有對(duì)同相輸入端的多個(gè)輸入信號(hào)的最低值進(jìn)行選擇的功能，因此省去了外部最小電壓選取電路，直接在放大器上實(shí)現(xiàn)了最小電壓選取功能，從而節(jié)省了功耗和面積。同時(shí)，由于采用了輸入跟隨電路，在反相輸入端的電壓過低的情況下，通過使輸入管的漏極跟隨柵極變化，避免了輸入管進(jìn)入線性區(qū)的問題，使得運(yùn)算放大器能夠在反相輸入端電壓過低的情況下仍然保持正常工作。
文檔編號(hào)H03F3/45GK102571007SQ20121000406
公開日2012年7月11日 申請日期2012年1月9日 優(yōu)先權(quán)日2012年1月9日
發(fā)明者吳傳奎, 周澤坤, 張波, 張竹賢, 徐祥柱, 明鑫, 王卓, 石躍, 譚林, 邱實(shí) 申請人:電子科技大學(xué)