专利名称：升压运算放大器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种放大器，并且更具体地，涉及一种升压运算放大器(boost operational amplifier)。
背景技术：
通常，升压运算放大器被频繁地用于驱动大尺寸电阻性或者电容性负载。图1是一种根据相关技术的升压运算放大器的构造图，并且图2是图1中所示的 升压运算放大器的死区(静区或不灵敏区，deadzone)的图示。参照图1和图2，为了减小即时负载切换(瞬间加载切换，instantload switching)的纹波，将稳定用电容器(InF IOOuF)连接到要使用的升压运算放大器的输 出节点N。这种升压运算放大器的特征在于具有大尺寸的输出晶体管以使用简单的结构来 驱动足够的输出电流。由于输出晶体管的尺寸相当大，因此死区(如图2中所示)在至少 一侧提供以降低待机电流(静态电流，standby current)。当升压运算放大器的输出形成死区时，升压运算放大器通常在升压运算放大器的 上拉或者下拉过程中被驱动，但是在死区间隔中不被驱动。因此，在重负载状态下可以维持 稳定，并且也可以降低电流消耗。然而，由于向运算放大器提供两次输入，所以两次输入相互生成的偏置发生改变。 因此，死区的特性可能不会精确地显现在受控区域中。图3A是由于偏置差异导致的死区扩展的坐标图，并且图3B是由于偏置差异导致 的负死区的坐标图。参照图3A，如果第一运算放大器Al具有正偏置而第二运算放大器A2 具有负偏置，则可能增大DC电平和死区。参照图3B，如果第一运算放大器Al具有负偏置并且第二运算放大器A2具有正偏 置，则用于输出驱动的两个晶体管Ml和M2同时接通。因此，可能产生短路电流。在执行这些操作中，如果第一和第二运算放大器Al和A2的偏置被随意改变，则死 区的尺寸和位置可以有变化。因此，需要补偿这些变化。如果死区的尺寸变得相当小或消失，则当负载被切换时可以产生大的纹波。这就 意味着外部连接的电容器(未在图示中示出)被重复充电和放电，从而增大了电流消耗。此 外，如果死区的尺寸增大，则有效偏置的尺寸增大，从而降低了运算放大器的性能。
发明内容
因此，本发明涉及一种升压运算放大器，其基本上消除了由于相关技术的局限和 缺点产生的一个或多个问题。
本发明的一个目的是提供一种升压运算放大器，通过该升压运算放大器可以减少 死区的偏置和改变。本发明的其他优点、目的和特征一部分将在下文中阐述，一部分对于本领域的普 通技术人员而言通过下文的分析理解将变得显而易见或者可以从本发明的实践中获得。通 过所撰写的说明书及其权利要求以及附图中具体指出的结构，可以实现和达到本发明的这 些目的和其他优点。为了实现这些目的和其他优点以及根据本发明的目的，如在本文中具体体现和广 泛描述的，根据本发明的升压运算放大器包括差分放大单元，放大并输出所输入的差分电 压；第一镜像处理单元(mirroring unit)，镜像处理流过该差分放大单元的第一输出端的 电流，该第一镜像处理单元输出镜像处理后的第一镜像电流；第二镜像处理单元，镜像处 理流过该差分放大单元的第二输出端的电流，该第二镜像处理单元输出镜像处理后的第二 镜像电流；上拉晶体管(pull-up transistor)，连接在第一电源(power source)和输出 节点之间，该上拉晶体管基于第一和第二镜像电流进行切换；以及下拉晶体管(pull-down transistor)，连接在第二电源和输出节点之间，该上拉晶体管基于第一和第二镜像电流进 行切换。优选地，升压运算放大器进一步包括电流源(current source)，连接在输出节点 和第二电源之间。优选地，该升压运算放大器进一步包括电阻器和电容器，串联在上拉晶 体管的栅极和输出节点之间。优选地，第一镜像处理单元包括第一电流镜(电流反射镜，current mirror)，连 接在第一电源和第一输出端之间以及在第一电源和上拉晶体管的栅极之间，用于镜像处理 在第一电源和第一输出端之间流动的电流，第一电流镜向上拉晶体管的栅极提供镜像处理 后的电流；以及第二电流镜，连接在第一电源和第一输出端之间以及在第一电源和下拉晶 体管的栅极之间，用于镜像处理在第一电源和第一输出端之间流动的电流，第二电流镜向 下拉晶体管的栅极提供镜像处理后的电流。优选地，第二镜像处理单元包括第三电流镜，连接在第一电源和第二输出端之间 以及在第二电源和上拉晶体管的栅极之间，用于镜像处理在第一电源和第二输出端之间流 动的电流，第三电流镜向上拉晶体管的栅极提供镜像处理后的电流；以及第四电流镜，连接 在第一电源和第二输出端之间以及在第二电源和下拉晶体管的栅极之间，用于镜像处理在 第一电源和第二输出端之间流动的电流，第四电流镜向下拉晶体管的栅极提供镜像处理后 的电流。因此，根据本发明的一个实施例的升压运算放大器减小了死区的偏移，降低了短 路电流并且能够实现稳定的驱动。应当理解的是，本发明的上述一般描述和以下的具体描述都是示例性的和说明性 的，并且旨在提供对所要求保护的本发明的进一步解释。
附图(其被包括用来提供对本发明的进一步理解以及被整合到本申请中并构成 本申请的一部分)、本发明的示例性实施例与说明书一起阐述了本发明的原理。在附图中图1是根据相关技术的升压运算放大器的构造图2是图1中所示的升压运算放大器的死区的图示；图3A是由于偏置差异导致的死区的扩展的坐标图；图3B是由于偏置差异导致的负死区的扩展的坐标图；以及图4是根据本发明的一个实施例的升压运算放大器的构造图。
具体实施例方式现在将详细描述本发明的优选实施例，在附图中示出了本发明的实例。在所有可 能的地方，在整个附图中使用相同的标号表示相同或相似的部件。图4是根据本发明的一个实施例的升压运算放大器400的结构图。参照图4，升压运算放大器400包括差分放大单元410 ；第一镜像处理单元M3、M9 和M7 ；第二镜像处理单元M4、M5、M6、MlO和M8 ；上拉晶体管Mll ；下拉晶体管M12 ；电容器 Cl、电阻器Rl以及第一电流源ISl。差分放大单元410放大并输出所输入的差分电压V+和V-。差分放大单元410包 括一对差分输入晶体管Ml和M2，以及第二电流源IS2。在这种情况下，差分电压表示第一 电压V-与第二电压V+之差。一对差分输入晶体管Ml和M2包括第一差分输入晶体管M1，具有向其输入的第 一电压V-;以及第二差分输入晶体管M2，具有向其输入的第二电压V+。第二电流源IS2连接在差分输入晶体管Ml和M2的每个总数(tale)T与第二电源 VSS之间。第一镜像处理单元M3、M9和M7镜像处理在差分放大单元410的第一输出端中流 动的电流，然后将该镜像处理后的电流分别提供给第一节点W和第二节点N2。第二镜像处 理单元镜像处理在差分放大单元410的第二输出端中流动的电流，然后将该镜像处理后的 电流分别提供给第一节点W和第二节点N2。在这种情况下，第一输出端是Ml的漏极而第 二输出端可以是M2的漏极。流过第一输出端的电流可以是在M3的源极和漏极之间流动的 电流，并且流过第二输出端的电流可以是在M4的源极和漏极之间流动的电流。第一镜像处理单元M3、M7和M9包括第一电流镜M3和M7以及第二电流镜M3和 M9。例如，第一镜像处理单元M3、M7和M9包括第一晶体管M3、第二晶体管M7和第三 晶体管M9。第一晶体管M3连接在第一电源VDD与第一输出端之间，并且其栅极和漏极相互 连接。第二晶体管M7连接在第一电源VDD与第一节点m之间，并且具有连接到第一晶体 管M3的栅极的栅极。第三晶体管M9连接在第一电源VDD与第二节点N2之间，并且具有连 接到第一晶体管M3的栅极的栅极。第二镜像处理单元M4、M5、M6、MlO和M8初始镜像处理从差分放大单元410的第 二输出端流向第三节点N3的电流，然后另外镜像处理该初始镜像处理后的电流以提供给 第二节点N2和第一节点m的每一个。例如，第二镜像处理单元M4、M5、M6、MlO和M8包括第四晶体管M4、第五晶体管 M5、第六晶体管M6、第七晶体管MlO和第八晶体管M8。第四晶体管M4连接在第一电源VDD和第二输出端之间，并且其栅极和漏极相互连 接。第五晶体管M5连接在第一电源VDD与第三节点N3之间，并且具有连接到第四晶体管
6M4的栅极的栅极。第六晶体管M6连接在第三节点N3与第二电源VSS之间，并且其栅极和 漏极相连。第七晶体管MlO连接在第二节点N2与第二电源VSS之间，并且具有连接到第六 晶体管M6的栅极的栅极。以及，第八晶体管M8连接在第一节点m与第二电源VSS之间， 并且具有连接到第六晶体管M6的栅极的栅极。上拉晶体管Mll连接在第一电源VDD与输出节点Nqut之间，并且具有连接到第一 节点m的栅极。具体地，上拉晶体管Mii基于在第一节点m的电压执行切换。下拉晶体管M12连接在第二电源VSS与输出节点Nott之间，并且具有连接到第二 节点N2的栅极。具体地，下拉晶体管M12基于第二节点N2的电压执行切换。第一电流源ISl连接在输出节点Nott与第二电源VSS之间。电容器Cl和电阻器 Rl串联在第一节点m与输出节点Nqut之间。第一至第五晶体管M3至M5、M7和M9的每一个是PMOS晶体管，而第六至第八晶体 管M6、MlO和M8可以是NMOS晶体管。在这种情况下，第一节点m是第二晶体管M7的漏 极、第八晶体管M8的漏极和上拉晶体管Mll的栅极相互连接的接入点。第二节点N2是第 三晶体管M9的漏极和第七晶体管MlO的漏极连接的接入点。以及，第三节点N3是第五晶 体管M5的漏极以及第六晶体管M6的漏极和栅极连接的接入点。上拉晶体管Mll可以包括PMOS晶体管，并且下拉晶体管M12可以包括NMOS晶体管。以下将解释图4中所示的升压运算放大器400的操作。首先，包含在升压运算放大器400中的的晶体管的W/L比示出如下。(ff/L)M3/ (ff/L)M7 = (ff/L)M4/ (W/L)M5，(W/L)M6 = (W/L)M8，其中 W 禾P L 分别表示晶体 管的宽度和长度。如果DC电压施加到升压运算放大器400的输入差分放大单元410，则通过上拉驱 动控制单元420、上拉输出晶体管Mll和第一电流源ISl产生具有与输入电压相同DC电平 的输出电压OUT。根据“(W/L)M3/(W/L)M9< 1，(ff/L)M6/(ff/L)M10 > 1” 的设计，第二节点 N2 变为与第 二电源VSS相等以断开下拉输出晶体管M12，从而不影响输出。如果这样的话，升压运算放 大器400的输出的电流路径只包括上拉输出晶体管Mll和第一电流源IS1。在这种情况下， 如果大负载连接到升压运算放大器400的输出时，输出电压OUT即时降低。因此，从输出产 生纹波。此时，第一节点m的电平变为“低”而上拉电压，并且输出电压out升高至正常目 标DC电平。即，在用于连接负载的负载切换的情况下，产生“过冲(overshoot)”。这种过冲被 快速下拉。在过冲超过预设目标水平时，第六晶体管的电流突然降低，由此第七晶体管MlO 的电流也降低。第七晶体管MlO的电流降低导致第二节点N2的电压升高，从而接通下拉输 出晶体管M12。因此，大的过冲可以被快速稳定。如果过冲电压被快速降低而进入死区时，下拉输出晶体管M12再次被断开，而不 影响电路系统。之后，下拉功能可以通过第一电流源ISi执行。在“下拉”的情况下，不产 生“下冲(under-shoot)”，以防止上拉电路大规模地进行操作。以及，能够消除纹波。如果采用了本发明提出的结构或构造，由于使用一个运算放大器410同时没有分开的输入，所以能够降低死区的偏移，使其小于利用两个独立的运算放大器实现的升压电 路的死区偏移。如果(W/L)M3/(W/L)M7> 1 并且(W/L)M9/(W/L)M11 < 1，当比率调整为(W/L)M3/(W/ L)M6 = (W/L)M9/(w/L)M10 = ι时，能够实现具有与以上描述相反的死区特性的升压运算放大器。在小规模DDI的情况下，内部地产生和使用电源。如果电流消耗变得相当大，则会 导致产生问题。在这种情况下，如果使用图4中所示的升压运算放大器400，则能够显著降 低由于死区变化所产生的功耗。由于运算放大器的偏移变小，所以能够驱动精确的电平。因 此，能够显著提高图像质量和产率。分路调节器(并联稳压器，shunt regulator)，其提供驱动线的假接地(virtual ground)，具有在+/-方向上流动的大电流。在这种情况下，在输出驱动器中形成死区从 而降低待机电流。死区具有几mV的相当低的电平以及几安培的处理后的电流(handled current)。因此，驱动器的尺寸相当大。如果由于死区重叠而产生短路电流，则会产生大的短路。如果输出驱动器的偏置 偏移增大，则会产生假接地的偏移。因此，稳定的电平检测变得困难。如果图4中所示的升 压OP被用于这种输出驱动器，则能够以小的偏置偏移来驱动精确的DC电平。对于本领域技术人员显而易见的是，在不背离本发明的精神和范围内，可以进行 各种更改及变形。因此，只要它们在所附权利要求及其等同替换的范围内，本发明意在涵盖 这些更改和变形。
权利要求
一种升压运算放大器，包括差分放大单元，放大并输出所输入的差分电压；第一镜像处理单元，镜像处理流过所述差分放大单元的第一输出端的电流，所述第一镜像处理单元输出镜像处理后的第一镜像电流；第二镜像处理单元，镜像处理流过所述差分放大单元的第二输出端的电流，所述第二镜像处理单元输出镜像处理后的第二镜像电流；上拉晶体管，连接在第一电源和输出节点之间，所述上拉晶体管基于所述第一镜像电流和所述第二镜像电流进行切换；以及下拉晶体管，连接在第二电源和所述输出节点之间，所述上拉晶体管基于所述第一镜像电流和所述第二镜像电流进行切换。
2.根据权利要求1所述的升压运算放大器，进一步包括电流源，连接在所述输出节点 和所述第二电源之间。
3.根据权利要求1所述的升压运算放大器，所述第一镜像处理单元包括第一电流镜，连接在所述第一电源和所述第一输出端之间以及在所述第一电源和所 述上拉晶体管的栅极之间，用于镜像处理在所述第一电源和所述第一输出端之间流动的电 流，所述第一电流镜向所述上拉晶体管的栅极提供所述镜像处理后的电流；以及第二电流镜，连接在所述第一电源和所述第一输出端之间以及在所述第一电源和所 述下拉晶体管的栅极之间，用于镜像处理在所述第一电源和所述第一输出端之间流动的电 流，所述第二电流镜向所述下拉晶体管的栅极提供所述镜像处理后的电流。
4.根据权利要求1所述的升压运算放大器，所述第二镜像处理单元包括第三电流镜，连接在所述第一电源和所述第二输出端之间以及在所述第二电源和所 述上拉晶体管的栅极之间，用于镜像处理在所述第一电源和所述第二输出端之间流动的电 流，所述第三电流镜向所述上拉晶体管的栅极提供所述镜像处理后的电流；以及第四电流镜，连接在所述第一电源和所述第二输出端之间以及在所述第二电源和所 述下拉晶体管的栅极之间，用于镜像处理在所述第一电源和所述第二输出端之间流动的电 流，所述第四电流镜向所述下拉晶体管的栅极提供所述镜像处理后的电流。
5.根据权利要求1所述的升压运算放大器，所述第一镜像处理单元包括第一晶体管，连接在所述第一电源与所述第一输出端之间，并且具有相连的栅极和漏极；第二晶体管，连接在所述第一电源与所述上拉晶体管的栅极之间，所述第二晶体管具 有连接到所述第一晶体管的栅极的栅极；第三晶体管，连接在所述第一电源与所述下拉晶体管的栅极之间，连接到所述第一晶 体管的所述栅极。
6.根据权利要求1所述的升压运算放大器，所述第二镜像处理单元包括第四晶体管，连接在所述第一电源和所述第二输出端之间，具有相互连接的漏极和栅极；第五晶体管，具有连接到所述第一电源的一端，所述第五晶体管具有连接到所述第四 晶体管的栅极的栅极；第六晶体管，连接在所述第五晶体管的另一端与所述第二电源之间，具有相互连接的漏极和栅极；第七晶体管，连接在所述下拉晶体管的栅极与所述第二电源之间，所述第七晶体管具 有连接到所述第六晶体管的栅极的栅极；以及第八晶体管，连接在所述上拉晶体管的栅极与所述第二电源之间，所述第八晶体管具 有连接到所述第六晶体管的栅极的栅极。
7.根据权利要求6所述的升压运算放大器，其中所述第一晶体管至所述第三晶体管中 的每一个包括NMOS晶体管。
8.根据权利要求6所述的升压运算放大器，其中所述第四晶体管和所述第五晶体管中 的每一个包括NMOS晶体管，并且其中所述第六晶体管至第八晶体管中的每一个包括PMOS 晶体管。
9.根据权利要求8所述的升压运算放大器，其中所述上拉晶体管包括NMOS晶体管，并 且其中所述下拉晶体管包括所述PMOS晶体管。
10.根据权利要求1所述的升压运算放大器，进一步包括串联在所述上拉晶体管的栅 极和所述输出节点之间的电阻器和电容器。
全文摘要
本发明披露了一种升压运算放大器。本发明包括差分放大单元，放大并输出所输入的差分电压；第一镜像处理单元，镜像处理流过该差分放大单元的第一输出端的电流，该第一镜像处理单元输出镜像处理后的第一镜像电流；第二镜像处理单元，镜像处理流过该差分放大单元的第二输出端的电流，该第二镜像处理单元输出镜像处理后的第二镜像电流；上拉晶体管，连接在第一电源和输出节点之间，上拉晶体管基于该第一和第二镜像电流进行切换；以及下拉晶体管，连接在第二电源和输出节点之间，下拉晶体管基于该第一和第二镜像电流进行切换。
文档编号H03F3/45GK101882916SQ20091021554
公开日2010年11月10日 申请日期2009年12月28日 优先权日2008年12月29日
发明者李元孝 申请人:东部高科股份有限公司