运算放大器电路的制作方法

本发明涉及运算放大器电路，且特别涉及一种使用可变偏压(variablebias)控制差分输入对的运算放大器电路。

背景技术

运算放大器(operationalamplifier，op)电路在现代电子装置中具有多种应用。举例而言，运算放大器电路可以用在驱动显示面板的驱动器电路中，例如液晶显示器(liquidcrystaldisplay，lcd)面板。运算放大器通常采用差分对(differentialpair)作为接收输入信号的输入级。差分对的线性范围受差分对输入电压差的影响，例如当输入电压差小时，输入电压差与输出电流(例如以mosfet实现的差分对中的漏极电流)之间的关系是线性的。然而当输入电压差过大时，该关系变为非线性。为了增加线性范围，已知的方法是为差分对提供较大的偏压电流，这又导致较大的功耗。

差分对的线性范围对于lcd驱动器电路中的运算放大器电路尤其重要。当差分对的输入电压差超过线性范围时，输出电压可能偏离期望值，导致由lcd面板提供的图像质量下降。因此，设计具有扩展线性范围的运算放大器电路是业界的重要课题。

图1绘示一种范例运算放大器的方块图。运算放大器电路10包括差分输入级电路101、负载级电路102、以及输出级电路103。差分输入级电路101接收第一输入信号vin1以及第二输入信号vin2。差分输入级电路101可用以放大第一输入信号vin1与第二输入信号vin2之间的电压差。负载级电路102可用以转换由差分输入级电路101输出的差分电流为输出电压vo。负载级电路102可包括主动负载电路(例如晶体管)和/或被动负载电路(例如电阻、电容、及电感)，主动负载电路也可称为增益级(gainstage)电路。

差分输入级电路101与负载级电路102的组合可称为第一级op11，输出级电路103可称为第二级op12。运算放大器电路10的电压增益av为第一级op11电压增益av1与第二级op12电压增益av2的乘积(av＝av1×av2)。第一级op11的电压增益为差分输入级电路101的跨导gm乘上负载级电路102的输出电阻ro(av1＝gm×ro)。

图2绘示一种范例差分输入级电路的电路图。在此例中，运算放大器电路11a的差分输入级电路101包括两个n型金属氧化物半导体(nmos)场效应晶体管m01与m02，以及电流源i01。两个nmos晶体管m01与m02具有相等的栅极宽度和相等的栅极长度。电流源i01提供的电流值为i。晶体管m01接收第一输入信号vin1，晶体管m02接收第二输入信号vin2，差分输入级电路101的晶体管m01与m02操作于饱和区，这两个晶体管m01与m02的漏极电流可以表示为下列式子：

其中，μn是电荷载子有效迁移率，w是nmos晶体管m01的栅极宽度，l是nmos晶体管m01的栅极长度，cox是单位面积的栅极氧化物电容，vid是输入电压差，vid＝vin1-vin2。根据式1a及式1b，当漏极电流i1与i2可以如下近似地表示为线性关系：

亦即，当式2的条件满足时，漏极电流与输入电压差vid之间的关系是线性的。图2所示差分对的跨导(transconductance)gm可以通过以下式子来表示。

图3绘示如图2所示差分输入级电路的跨导示意图。横轴是输入电压差vid。当输入电压差vid小时，跨导gm相对稳定，因此漏极电流与输入电压差vid之间存在线性转换关系。当输入电压差vid变大时，跨导gm减小，转换关系变为非线性。当输入电压差vid超过+δv1(或小于-δv1)时，跨导gm变为0，因此在这种输入电压条件下差分对无法正常操作。

技术实现要素：

本发明在于提供一种使用可变偏压控制差分输入对的运算放大器电路，所提出的运算放大器电路能够达到较大的线性范围。

根据本发明的一实施例，提出一种运算放大器电路，包括差分输入级电路以及负载级电路。差分输入级电路包括第一电流源、第一晶体管、第二晶体管、第三晶体管、以及第四晶体管。第一晶体管的控制端用以接收第一输入信号。第二晶体管的控制端用以接收第二输入信号。第三晶体管具有第一端耦接第一晶体管的第二端、第二端耦接第一电流源、以及控制端耦接第二晶体管的控制端。第四晶体管具有第一端耦接第二晶体管的第二端、第二端耦接第一电流源、以及控制端耦接第一晶体管的控制端。负载级电路耦接第一晶体管的第一端以及第二晶体管的第一端，用以在运算放大器电路的输出端产生输出信号。

以下结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述，但不作为对本发明的限定。

附图说明

图1绘示一种范例运算放大器的方块图。

图2绘示一种范例差分输入级电路的电路图。

图3绘示如图2所示差分输入级电路的跨导示意图。

图4绘示依据本发明一实施例的运算放大器电路示意图。

图5绘示如图4所示差分输入级电路的跨导示意图。

图6绘示依据本发明一实施例包括pmos差分对的运算放大器电路示意图。

图7绘示依据本发明一实施例的轨到轨运算放大器电路示意图。

图8绘示依据本发明一实施例的差分输入级电路具有电压内插功能的示意图。

图9绘示如图8所示信号的电压电平。

图10绘示依据本发明一实施例的差分输入级电路具有电压内插功能的示意图。

图11绘示如图10所示信号的电压电平。

图12绘示依据本发明一实施例包括多个差分对的运算放大器电路示意图。

图13绘示依据本发明一实施例的负载级电路与输出级电路的范例电路图。

具体实施方式

参考图1所示的例子，由输出级电路103提供的第二输出信号vo2是单端电压信号。如果运算放大器电路10被用在显示装置中，则输出级电路103可以为显示面板提供驱动电压。运算放大器电路10在图1示例中包括两级op，即第一级op11和第二级op12。在其他实施例中，运算放大器电路可包括仅一级op或两级以上的op。因为第二级op(以及其他第三级op、第四级op等等)可被选择性地去除，所以下面描述中主要焦点将在第一级op11，包括差分输入级电路101和负载级电路102。

图4绘示依据本发明一实施例的运算放大器电路示意图。运算放大器电路11b包括差分输入级电路101以及负载级电路102。差分输入级电路101包括第一电流源in、第一晶体管mn1、第二晶体管mn2、第三晶体管mn3、以及第四晶体管mn4。第一晶体管mn1的控制端用以接收第一输入信号vin1。第二晶体管mn2的控制端用以接收第二输入信号vin2。第三晶体管mn3具有第一端耦接第一晶体管mn1的第二端、第二端耦接第一电流源in、以及控制端耦接第二晶体管mn2的控制端。第四晶体管mn4具有第一端耦接第二晶体管mn2的第二端、第二端耦接第一电流源in、以及控制端耦接第一晶体管mn1的控制端。负载级电路102耦接第一晶体管mn1的第一端以及第二晶体管mn2的第一端，用以在运算放大器电路11b的输出端产生输出信号vo。

运算放大器电路11b可以用在显示装置中。例如运算放大器电路11b的输出端可以耦接输出级电路103，输出级电路103可以包括功率晶体管以提供足够的驱动能力。在一实施例中，输出级电路103用以提供驱动显示面板的单端电压信号。

在图4所示的范例中，第一晶体管mn1、第二晶体管mn2、第三晶体管mn3、以及第四晶体管mn4是nmos晶体管。nmos晶体管的第一端、第二端、及控制端可分别对应漏极、源极、及栅极。

在一实施例中，第一晶体管mn1的尺寸(栅极宽度w及栅极长度l)实质相等于第二晶体管mn2的尺寸，在以下的公式中将使用代表。第三晶体管mn3的尺寸实质相等于第四晶体管mn4的尺寸，在以下的公式中将使用代表。

从图4可以看出，第三晶体管mn3的偏压电压是可变电压，类似地，第四晶体管mn4的偏压电压也是可变电压，图4所示的差分对使用可变偏压控制机制。在此电路中，第一晶体管mn1和第二晶体管mn2操作于饱和(saturation)区，第三晶体管mn3和第四晶体管mn4操作于三极管(triode)区，相当于可变电阻。第三晶体管mn3和第四晶体管mn4分别是用于第一晶体管mn1和第二晶体管mn2的退化(degeneration)装置。第三晶体管mn3和第四晶体管mn4在第一晶体管mn1和第二晶体管mn2的第二端(源极端)构成反馈回路，有效地扩展了运算放大器电路11b的线性范围。

参考图4，当输入电压差vid(vid＝vin1-vin2)小的时候，第三晶体管mn3和第四晶体管mn4操作于三极管区，以第三晶体管mn3为例，其漏极和源极之间的电阻值是受控于第二输入信号vin2。类似地，第四晶体管mn4的漏极和源极之间的电阻值是受控于第一输入信号vin1。考虑第一输入信号vin1的电压上升、第二输入信号vin2的电压下降的情况，漏极电流i1上升，且漏极电流i2下降。因为第三晶体管mn3的漏极和源极之间的电阻值增加(由vin2减小引起)，所以增加的漏极电流i1将增加第三晶体管mn3在漏极和源极两端之间的跨压。由于这种负反馈，第一晶体管mn1的栅极到源极跨压的增量(电压增加的量)将小于第一输入信号vin1的增量，因此漏极电流i1的增量减小。另一方面，第四晶体管mn4的漏极和源极之间的电阻值减小(由增加的vin1引起)，减小的漏极电流i2将降低第四晶体管mn4在漏极和源极两端之间的跨压。第二晶体管mn2的栅极到源极跨压的减小量将小于第二输入信号vin2的减小量，因此漏极电流i2不会迅速下降。如上所述，当第一输入信号vin1的电压增加且第二输入信号vin2的电压减小时，漏极电流i1和i2的变化量可保持在较小幅度，从而导致差分对的线性范围改善。下面提供图4所示电路的电流和电压的详细分析。

漏极电流i1(第一晶体管mn1):

漏极电流i1(第三晶体管mn3):i1＝k3(vin2-vs-vt3)(vs1-vs)

漏极电流i2(第二晶体管mn2):

漏极电流i2(第四晶体管mn4):i2＝k4(vin1-vs-vt4)(vs2-vs)

其中i1+i2＝i；vs1与vs2分别代表第一晶体管mn1与第二晶体管mn2的源极电压。当输入电压差vid小时，第三晶体管mn3和第四晶体管mn4操作于三极管区，且这四个晶体管mn1-mn4的源极电压接近。另外，这四个晶体管mn1-mn4的阈值电压(thresholdvoltage)也是接近的。在上面的式子中，可以代入vt1＝vt2＝vt3＝vt4＝vt。经过公式运算和简化，漏极电流可以表示为以下式子：

根据式5a及式5b，当漏极电流i1与i2可以如下近似地表示为线性关系：

亦即，当式6的条件满足时，漏极电流与输入电压差vid之间的关系是线性的。图4所示差分对的跨导gm可以通过以下式子来表示。

将式8与式4比较，图4所示差分对(四个晶体管架构，4t)跨导gm为图2所示差分对(两个晶体管架构，2t)跨导gm的倍。然而，将式6与式2比较，4t架构输入对线性范围是2t架构输入对线性范围的倍。换句话说，所提出的差分输入级电路，如图4所示，能够扩展输入电压差的线性范围。此外，能够藉由适当调整四个晶体管mn1-mn4的尺寸，根据公式调整以及以达到想要的线性范围。

图5绘示如图4所示差分输入级电路的跨导示意图。横轴是输入电压差vid。当输入电压差vid超过+δv2(或小于-δv2)时，跨导gm变为0，因此在这种输入电压条件下差分对无法正常操作。比较图5与图3，能够使得跨导gm稳定的输入电压范围在图5中被放大，δv2>δv1，因此差分对的线性范围获得改善。

在上述的实施例差分输入级电路101是使用nmos晶体管，在另一实施例中，差分输入级电路101可以包括pmos晶体管。图6绘示依据本发明一实施例包括pmos差分对的运算放大器电路示意图。此实施例的电路连接方式以及操作原理类似于图4实施例，因此不再重复赘述。于此实施例中，晶体管mp1-mp4为pmos晶体管，pmos晶体管的第一端、第二端、及控制端可分别对应漏极、源极、及栅极。

在另一实施例中，mosfet晶体管可被替换为双极性结型晶体管(bipolarjunctiontransistor，bjt)。举例而言，图4的晶体管mn1-mn4可替换为npn类型bjt。图6的晶体管mp1-mp4可替换为pnp类型bjt。在又另一实施例中，也可以改用其他类型的晶体管，例如结栅极场效应晶体管(junctiongatefield-effecttransistor，jfet)，或者可在一个差分对当中使用不同种类晶体管的组合。

图7绘示依据本发明一实施例的轨到轨(rail-to-rail)运算放大器电路示意图。除了图4所示的晶体管mn1-mn4之外，图7所示的差分输入级电路101还包括第一互补(complementary)电流源ip、第一互补晶体管mp1、第二互补晶体管mp2、第三互补晶体管mp3、第四互补晶体管mp4。第一互补晶体管mp1具有第一端、第二端、以及控制端用以接收第一输入信号vin1。第二互补晶体管mp2具有第一端、第二端、以及控制端用以接收第二输入信号vin2。第三互补晶体管mp3具有第一端耦接第一互补晶体管mp1的第二端、第二端耦接第一互补电流源ip、以及控制端耦接第二互补晶体管mp2的控制端。第四互补晶体管mp4具有第一端耦接第二互补晶体管mp2的第二端、第二端耦接第一互补电流源ip、以及控制端耦接第一互补晶体管mp1的控制端。负载级电路102耦接第一互补晶体管mp1的第一端以及第二互补晶体管mp2的第一端。

第一晶体管mn1的栅极与第一互补晶体管mp1的栅极耦接一起，第二晶体管mn2的栅极与第二互补晶体管mn1的栅极耦接一起。互补晶体管mp1-mp4的连接关系类似于图6所示。轨到轨运算放大器电路11d能够为输入信号和输出信号提供更宽的动态范围。

在一实施例中，第一晶体管mn1、第二晶体管mn2、第三晶体管mn3、以及第四晶体管mn4是nmos晶体管，第一互补晶体管mp1、第二互补晶体管mp2、第三互补晶体管mp3、以及第四互补晶体管mp4是pmos晶体管。如前所述，在另一实施例中，nmos晶体管可替换为npn类型bjt，pmos晶体管可替换为pnp类型bjt。

在一实施例中，第一互补晶体管mp1的尺寸实质相等于第二互补晶体管mp2的尺寸，第三互补晶体管mp3的尺寸实质相等于第四互补晶体管mp4的尺寸。

在lcd驱动器应用中，运算放大器电路可以包括多个差分对以实现电压内插(interpolation)功能，这种电路设计可以减少芯片面积和生产成本。图8绘示依据本发明一实施例的差分输入级电路具有电压内插功能的示意图，为简化起见，在此图中未绘示负载级电路102。差分输入级电路101a包括第一差分对111及第二差分对112。差分输入级电路101a用以根据迭加原理(superpositionprinciple)内插输入信号vg1与vg2以产生输出信号vo。于此例中，负载级电路102的输出端反馈至差分输入级电路101a。

第一差分对111的跨导为gm1，第二差分对112的跨导为gm2，根据迭加原理输出信号vo可表示为：

在理想情况下gm1＝gm2(vo＝0.5×vg1+0.5×vg2)。然而，参考图2及图3所示，2t差分对架构的线性范围相对较小，当输入信号vg1与vg2之间的电压差较大时，gm1≠gm2，因此实际的输出电压偏离理想电压值。图9绘示如图8所示信号的电压电平，在理想输出与实际输出电压值之间存在误差δv3。

图10绘示依据本发明一实施例的差分输入级电路具有电压内插功能的示意图。除了第一差分对121之外，图10所示的差分输入级电路101b还包括第二差分对122。第一差分对121如图4所示包括第一电流源is1以及晶体管mn1-mn4。第二差分对122包括第二电流源is2、第五晶体管mn5、第六晶体管mn6、第七晶体管mn7、第八晶体管mn8。第五晶体管mn5具有第一端耦接第一晶体管mn1的第一端、第二端、以及控制端用以接收第三输入信号vg2。第六晶体管mn6具有第一端耦接第二晶体管mn2的第一端、第二端、以及控制端用以接收第四输入信号。第七晶体管mn7具有第一端耦接第五晶体管mn5的第二端、第二端耦接第二电流源is2、以及控制端耦接第六晶体管mn6的控制端。第八晶体管mn8具有第一端耦接第六晶体管mn6的第二端、第二端耦接第二电流源is2、以及控制端耦接第五晶体管mn5的控制端。

第二晶体管mn2的栅极与第六晶体管mn6的栅极可耦接一起(第二输入信号与第四输入信号相同)以达成电压内插功能。在一实施例中，运算放大器电路的输出端耦接第二晶体管mn2的控制端以及第六晶体管mn6的控制端(如图10所示，接收输出信号vo)。输出信号vo是第一输入信号vg1与第三输入信号vg2的内插结果，内插运算式可参考如图8所示的例子。

在一实施例中，第五到第八晶体管mn5-mn8为nmos晶体管，与第一到第四晶体管mn1-mn4为相同类型。在一实施例中，第五晶体管mn5的尺寸实质等于第六晶体管mn6的尺寸，第七晶体管mn7的尺寸实质等于第八晶体管mn8的尺寸。

由于图10的范例使用4t差分对架构，输入电压差的线性范围能够扩展，因此第一差分对121的跨导gm1与第二差分对122的跨导gm2之间的差值缩小，使得实际输出电压较接近于理想输出电压。图11绘示如图10所示信号的电压电平，在理想输出与实际输出电压值之间存在误差δv4。与图9相比，δv4<δv3。差分对的扩展线性范围改善了电压内插结果的精确度。

在图8及图10所示的范例中，使用两个差分对，在一实施例中，可以使用更多的差分对。图12绘示依据本发明一实施例包括多个差分对的运算放大器电路示意图。在此范例中，差分输入级电路101包括四个差分对131-134。留意差分对的数量也可以是其他数字，此处绘示四个差分对仅为示例性而非限制性的。第一差分对131接收输入信号vg1以及从负载级电路102反馈的输出信号vo。类似地，第二差分对132接收另一输入信号vg2以及输出信号vo。输出信号vo是多个输入信号vg1-vg4的内插结果。藉由在差分对131-134采用4t架构，扩展的线性范围有助于降低运算放大器电路11e的输出误差。

关于图1所示负载级电路102以及输出级电路103的电路实作，图13绘示依据本发明一实施例的负载级电路与输出级电路的范例电路图。在此实施例中，差分输入级电路101采用如图7所示的轨到轨架构作为范例。负戴级电路102包括nmos晶体管mn5与mn6以及pmos晶体管mp5与mp6。输出级电路103包括nmos晶体管mn7及pmos晶体管mp7。图13所绘示仅为一种示例性的实作电路架构，在不同应用中，电路架构可以根据电压增益和带宽要求等设计限制条件进行相应修改。

根据上面给出的实施例，提供了一种使用可变偏压控制差分对的运算放大器电路。差分对电路结构包括四个晶体管(4t)。运算放大器电路可以有效地扩展输入电压差的线性范围。通过适当调整晶体管尺寸，可以将扩展的线性范围设计为需要的值。另外，运算放大器电路可以包括多个4t差分对来实现电压内插功能。

在lcd驱动器应用中，运算放大器电路通常接在数字模拟转换器(digital-to-analogconverter，dac)的后面，由于所提出的运算放大器电路采用4t结构而容许输入电压差的较大范围，因此可以放宽前面dac的解析度要求。换句话说，由于所提出的运算放大器电路的扩展线性范围，dac电路的硬件成本可以被有效地降低。

当然，本发明还可有其他多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。