轨到轨运算放大器的制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及电路技术领域，特别是涉及一种轨到轨运算放大器。
【背景技术】
[0002] 随着集成电路制作工艺特征尺寸的减小，其使用的电源电压逐步下降，但是器件 阈值电压并没有相应减小，因此运算放大器的共模输入/输出范围越来越窄，一般的运算 放大器难以满足需求。
[0003] 轨到轨运算放大器可以实现从电源高电位到地低电位的共模输入、输出范围，适 用于低电源电压的情况。轨到轨运算放大器包括输入级和输出级，传统的输入级电路一般 米用MOSFET(Metal-Oxide-SemiconductorField-EffectTransistor金属氧化物半导体 场效应晶体管，简称M0S管）组成的互补差动输入对管来实现输出级的轨到轨输入，采用 1:3电流镜像电路、衬底驱动电路、浮栅电路等实现输入级的跨导恒定；传统的输出级电路 采用共源单级放大器实现输出级的轨到轨输出。然而，一般情况下，互补差动对管的工作电 流由镜像电路获得，对电流的控制度较低，同时电流镜像电路的电流复制精度较低，使得输 入级的跨导变化大。
【发明内容】
[0004] 基于此，有必要针对上述问题，提供一种跨导波动小的轨到轨运算放大器。
[0005] -种轨到轨运算放大器，包括：轨到轨输入级电路、上行电流补偿电路、下行电流 补偿电路、输出级电路和电流镜像电路，所述轨到轨输入级电路分别连接所述上行电流补 偿电路、所述下行电流补偿电路、所述电流镜像电路和所述输出级电路，所述电流镜像电路 还连接所述上行电流补偿电路、下行电流补偿电路和输出级电路；
[0006] 所述电流镜像电路为所述轨到轨输入级电路、上行电流补偿电路、下行电流补偿 电路和输出级电路提供偏置电流，所述轨到轨输入级电路用于接入共模电平信号并输出至 所述输出级电路，所述输出级电路用于对所述共模电平信号进行处理输出放大信号；所述 上行电流补偿电路和所述下行电流补偿电路分别用于在所述共模电平信号的电压上行或 电压下行时对所述轨到轨输入级电路的工作电流进行补偿，以使所述轨到轨输入级电路的 工作电流保持恒定。
[0007] 上述轨到轨运算放大器，电流镜像电路为轨到轨输入级电路、上行电流补偿电路、 下行电流补偿电路和输出级电路提供偏置电流，轨到轨输入级电路接入共模电平信号并输 出至输出级电路，输出级电路对共模电平信号进行处理输出放大信号，满足对后级负载的 驱动能力，通过上行电流补偿电路和下行电流补偿电路分别实现共模电平信号的电压上行 或电压下行时对轨到轨输入级电路的工作电流进行补偿，使得轨到轨输入级电路的工作电 流保持恒定，从而轨到轨运算放大器的轨到轨输入级电路的跨导波动小。
【附图说明】
[0008] 图1为现有的输入级电路图；
[0009] 图2为现有的运算放大器的电路图；
[0010] 图3为一实施例中本发明轨到轨运算放大器的电路模块图；
[0011] 图4为一实施例中本发明轨到轨运算放大器的具体电路图；
[0012] 图5为另一实施例中本发明轨到轨运算放大器的电路模块图。
【具体实施方式】
[0013] 参考图1，为现有的工作在亚阈值状态下的轨到轨输入级电路结构图。亚阈值状态 下M0S管的跨导和其电流成正比，当输入共模电平信号的电压上行到PM0S互补差动对管停 止工作时，电流补偿电路开始工作，保持输入级电路总的工作电流不变，从而降低输入级电 路的跨导波动小。当输入共模电平信号的电压下行到NM0S互补差动对管停止工作时，其工 作原理与共模电平信号的电压上行过程相似。该输入级电路中电流镜像电路对电流的复制 精度较低，特别是对窄沟道长度的M0S管，由于沟道长度调制效应影响比较大，电流镜像电 路的复制电流受到M0S管漏极电压的影响特别明显，严重降低了电流镜的复制精度。同时， 互补差动对管的工作电流通过电流镜像电路获得，其对电流的控制较低，跨导变化非常大。
[0014] 参考图2,现有的一种运算放大器中增加了电流比较电路。该电路通过将输出端 output和运算放大器的反相输入端in-联接构成单位增益放大器作为电路的缓冲级或是 输出级电路。该电路的缺点主要表现在以下几个方面：一、输入级电路无法实现共模电平信 号的轨到轨输入；二、随着沟道长度的减小，电流无法精确复制，电流比较电路控制精度较 低；三、由于采用五管差动运放，该输出级开环增益较低。
[0015] 本发明提供一种轨到轨运算放大器，可以较大地降低轨到轨输入级电路的跨导波 动，提高系统工作的稳定性。
[0016] 参考图3, 一实施例中的轨到轨运算放大器，包括：轨到轨输入级电路110、上行电 流补偿电路120、下行电流补偿电路130、电流镜像电路140和输出级电路150,轨到轨输入 级电路110分别连接上行电流补偿电路120、下行电流补偿电路130、电流镜像电路140和 输出级电路150,电流镜像电路140还连接上行电流补偿电路120、下行电流补偿电路130 和输出级电路150。
[0017] 电流镜像电路140为轨到轨输入级电路110、上行电流补偿电路120、下行电流补 偿电路130和输出级电路150提供偏置电流，轨到轨输入级电路110用于接入共模电平信 号并输出至输出级电路150,输出级电路150用于对共模电平信号进行处理输出放大信号； 上行电流补偿电路120和下行电流补偿电路130分别用于在共模电平信号的电压上行或 电压下行时对轨到轨输入级电路110的工作电流进行补偿，以使轨到轨输入级电路110的 工作电流保持恒定。本实施例中，在3. 3V电源电压下，在输入的共模电平信号从0V上升到 3. 3V时，轨到轨运算放大器的跨导波动小于2. 5%。
[0018] 上述轨到轨运算放大器，电流镜像电路140为轨到轨输入级电路110、上行电流补 偿电路120、下行电流补偿电路130和输出级电路150提供偏置电流，轨到轨输入级电路 110接入共模电平信号并输出至输出级电路150,输出级电路150对共模电平信号进行处理 输出放大信号，满足对后级负载的驱动能力，通过上行电流补偿电路120和下行电流补偿 电路130分别实现共模电平信号的电压上行或电压下行时对轨到轨输入级电路110的工作 电流进行补偿，使得轨到轨输入级电路110的工作电流保持恒定，从而轨到轨运算放大器 的轨到轨输入级电路110的跨导波动小。
[0019] 在其中一个实施例中，参考图4,轨到轨输入级电路110包括PM0S互补差动对管 111、NM0S互补差动对管112和共源共栅结构电路113,PM0S互补差动对管111和NM0S互 补差动对管112均分别连接共源共栅结构电路113、上行电流补偿电路120、下行电流补偿 电路130和电流镜像电路140,共源共栅结构电路113连接输出级电路150。
[0020] 轨到轨输入级电路110中的共源共栅结构电路113 -方面是可以提高输出级电路 150的增益，另一方面也可以将轨到轨输入级电路110的输出信号转换成单端输出；同时， 共源共栅结构电路113自身的较高增益的输出与连接的输出级电路150构成两极运放，轨 到轨运算放大器的总增益等于共源共栅结构电路113的增益与输出级电路150的增益之 和，从而提高了轨到轨运算放大器的增益。本实施例中，采用共源共栅结构电路113可以使 轨到轨运算放大器的增益可以达到120dB。
[0021] 在其中一个实施例中，参考图4,PM0S互补差动对管111包括第一M0S管Ml和第 二M0S管M2，NM0S互补差动对管112包括第三M0S管M3和第四M0S管M4。第一M0S管Ml 和第二M0S管M2均为PM0S管，第三M0S管M3和第四M0S管M4均为PM0S管。共源共栅结 构电路113包括第五M0S管M5、第六M0S管M6、第七M0S管M7、第八M0S管M8、第九M0S管 M9、第十M0S管M10、第^^一M0S管Ml1和第十二M0S管M12。具体地，本实施例中，第五M0S 管M5、第六M0S管M6、第七M0S管M7和第八M0S管M8均为PM0S管，第九M0S管M9、第十 M0S管M10、第^^一M0S管Mil和第十二M0S管M12均为NM0S管。其中，第一M0S管Ml、第 二M0S管M2、第三M0S管M3和第四M0S管M4均工作在亚阈值区。
[0022] 第一M0S管Ml的源极和第二M0S管M2的源极连接，且公共端分别连接上行电流 补偿电路120、下行电流补偿电路130和电流镜像电路140 ;第三M0S管M3的源极和第四 M0S管M4的源极连接，且公共端分别连接上行电流补偿电路120、下行电流补偿电路130和 电流镜像电路140,第一M0S管Ml的栅极和第三M0S管M3的栅极连接且形成轨到轨运算放 大器的反相输入端Vin-，第二M0S管M2的栅极和第四M0S管M4的栅极连接且形成轨到轨 运算放大器的同相输入端Vin+。
[0023] 第五M0S管M5的栅极与第六M0S管M6的栅极连接，第七M0S管M7的栅极与第八 M0S管M8的栅极连接，第五M0S管M5的漏极与第七M0S管M7的源极连接，且公