专利名称：包括静态电流控制电路的运算放大器装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种运算放大器装置，它包括一个对本运算放大器装置的静态输出电流进行控制的电路。
这种现有技术的方法的一个缺点是它依赖于放大器装置的操作和依赖于电流监控与比较电路(交叉检测电路)和调整电路(充电激励电路)的速度。实际上，如在这篇现有技术文章中第1132页第1栏中所明确的那样，静态电流在输出驱动器的静态转换期间被采样，因此只要交叉检测和充电激励电路快到足以跟得上输入信号的变换，就不会对静态电流控制有所限制。然而，这导致较高的功率消耗。
这种现有技术的电路和方法的另一个缺点是它不够精确，特别是在用作xDSL线路驱动器时。xDSL表示诸如ADSL(非对称数字用户线路)、VDSL(超高速数字用户线路)和其他DSL应用之类的所有数字用户线路(DSL)应用。
此外，控制静态电流大小的电压在输出电压过零时更新，这将引起失真。对于例如在这篇现有技术文章中所提到的ISDN应用来说，这还是可接受的。然而，对于上述的xDSL应用来说，对失真有着比ISDN应用严格得多的要求，因此在这些技术领域就不能再使用这种现有技术的方法。
按照本发明，能实现这个目的是因为所述静态电流控制模块可以基于离线测量和控制以数字方式控制前级偏压的改变，从而不再依赖于放大器本身的操作。离线意味着没有输入信号加到运算放大器上，而所有的偏置条件都加上。此外，由于放大器在静态电流控制期间没有交流信号输入，不消耗动态功率，因此可以得到一种功率利用率高得多的、不受干扰的装置。而且，与用现有技术的方法实现的模拟控制相比，数字控制通常精度较高。
静态电流控制电路包括一个数字控制模块，所述数字控制模块可以根据从一个包括在所述静态电流控制电路内的接在所述输出级与所述数字控制模块之间的电流检测与比较模块接收的至少一个信号，对所述输入偏压的共同调整进行控制，所述电流检测与比较模块可以测量在所述输出级的两个串联支路内的输出电流，将它们分别与一个预定的基准电流进行单独比较，产生表示所述比较的结果的所述至少一个信号发送给所述数字控制模块。
通过将输出级的两个串联支路内的两个输出电流与预定目标值进行单独比较，使偏压控制取决于单独比较的结果，从而可以得到比现有技术的系统高得多的精度。确实，在上面所提到的现有技术的文件中表明，两个输出电流必须都高于或者都低于目标值才能控制偏压改变。采用本发明，可以根据两个输出电流之一与目标值的单独比较结果对偏压进行控制。
静态电流控制电路还可以对所述输出级的所述两个串联支路内的所述输出电流进行差动控制。
这个附加的特征使这种放大器装置不仅可以对静态输出电流进行共同调整，而且还可以对它们进行差动调整，使它们相等。
与仅允许以共同模式调整两个静态电流，只能使它们都增大或减小而不能使它们相等的现有技术相比，本发明的方法精确得多。
此外，所述数字控制模块还可以通过差动调整前级的放大器的输入偏压对这种差动调整进行控制。
对输入偏压的差动调整意味着同时调整前级的两个差动放大器的相应输入偏压，使得在两个差动放大器中的一个放大器的输入偏压增加某个值的时候，另一个放大器的输入偏压减小同样的值。
能实现这种调整还因为所述电流检测与比较装置不仅可以实现将所检测的两个输出电流与一个预定的基准值进行比较，而且还可以对两个电流进行相互比较。根据比较的结果，数字控制模块可以产生适当的控制信号，以按正确的方向对两个偏压进行差动调整。这个操作从而导致对两个静态输出电流的差动调整，直到它们相等。
另一个特征是数字控制模块可以产生一个从一个初始条件开始的静态电流控制程序。
用这种方式可以实现能更精确地控制静态电流的非常可靠的校准过程。
本发明的另一个特征是所述初始条件是仅有一个很小的或可以忽略的电流在输出级支路中，而且从这时开始使输出静态电流共同逐步增大，直到电流检测与比较装置检测到这两个输出电流都大于或等于预定的基准电流。
通过这种由数字控制模块执行的方法，两个输出电流将都达到或超过预定的目标基准值。与按两个输出电流相加触发改变输入偏置值的现有技术的方法相比，本发明可以根据单独的电流值进行更精确的细调。
概括地说，第一阶段采用快速的粗调。因而实际的电流通常超过目标基准值，这实质上取决于支配输出晶体管的伏安特性的物理规律。然而，这些大电流是有益的，因为它们保证了电路的温升，使得在接下来的校准阶段静态电流由于温度变化而引起的所有可能的改变最小。
在第一控制阶段结束后，将对两个电流进一步进行细调，使它们相互相等。就电压情况来看，这导致消除了在放大器装置的输出端的所有输出偏置。
这个步骤之后是对静态电流值的共同细调，直到使它们都等于或小于目标基准值。
因此，第二控制阶段保证使输出电流相等，虽然它们仍然相当大，而在第三控制阶段使相互相等的电流再逐步减小，直到它们达到目标值。在第三阶段的输入偏压的调整步长比在第一阶段的调整步长精细得多，从而可以达到精确得多的调整。
本发明还涉及包括在本发明的运算放大器内的静态电流控制电路，以及由这种静态电流控制电路执行静态电流控制的方法。
应注意的是，在本申请中所用的术语“连接(coupled)”不应该局限于理解为只是直接连接。因此，所谓“装置A连接到装置B上”不应该局限于表示装置A的一个输出端直接连接到装置B的一个输入端上。这意味着在A的一个输出端与B的一个输入端之间存在一个通路，这个通路可以是一个包括其他器件或装置的通路。
还应注意的是，在本申请中所用的术语“包括”不应该局限于理解为其后所列出的那些。因此，所谓“包括装置A和B的设备”不应该局限于表示仅由部件A和B组成的设备。这意味着该设备中与本发明有关的组件是A和B。
在这些xDSL应用中要求是很严格的，必须寻求一种解决方案，既可以达到低成本、低功耗、高比特率和低误码率，又能满足对噪声和失真性能的严格要求。因此，必须非常精确地控制输出级的静态电流大小，使它对处理和温度变化不敏感，而且还必须避免对信号通路有影响。
本发明的运算放大器装置OAA能够提供一种满足上述这些要求的解决方案，下面将对此进行说明。
图1中所示的运算放大器装置OAA是一个更大的运算放大器的一部分，图1也示意性地示出了这种更大的运算放大器，它除运算放大器装置OAA之外还包括一个通用的放大器级A1，A1从输入信号源Vin接收输入信号，例如是从一个处理器接收的经数模变换的ADSL信号。这个更大的运算放大器的输出端OUT接到负载阻抗Zload。这个更大的放大器如图1所示呈现为单端配置。在诸如xDSL之类的应用中，整个放大器装置重复地配置以建立一个完全差动结构，输入信号源Vin连接到两个输入放大器A1的两个同样的输入端之间，而这个完全差动装置的两个输出端通过一个差动桥和变换器接到线路的两端。下面将就单端情况说明静态电流调整原理；而对于差动运算放大器装置情况来说，该原理可以完全相同地用于这两个差动部分。如所属技术领域的专业人员众所周知，除单端和完全差动配置外，其他一些放大器配置也是可行的。然而，这些将不作进一步说明，因为这些对于本发明来说并不是实质性的，所属技术领域的专业人员很容易将本发明的原理应用于这些其它配置之中。
A1的输出信号用作本发明的运算放大器装置OAA的输入信号。A1的输出端接到OAA的输入端IN上。这种运算放大器装置包括偏置放大器A2和A3，它们共同形成了在最终输出驱动级OS之前的前级。对于对输出放大器有严格的线性要求的ADSL应用来说，OS通常由一个AB类放大器组成。
这样的AB类放大器最简单的形式主要由一个P型晶体管P1与一个N型晶体管N1串联组成。在图1所示的实施例中，P1和N1都是CMOS晶体管，但是用其他技术(例如双极技术)实现也是可行的。下面将就这种输出放大器对本发明的原理进行说明，然而该原理对于任何具有两个串联支路的输出放大器(诸如B类放大器)也是适用的。
静态电流定义为在不加输入信号时流入输出级OS的电流。这样的电流由直流偏置条件给定。由于这种电流的改变直接增加功率消耗，而且影响到与交叉失真有关的性能，因此需要尽可能精确地设置静态电流的值。此外，必须避免由于温度引起的各种改变。为此，开发了一种新的静态电流控制电路QCCC，下面将对这种静态电流控制电路进行说明。
图1中所示的静态电流控制电路主要包括3个部分第一个部分标为CSCM，是一个电流检测与比较装置；第二个部分标为DCM，是一个数字控制模块；第三个部分示意性地由3个可调电压源表示，其中一个标为Vcom，而其他两个标为Vdiff/2，这些可调电压源表示用于调整前级的两个差动放大器A2和A3的输入偏压的电路。在本发明的一个实施例中，这些可控电压源带有D/A变换器。然而其他实现方式也是可行的，在这里不作进一步的说明，因为这些是所属技术领域的专业人员众所周知的。
电流检测与比较装置CSCM主要用来检测流入输出级的两个串联支路的电流，即通过P1和N1的电流，分别标为Iqp和Iqn。CSCM还用来将这两个电流与一个预定的基准Iqref(它是静态电流的目标值)相比较，以及对这两个电流进行相互比较，以检验这两个输出电流是否相等。
第一比较操作(即将电流Iqp和Iqn分别与预定目标基准Iqref相比较)的结果以及第二比较操作(即对Iqp和Iqn进行相互比较)的结果通过标为Out1和Out2的信号传送给DCM。
图3例示了这样的电流检测与比较装置的一个实施例。这个部分主要包括2个电流比较器，一个接到P1的栅极上，而另一个接到N1的栅极上。通过3个开关sw1、sw2和sw3的控制可以确定哪一个比较器起作用；这些开关各自的控制信号也相应标为sw1、sw2和sw3。这些控制信号由数字控制模块DCM产生。
CSCM内的第一比较器包括一个pMOS晶体管MP1，它是一个P1的镜像晶体管，这意味着通过MP1的电流与通过P1的电流成正比；以及一个第一基准电流源Iqref。这个基准电流源与目标静态电流成正比，其比例因子与通过P1的电流与通过MP1的电流的比例因子相同。CSCM的第二比较器包括一个nMOS晶体管MN1，它是一个N1的镜像晶体管，这意味着通过MN1的电流与通过N1的电流成正比。使用相同的比例因子，而对于第二电流源Iqref相对通过N1的目标静态电流也用这个比例因子。对于AB类输出级OS来说，通过N1和P1的目标静态电流是相等的，因此两个电流源Iqref也是相等的。
如果sw1将同名开关闭合而sw2将同名开关断开，就可以将通过MP1的电流与Iqref相比较。如果该电流比Iqref大，接到电流源Iqref与MP1之间的放大器的输出就高。如果通过MP1的电流比Iqref小，out1就低。如果同时sw3使开关sw3闭合，通过MN1的电流也与Iqref相比较，比较的结果由out2的值表示。
如果所有的开关sw1、sw2和sw3都闭合，就将通过MP1的电流与通过MN1的电流相比较。实际上，如果两个电流相等，通过MP1的电流全部流过MN1，两个放大器的输出将是相同的。如果两个电流MP1和MN1不同，两个放大器的输出也将不同。
因此，开关sw2决定比较的模式和输出信号out1和out2的值，从而根据sw2的值可以确定是将两个电流值分别与基准值作绝对比较，还是比较它们的相对差。
输出信号out1和out2传送给数字控制模块DCM，数字控制模块DCM起着一个程序单元或者有限状态机的作用，从一个初始状态开始顺序通过一系列相继的控制阶段，对静态电流进行控制。在顺序通过不同的控制阶段时，将有一些专用控制信号传送给CSCM和各个可调电压源并从CSCM接收一些专用控制信号，情况如下面所述。
要注意的是，为了获得所要求的精度和不影响信号通路，静态电流控制电路最好在没有信号加到两个放大器A2和A3的输入端时工作，此时前置放大器没有接收任何输入信号。
首先，在启动时，DCM产生一个稳定的初始条件，将输出电流设置为一个预定的很小的值。这是通过产生控制信号C1送给两个电压源Vdiff/2，使它们达到适当值，从而使输入偏置值VoffA2和VoffA3足够高来实现的。这使得输出电流Iqp和Iqn足够小，通常在预定的电流限值例如为10μA以下。
对于放大器和电压源的电压极性如图1所示、A2和A3是反相放大器的这个实施例来说，Vdiff/2设置得足够高，例如为电源电压VDD。通过A2和A3的反相操作，将A2的输出设置到电源电压，从而使P1截止。类似地，A3的输出被降到最低的可能电压，使N1截止。
初始条件设置好以后，DCM进入它的第一控制阶段，在此期间同时增大静态电流，直到使它们都达到或超过它们的预定目标值Iqref。这是由DCM通过将C1的值设置成使Vdiff/2的值减小从而逐渐减小A2和A3的输入偏置值来实现的。同时，DCM向CSCM发送控制信号sw1至sw3，通知CSCM，使它将两个分别与静态输出电流Iqp和Iqn直接成正比的镜像电流与预定的目标电流Iqref相比较。只要电流在该目标值以下，CSCM就通过控制信号out1和out2将此情况通知DCM，据此DCM就调整C1的值，进一步调整电压源使Vdiff/2减小。在这个实施例中，电压源是用一个D/A变换器实现的，因此DCM只要修改设置D/A变换器输出端电压的代码即可。一旦CSCM检测到Iqp和Iqn都达到目标值Iqref并将这个信息传送出去后，就结束了这个阶段。
要注意的是，电压Vdiff/2的这样下调是以相当大的步长进行的，从而可以迅速地结束这个阶段。因此，这个调整是一个粗调，由于支配输出晶体管的工作的固有物理规律的作用，输出电流迅速增大，因此通常会过调，超出预定目标Iqref很多。对于MOS晶体管来说，伏安关系为二次关系，而对于双极型晶体管来说，甚至为指数关系。
所达到的超过目标基准电流的过调导致电路的温升。然而，这可以补偿连接温度的改变，如下面将要进一步说明的那样。
在图4中示出了对于一个具体的输出放大器，静态电流Iqn和Iqp和输出电压Vout与时间的函数关系。静态电流的单位为安培(A)，而输出电压的单位为伏特(V)。第一控制阶段标为P1，出现在从0至1.2ms的约1ms内。可以看到，在第一控制阶段结束时，静态电流达到35mA左右，而输出电压为2.49V。要注意的是静态电流的目标值只有5mA。
第一控制阶段后是第二控制阶段，在此期间对两个静态电流进行相互比较，并作进一步调整，使得它们相等。这是由DCM通过将Vdiff/2的值保持恒定而调整控制信号C2的值使Vcom的值改变来实现的。按照图1中所示的电压的符号，Vcom增大将导致A3的输入偏置VoffA3增大，同时导致A2的输入偏置VoffA2减小同样的量。这样对偏置进行的差动调整使静态电流Iqp和Iqn得到差动调整。CSCM按DCM通过控制信号sw2给出的命令，执行对这两个电流的相互比较。只要这两个电流不同，DCM就根据CSCM传送来的测量和比较结果继续调整给电压源Vcom的控制信号C2，一直调整到使这两个电流相等。CSCM检测到两个电流相等时，将此情况通知DCM，从而结束了这个阶段或者说控制阶段2。要注意的是，这种比较当然总是在一定的测量公差内进执行的，因此所谓“相等”必须以在测量公差范围内来理解。
在图4中，第二阶段标为P2，在1.2至2.4ms之间进行。在这个阶段，输出电压增加到2.5V，对于图1这个电源VDD为5V的实施例，这正好相应于地与电源之间的中间值。这还表示消除了全部输出偏置。
由于在这第二阶段电流基本上没有减小，模片的连接温度仍然是高的。这意味着校准是针对工作状态而不是所谓的冷状态进行的。实际上，所产生的偏压将是对于模片的连接温度与正常工作温度相应的正常工作状态的正确偏压，此后，开始控制阶段3。在这个阶段，DCM保持在前一阶段得到的Vcom的值，通过进一步调整控制信号C1来控制Vdiff/2的值，再次使放大器A2和A3的偏置值共同增大，从而使作为反相放大器的A2和A3的静态电流Iqn和Iqp共同下降。DCM因此再向CSCM发送一个输入控制信号sw2，断开开关sw2，再次将所测电流与预定目标值Iqref相比较。只要这两个值都比这个Iqref值大，C1就进一步增大Vdiff/2的值。一旦CSCM检测到Iqn和Iqp都小于或等于Iqref时，第三阶段结束，从而完成了静态电流校准。
在这个阶段调整以小得多的步长进行，使静态输出电流逐渐降低。因此，这个阶段要长得多，如图4中的P3所示，从2.4ms开始到10ms结束。对于这个实施例来说，目标静态电流设置在5mA，可以看到在10ms时达到了该目标值。注意，在整个第三阶段，输出端OUT上的输出电压Vout保持恒定，表示没有输出偏置电压。于是，最后这个阶段也称为细调阶段。
在图2的流程图中示出了这种控制的各个步骤的概要情况。
校准阶段一结束，就释放放大器的输入端，进行正常操作。
要注意的是，其他一些校准阶段也是可行的，例如从一个非常接近零的起始值开始逐步使两个电流共同增大，直到达到它们的预定目标值，在这个阶段后再将它们相互比较，使它们相等。
虽然以上是结合具体装置对本发明的原理进行说明的，但很清楚这些说明只是示例性的，并不构成对本发明的限制，本发明的范围由所附权利要求书给出。
权利要求
1.一种包括一个差动输出级(OS)的运算放大器装置(OAA)，所述差动输出级(OS)的输入端分别接到前级(A2，A3)的相应输出端上，所述运算放大器装置(OAA)还包括一个接在所述输出级(OS)与所述前级(A2，A3)之间的静态电流控制电路(QCCC)，所述静态电流控制电路(QCCC)可以通过同时对所述前级(A2，A3)的相应输入偏压(VoffA2，VoffA3)进行共同调整来控制所述差动输出级(OS)的静态电流，其特征是所述静态电流控制电路(QCCC)可以离线以数字方式调整所述前级(A2，A3)的所述相应输入偏压(VoffA2，VoffA3)。
2.按照权利要求1所述的运算放大器装置，其特征是所述静态电流控制电路(QCCC)包括一个数字控制模块(DCM)，所述数字控制模块(DCM)可以根据从一个包括在所述静态电流控制电路(QCCC)内的接在所述输出级(OS)与所述数字控制模块(DCM)之间的电流检测与比较模块(CSCM)接收的至少一个信号(out1，out2)，对所述输入偏压(VoffA2，VoffA3)的共同调整进行控制，所述电流检测与比较模块(CSCM)可以测量在所述输出级(OS)的两个串联支路内的输出电流(Iqn，Iqp)，将它们分别与一个预定的基准电流(Iref)进行单独比较，产生表示所述比较的结果的所述至少一个信号(out1，out2)发送给所述数字控制模块(DCM)。
3.按照权利要求1所述的运算放大器装置，其特征是所述静态电流控制电路(QCCC)还可以对所述输出级(OS)的所述两个串联支路内的所述输出电流(Iqn，Iqp)进行差动控制。
4.按照权利要求3所述的运算放大器装置，其特征是所述数字控制模块(DCM)还可以控制对所述前级(A2，A3)的所述输入偏压(VoffA2，VoffA3)的差动调整。
5.按照权利要求3所述的运算放大器装置，其特征是所述静态电流控制电路(QCCC)还可以对在所述输出级(OS)的所述两个串联支路内的所述输出电流(Iqn，Iqp)进行相互比较，并向所述数字控制模块(DCM)提供一个表示所述输出电流是否相等的输出信号。
6.按照权利要求1所述的运算放大器装置，其特征是所述数字控制模块(DCM)可以产生从一个初始条件开始的静态电流控制程序。
7.按照权利要求6所述的运算放大器装置，其特征是所述数字控制模块(DCM)可以设置这样所述初始条件，将所述输入偏压(VoffA2，VoffA3)控制到足够高，使得在所述输出级(OS)的所述两个串联支路内的输出电流(Iqn，Iqp)小于一个预定的下限值。
8.按照权利要求7所述的运算放大器装置，其特征是所述数字控制模块(DCM)还可以在达到所述初始条件后开始第一控制阶段，在所述第一控制阶段，所述数字控制模块(DCM)控制所述前级(A2，A3)的所述输入偏压(VoffA2，VoffA3)使它们共同减小，并向所述电流检测与控制模块(CSCM)发送一个控制信号，使得所述电流检测与控制模块(CSCM)收到所述控制信号后将在所述串联输出支路内的所述输出电流与所述预定值进行比较，所述数字控制模块(DCM)还在接收到所述电流检测与比较模块(CSCM)发来的、表示两个输出电流(Iqn，Iqp)都大于所述预定的基准电流(Iref)的至少一个输出信号时，结束所述第一控制阶段。
9.按照权利要求8所述的运算放大器装置(OAA)，其特征是所述数字控制模块(DCM)还可以在完成所述第一控制阶段后开始第二控制阶段，在所述第二控制阶段，所述数字控制模块(DCM)控制对所述前级的所述输入偏压的差动调整，并向所述电流检测与比较模块(CSCM)发送一个控制信号，使得所述电流检测与控制模块(CSCM)收到所述控制信号后对在所述串联输出支路内的所述输出电流进行相互比较，所述数字控制模块(DCM)还在接收到所述电流检测与比较模块(CSCM)发来的、表示所述输出电流相等的至少一个输出信号时，结束所述第二控制阶段。
10.按照权利要求9所述的运算放大器装置(OAA)，其特征是所述数字控制模块(DCM)还可以在完成所述第二控制阶段后开始第三控制阶段，在所述第三控制阶段，所述数字控制模块(DCM)控制所述前级的所述输入偏压(VoffA2，VoffA3)使它们共同增大，并向所述电流检测与控制模块(CSCM)发送一个控制信号，使得所述电流检测与控制模块(CSCM)收到所述控制信号后将在所述串联输出支路内的所述输出电流与所述预定值进行比较，所述数字控制模块(DCM)还在接收到所述电流检测与比较模块(CSCM)发来的、表示两个输出电流(Iqn，Iqp)都小于所述预定的基准电流(Iref)的至少一个输出信号时，结束所述第三控制阶段。
全文摘要
本发明提供了一种包括一个差动输出级(OS)的运算放大器装置(OAA),该差动输出级(OS)的输入端分别接到前级(A2,A3)的相应输出端上,所述运算放大器装置(OAA)还包括一个接在所述输出级(OS)与所述前级(A2,A3)之间的静态电流控制电路(QCCC),所述静态电流控制电路(QCCC)可以通过同时对所述前级(A2,A3)的相应输入偏压(VoffA2,VoffA3)进行共同调整来控制所述差动输出级(OS)的静态电流,所述运算放大器装置(OAA)的特征在于所述静态电流控制电路(QCCC)可以离线以数字方式调整所述前级的所述输入偏压。
文档编号H03F3/185GK1387315SQ0211986
公开日2002年12月25日 申请日期2002年5月17日 优先权日2001年5月18日
发明者派屈克·奥古斯特·玛利亚·沃特斯 申请人:阿尔卡塔尔公司