轨到轨输入运放器的制作方法

本发明涉及运放器，尤其涉及一种轨到轨输入级运放器。

背景技术：

运算放大器简称运放，早期应用于模拟计算机中，用以实现数学运算，故得名运算放大器。一般可将运放简单地视为：具有一个信号输出端口(Out)和同相、反相两个高阻抗输入端的高增益直接耦合电压放大单元，因此可采用运放制作同相、反相及差分放大器。

运放器主要是用在模拟电路中，比如放大器、比较器、模拟运算器，是经常要用到的器件。而随着半导体技术的发展，运放的种类繁多，广泛应用于电子行业当中。有些运放的输入不允许达到电源或地，输出达不到电源或地。而常常需要轨到轨运算放大器来获得更大的电源区间，满足一些电路设计的需求。

图1为现有的一种轨到轨输入运算放大器的结构图。

当输入vin1/vin2比较低时，输入对管MP9/MP10能工作，当输入vin1/vin2接近电源电压时，输入对管MN13/MN14能工作，能提供轨到轨输入的功能。VB1，VB2，VB3，VB4为偏置点。

图1的结构有明显的缺点，在输入接近地或者电源时，运算放大器的工作点会发生明显变化，从而导致运算放大器的性能不够稳定。假设输入vin1/vin2接近地时，MN13/MN14处于截止状态，没有电流流过，但MP7/MP8设计的电流是2I，由于电流不能流向MN13/MN14，都只能流向MP5/MP6，这就导致运算放大器的输出端的管子的工作点偏离了原来设计的工作点，运算放大器的性能就会受到影响。

同样，当输入vin1/vin2的电压接近电源时，MP9/MP10处于截止状态，没有电流流过，但MN1/MN2设计的电流是2I，由于电流不能流向MP9/MP10，都只能流向MN3/MN4，这就导致运算放大器的输出端的管子的工作点偏离了原来设计的工作点，运算放大器的性能就会收到影响。

本发明提出一种轨到轨输入运算放大器，能够实现具有较高性能的轨到轨输入。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题在于，克服现有技术中存在的问题，提供一种轨到轨输入运算放大器，具有较好的稳定性，具有较高性能。

为了解决上述问题，本发明的技术方案是这样的：

一种轨到轨输入运算放大器，包括探测电路，用于探测出输入信号的共模电压，所述运算放大器还包括至少第一电流镜，通过镜像输入端的电流，并再通过第一电流镜的镜像电路控制输入端的负载，使输入端的负载电流随输入信号变化而变化。

所述探测电路包括第一电阻R1和第二电阻R2，探测出第一输入电压Vin1和第二输入电压Vin2的共模电压Vin_VCM。

所述第一电流镜包括第一晶体管组和第二晶体管组。

所述输入端的负载包括第二十三晶体管MP23和第二十四晶体管MP24。

第一输入电压Vin1连接第一电阻R1，第二输入电压Vin2连接第二电阻R2，第一电阻R1与第二电阻R2分别与第二十一晶体管MN21相连。第一晶体管组包括第十三晶体管MN13，第十四晶体管MN14和第十二晶体管MN12，第十二晶体管MN12与第十三晶体管MN13和第十四晶体管MN14相连，第二十晶体管MN20与第十二晶体管MN12相连，第一偏置电压VB1连接第二十晶体管MN20，第二晶体管组包括第二十一晶体管MN21和第二十晶体管MN20，第二十一晶体管MN21和第二十晶体管MN20相连，第二十三晶体管MP23与第十三晶体管MN13相连，第二十四晶体管MP24与第十四晶体管MN14相连，第二十二晶体管MP22与第二十一晶体管MN21相连，第七晶体管MP7与第十三晶体管MN13相连，第八晶体管MP8与第十四晶体管MN14相连，第七晶体管MP7并与第二十三晶体管MP23相连，第八晶体管MP8与第二十四晶体管MP24相连，第五晶体管MP5与第七晶体管MP7相连，第四偏置电压VB4连接第七晶体管MP7，第三偏置电压VB3连接第五晶体管MP5，第六晶体管MP6与第八晶体管MP8相连，第五晶体管MP5提供第一输出电压Vo1，第六晶体管MP6提供第二输出电压Vo2，第十二晶体管MN12的源级接地，第二十晶体管MN20的源级接地。

第五晶体管MP5，第七晶体管MP7，第六晶体管MP6与第八晶体管MP8为P沟道场效应管，第二十二晶体管MP22，第二十三晶体管MP23和第二十四晶体管MP24为P沟道场效应管，第十二晶体管MN12，第十三晶体管MN13和第十四晶体管MN14为N沟道场效应管，第二十一晶体管MN21和第二十晶体管MN20为N沟道场效应管。

第一电阻R1和第二电阻R2的阻值相同。

所述运算放大器还包括第二电流镜。

所述第二电流镜包括第三晶体管组和第四晶体管组。

所述输入端的负载包括第十五晶体管MN15和第十六晶体管MN16。

第一输入电压Vin1连接第一电阻R1，第二输入电压Vin2连接第二电阻R2，第一电阻R1与第二电阻R2分别与第十八晶体管MP18相连，第十一晶体管MP11与第九晶体管MP9和第十晶体管MP10相连，第三晶体管组包括第九晶体管MP9，第十晶体管MP10和第十一晶体管MP11，第十八晶体管MP18与第十九晶体管MP19相连，第四偏置电压VB4连接第十九晶体管MP19，第十八晶体管MP18和第十七晶体管MN17相连，第四晶体管组包括第十八晶体管MP18和第十九晶体管MP19，第十五晶体管MN15与第九晶体管MP9相连，第十六晶体管MN16与第十晶体管MP10相连，第十七晶体管MN17与第十八晶体管MP18相连，第一晶体管MN1与第九晶体管MP9相连，第二晶体管MN2与第十晶体管MP10相连，第一晶体管MN1并与第十五晶体管MN15相连，第二晶体管MN2并与第十六晶体管MN16相连，第三晶体管MN3与第一晶体管MN1相连，第一偏置电压VB1连接第一晶体管MN1，第二偏置电压VB2连接第三晶体管MN3，第四晶体管MN4与第二晶体管MN2相连，第三晶体管MN3提供第一输出电压Vo1，第四晶体管MN4提供第二输出电压Vo2。

第一晶体管MN1，第二晶体管MN3，第三晶体管MN3与第四晶体管MN4为N沟道场效应管，第十七晶体管MN17，第十五晶体管MN15和第十六晶体管MN16为N沟道场效应管，第十一晶体管MP11，第九晶体管MP9和第十晶体管MP10为P沟道场效应管，第十九晶体管MP19和第十八晶体管MP18为P沟道场效应管。

一种轨到轨输入运算放大器，包括探测电路，用于探测出输入信号的共模电压，所述运算放大器还包括至少第二电流镜，通过镜像输入端的电流，并再通过第二电流镜的镜像电路控制输入端的负载，使输入端的负载电流随输入信号变化而变化，所述第二电流镜包括第三晶体管组和第四晶体管组，所述输入端的负载包括第十五晶体管MN15和第十六晶体管MN16，第一输入电压Vin1连接第一电阻R1，第二输入电压Vin2连接第二电阻R2，第一电阻R1与第二电阻R2分别与第十八晶体管MP18相连，第十一晶体管MP11与第九晶体管MP9和第十晶体管MP10相连，第三晶体管组包括第九晶体管MP9，第十晶体管MP10和第十一晶体管MP11，第十八晶体管MP18与第十九晶体管MP19相连，第四偏置电压VB4连接第十九晶体管MP19，第十八晶体管MP18和第十七晶体管MN17相连，第四晶体管组包括第十八晶体管MP18和第十九晶体管MP19，第十五晶体管MN15与第九晶体管MP9相连，第十六晶体管MN16与第十晶体管MP10相连，第十七晶体管MN17与第十八晶体管MP18相连，第一晶体管MN1与第九晶体管MP9相连，第二晶体管MN2与第十晶体管MP10相连，第一晶体管MN1并与第十五晶体管MN15相连，第二晶体管MN2并与第十六晶体管MN16相连，第三晶体管MN3与第一晶体管MN1相连，第一偏置电压VB1连接第一晶体管MN1，第二偏置电压VB2连接第三晶体管MN3，第四晶体管MN4与第二晶体管MN2相连，第三晶体管MN3提供第一输出电压Vo1，第四晶体管MN4提供第二输出电压Vo2。

本发明提供的一种轨到轨输入运算放大器，避免运算放大器的工作点发生偏移，具有较好的稳定性，实现较高性能。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式来详细说明本发明；

图1是表示现有的轨到轨输入运算放大器的电路示意图。

图2是表示根据本发明一个实施例的轨到轨输入运算放大器的电路示意图。

具体实施方式

为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体图示，进一步阐述本发明。

运算放大器是具有很高放大倍数的电路单元。其输出信号可以是输入信号加、减或微分、积分等数学运算的结果。

运放的输入电位常常要求高于负电源某一数值，而低于正电源某一数值。本发明的运放可以允许输入电位在从负电源到正电源的整个区间变化，甚至稍微高于正电源或稍微低于负电源也被允许。这种运放称为轨到轨(rail-to-rail)输入运算放大器。

本发明提出一种轨到轨输入运算放大器，图2是表示根据本发明一个实施例的轨到轨输入运算放大器的电路示意图。

根据本发明一个实施例，轨到轨输入运算放大器，利用第一电阻R1和第二电阻R2来得到差分输入的共模电压Vin_VCM。根据本发明一个实施例，第一电阻R1和第二电阻R2的阻值相同，即R1＝R2。

当运算放大器处于正常工作状态时，差分输入电压Vin1和Vin2的电压值是基本相等的。差分输入电压Vin1和Vin2分别连接第一电阻R1与第二电阻R2。

参看图2，第一电阻R1与第二电阻R2分别与第二十一晶体管MN21相连，提供差分输入的共模电压Vin_VCM。第十二晶体管MN12与第十三晶体管MN13和第十四晶体管MN14相连。第十三晶体管MN13，第十四晶体管MN14和第十二晶体管MN12称为第一晶体管组。第二十晶体管MN20与第十二晶体管MN12相连，第一偏置电压VB1连接第二十晶体管MN20。第二十一晶体管MN21和第二十晶体管MN20相连。第二十一晶体管MN21和第二十晶体管MN20称为第二晶体管组。第一晶体管组和第二晶体管组组成电流镜。假设经过第十三晶体管MN13和第十四晶体管MN14的电流为I2，经过第十二晶体管MN12的电流为2倍的I2，即2I2。第一晶体管组和第二晶体管组组成电流镜，经过第二十一晶体管MN21与经过第十三晶体管MN13和第十四晶体管MN14的电流相同，为I2。经过第二十晶体管MN20的电流为I2。经过第二十二晶体管MP22的电流为I2。第二十三晶体管MP23与第十三晶体管MN13相连，第二十四晶体管MP24与第十四晶体管MN14相连。第二十三晶体管MP23与第二十四晶体管MP24经过第二十二晶体管MP22镜像流过的电流也为I2。第七晶体管MP7与第十三晶体管MN13相连，第八晶体管MP8与第十四晶体管MN14相连。第七晶体管MP7并与第二十三晶体管MP23相连，第八晶体管MP8并与第二十四晶体管MP24相连。第五晶体管MP5与第七晶体管MP7相连。经过第五晶体管MP5与第七晶体管MP7的电流为I。第四偏置电压VB4连接第七晶体管MP7。第三偏置电压VB3连接第五晶体管MP5。第六晶体管MP6与第八晶体管MP8相连。经过第六晶体管MP6与第八晶体管MP8的电流为I。第五晶体管MP5提供第一输出电压Vo1。第六晶体管MP6提供第二输出电压Vo2。第十二晶体管MN12的源级接地。第二十晶体管MN20的源级接地。

第五晶体管MP5，第七晶体管MP7，第六晶体管MP6与第八晶体管MP8为P沟道场效应管。第二十二晶体管MP22，第二十三晶体管MP23和第二十四晶体管MP24为P沟道场效应管。第十二晶体管MN12，第十三晶体管MN13和第十四晶体管MN14为N沟道场效应管。第二十一晶体管MN21和第二十晶体管MN20为N沟道场效应管。

当运算放大器处于正常工作状态时，差分输入电压Vin1和Vin2的电压值是基本相等的。第一晶体管组和第二晶体管组组成电流镜，经过第二十一晶体管MN21与经过第十三晶体管MN13和第十四晶体管MN14的电流相同，为I2。经过第二十晶体管MN20的电流为I2。经过第二十二晶体管MP22的电流为I2。第二十三晶体管MP23与第二十四晶体管MP24经过第二十二晶体管MP22镜像流过的电流也为I2。这样第十三晶体管MN13和第十四晶体管MN14的电流都不经过第七晶体管MP7和第八晶体管MP8，而是经过第二十三晶体管MP23和第二十四晶体管MP24。

当第一输入电压Vin1和第二输入电压Vin2输入比较低，接近地时，电流I2基本为0。经过所述的镜像过程，第二十三晶体管MP23和第二十四晶体管MP24的电流I2也基本为0。运算放大器的输出级的电流不受影响，工作点不受影响，性能也不受影响。

类似地，第一电阻R1与第二电阻R2分别与第十八晶体管MP18相连，提供差分输入的共模电压Vin_VCM。第十一晶体管MP11与第九晶体管MP9和第十晶体管MP10相连。第九晶体管MP9，第十晶体管MP10和第十一晶体管MP11称为第三晶体管组。第十八晶体管MP18与第十九晶体管MP19相连。第四偏置电压VB4连接第十九晶体管MP19。第十八晶体管MP18和第十七晶体管MN17相连。第十八晶体管MP18和第十九晶体管MP19称为第四晶体管组。第三晶体管组和第四晶体管组组成电流镜。假设经过第九晶体管MP9和第十晶体管MP10的电流为I1，经过第十一晶体管MP11的电流为2倍的I1，即2I1。第三晶体管组和第四晶体管组组成电流镜，经过第十八晶体管MP18与经过第九晶体管MP9和第十晶体管MP10的电流相同，为I1。经过第十九晶体管MP19的电流为I1。经过第十七晶体管MN17的电流为I1。第十五晶体管MN15与第九晶体管MP9相连，第十六晶体管MN16与第十晶体管MP10相连。第十五晶体管MN15与第十六晶体管MN16经过第十七晶体管MN17镜像流过的电流也为I1。第一晶体管MN1与第九晶体管MP9相连，第二晶体管MN2与第十晶体管MP10相连。第一晶体管MN1并与第十五晶体管MN15相连，第二晶体管MN2并与第十六晶体管MN16相连。第三晶体管MN3与第一晶体管MN1相连。经过第三晶体管MN1与第三晶体管MN3的电流为I。第一偏置电压VB1连接第一晶体管MN1。第二偏置电压VB2连接第三晶体管MN3。第四晶体管MN4与第二晶体管MN2相连。经过第四晶体管MN4与第二晶体管MN2的电流为I。第三晶体管MN3提供第一输出电压Vo1。第四晶体管MN4提供第二输出电压Vo2。第一晶体管MN1和第二晶体管MN2的源级接地。第十五晶体管MN15和第十六晶体管MN16的源级接地。第十七晶体管MN17的源级接地。

第一晶体管MN1，第二晶体管MN3，第三晶体管MN3与第四晶体管MN4为N沟道场效应管。第十七晶体管MN17，第十五晶体管MN15和第十六晶体管MN16为N沟道场效应管。第十一晶体管MP11，第九晶体管MP9和第十晶体管MP10为P沟道场效应管。第十九晶体管MP19和第十八晶体管MP18为P沟道场效应管。

同理，当运算放大器处于正常工作状态时，差分输入电压Vin1和Vin2的电压值是基本相等的。第三晶体管组和第四晶体管组组成电流镜，经过第十八晶体管MP18与经过第九晶体管MP9和第十晶体管MP10的电流相同，为I1。经过第十九晶体管MP19的电流为I1。经过第十七晶体管MN17的电流为I1。第十五晶体管MN15与第十六晶体管MN16经过第十七晶体管MN17镜像流过的电流也为I1。这样第九晶体管MP9和第十晶体管MP10的电流都不经过第一晶体管MN1和第二晶体管MN2，而是经过第十五晶体管MN15和第十六晶体管MN16。

当第一输入电压Vin1和第二输入电压Vin2输入比较高，接近电源时，电流I1基本为0。经过所述的镜像过程，第十五晶体管MN15与第十六晶体管MN16的电流I1也基本为0。运算放大器的输出级的电流不受影响，工作点不受影响，性能也不受影响。

根据本发明的一个实施例，第一晶体管组和第二晶体管组组成第一电流镜，第十三晶体管MN13和第十四晶体管MN14的电流都不经过第七晶体管MP7和第八晶体管MP8，而是经过第二十三晶体管MP23和第二十四晶体管MP24。当第一输入电压Vin1和第二输入电压Vin2输入比较低，接近地时，电流I2基本为0。经过所述的镜像过程，第二十三晶体管MP23和第二十四晶体管MP24的电流I2也基本为0。运算放大器的输出级的电流不受影响，工作点不受影响，性能也不受影响。第三晶体管组和第四晶体管组组成第二电流镜，第九晶体管MP9和第十晶体管MP10的电流都不经过第一晶体管MN1和第二晶体管MN2，而是经过第十五晶体管MN15和第十六晶体管MN16。当第一输入电压Vin1和第二输入电压Vin2输入比较高，接近电源时，电流I1基本为0。经过所述的镜像过程，第十五晶体管MN15与第十六晶体管MN16的电流I1也基本为0。运算放大器的输出级的电流不受影响，工作点不受影响，性能也不受影响。本发明提出的电流镜，利用镜像过程，第一输入电压Vin1和第二输入电压Vin2输入比较低，接近地时，以及第一输入电压Vin1和第二输入电压Vin2输入比较高，接近电源时，运算放大器的输出级的电流不受影响，工作点不受影响，性能也不受影响。因而从一个方面提高了轨到轨输入运算放大器的性能。

本发明通过探测模块，即所述的第一电阻R1和第二电阻R2，探测出输入信号第一输入电压Vin1和第二输入电压Vin2的共模电压Vin_VCM。然后通过镜像输入端的电流并再通过另外的镜像电路控制输入端的负载，即第二十三晶体管MP23和第二十四晶体管MP24及第十五晶体管MN15和第十六晶体管MN16，使输入端的负载电流随输入信号变化而变化，这样就不会影响运算放大器的输出端的电流及工作点，提高了运算放大器的稳定性。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实例的限制，上述实例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。