运算放大电路的制作方法

本实用新型涉及电子电路技术领域，具体地，涉及一种运算放大电路。

背景技术：

在很多应用中，运算放大器(Operation Amplifier,OPA)需要驱动较大的负载电容，负载电容的容值一般为几微法拉至十几微法拉。

图1示出现有技术中的一种运算放大电路100，其中运算放大器U0根据输入信号Vin0和反馈回来的输出信号Vout0产生输出控制信号，输出控制信号控制晶体管P0或晶体管N0，使得输出电容Cout0不断地被上拉晶体管或下拉晶体管提供的输出电流Iout0充放电，进而在其上极板提供输出电压Vout0。

通常，在运算放大电路中，输入信号Vin0通常为高低电平信号，高电源电压VDD一般较大(十几伏至二十伏)。如果运算放大电路没有过流保护机制，当输入信号的频率较高时，运算放大电路的功耗会很高，导致运算放大电路的工作温度过高，甚至会出现运算放大电路所在的芯片被烧坏的现象。

针对这一现象，目前业内提出了多种设计方法来避免运算放大电路的工作温度过高。

第一种现有技术通过检测晶体管P0和N0的栅源电压来控制工作温度。具体地，当晶体管P0的栅源电压的绝对值或晶体管N0的栅源电压上升至一定数值时，将晶体管P0和N0的栅源电压限制在设定数值，以使晶体管P0和N0产生的导通电流被限制。这种方法的缺点在于，不管高电源电压VDD设置为多大，当晶体管P0和N0的栅源电压达到一定数值时，晶体管P0和N0的导通程度都会被限制。然而在高电源电压VDD较小的情况下，即使工作温度和电路功耗不高，晶体管P0和N0的导通电流也会在栅源电压达到一定数值时被限制，使得运算放大电路的输出效率、响应速度和驱动能力降低。

第二种现有技术是在上述第一种现有技术的基础上进一步根据高电源电压VDD的数值控制输出电流，即：当高电源电压VDD较低时，不限制晶体管P0和N0的栅源电压；当高电源电压VDD较高时，限制晶体管P0和N0的栅源电压以达到限制输出电流的目的，使得运算放大电路的工作温度不再上升。然而，这种现有技术的缺点是不能根据输入信号的频率控制输出电流的大小，当输入信号的频率较低时，即使高电源电压VDD较高、晶体管P0和N0的栅源电压也较高，运算放大电路的功耗和工作温度也不会过高，因此这时限制晶体管P0和N0的栅源电压是没有必要的；同时，如果输入信号的频率较高，那么即使限制了晶体管P0和N0的栅源电压，运算放大电路的功耗和工作温度也会升高。

因此，为解决运算放大电路的工作温度问题，现有技术存在一定的局限性。

技术实现要素：

为了解决上述现有技术存在的问题，本实用新型通过对运算放大电路的工作温度的检测获得温控电流，从而在工作温度处于合理范围内时保证运算放大电路的输出效率、响应速度和驱动能力、在工作温度过高时根据温控电流限制输出电流以降低电路功耗和工作温度。

本实用新型提供了一种运算放大电路，其特征在于，包括：控制单元，根据输入信号和输出信号产生输出控制信号；输出单元，与所述控制单元相连接以接收所述输出控制信号，所述输出单元用于在所述输出控制信号的作用下产生输出电流，所述输出单元包括输出电容，所述输出电容被所述输出电流充电或放电以产生所述输出信号；过流保护单元，与所述输出单元和所述控制单元相连接，所述过流保护单元根据所述运算放大电路的工作温度获得温控电流，当所述工作温度大于等于设定温度时，所述温控电流与所述工作温度正相关，所述过流保护单元根据所述温控电流调节所述输出控制信号以限制所述输出电流。

优选地，所述控制单元包括运算放大器，所述运算放大器的第一输入端和第二输入端分别接收所述输入信号和所述输出信号，所述运算放大器的输出端提供所述输出控制信号。

优选地，当所述工作温度小于等于所述设定温度时，所述温控电流近似于0，当所述工作温度大于等于所述设定温度时，所述温控电流与所述工作温度呈线性关系。

优选地，所述输出控制信号包括第一控制信号和第二控制信号，所述输出单元还包括依次串联在高电源电压和低电源电压之间具有P沟道的第一晶体管和具有N沟道的第二晶体管，所述第一晶体管和所述第二晶体管分别受控于所述第一控制信号和所述第二控制信号，所述第一晶体管或所述第二晶体管导通以产生所述输出电流。

优选地，所述过流保护单元包括：第三晶体管，第一端接收所述高电源电压，第二端与所述第一晶体管的控制端相连，控制端接收第一采样电压；第四晶体管，第一端接收所述低电源电压，第二端与所述第二晶体管的控制端相连，控制端接收第二采样电压；以及电压产生模块，根据所述温控电流产生所述第一采样电压和所述第二采样电压，当所述温控电流大于等于设定阈值且所述第一控制信号有效时，所述第一采样电压导通所述第三晶体管，当所述温控电流大于等于所述设定阈值且所述第二控制信号有效时，所述第二采样电压导通所述第四晶体管。

优选地，所述温控电流包括第一温控电流和第二温控电流，所述电压产生模块包括：第一电流源，根据所述工作温度提供所述第一温控电流，并通过电流镜结构将第一基准电流和所述第一温控电流之间的差电流转换成第一采样电流；第二电流源，根据所述工作温度提供所述第二温控电流，并通过电流镜结构将第二基准电流和所述第二温控电流之间的差电流转换成第二采样电流；第一电阻，根据所述第一采样电流在所述第三晶体管的控制端提供所述第一采样电压；以及第二电阻，根据所述第二采样电流在所述第四晶体管的控制端提供所述第二采样电压。

优选地，所述第三晶体管包括N沟道场效应管，所述第一电阻的第一端接收所述高电源电压，所述第一电阻的第二端与所述第三晶体管的控制端相连，所述第一采样电流由所述第一电阻的第一端流向第二端；所述第四晶体管包括P沟道场效应管，所述第二电阻的第一端接收低电源电压，所述第二电阻的第二端与所述第四晶体管的控制端相连，所述第二采样电流由所述第二电阻的第二端流向第一端。

优选地，所述第一温控电流等于所述第二温控电流，所述第一基准电流等于所述第二基准电流，所述第一电流源中的电流镜结构与所述第二电流源中的电流镜结构具有相等的比例系数。

优选地，所述高电源电压小于等于所述第一温控电流、所述比例系数与所述第一电阻的阻值的乘积。

本实用新型提供的运算放大电路直接根据运算放大电路的工作温度获得温控电流，当且仅当工作温度超过一定阈值时，运算放大电路中的过流保护单元会利用温控电流限制输出电流，从而能够降低运算放大器的功耗、防止工作温度过高而影响运算放大器的正常工作、避免工作温度过高造成运算放大器损坏。同时，当工作温度处于合理范围内时，运算放大电路中的过流保护单元不会对输出电流进行限制，从而在工作温度正常的情况下保证了运算放大电路的输出效率、响应速度和驱动能力。

附图说明

通过以下参照附图对本实用新型实施例的描述，本实用新型的上述以及其他目的、特征和优点将更为清楚。

图1示出现有技术中的一种运算放大电路。

图2示出本实用新型实施例的运算放大电路的电路示意图。

图3示出本实用新型实施例中工作温度与温控电流之间的关系示意图。

图4a和图4b示出图2中过流保护单元的电路示意图。

图5示出本实用新型实施例的运算放大电路的过流保护方法的流程示意图。

具体实施方式

以下将参照附图更详细地描述本实用新型。在各个附图中，相同的元件采用类似的附图标记来表示。为了清楚起见，附图中的各个部分没有按比例绘制。此外，在图中没有画出除了对应驱动电极与感测电极之外的引出线，并且可能未示出某些公知的部分。

在下文中描述了本实用新型的许多特定的细节，例如器件的结构、材料、尺寸、处理工艺和技术，以便更清楚地理解本实用新型。但正如本领域的技术人员能够理解的那样，可以不按照这些特定的细节来实现本实用新型。

图2示出本实用新型实施例的运算放大电路的电路示意图。

如图2所示，本实用新型实施例的运算放大电路1000包括控制单元、输出单元1100以及过流保护单元1200。在本实施例中，控制单元由运算放大器U1实现，然而本实用新型的实施例不限于此，本领域技术人员可以根据具体情况用其他电路实现控制单元以产生输出控制信号。

运算放大器U1具有第一输入端、第二输入端、第一输出端和第二输出端，其中：第一输入端接收输入信号Vin；第二输入端接收由输出单元1100反馈回来的输出信号Vout；第一输出端提供第一控制信号gop；第二输出端提供第二控制信号gon。具体地，运算放大器U1用于根据输入信号Vin和输出信号Vout产生输出控制信号，输入信号Vin通常为高低电平信号，输出控制信号通常包括第一控制信号gop和第二控制信号gon。当输入信号Vin为高电平信号时，第一控制信号gop对输出单元1100进行上拉驱动；当输入信号Vin为低电平信号时，第二控制信号gon对输出单元1100进行下拉驱动。

输出单元1100用于在输出控制信号的作用下产生输出电流Iout，并根据输出电流Iout产生输出信号Vout。具体地，如图2所示，输出单元1100包括输出电容Cout、第一晶体管P1以及第二晶体管N1。第一晶体管P1和第二晶体管N1依次串联在高电源电压VDD和低电源电压VSS之间，第一晶体管P1和第二晶体管N1的公共节点向输出电容Cout的第一端提供输出电流Iout，使得输出电容Cout不断地被输出电流Iout充电、放电而在其第一端产生输出电压Vout。输出电容Cout的第二端接收低电源电压VSS，低电源电压VSS例如为参考地电压。下面主要以第一晶体管P1为P沟道场效应管、第二晶体管N1为N沟道场效应管为例对本实施例进行具体说明，然而本实用新型的实施例不限于此，本领域技术人员可以根据实际需要将第一晶体管P1和第二晶体管N1设置为其他类型的晶体管，并按照同样的电路原理对运算放大电路中的其他部分做出相应的变化。

在具体工作过程中，第一晶体管P1和第二晶体管N1分别受控于第一控制信号gop和第二控制信号gon，当第一控制信号gop将第一晶体管P1导通时(在本实施例中：第一晶体管P1的栅源电压Vgs1小于0且第一晶体管P1的栅源电压Vgs1的绝对值大于第一晶体管P1的阈值电压的绝对值时，第一晶体管P1导通，第一晶体管P1的栅源电压Vgs1等于第一控制信号gop与高电源电压VDD之差)，第一晶体管P1的导通电流作为输出电流Iout对输出电容Cout的第一端进行充电；当第二控制信号gon将第二晶体管N1导通时(在本实施例中：第二晶体管N1的栅源电压Vgs2大于第二晶体管N1的阈值电压时，第二晶体管N1导通，第二晶体管N1的栅源电压Vgs2等于第二控制信号gon与低电源电压VSS之差)，第二晶体管N1的导通电流作为输出电流Iout对输出电容Cout的第一端进行放电，从而调整输出电压Vout。

在运算放大电路的实际工作过程中，由于作为负载的输出电容Cout通常较大、高电源电压VDD的电压值也较高(例如为十几伏至二十伏)，当输入信号Vin的频率较高时将会导致运算放大电路的功耗较高，使得工作温度T很高，当工作温度T超过一定值时，运算放大电路的正常工作将会受到影响，运算放大器甚至可能被损坏。因此，本实用新型实施例提供的运算放大电路1000还包括过流保护单元1200。

如图2所示，过流保护单元1200用于根据运算放大电路的工作温度T(例如为运算放大电路所在芯片的温度)获得温控电流I_temp，并根据温控电流I_temp调节输出控制信号以在一定条件下限制输出电流Iout，从而避免工作温度T过高而影响运算放大电路1000的正常工作，并防止运算放大电路1000在较高的工作温度T下被损坏。

图3示出本实用新型实施例中工作温度与温控电流之间的关系示意图。其中，横轴表征工作温度T，纵轴表征温控电流I_temp。

如图3所示，当工作温度T小于等于设定温度T0时，说明运算放大电路的工作温度在合理范围内，此时过流保护单元1200提供的温控电流I_temp近似于0，输出单元1100提供的输出电流Iout基本不会受到过流保护单元1200的影响；当工作温度T大于等于设定温度T0时，说明运算放大电路1000的工作温度过高，此时过流保护单元1200提供与工作温度T线性相关的温控电流I_temp，关系斜率为k(如图3所示，k大于0)，从而输出单元1100提供的输出电流Iout将会受到限制，使得工作温度T降低。

优选地，设定温度T0不高于85℃。

需要说明的是，关系斜率k不宜过大，否则会导致运算放大电路对工作温度过于敏感，从而引起输出电流随工作温度振荡、输出电流不稳定等不良现象。本领域技术人员可以根据芯片封装、散热环境等具体情况对关系斜率k进行设置。

图4a和图4b示出图2中过流保护单元的电路示意图。

如图4a和4b所示，本实用新型实施例中的过流保护单元包括第三晶体管N2、第四晶体管P2以及电压产生模块(包括第一电压产生模块1210和第二电压产生模块1220)。下面以第三晶体管N2为N沟道场效应管、第四晶体管P2为P沟道场效应管为例进行具体说明。

如图4a所示，第三晶体管N2和第一电压产生模块1210通过控制第一控制信号gop调节第一晶体管P1的栅源电压Vgs1，从而限制第一晶体管P1的导通电流。具体地，第三晶体管N2的第一端(漏极)接收高电源电压VDD，第二端(源极)与第一晶体管P1的控制端相连，控制端(栅极)接收第一采样电压Vs1；第一电压产生模块1210用于根据工作温度T产生第一温控电流I_temp1，并根据第一温控电流I_temp1产生第一采样电压Vs1。当第一温控电流I_temp1大于等于设定阈值I0且第一控制信号gop有效时，第一采样电压Vs1导通第三晶体管N2以拉高第一控制信号gop，从而抬高第一晶体管P1的栅源电压Vgs1。当第一晶体管P1被第一控制信号gop导通时，由于第一晶体管P1的栅源电压Vgs1被抬高，因此第一晶体管P1的导通程度下降、由第一晶体管P1提供的输出电流Iout被限制；而当第一晶体管P1未被第一控制信号gop导通时，第一晶体管P1能够保持关断状态。

具体地，如图4a所示，第一电压产生模块1210包括第一电阻Ru和第一电流源。第一电阻Ru的第一端接收高电源电压VDD，第二端与第三晶体管N2的控制端相连以提供第一采样电压Vs1。第一电流源包括第一基准电流源A11、第一温控电流源A12以及由晶体管N11和N12形成的第一电流镜结构。其中，第一基准电流源A11提供第一基准电流I_ref1，第一温控电流源A12根据工作温度T提供第一温控电流I_temp1；在第一电流镜结构中，晶体管N11与晶体管N12的尺寸比为1:W1(即第一电流镜结构的比例系数是W1，W1大于0)，晶体管N11接收第一基准电流I_ref1和第一温控电流I_temp1之间的差电流，从而使晶体管N12能够提供流经第一电阻Ru的第一采样电流Is1，第一采样电流Is1由第一电阻Ru的第一端流向第二端，第一电阻Ru两端的电压降Vru＝(I_ref1–I_temp1)·W1·Ru，第一晶体管P1的栅源电压Vgs1＝Vru+VgsN2，其中VgsN2是第三晶体管N2的栅源电压。

当工作温度T超过设定温度T0后，随着工作温度T的升高，第一温控电流I_temp1增大，第一采样电压Vs1增大，从而在第一控制信号gop有效的情况下，第三晶体管N2的上拉能力增强，第一晶体管P1的导通程度降低，由第一晶体管P1提供的输出电流Iout减小。

同样地，如图4b所示，第四晶体管P2和第二电压产生模块1220通过控制第二控制信号gon调节第二晶体管N1的栅源电压Vgs2，从而限制第二晶体管N1的导通电流。具体地，第四晶体管P2的第一端(源极)接收低电源电压VSS，第二端(漏极)与第二晶体管N1的控制端相连，第四晶体管P2的控制端(栅极)接收第二采样电压Vs2；第二电压产生模块1220用于根据工作温度T产生第二温控电流I_temp2，并根据第二温控电流I_temp2产生第二采样电压Vs2。当第二温控电流I_temp2大于等于设定阈值I0且第二控制信号gon有效时，第二采样电压Vs2导通第四晶体管P2以拉低第二控制信号gon，从而拉低第二晶体管N1的栅源电压Vgs2。当第二晶体管N1被第二控制信号gon导通时，由于第二晶体管N1的栅源电压Vgs2被拉低，因此第二晶体管N1的导通程度下降、由第二晶体管N1提供的输出电流Iout被限制；而当第二晶体管N1未被第二控制信号gon导通时，第二晶体管N1能够保持关断状态。

具体地，如图4b所示，第二电压产生模块1220包括第二电阻Rd和第二电流源。第二电阻Rd的第一端接收低电源电压VSS，第二端与第四晶体管P2的控制端相连以提供第二采样电压Vs2。第二电流源包括第二基准电流源A21、第二温控电流源A22以及由晶体管P21和P22形成的第二电流镜结构。其中，第二基准电流源A21提供第二基准电流I_ref2，第二温控电流源A22根据工作温度T提供第二温控电流I_temp2；在第二电流镜结构中，晶体管P21与晶体管P22的尺寸比为1:W2(即第二电流镜结构的比例系数是W2，W2大于0)，晶体管P21接收第二基准电流I_ref2和第二温控电流I_temp2之间的差电流，从而使晶体管P22能够提供流经第二电阻Rd的第二采样电流Is2，第二采样电流Is2由第二电阻Rd的第二端流向第一端，第二电阻Rd两端的电压降Vrd＝(I_ref2-I_temp2)·W2·Rd，第二晶体管N1的栅源电压Vgs2＝Vrd+VsgP2，其中VsgP2是指第四晶体管P2的源栅电压。

当工作温度T超过设定温度T0后，随着工作温度T的升高，第二温控电流I_temp2增大，第二采样电压Vs2减小，从而在第二控制信号gon有效的情况下，第四晶体管P2的下拉能力增强，第二晶体管N1的导通程度降低，由第二晶体管N1提供的输出电流Iout减小。

需要说明的是，温控电流I_temp包括第一温控电流I_temp1和第二温控电流I_temp2，即第一温控电流I_temp1和第二温控电流I_temp2满足图3所示的关系示意图。

优选地，第一温控电流I_temp1等于第二温控电流I_temp2，第一基准电流I_ref1等于第二基准电流I_ref2，第一电流镜结构的比例系数W1与第二电流镜结构的比例系数W2相等。

优选地，第一电流镜结构中的晶体管N11、N12为N沟道场效应管，第二电流镜结构中的晶体管P21、P22为P沟道场效应管，然而本实用新型实施例不限于此。

进一步地，当第一温控电流I_temp1上升至第一基准电流I_ref1、第二温控电流I_temp2上升至第二基准电流I_ref2时，工作温度T不超过160℃。当第一温控电流I_temp1(或第二温控电流I_temp2)达到设定阈值I0时，工作温度T约为150℃。

为了防止过流保护单元1200在工作温度T不高时仍对输出电流Iout有所限制，优选地，可以将高电源电压VDD设置为小于等于第一基准电流I_ref1、比例系数W1以及第一电阻Ru的阻值的乘积。从而当工作温度T不高时，第一晶体管P1能够完全导通、输出电流Iout不会被限制。

本实用新型实施例提供的运算放大电路直接根据运算放大电路的工作温度获得温控电流，当且仅当工作温度超过一定阈值时，运算放大电路中的过流保护单元会利用温控电流限制输出电流，从而能够降低运算放大器的功耗、防止工作温度过高而影响运算放大器的正常工作、避免工作温度过高造成运算放大器损坏。同时，当工作温度处于合理范围内时，运算放大电路中的过流保护单元不会对输出电流进行限制，从而在工作温度正常的情况下保证了运算放大电路的输出效率和驱动能力。

图5示出本实用新型实施例的运算放大电路的过流保护方法的流程示意图，包括步骤S210至S230。

运算放大电路包括控制单元和输出单元。控制单元例如由运算放大器实现，其中，运算放大器根据输入信号和输出信号产生输出控制信号，输出单元根据所述输出控制信号产生输出电流并在输出电流Iout的作用下累积或释放电荷以产生输出信号。

具体地，输出控制信号通常包括第一控制信号gop和第二控制信号gon，输出单元包括依次串联在高电源电压和低电源电压之间具有P沟道的第一晶体管和具有N沟道的第二晶体管。第一晶体管和第二晶体管分别受控于第一控制信号和第二控制信号，第一晶体管或第二晶体管导通以产生输出电流Iout。

在步骤S210中，检测运算放大电路的工作温度T。

在步骤S220中，根据工作温度T获得温控电流I_temp，当工作温度T大于等于设定温度T0时，温控电流I_temp与工作温度T正相关。优选地，当工作温度T小于等于设定温度T0时，设定温控电流I_temp近似于0；当工作温度T大于等于设定温度T0时，设定温控电流I_temp与工作温度T呈线性关系。

在步骤S230中，根据温控电流I_temp调节输出控制信号以限制输出电流Iout。具体步骤为：根据温控电流I_temp产生第一采样电压和第二采样电压；在第一晶体管的控制端提供上拉路径(例如由连接在高电源电压和第一晶体管的控制端之间的第三晶体管实现)，当温控电流I_temp大于等于设定阈值I0且第一控制信号有效时，第一采样电压导通上拉路径；以及在第二晶体管的控制端提供下拉路径(例如由连接在低电源电压和第二晶体管的控制端之间的第四晶体管实现)，当温控电流I_temp大于等于设定阈值I0且第二控制信号有效时，第二采样电压导通下拉路径。

作为一种具体的实施例，温控电流I_temp包括第一温控电流I_temp1和第二温控电流I_temp2，根据温控电流产生第一采样电压和第二采样电压的步骤包括：提供第一基准电流I_ref1和第二基准电流I_ref2；按照第一比例系数W1(例如由第一电流镜结构实现)将第一基准电流I_ref1和第一温控电流I_temp1之间的差电流转换成第一采样电流，按照第二比例系数W2(例如由第二电流镜结构实现)将第二基准电流I_ref2和第二温控电流I_temp2之间的差电流转换成第二采样电流；再分别根据第一采样电流和第二采样电流提供第一采样电压和第二采样电压。优选地，第一温控电流I_temp1等于第二温控电流I_temp2，第一基准电流I_ref1等于第二基准电流I_ref2，第一比例系数W1等于第二比例系数W2。

在优选的实施例中，设定温度T0不高于85℃，当第一温控电流I_temp1等于第一基准电流I_ref1、第二温控电流I_temp2等于第二基准电流I_ref2时，工作温度T不超过160℃。

综上所述，本实用新型各实施例提供的运算放大电路直接根据运算放大电路的工作温度获得温控电流，当且仅当工作温度超过一定阈值时，运算放大电路中的过流保护单元会利用温控电流限制输出电流，从而能够降低运算放大器的功耗、防止工作温度过高而影响运算放大器的正常工作、避免工作温度过高造成运算放大器损坏。同时，当工作温度处于合理范围内时，运算放大电路中的过流保护单元不会对输出电流进行限制，从而在工作温度正常的情况下保证了运算放大电路的输出效率和驱动能力。

应当说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

依照本实用新型的实施例如上文所述，这些实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该实用新型仅为所述的具体实施例。显然，根据以上描述，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本实用新型的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地利用本实用新型以及在本实用新型基础上的修改使用。本实用新型仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。