一种低功耗轨到轨运算放大器的制作方法

涉及一种运算放大器，特别涉及一种低功耗轨到轨运算放大器。

背景技术：

随着现代集成电路制作工艺特征尺寸的不断减小，带有运算放大器的电子系统所要求的电源电压也随之迅速降低，但由于mos管的阈值电压几乎不变，传统结构的运算放大器的输入输出范围也随之减小。目前，低压低功耗的集成电路设计已成为国内外研究机构的重点研究对象。

与传统的运算放大器相比，轨到轨运算放大器可以实现正负电源电压跨度的共模输入输出范围，且输入级的跨导在共模输入范围内基本保持不变。轨到轨运算放大器传统输入级电路一般采用1:3电流镜像电路，衬底驱动电路，浮栅电路等实现P/N差分输入对管的工作电流转换，通常情况下，互补差分对管的工作电流较大，对电流的控制度较低，使得运算放大器电路功耗增加，输入级跨到波动较大。

技术实现要素：

本实用新型的目的是提供一种低功耗轨到轨运算放大器，有效减小了轨到轨运放工作电流和跨导的波动，实现低功耗。

一种低功耗轨到轨运算放大器，包括：电流镜模块，电流开关模块，输入级模块，class_AB控制模块，频率补偿模块和输出级模块；其中，

所述电流镜模块为所述电流开关模块、所述输入级模块、所述class_AB控制模块提供偏置电流；

所述输出级模块接入共模输入信号并输出至所述class_AB控制模块；

所述电流开关模块控制输入级电路的工作电流保持稳定；

所述class_AB控制模块控制模块为所述输出级模块提供偏置电压实现推挽输出；

所述输出级模块对共模输入信号进行处理输出放大信号。

在其中一个实施例中，所述电流镜模块包括偏置电流源、mos管M1、M2、M3、M4、M8、M18、M33、M37、M38和M43；其中，

mos管M1的源极，mos管M37的源极，mos管M43的源极和偏置电流源的输出端均接地；mos管M2的源极，mos管M3的源极、mos管M8的源极、mos管M18的源极、mos管M33的源极和mos管M38的源极均与电源电压VDD相连；

mos管M1的栅极分别与mos管M37的栅极、mos管M43的栅极相连；mos管M1的漏极与mos管M3的漏极相连；mos管M2的栅极分别与mos管M3的栅极、mos管M4的栅极、mos管M8的栅极、mos管M18的栅极、mos管M33的栅极和mos管M38的栅极相连；mos管M2的漏极与偏执电流源的输入端相连；mos管M4的漏极和mos管M8的漏极均与所述电流开关模块相连；mos管M18的漏极与所述输入级模块相连；mos管M33的漏极和mos管M38的漏极均与所述class_AB控制模块相连。

在其中一个实施例中，所述电流开关模块包括mos管M5、M6、M7、M9、M10、M11、M12和M13；其中，

mos管M5的栅极连接所述轨到轨运算放大器的正向输入端；mos管M5的源极分别与mos管M6的源极、所述电流镜模块连接；mos管M 5的漏极分别与mos管M6的源极、mos管M7的漏极相连；mos管M6的栅极连接所述轨到轨运算放大器的反相输入端；mos管M7的源极、mos管M9的源极、mos管M10、mos管M11和mos管M13的源极接地；mos管M7的栅极分别与mos管M9的栅极、mos M7的漏极相连；mos管M9的漏极分别与mos管M10的漏极、mos管M10的栅极、mos管M11的栅极、mos管M 13的栅极和所述电流镜模块相连；mos管M11的漏极与mos管M13的漏极相连；mos管M12的栅极与电源电压VDD相连；mos管M12的栅极分别与mos管M12的漏极、所述输入级模块相连；mos管M13的漏极与所述输入级模块相连。

在其中一个实施例中，所述输入级模块包括PMOS互补差分对管、NMOS互补差分对管和共源共栅结构电路，所述PMOS互补差分对管和所述NMOS互补差分对管均分别连接所述电流镜模块、所述共源共栅结构电路；所述共源共栅结构电路连接所述class_AB控制模块；其中，

所述PMOS互补差分对管包括mos管M14、M15、M16和M17；所述NMOS互补差分对管包括mos管M19和M20；所述共源共栅结构电路包括mos管M23、M24、M25、M26、M27、M28、M29、M30、M31和M32；

mos管M14的栅极分别与mos管M15的栅极、所述电流开关模块相连；mos管M14的源极、mos管M15的源极均与电源电压VDD相连；mos管M14的漏极与mos管M16的漏极相连；mos管M15的漏极与mos管M17的漏极相连；mos管M16的栅极连接所述轨到轨运算放大器的反向输入端；mos管M16的源极分别与mos管M17的源极、所述电流开关模块相连；mos管M19的栅极连接所述轨到轨元算放大器的反相输入端；mos管M19的源极分别与mos管M20的源极、所述电流镜模块相连；mos管M19的漏极与mos管M29的源极相连；mos管M20的栅极连接所述轨到轨运算放大器的正向输入端；mos管M20的漏极与mos管M30的源极相连；mos管M23的源极、mos管M24的源极均与电源电压VDD相连；mos管M23的栅极与mos管M24的栅极相连，且公共端接入偏置电压Vb1；mos管M23的漏极分别与mos管M14的漏极、mos管M25的源极相连；mos管M24的漏极与mos管M26的源极相连；mos管M25的栅极与mos管M26的栅极相连，且公共端接入偏置电压Vb2；mos管M25的漏极与mos管M27的源极相连；mos管M26的漏极分别与mos管M28的漏极、所述class_AB控制模块相连；mos管M27的栅极分别与mos管M28的栅极、所述class_AB控制模块相连；mos管M27的漏极分别与mos管M29的漏极、mos管M31的栅极相连；mos管M28的漏极分别与mos管M30的漏极、所述class_AB控制模块相连；mos管M29的栅极分别与mos管M30的栅极、偏置电压Vb3相连；mos管M29的源极与mos管M31的漏极相连；mos管M30的源极与mos管M32的漏极相连；mos管M31的栅极与mos管M32的栅极相连；mos管M31的源极、mos管M32的源极均接地。

在其中一个实施例中，所述class_AB控制模块包括mos管M34、M35、M36、M39和M40；其中，

mos管M34的源极与电源电压VDD相连；mos管M34的栅极分别与mos管M35的源极，所述电流镜模块相连；mos管M34的漏极分别与mos管M35的栅极、所述输入级模块、所述电流镜模块相连；mos管M35的漏极与电阻R1的一端连接；电阻R1的另一端与所述电流镜模块相连；mos管M39的漏极分别与所述输入级模块、所述输出级模块、所述频率补偿模块相连；mos管M39的栅极分别与mos管M42的栅极、mos管M40的漏极、所述电流镜模块相连；mos管M39的源极分别与所述输出级模块，所述输入级模块相连；mos管M40的栅极分别与mos管M42的源极、所述电流镜模块相连；mos管M42的漏极与电阻R2的一端相连；电阻R2的另一端连接至电源电压VDD。

在其中一个实施例中，所述输出级模块包括mos管M44和M45；其中，

mos管M44的源极连接至电源电压VDD；mos管M44的漏极分别与频率补偿模块、mos管M45的漏极相连，且公共端为所述输出级模块的输出端；mos管M45的栅极分别与所述class_AB控制模块、频率补偿模块相连；mos管M45的源极接地。

在其中一个实施例中，轨到轨运算放大器还包括米勒补偿模块，所述输入级模块通过所述米勒补偿模块连接所述输出级模块；其中，

电阻R1和电容C1串联，且电阻R1的一端连接输入级模块，电容C1的一端连接输出级模块的输出端；同理，电阻R2和电容C2相同时连接关系，电阻R2的一端连接输入级模块，电容C2的一端连接输出级模块的输出端；调节电阻R和电容C的大小，用零点消除极点，提高轨到轨运算放大器的单位增益带宽和频率稳定性。

上述一种低功耗轨到轨运算放大器，包括电流镜模块，电流开关模块，输入级模块，class_AB控制模块，频率补偿模块和输出级模块；电流镜模块分别连接电流开关模块、输入级模块和class_AB控制模块，输入级模块与电流开关模块和class_AB控制模块连接，频率补偿模块连接class_AB控制模块和输出级模块；电流镜模块提供偏置电流，输出级模块接入共模输入信号并输出至class_AB控制模块，电流开关模块控制输入级电路的工作电流保持稳定，class_AB控制模块为输出级模块提供偏置电压实现推挽输出，输出级模块对共模输入信号进行处理输出放大信号；本实用新型实施例中一种低功耗轨到轨运算放大器，有效减小了轨到轨运放工作电流和跨导的波动，实现低功耗。

附图说明

图1为本实用新型实施例提供的一种低功耗轨到轨运算放大器的结构示意图；

图2为本实用新型实施例提供的一种低功耗轨到轨运算放大器的电路图。

具体实施方式

为了便于理解本实用新型，下面结合附图对本实用新型作进一步的阐述。

如图1所示为本实用新型一个实施例中的一种低功耗轨到轨运算放大器结构框图，包括电流镜模块100，电流开关模块101，输入级模块102，class_AB控制模块103，频率补偿模块104和输出级模块105。

在一个实施例中，如图2所示，电流镜模块100包括偏置电流源、mos管M1、M2、M3、M4、M8、M18、M33、M37、M38和M43；其中，

mos管M1的源极，mos管M37的源极，mos管M43的源极和偏置电流源的输出端均接地；mos管M2的源极，mos管M3的源极、mos管M8的源极、mos管M18的源极、mos管M33的源极和mos管M38的源极均与电源电压VDD相连；

mos管M1的栅极分别与mos管M37的栅极、mos管M43的栅极相连；mos管M1的漏极与mos管M3的漏极相连；mos管M2的栅极分别与mos管M3的栅极、mos管M4的栅极、mos管M8的栅极、mos管M18的栅极、mos管M33的栅极和mos管M38的栅极相连；mos管M2的漏极与偏执电流源的输入端相连；mos管M4的漏极和mos管M8的漏极均与所述电流开关模块101相连；mos管M18的漏极与所述输入级模块102相连；mos管M33的漏极和mos管M38的漏极均与所述class_AB控制模块103相连；

其中，偏置电流源Iref用于为整体运放电路提供参考电流；mos管M2和mos管M3构成1:1电流镜结构，将电流Iref精确复制到mos管M1中，再由mos管M3、M4、M8、M18、M33和M38构成的1：k1：k2：k3：k4：k5倍电流镜结构，将k1、k2、k3、k4、k5倍的电流Iref复制到mos管M3、M4、M8、M18、M33和M38中，以分别提供给电流开关模块101、输入级模块102、和class_AB控制模块103；由mos管M1、M37、M43构成1：k4：k5电流镜结构，将k4、k5倍的电流Iref复制到mos管M37、M43中，以提供给class_AB控制模块103。

在一个实施例中，电流开关模块101包括mos管M5、M6、M7、M9、M10、M11、M12和M13；其中，

mos管M5的栅极连接所述轨到轨运算放大器的正向输入端；mos管M5的源极分别与mos管M6的源极、所述电流镜模块101连接；mos管M 5的漏极分别与mos管M6的源极、mos管M7的漏极相连；mos管M6的栅极连接所述轨到轨运算放大器的反相输入端；mos管M7的源极、mos管M9的源极、mos管M10、mos管M11和mos管M13的源极接地；mos管M7的栅极分别与mos管M9的栅极、mos M7的漏极相连；mos管M9的漏极分别与mos管M10的漏极、mos管M10的栅极、mos管M11的栅极、mos管M13的栅极和所述电流镜模块100相连；mos管M11的漏极与mos管M13的漏极相连；mos管M12的栅极与电源电压VDD相连；mos管M12的栅极分别与mos管M12的漏极、所述输入级模块102相连；mos管M13的漏极与所述输入级模块102相连。

当输入共模电压信号较小，mos管M5和mos管M6均正常工作，mos管M7中流经k1倍Iref；mos管M9构成1：m电流镜结构，由于m＞k2，流经mos管M9的电流未能达到理想的mIref电流值，mos管M8漏源电压Vds增大，导致mos管M9的漏极电压Vd下降，mos管M10、M11、M12、M13无电流流过，输出级模块102中NMOS互补差分对管107断开，PMOS互补差分对管106工作；当输入共模电压信号较大，mos管M5和mos管M6均断开，mos管M7中无电流流过，此时流经mos管M9的电流值完全由mos管M8决定，mos管M9的漏极电压Vd大于NMOS管的阈值电压Vthn，mos管M10、mos管M11、mos管M13均导通；由mos管M10、M11、M13构成1：n/2：n电流镜结构，将(n/2)*k2倍的电流Iref复制到mos管M12，给输入级模块102提供偏置，将n*k2倍的电流Iref复制到mos管M3，为输入级模块102中的NMOS差分对管107提供尾电流，保持输出级模块102的总工作电流恒定，跨导的波动减小，实现低功耗。

在一个实施例中，输入级模块102包括PMOS互补差分对管106、NMOS互补差分对管107和共源共栅结构电路108，所述PMOS互补差分对管106和所述NMOS互补差分对管107均分别连接所述电流镜模块100、所述共源共栅结构电路108；所述共源共栅结构电路108连接所述class_AB控制模块103；其中，

所述PMOS互补差分对管106包括mos管M14、M15、M16和M17；所述NMOS互补差分对管107包括mos管M19和M20；所述共源共栅结构电路108包括mos管M23、M24、M25、M26、M27、M28、M29、M30、M31和M32；

mos管M14的栅极分别与mos管M15的栅极、所述电流开关模块101相连；mos管M14的源极、mos管M15的源极均与电源电压VDD相连；mos管M14的漏极与mos管M16的漏极相连；mos管M15的漏极与mos管M17的漏极相连；mos管M16的栅极连接所述轨到轨运算放大器的反向输入端；mos管M16的源极分别与mos管M17的源极、所述电流开关模块101相连；mos管M19的栅极连接所述轨到轨元算放大器的反相输入端；mos管M19的源极分别与mos管M20的源极、所述电流镜模块100相连；mos管M19的漏极与mos管M29的源极相连；mos管M20的栅极连接所述轨到轨运算放大器的正向输入端；mos管M20的漏极与mos管M30的源极相连；mos管M23的源极、mos管M24的源极均与电源电压VDD相连；mos管M23的栅极与mos管M24的栅极相连，且公共端接入偏置电压Vb1；mos管M23的漏极分别与mos管M14的漏极、mos管M25的源极相连；mos管M24的漏极与mos管M26的源极相连；mos管M25的栅极与mos管M26的栅极相连，且公共端接入偏置电压Vb2；mos管M25的漏极与mos管M27的源极相连；mos管M26的漏极分别与mos管M28的漏极、所述class_AB控制模块103相连；mos管M27的栅极分别与mos管M28的栅极、所述class_AB控制模块103相连；mos管M27的漏极分别与mos管M29的漏极、mos管M31的栅极相连；mos管M28的漏极分别与mos管M30的漏极、所述class_AB控制模块103相连；mos管M29的栅极分别与mos管M30的栅极、偏置电压Vb3相连；mos管M29的源极与mos管M31的漏极相连；mos管M30的源极与mos管M32的漏极相连；mos管M31的栅极与mos管M32的栅极相连；mos管M31的源极、mos管M32的源极均接地。

共源共栅结构电路108目的是将输入级模块102的双端输出信号转换成单端输出；共源共栅结构电路108与输出级模块105相连，构成两级运放，同时共源共栅结构108自身具有较高增益，从而提高轨到轨运算放大器输出级模块105的增益。

在一个实施例中，class_AB控制模块103包括mos管M34、M35、M36、M39和M40；其中，

mos管M34的源极与电源电压VDD相连；mos管M34的栅极分别与mos管M35的源极，所述电流镜模块100相连；mos管M34的漏极分别与mos管M35的栅极、所述输入级模块102、所述电流镜模块100相连；mos管M35的漏极与电阻R1的一端连接；电阻R1的另一端与所述电流镜模块100相连；mos管M39的漏极分别与所述输入级模块102、所述输出级模块105、所述频率补偿模块104相连；mos管M39的栅极分别与mos管M42的栅极、mos管M40的漏极、所述电流镜模块100相连；mos管M39的源极分别与所述输出级模块105，所述输入级模块102相连；mos管M40的栅极分别与mos管M42的源极、所述电流镜模块100相连；mos管M42的漏极与电阻R2的一端相连；电阻R2的另一端连接至电源电压VDD。

在一个实施例中，在其中一个实施例中，所述输出级模块105包括mos管M44和M45；其中，

mos管M44的源极连接至电源电压VDD；mos管M44的漏极分别与频率补偿模块104、mos管M45的漏极相连，且公共端为所述输出级模块105的输出端；mos管M45的栅极分别与所述class_AB控制模块103、频率补偿模块相连104；mos管M45的源极接地。

在其中一个实施例中，轨到轨运算放大器还包括米勒补偿模块104，所述输入级模块102通过所述米勒补偿模块104连接所述输出级模块105；其中，

电阻R1和电容C1串联，且电阻R1的一端连接输入级模块102，电容C1的一端连接输出级模块105的输出端；同理，电阻R2和电容C2相同时连接关系，电阻R2的一端连接输入级模块102，电容C2的一端连接输出级模块105的输出端；调节电阻R和电容C的大小，用零点消除极点，提高轨到轨运算放大器的单位增益带宽和频率稳定性。

上述实施例为本实用新型的最佳实施方式，其详细的描述了本实用新型的原理，但并不能因此而理解对本实用新型范围的限制。在本实用新型构思的前提下，其他任何形式的实施例均属于本实用新型的保护范畴。因此，本实用新型的保护范围应由所附的权利要求来限定。