轨到轨运算放大电路

1.本发明涉及电子电路技术领域，尤其涉及一种轨到轨运算放大电路。


背景技术：

2.轨到轨(rail to rail，也称“满摆幅”)运算放大电路是指放大电路的输入和/或输出电压摆幅非常接近或者几乎等于电源电压的一类电路，其结构在图像传感器、模数转换器等中被广泛应用。
3.如图1所示，是现有的轨到轨运算放大电路的结构示意图。该轨到轨运算放大电路包括：轨到轨的输入级10、恒跨导补偿级11、共源共栅级12和轨到轨的输出级13。
4.其中，输入级10包括：晶体管m1～m6，其中m1～m4的栅极受输入信号v
in
和v
ip
的控制，m5和m6的栅极受偏置电压v
bp1
和v
bn1
的控制。
5.其中，恒跨导补偿级11包括：晶体管m15～m20，其中m17和m20的栅极分别受偏置电压v
bn1
和v
bp1
控制；其中，恒跨导补偿级11用于向输入级10提供补偿电流，以在输入信号v
in
和v
ip
的共模电平不同时补偿输入级10的尾电流，从而保证输入级10的跨导恒定。在图中，m17和m20用于向输入级10分别输出补偿电流。
6.其中，共源共栅级12包括：晶体管m7～m14，以及电流源i
b1
和i
b2
；共源共栅极12用于提高输入级10输出的信号的增益，电流源i
b1
和i
b2
由图2所示的电流源ib提供，电流源ib与晶体管m25～m27构成图示的电路以提供i
b1
和i
b2
；m12的漏极和m10的漏极相连作为共源共栅极12的输出，该输出连接至输出级13。
7.其中，输出级13采用基于反相器的经典ab类放大器结构，其包括：晶体管m23和m24，以及电阻rz和电容cf；其中，v
out
为该轨到轨运算放大电路的输出信号。
8.在图1所示的轨到轨运算放大电路中，需要电流源i
b1
和i
b2
绝对相等，否则在共源共栅级12的输出节点(即m12和m10的漏极连接点处)上的跨导(即输出跨导)将不稳定，从而导致输出级13的输出信号不稳定，如输出信号中的共模电平发生偏移，其中共模电平的偏移量与电流源i
b1
和i
b2
的偏差值成正比。然而，在实际应用中，由于设计误差等因素的存在，电流源i
b1
和i
b2
难以做到绝对相等，因此图1所示的轨到轨运算放大电路存在稳定性差的问题。另一方面，如图1和2所示，为了提供i
b1
和i
b2
，至少需要设计4条电流支路，即图1中的两条i
b1
和i
b2
支路，以及图2中的两条i
b1
和i
b2
支路；在运算放大电路工作时，这4条电流支路始终处于工作状态，从而提高了运算放大电路的功率消耗。


技术实现要素：

9.有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种轨到轨的运算放大电路，其具有高稳定性和低功耗的特点。
10.为了实现上述发明目的，本发明实施例提供了一种轨到轨运算放大电路，包括：轨到轨的输入级，用于接收输入信号，并根据所述输入信号，输出第一信号；恒跨导补偿级，用于控制所述输入级的跨导恒定；共源共栅级，用于根据所述第一信号，生成第二信号；以及
轨到轨的输出级，用于根据所述第二信号，生成所述轨到轨运算放大电路的输出信号；所述共源共栅级包括：共源共栅电路，包括：构成差分式结构的第一支路和第二支路，用于根据所述第一信号，生成第二信号；以及电流补偿电路，包括：第三支路、第四支路和第五支路，其中所述第三支路用于从所述恒跨导补偿级提取电流，所述第四支路和第五支路用于镜像所述第三支路的电流，以利用镜像的电流对所述第一支路和第二支路的电流进行补偿，以控制所述共源共栅级的输出电流恒定。
11.在一种实施方式中，所述轨到轨的输入级包括：第一差分输出端口和第二差分输出端口，分别用于输出第一差分信号和第二差分信号；所述第一支路包括：串联在电源电压和地之间的第一至第四晶体管，所述第二支路包括：串联在电源电压和地之间的第五至第八晶体管，其中所述第一和第五晶体管的栅极接第一偏置电压、第二和第六晶体管的栅极接第二偏置电压、第三和第七晶体管的栅极接第四偏置电压、第四和第八晶体管的栅极接第二和第三晶体管的连接点；所述第一和第二晶体管的连接点，以及第四和第五晶体管的连接点，分别接所述第一差分输出端口中的两端口，以接收所述第一差分信号；所述第三和第四晶体管的连接点，以及第七和第八晶体管的连接点，分别接所述第二差分输出端口中的两端口，以接收所述第二差分信号；其中，所述第六和第七晶体管的连接点作为所述共源共栅级的输出端口。
12.在一种实施方式中，所述第一、第二、第五和第六晶体管为p型的场效应管，所述第三、第四、第七和第八晶体管为n型的场效应管。
13.在一种实施方式中，所述第四支路与所述第一晶体管并联，所述第五支路与所述第七晶体管并联。
14.在一种实施方式中，第四支路包括：第九晶体管，第五支路包括：第十晶体管，所述第九晶体管串联在电源电压和所述第一和第二晶体管的连接点之间，所述第十晶体管串联在电源电压和所述第七和第八晶体的连接点之间，所述第九和第十晶体管的栅极接第五偏置电压。
15.在一种实施方式中，所述第三支路包括：串联在电源电压和地之间的第十一和第十二晶体管，所述第十一的栅极接第五偏置电压且与第十一和第十二晶体管的连接点连接，所述第十二晶体管连接至所述恒跨导补偿级。
16.在一种实施方式中，所述第九至第十一晶体管为p型的场效应管，所述第十二晶体管为n型的场效应管。
17.在一种实施方式中，所述轨到轨的输出级采用基于反相器的经典ab类放大器结构。
18.在一种实施方式中，，所述轨到轨的输出级还包括：rc补偿支路，连接在所述轨到轨的输出级的输入和输出端口之间。
19.在一种实施方式中，所述轨到轨的输入级包括：差分输入端口、一对n型的晶体管和一对p型的晶体管，所述一对n型的晶体管的两栅极分别与所述差分输入端口中的两端口连接，所述一对p型的晶体管的两栅极分别与所述差分输入端口中的两端口连接，所述一对n型的晶体管的两漏极作为所述轨到轨的输入级的第一差分输出端口，所述一对p型的晶体管的两漏极作为所述轨到轨的输入级的第一差分输出端口。
20.本发明实施例的有益效果：
21.本发明实施例的轨到轨运算放大电路，其共源共栅级中的共源共栅电路部分采用差分式的结构，此种结构不需要如图1一样需要两条电流相等的支路，因此不存在电流匹配的问题，能够避免因为两条支路的电流不相等所导致的不稳定问题；同时，本发明实施例的共源共栅级包括电流补偿电路，用于对共源共栅电路中的两条支路的电流进行补偿，从而能够保证共源共栅级输出电流的稳定，从而保证运算放大电路的稳定；另一方面，本发明实施例的电流补偿电路利用三个支路即可以实现电流补偿，无需如图1一样至少需要四条支路，因此本发明实施例相比图1结构更节约功耗。因此，本发明实施例的轨到轨运算放大电路，同时具有高稳定性和低功耗的特点。
附图说明
22.图1是现有技术的轨到轨的运算放大电路的结构示意图；
23.图2是现有技术的电流源的结构示意图；
24.图3是本发明的轨到轨的运算放大电路的实施例的结构示意图；
25.图4是图3所示结构的直流仿真的波形图；以及
26.图5是图3所示结构的交流仿真的波形图。
具体实施方式
27.为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚、明白，以下结合附图和实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅以解释本发明，并不用于限定本发明。
28.在后续的描述中，使用用于表示元件的诸如“模块”、“部件”或“单元”的后缀仅为了有利于本发明的说明，其本身没有特定的意义。因此，“模块”、“部件”或“单元”可以混合地使用。
29.需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。
30.以下结合附图，通过实施例来对本发明进行说明。
31.本发明实施例公开了一种轨到轨运算放大电路，其相比于图1所示的结构，具有更高的稳定性和更少的功率消耗。
32.具体地，该包括轨到轨运算放大电路：轨到轨的输入级，用于接收输入信号，并根据所述输入信号，输出第一信号；恒跨导补偿级，用于控制所述输入级的跨导恒定；共源共栅级，用于根据所述第一信号，生成第二信号；以及轨到轨的输出级，用于根据所述第二信号，生成所述轨到轨运算放大电路的输出信号；所述共源共栅级包括：共源共栅电路，包括：构成差分式结构的第一支路和第二支路，用于根据所述第一信号，生成第二信号；以及电流补偿电路，包括：第三支路、第四支路和第五支路，其中所述第三支路用于从所述恒跨导补偿级提取电流，所述第四支路和第五支路用于镜像所述第三支路的电流，以利用镜像的电流对所述第一支路和第二支路的电流进行补偿，以控制所述共源共栅级的输出电流恒定。
33.本发明实施例公开的轨到轨运算放大电路，由于其共源共栅级中的共源共栅电路部分采用差分式的结构，此种结构不需要如图1一样需要两条电流相等的支路，因此不存在电流匹配的问题，能够避免因为两条支路的电流不相等所导致的不稳定问题；同时，本发明
实施例的共源共栅级包括电流补偿电路，用于对共源共栅电路中的两条支路的电流进行补偿，从而能够保证共源共栅级输出电流的稳定，从而保证运算放大电路的稳定；另一方面，本发明实施例的电流补偿电路利用三个支路即可以实现电流补偿，无需如图1一样至少需要四条支路，因此本发明实施例相比图1结构更节约功耗。因此，本发明实施例的轨到轨运算放大电路，同时具有高稳定性和低功耗的特点。
34.具体地，下面将结合图3对本发明实施例的轨到轨运算放大电路做更详细的说明，需要说明的是，图3仅是本发明实施例的轨到轨运算放大电路的一种实现方式，而不是唯一的实现方式。
35.如图3所示，是本发明的轨到轨运算放大电路的实施例的结构示意图。该轨到轨运算放大电路能够实现轨到轨的输入和轨到轨的输出。如图所示，该运算放大电路包括：轨到轨的输入级30、恒跨导补偿级31、共源共栅级32和轨到轨的输出级33。
36.其中，输入级30包括：晶体管m1～m6，在图中，m1、m2和m6为p型的晶体管，如pmos管，m3、m4和m5为n型的晶体管，如nmos管。其中，m1～m4的栅极受输入信号v
in
和v
ip
的控制，m5和m6的栅极受偏置电压v
bp1
和v
bn1
的控制。具体地，在输入信号v
in
和v
ip
的控制下，开启m1和m2，或者开启m3和m4。其中，输入信号v
in
和v
ip
为差分输入信号。举例而言，当v
in
和v
ip
为高电压(如高电平)时，m3和m4导通，m1和m2截止。而当v
in
和v
ip
为低电压(如低电平)时，m3和m4截止，m1和m2导通。其中，m5和m6作为尾电流管使用，其偏置电压v
bp1
和v
bn1
由外部提供。在图中，m1和m2的漏极连接至下一级的共源共栅级32，因此m1和m2的漏极作为输入级30的一对差分输出端口；类似地，m3和m4的漏极也连接至下一级的共源共栅级32，因此m3和m4的漏极作为输入级30的另一对差分输出端口。
37.其中，恒跨导补偿级31包括：晶体管m15～m20，在图中，m15～m17为n型的晶体管，如nmos管，m18～m20为p型的晶体管，如pmos管。该恒跨导补偿级31用于向输入级30提供补偿电流，以控制输入级30的跨导恒定(即稳定)。具体地，恒跨导补偿级31的两个输出节点分别连接至输入级30的电流补偿节点，以向输入级30提供补偿电流。在图中，m17的漏极和m20的漏极为恒跨导补偿级31的两个输出节点，作为尾电流管的m6的漏极和m5的漏极为输入级30的电流补偿节点，即m17向m6的漏极输出补偿电流，m20向m5的漏极输出补偿电流。其中，m17和m20的栅极分别受偏置电压v
bn1
和v
bp1
控制。其中，m15～m20构成电流镜的结构，以透过电流镜的方式输出补偿电流。透过恒跨导补偿级31，可以在输入信号v
in
和v
ip
的共模电平不同时补偿输入级30的尾电流，从而保证输入级30的跨导恒定。
38.其中，共源共栅级12包括：晶体管m7～m14，以及m21～m24；在图中，m7～m10以及m21为n型的晶体管，如nmos管，m11～m14以及m22～m24为p型的晶体管，如nmos管。其中，m7～m14构成共源共栅电路，用于对前级电路(即输入级30)输入信号进行放大，以提高其增益。在图式中，m7～m14构成差分式的共源共栅电路，其中m7、m9、m11和m13构成第一支路，m8、m10、m12和m14构成第二支路。如图所示，m13和m14的栅极、m11和m12的栅极、以及m9和m10的栅极分别受偏置电压v
bp1
、v
bp2
和v
bn2
控制，且偏置电压v
bp1
、v
bp2
和v
bn2
可以由外部提供，m7和m8的栅极与m9的漏极连接。其中，m7和m10的漏极(或m9和m10的源极)，以及m11和m12的源极(或m13和m14的漏极)为共源共栅级12的输入，用于从输入级30接收输入信号，而m12的漏极(或m10的漏极)为共源共栅级12的输出，用于向输出级33输出信号。其中，m21～m24构成电流补偿电路，用于对共源共栅电路的电流进行补偿，以控制共源共栅级32的输出电流
恒定或者跨导(输出跨导)恒定。如图所示，晶体管m21和m22构成一条支路，其用于从恒跨导补偿级31中镜向电流，如图所示，m21的栅极与m16的栅极和漏极连接，m22的栅极受偏置电压v
x
的控制。晶体管m23和24分别构成两个补偿支路，用于分别补偿m13的漏极(或m11的源极)、m 14的漏极(或m12的源极)的电流，同时m23和24也受偏置电压v
x
的控制，其中vx是m21和m22支路产生，并通过m22以电流镜结构镜像至m23和m24。在本实施例中，当输入信号的共模电平较高时，m23和m24对输入级30从共源共栅输出级32的电流抽取进行补偿，从而保证作为输出管的m10和m12的电流稳定；具体而言，电流补偿是自动开启的，当输入信号的共模电压较高的时候，m21和m22支路才会开启(原因在于：m15和m16会在共模电压较高的时候开启，去补偿m5的电流，让m3和m4的跨导保持稳定，而m15、m16和m21的栅极连在一起，因此m15和m16开启后m21也会开启)，此时才会镜像过去让m23和m24也开启，否则m23和m24的栅端电压vx为高电平，m23和m24自然关断，以节约功耗。
39.其中，输出级13采用基于反相器的经典ab类放大器结构，采用此结构，可以同时实现较大的输出范围电压和较高的负载驱动能力。其从共源共栅级32接收信号，并基于该信号，生成轨到轨运算放大电路的输出信号v
out
。在图中，输出级13包括：晶体管m25和m26，以及电阻rz和电容cf。其中，晶体管m25为p型晶体管，如pmos管，m26为n型晶体管，如nmos管，m25和m26的栅极均接共源共栅级32的输出，在共源共栅极32的输出的控制下，开启或关闭。举例而言，当共源共栅极32的输出为低电压(如低电平)时，m25开启，同时m26作为负载管使用；类似地，当共源共栅极32的输出为高电压(如高电平)时，m26开启，同时m25作为负载管使用。另外，电阻rz和电容cf作为rc补偿支路，其中rz为零点补偿电阻，用于将电路右半平面的零点移动到左半平面，同时消除第一个非主极点，提高电路的单位增益带宽；cf为第一级输出(即rz左侧节点的输出)和第二级输出(即最终输出v
out
)间的miller补偿电容，用于实现运放第一极点和第二极点的分裂。在rz和cf的共同作用，可以补偿运放的频率特性，保证运放的稳定性。
40.本实施例的共源共栅级，不需要如图1结构设计两条电流相等的输入支路，因此不存在电流匹配问题，能够避免因为两条支路电流不相等导致的输出共模电流发生偏移的问题，同时采用电流补偿的共源共栅级通过设计电流补偿支路，能够在输入共模电平发生变化时，保证运放第一级输出电流的稳定，从而保证运放性能的稳定性。另外，本实施例的共源共栅级仅使用了一条电流偏置支路和两条补偿支路即可实现电流补偿，且这三条支路仅在输入共模电平较高时工作，因此能够节功耗。
41.下面结合图4和5所示的仿真图，对本发明实施例的优点进行进一步说明。
42.如图4所示，是图3结构的直流仿真的波形图。在仿真时，电源电压(vcc)设置为为1.8v，地电压(gnd)为0v。在图中，
①
号曲线是输出电压曲线，
②
号曲线是
①
号曲线的微分，显示了
①
号曲线的斜率。由图可见，在横坐标输入信号为0～1.8v范围内变化时，输出信号能够很好的跟随输入信号的变化，尤其是在0.15v至1.65v之前，
②
号曲线的值为1，表明电路实现了轨到轨输入以及轨到轨输出的功能。在0～0.15v的极低输入电压和1.65v至1.8v极高输入电压的情况下，运放的输出电压与输入电压的跟随效果略差，与一般概念上轨到轨输入且轨到轨输出电路的特点相符合。
43.如图5所示，是图3结构的交流仿真的波形图。在仿真时，电源电压(vcc)设置为为1.8v，地电压(gnd)为0v。在图中展示的是0.9v共模电压输入下电路的交流特性，其中
①
号
曲线是幅频特性曲线，
②
号曲线是相频特性曲线，而0.15v和1.65v共模电压输入情况下电路的交流特性总结于表一中。由图和表一可以看出：运放电路在0.15v、0.9v、1.65v共模电压输入条件下，低频增益分别为75.5db、80.5db、和76.4db，单位增益带宽分别为17.1mhz、16.8mhz、和18.6mhz，相位裕度分别为75
°
、73
°
和70
°
。因此电路在不同输入共模电压的调价下，电路的各项性能指标差异很小，展现了电路在不同输入共模电压下性能的稳定性。
44.表一
[0045][0046][0047]
需要说明的是，在本文中，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、物品或者系统不仅包括那些要素，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、物品或者系统所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括该要素的过程、方法、物品或者系统中还存在另外的相同要素。
[0048]
以上仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。