动态偏置电路、输出级偏置补偿电路、轨到轨运放及芯片的制作方法

本发明涉及芯片技术，具体地涉及一种动态偏置电路、输出级偏置补偿电路、轨到轨运放及芯片。

背景技术：

1、运放产品作为信号链模拟芯片的核心元件的重要方向，高压运算放大器(即运放)设计中更加趋向于能够驱动大负载的设计、能够在更宽的供电范围下工作的设计、能够轨到轨输出的设计。这些设计目标与现在所提倡的绿色节能的口号相符合，因此在学术界和工业界逐渐成为一个研究热点。

2、速度和输出驱动能力作为运放产品的重要指标，其始终是学术界和工业界努力优化的方向。运放的速度一般体现在压摆率和带宽这两个具体指标上，其中较大的压摆率要求电路能够在检测到输入信号产生大的slew-rate(压摆率)变化时能够及时的调整输出级的偏置电压以提供大电流。因此，压摆率是表征电路速度的重要指标之一。最大输出电流以及输出最大负载是运放输出驱动能力的重要指标，这与输出级mos管的栅极电压(vgs)大小直接相关，这要求在重负载下输出产生压降后能够迅速及时的在较宽的范围内动态调整vgs的大小以适应大电流输出。

3、传统的class-ab输出级结构直接采用前级的输出信号进行偏置。在面对输入信号的快速变化时以及驱动大负载时，其控制输出管栅极的电压依赖输入信号自身以及反馈信号的微小变化，这样的变化不仅速度慢且幅度小很难适应高速和重负载的应用场景。对于动态偏置技术的设计，主要有模拟补偿和数字补偿两种方式。虽然数字补偿方式有其功耗低动态调整范围大的优点，但是其复杂的控制逻辑和结构势必会增加设计难度和研发周期。虽然模拟补偿方式可能在控制稳定性上存在缺点，但是其结构简单容易实现并且有较快的速度。然而，现有的模拟补偿方式只能改善输出级的静态工作点但是并没有改善其驱动能力。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种动态偏置电路、输出级偏置补偿电路、轨到轨运放及芯片，其可动态调整class-ab输出级的偏置电压和控制路径上的尾电流，从而可同时增强压摆率及负载驱动能力。

2、为了实现上述目的，本发明第一方面提供一种动态偏置电路，其特征在于，所述动态偏置电路包括：差分共源输入级，所述差分共源输入级的输入与前级输出相连，以及所述差分共源输入级的输出与轨到轨运放的class-ab输出级的栅极相连，其中，响应于所述前级输出的变化，所述差分共源输入级的电流变化，以引发所述class-ab输出级的栅极电压变化；辅助放大级，用于放大所述class-ab输出级的栅极电压变化；以及反馈级，用于将经放大的所述class-ab输出级的栅极电压变化反馈至所述class-ab输出级的栅极，以通过引发所述class-ab输出级的栅极处的阻抗变化来动态调整所述class-ab输出级的偏置电压。

3、优选地，所述差分共源输入级包括：两个p型mos管以及第一电流源，其中，所述p型mos管的漏极与所述class-ab输出级的栅极相连。

4、优选地，所述反馈级包括两个n型mos管以及第二电流源，其中，所述两个n型mos管形成差分结构，所述n型mos管的栅极与所述辅助放大级的输出相连，以及所述n型mos管的源极与所述电流源相连。

5、优选地，所述动态偏置电路还包括：高压保护级，用于使得所差分共源输入级与所述反馈级中的各个器件工作在相应的击穿电压以下。

6、通过上述技术方案，本发明创造性地响应于前级输出的变化，差分共源输入级的电流变化，以引发所述class-ab输出级的栅极电压微小变化；通过辅助放大级来放大所述class-ab输出级的栅极微小电压变化；通过反馈级将经放大的所述class-ab输出级的栅极电压变化反馈至所述class-ab输出级的栅极，以通过引发所述class-ab输出级的栅极处的阻抗变化来动态调整所述class-ab输出级的偏置电压。由此，本发明可动态调整class-ab输出级的偏置电压和控制路径上的尾电流，从而可同时增强压摆率及负载驱动能力。

7、本发明第二方面提供一种轨到轨运放的输出级偏置补偿电路，其特征在于，所述输出级偏置补偿电路包括：所述的动态偏置电路。

8、优选地，所述输出级偏置补偿电路还包括：高位钳位电路，用于电源的电压与第一输入电压的差值大于第一预设电压下导通所述class-ab输出级中的p型mos管的栅极到所述电源的低阻通路，其中，所述第一输入电压为所述p型mos管的栅极电压；和/或低位钳位电路，用于在第二输入电压大于第二预设电压下导通所述class-ab输出级中的n型mos管的栅极到地的低阻通路，其中，所述第二输入电压为所述n型mos管的栅极电压。

9、优选地，所述高位钳位电路包括：多个p型mos管，所述p型mos管以二极管形式连接；以及分压电路，用于通过偏压控制信号调整所述电源的电压与所述第一输入电压的差值，和/或所述低位钳位电路包括：多个n型mos管，所述n型mos管以二极管形式连接；以及分压电路，用于通过偏压控制信号调整所述第二输入电压。

10、优选地，所述输出级偏置补偿电路还包括：频率补偿电路，用于提高相位裕度且增加所述输出级偏置补偿电路的稳定性。

11、优选地，所述频率补偿电路包括：第一频率补偿电路；和/或第二频率补偿电路，其中，所述第一频率补偿电路与所述第二频率补偿电路均包括：密勒电容以及零点补偿电阻。

12、有关本发明实施例提供的轨到轨运放的输出级偏置补偿电路的具体细节及益处可参阅上述针对动态偏置电路的描述，于此不再赘述。

13、本发明第三方面提供一种轨到轨运放，所述轨到轨运放包括：class-ab输出级；以及所述的轨到轨运放的输出级偏置补偿电路。

14、有关本发明实施例提供的轨到轨运放的具体细节及益处可参阅上述针对轨到轨运放的输出级偏置补偿电路的描述，于此不再赘述。

15、本发明第四方面提供一种芯片，其特征在于，所述芯片包括所述的动态偏置电路、所述的轨到轨运放的输出级偏置补偿电路和/或所述的轨到轨运放。

16、有关本发明实施例提供的芯片的具体细节及益处可参阅上述针对动态偏置电路、轨到轨运放的输出级偏置补偿电路和/或轨到轨运放的描述，于此不再赘述。

17、本发明的其它特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。

技术特征：

1.一种动态偏置电路，其特征在于，所述动态偏置电路包括：

2.根据权利要求1所述的动态偏置电路，其特征在于，所述差分共源输入级包括：两个p型mos管以及第一电流源，其中，所述p型mos管的漏极与所述class-ab输出级的栅极相连。

3.根据权利要求1所述的动态偏置电路，其特征在于，所述反馈级包括两个n型mos管以及第二电流源，其中，所述两个n型mos管形成差分结构，所述n型mos管的栅极与所述辅助放大级的输出相连，以及所述n型mos管的源极与所述电流源相连。

4.根据权利要求1所述的动态偏置电路，其特征在于，所述动态偏置电路还包括：

5.一种轨到轨运放的输出级偏置补偿电路，其特征在于，所述输出级偏置补偿电路包括：根据权利要求1-4中任一项所述的动态偏置电路。

6.根据权利要求5所述的输出级偏置补偿电路，其特征在于，所述输出级偏置补偿电路还包括：

7.根据权利要求6所述的输出级偏置补偿电路，其特征在于，所述高位钳位电路包括：

8.根据权利要求5所述的输出级偏置补偿电路，其特征在于，所述输出级偏置补偿电路还包括：频率补偿电路，用于提高相位裕度且增加所述输出级偏置补偿电路的稳定性。

9.根据权利要求8所述的输出级偏置补偿电路，其特征在于，所述频率补偿电路包括：第一频率补偿电路；和/或第二频率补偿电路，其中，所述第一频率补偿电路与所述第二频率补偿电路均包括：密勒电容以及零点补偿电阻。

10.一种轨到轨运放，其特征在于，所述轨到轨运放包括：

11.一种芯片，其特征在于，所述芯片包括根据权利要求1-4中任一项所述的动态偏置电路、权利要求5-9中任一项所述的轨到轨运放的输出级偏置补偿电路和/或权利要求10所述的轨到轨运放。

技术总结
本发明涉及芯片技术领域，公开一种动态偏置电路、输出级偏置补偿电路、轨到轨运放及芯片。所述动态偏置电路包括：差分共源输入级，其输入与前级输出相连，以及其输出与轨到轨运放的CLASS‑AB输出级的栅极相连，其中，响应于所述前级输出的变化，所述差分共源输入级的电流变化，以引发所述CLASS‑AB输出级的栅极电压变化；辅助放大级，用于放大所述CLASS‑AB输出级的栅极电压变化；以及反馈级，用于将经放大的所述CLASS‑AB输出级的栅极电压变化反馈至所述CLASS‑AB输出级的栅极，以通过引发所述CLASS‑AB输出级的栅极处的阻抗变化来动态调整所述CLASS‑AB输出级的偏置电压。本发明可动态调整CLASS‑AB输出级的偏置电压和控制路径上的尾电流，从而可同时增强压摆率及负载驱动能力。

技术研发人员：温立国,潘杰,李凡阳,原义栋,沈红伟,李梦姣
受保护的技术使用者：北京智芯微电子科技有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15