CN101309070B - 运算放大器及其动态电流供应电路 - Google Patents
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Abstract
一种运算放大器及其动态电流供应电路。本发明所提供的动态电流供应电路可以应用于现今的运算放大器中，其藉由利用两颗晶体管，以当运算放大器的第一输入端与第二输入端各别所接收的输入信号发生转态时(亦即运算放大器处在瞬时)，致使此两颗晶体管同步地或异步地的导通，如此以使运算放大器的第一输入端或/及第二输入端的偏压电流增加一个动态电流。藉此，本发明所提供的动态电流供应电路不但可以达到增加运算放大器内部回转率，且更可以使得运算放大器处于稳态时的功率消耗不会增加。
Description
技术领域
本发明涉及一种运算放大器，特别涉及一种能提升运算放大器内部回转率的动态电流供应电路。
背景技术
一般模拟电路大多为采用电压模式(voltage mode)来处理信号，而电压式运算放大器(Operat ion Amplifier，OP Amp)因为价格便宜且技术稳定，所以使得运算放大器广受一般电路设计者所喜爱使用。然而，以现今电压式运算放大器常因受限于其增益频带积(GBP)为定值，且其瞬时反应速度不够高，故而会导致电路设计者在设计处理高频信号时常受到限制。所以为了要使得电路设计者在设计处理高频信号时不受到限制，通常电路设计者会采用提升运算放大器内部回转率(internal slew rate)的方式来改善此类问题。
而众所皆知的是，运算放大器内部回转率是藉由运算放大器输入级的偏压电流(IB)与其内部补偿电容(CM)的比值(IB/CM)所决定的。故传统的运算放大器若要在其内部补偿电容固定的情况下欲提升其内部回转率时，则必须增加运算放大器输入级的偏压电流，但如此将会造成运算放大器的极零点与增益频带积的位置改变，进而导致运算放大器的稳定度下降。此外，增加运算放大器的输入级偏压电流来改善设计处理高频信号时不受到限制的设计理念，将更会导致运算放大器处在稳态时的功率消耗变大。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的就是提供一种动态电流供应电路，其藉由利用两颗晶体管，以当运算放大器的第一输入端与第二输入端各别所接收的输入信号发生转态时，致使运算放大器的第一输入端或/及第二输入端的偏压电流增加一个动态电流，如此以达到提升运算放大器内部回转率。
本发明的另一目的就是提供一种运算放大器，其藉由将上述本发明所提供的动态电流供应电路运用在其中，如此不但可以达到让运算放大器的瞬时反应加快以处理更高频的信号，且因为在运算放大器的第一输入端与第二输入端各别所接收的输入信号发生转态时(亦即运算放大器处在瞬时)，运算放大器的第一输入端或/及第二输入端的偏压电流才会各别/同时增加一个动态电流，所以运算放大器处在稳态时的功率消耗并不会增加。
基于上述及其它目的，本发明提供一种动态电流供应电路，适用于运算放大器中，其中，运算放大器的第一输入端与第二输入端各别所接收的输入信号与运算放大器的输出端所输出的输出信号具有第一共模电位与第二共模电位，而此动态电流供应电路包括第一晶体管与第二晶体管。其中，第一晶体管的栅极用以接收运算放大器的输出端所输出的输出信号、第一晶体管的漏极用以接收上述的第一共模电位，而第一晶体管的源极则用以接收第一动态电流。第二晶体管的栅极用以接收运算放大器的输出端所输出的输出信号、第二晶体管的漏极用以接收上述的第二共模电位，而第二晶体管的源极则用以接收第二动态电流。
在本发明的一实施例中，当运算放大器的第一输入端与第二输入端各别所接收的输入信号发生第一转态时，第一晶体管会导通，而第二晶体管会截止，如此以致使运算放大器的第一输入端的偏压电流增加上述的第一动态电流，且当运算放大器的第一输入端与第二输入端各别所接收的输入信号发生第二转态时，第一晶体管会截止，而第二晶体管会导通，如此以致使运算放大器的第二输入端的偏压电流增加上述的第二动态电流。当运算放大器的第一输入端与第二输入端各别所接收的输入信号处于稳态时，第一晶体管与第二晶体管同时截止，以致使运算放大器的第一输入端与第二输入端各别的偏压电流不受第一动态电流与第二动态电流而增加。
从另一观点来看，本发明提供一种动态电流供应电路，适用于运算放大器中，其中，运算放大器的第一输入端与第二输入端各别所接收的输入信号与运算放大器的输出端所输出的输出信号具有第一共模电位与第二共模电位，而此动态电流供应电路包括第一晶体管与第二晶体管。其中，第一晶体管的栅极用以接收上述的第二共模电位、第一晶体管的漏极用以接收上述的第一共模电位，而第一晶体管的源极则用以接收第一动态电流。第二晶体管的栅极用以接收上述的第一共模电位、第二晶体管的漏极用以接收上述的第二共模电位，而第二晶体管的源极则用以接收第二动态电流。
在本发明的一实施例中，当运算放大器的第一输入端与第二输入端各别所接收的输入信号发生第一转态与第二转态时，第一晶体管与第二晶体管皆会导通，如以致使运算放大器的第一输入端与第二输入端的偏压电流各别会增加第一动态电流与第二动态电流。当第一输入端与第二输入端各别所接收的输入信号处于稳态时，第一晶体管与第二晶体管同时截止，以致使运算放大器的第一输入端与第二输入端各别的偏压电流不受第一动态电流与第二动态电流而增加。
再从另一观点来看，本发明提供一种运算放大器，其藉由将上述本发明所提供的两种动态电流供应电路的其中一种加入到现今运算放大器中所实现。
在上述本发明的实施例中，上述的第一转态是由低电位状态转向高电位状态，而上述的第二转态是由高电位状态转向低电位状态。
在上述本发明的实施例中，上述的第一动态电流与上述的第二动态电流各别由第一电流源与第二电流源所提供，且此第一电流源与此第二电流源具有定电流源特性或可变电流源特性。
在上述本发明的实施例中，上述的第一晶体管为PMOS晶体管，而上述的第二晶体管为NMOS晶体管。
本发明所提供的动态电流供应电路可以应用于现今的运算放大器中，其藉由利用两颗晶体管，以当运算放大器的第一输入端与第二输入端各别所接收的输入信号发生转态时(亦即运算放大器处在瞬时)，致使此两颗晶体管同步地或异步地的导通，如此以使运算放大器的第一输入端或/及第二输入端的偏压电流增加一个动态电流。藉此，本发明所提供的动态电流供应电路不但可以达到提升运算放大器内部回转率，且更可以使得运算放大器处于稳态时的功率消耗不会增加。
为让本发明的上述和其它目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举本发明的较佳实施例，并配合附图，作详细说明如下。
附图说明
图1示出了依照本发明一实施例的运算放大器电路图。
图2示出了本发明一实施例的运算放大器的输入信号、输出信号、第一共模电位、第二共模电位、第一动态电流，以及第二动态电流相关的仿真波形图。
图3示出了本发明另一实施例的运算放大器电路图。
图4示出了本发明另一实施例的运算放大器的输入信号、输出信号、第一共模电位、第二共模电位、第一动态电流，以及第二动态电流相关的仿真波形图。
附图符号说明
100、300：运算放大器
101：输入级
103：增益级
105：输出级
107、301：动态电流供应电路
IN1：第一输入端
IN2：第二输入端
Vin：输入信号
OUT：输出端
Vout、Vout_od、Vout_nw：输出信号
VNCOM：第一共模电位
VPCOM：第二共模电位
Tr1：第一晶体管
Tr2：第二晶体管
IMN：第一动态电流
IMP：第二动态电流
I1：第一电流源
I2：第二电流源
V：电压
I：电流
T：时间
具体实施方式
本发明所欲达成的技术功效是为提升运算放大器内部回转率，以使得运算放大器的瞬时反应加快而可以处理更高频的信号，且在运算放大器处于稳态时的消耗功率亦不会增加。而以下内容将针对本发明的技术特征与所欲达成的功效做一详加描述，以提供给该发明相关领域的技术人员参详。
图1示出了依照本发明一实施例的运算放大器100电路图。请参照图1，本实施例的运算放大器100包括输入级(input stage)101、增益级(gainstage)103、输出级(output stage)105，以及动态电流供应电路107。其中，输入级101、增益级103与输出级105可利用传统的运算放大器来实现，而以该发明领域具有通常知识者应当可知其各别的电路架构及其运作方式，且为了不混淆本发明所欲阐述的精神，在此并不再加以赘述之。
此外，虽然本实施例中已经对输入级101、增益级103与输出级105描绘出一个可能的电路架构，但熟知此技术者应当可知，各厂商对于输入级101、增益级103与输出级105的设计方式都不一样，因此本发明的应用当不限制在此种可能的电路架构。换言之，电路设计者当可视实际需求而更替不同电路架构的输入级、增益级与输出级。
一般而言，运算放大器100的第一输入端I N1与第二输入端IN2各别所接收的输入信号Vin与运算放大器100的输出端OUT所输出的输出信号Vout具有第一共模电位VNCOM与第二共模电位VPCOM。而本实施例的运算放大器100主要是藉由力入动态电流供应电路107后，才使得运算放大器100内部回转率(internal slew rate)提升，藉此让模拟电路设计者在设计处理高频信号时就比较不会受到限制。
动态电流供应电路107包括第一晶体管Tr 1与第二晶体管Tr 2。其中，第一晶体管Tr 1的栅极用以接收运算放大器100的输出端OUT所输出的输出信号Vout、第一晶体管Tr 1的漏极用以接收第一共模电位VNCOM，而第一晶体管Tr 1的源极则用以接收第一动态电流IMN。第二晶体管Tr 2的栅极用以接收运算放大器100的输出端OUT所输出的输出信号Vout、第二晶体管Tr 2的漏极用以接收第二共模电位VPCOM，而第二晶体管Tr2的源极则用以接收第二动态电流IMP。在本实施例中，第一晶体管Tr1由PMOS晶体管来实现，而第二晶体管Tr2由NMOS晶体管来实现。
图2示出了本实施例运算放大器100的输入信号Vin、输出信号Vout、第一共模电位VNCOM、第二共模电位VPCOM、第一动态电流IMN，以及第二动态电流IMP相关的仿真波形图，其中，纵轴分别代表电压(V)与电流(I)，而横轴代表时间(T)，且输出信号Vout包括未加入动态电流供应电路107时，运算放大器100的输出端OUT所输出的输出信号Vout_od，与加入动态电流供应电路107后，运算放大器100的输出端OUT所输出的输出信号Vout_nw。
请合并参照图1及图2，当运算放大器100的第一输入端IN1与第二输入端IN2各别所接收的输入信号Vin发生第一转态(亦即由低电位状态转向高电位状态)时，此时因为输出信号Vout的电位低于第一共模电位VVCOM与第二共模电位VPCOM，所以第一晶体管Tr1会导通，而第二晶体管Tr2会截止，如此以致使运算放大器100的第一输入端I N1的偏压电流会增加第一动态电流IMN。
另外，当运算放大器100的第一输入端IN1与第二输入端IN2各别所接收的输入信号Vin发生第二转态(亦即由高电位状态转向低电位状态)时，此时因为输出信号Vout的电位高于第一共模电位VNCOM与第二共模电位VPCOM，所以第一晶体管Tr1会截止，而第二晶体管Tr2会导通，如此以致使运算放大器100的第二输入端I N2的偏压电流会增加第二动态电流IMP。在本实施例中，第一动态电流IMN与第二动态电流IMP各别由第一电流源I1与第二电流源I2所提供，且此第一电流源I1与此第二电流源I2具有定电流源特性或可变电流源特性。
而在此值得一提的是，当运算放大器100的第一输入端IN1与第二输入端IN2各别所接收的输入信号Vin发生第一转态与第二转态时，此时运算放大器100即处于瞬时(transient)，反之，则处于稳态(static)。
故依据上述可知，第一晶体管Tr1与第二晶体管Tr2会在运算放大器100处于瞬时时导通，以对应的使第一输入端IN1与第二输入端IN2的偏压电流各别地增加第一动态电流IMN与第二动态电流IMP，藉此来提升运算放大器100内部回转率，以使得运算放大器100的瞬时反应加快而可以处理更高频的信号。
再者，当运算放大器100处于稳态时，第一晶体管Tr1与第二晶体管Tr2即截止，以至于运算放大器100的第一输入端IN1与第二输入端IN2的偏压电流不会各别地接收第一动态电流IMN与第二动态电流IMP。如此，运算放大器100的极零点与增益频带积的位置并不会产生改变，故运算放大器100的稳定度可增加许多，且于运算放大器100处在稳态时的功率消耗也不会变大。
图3示出了本发明另一实施例的运算放大器300电路图。请参照图3，本实施例的运算放大器300与运算放大器100的最大不同处是在于动态电流供应电路301与动态电流供应电路107不同。在本实施例中，动态电流供应电路301包括第一晶体管Tr1与第二晶体管Tr2。其中，第一晶体管Tr1的栅极用以接收第二共模电位VPCOM、第一晶体管Tr1的漏极用以接收第一共模电位VNCOM，而第一晶体管Tr 1的源极则用以接收第一动态电流IMN。第二晶体管Tr2的栅极用以接收第一共模电位VNCOM、第二晶体管Tr2的漏极用以接收第二共模电位VPCOM，而第二晶体管Tr 2的源极则用以接收第二动态电流IMP。在本实施例中，第一晶体管Tr1由PMOS晶体管来实现，而第二晶体管Tr2由NMOS晶体管来实现。
图4示出了本实施例运算放大器300的输入信号Vin输出信号Vout、第一共模电位VNCOM、第二共模电位VPCOM、第一动态电流IMN，以及第二动态电流IMP相关的仿真波形图，其中纵轴分别代表电压(V)与电流(I)，而横轴代表时间(T)，且输出信号Vout包括未加入动态电流供应电路301时，运算放大器300的输出端OUT所输出的输出信号Vout_od，与加入动态电流供应电路301后，运算放大器300的输出端OUT所输出的输出信号Vout_nw。
请合并参照图3及图4，当运算放大器300的第一输入端IN1与第二输入端IN2各别所接收的输入信号Vin发生第一转态(亦即由低电位状态转向高电位状态)与第二转态(亦即由高电位状态转向低电位状态)时，此时因为第二共模电位VPCOM低于第一共模电位VNCOM，所以第一晶体管Tr 1与第二晶体管Tr2皆会导通，如此以致使运算放大器300的第一输入端IN1与第二输入端IN2的偏压电流会各别地增加第一动态电流IMN与第二动态电流IMP。在本实施例中，第一动态电流IMN与第二动态电流IMP各别由第一电流源I1与第二电流源I2所提供，且此第一电流源I1与此第二电流源I2具有定电流源特性或可变电流源特性。
故依据上述可知，第一晶体管Tr1与第二晶体管Tr2会在运算放大器300处于瞬时时导通，以对应的使第一输入端IN1与第二输入端IN2的偏压电流各别地增加第一动态电流IMN与第二动态电流IMP，藉此来提升运算放大器300内部回转率。而值得一提的是，因为本实施例动态电流供应电路301的第一晶体管Tr1与第二晶体管Tr2，无论在输入信号Vin发生第一转态或第二转态时皆会导通，故相较于动态电流供应电路107时，动态电流供应电路301会致使运算放大器300内部回转率比运算放大器100内部回转率来的快速，以使得运算放大器300的瞬时反应加更快而可以处理比运算放大器100更高频的信号。
再者，当运算放大器300处于稳态时，第一晶体管Tr1与第二晶体管Tr2即截止，以至于运算放大器300的第一输入端IN1与第二输入端IN2的偏压电流不会各别地接收第一动态电流IMN与第二动态电流IMP。如此，运算放大器300的极零点与增益频带积的位置也不会产生改变，所以运算放大器300的稳定度也可增加许多，且当运算放大器300处在稳态时的功率消耗也不会变大。
综上所述，本发明提供一种动态电流供应电路可以应用于现今的运算放大器中，其藉由利用两颗晶体管，以当运算放大器的第一输入端与第二输入端各别所接收的输入信号发生转态时(亦即运算放大器处在瞬时)，致使此两颗晶体管同步地或异步地的导通，如此以使运算放大器的第一输入端或/及第二输入端的偏压电流增加一个动态电流。藉此，本发明所提供的动态电流供应电路不但可以达到提升运算放大器内部回转率，且更可以使得运算放大器的瞬时反应加快而可以处理更高频的信号，再者当运算放大器处于稳态时的功率消耗也不会增加、同时间其稳定度也会提升。
虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明，任何熟习此技艺者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作些许的更动与润饰，因此本发明的保护范围当视本发明的申请专利范围所界定者为准。
Claims (16)
1.一种动态电流供应电路，适用于一运算放大器，其中，该运算放大器的一第一输入端与一第二输入端各别所接收的一输入信号与该运算放大器的一输出端所输出的一输出信号具有一第一共模电位与一第二共模电位，而该动态电流供应电路包括：
一第一晶体管，该第一晶体管的栅极用以接收该输出信号，该第一晶体管的漏极用以接收该第一共模电位，而该第一晶体管的源极则用以接收一第一动态电流；以及
一第二晶体管，该第二晶体管的栅极用以接收该输出信号，该第二晶体管的漏极用以接收该第二共模电位，而该第二晶体管的源极则用以接收一第二动态电流，
其中，当该第一输入端与该第二输入端各别所接收的该输入信号发生一第一转态时，该第一晶体管导通，而该第二晶体管截止，以致使该运算放大器的该第一输入端的一偏压电流增加该第一动态电流，
当该第一输入端与该第二输入端各别所接收的该输入信号发生一第二转态时，该第一晶体管截止，而该第二晶体管导通，以致使该运算放大器的该第二输入端的该偏压电流增加该第二动态电流，以及
当该第一输入端与该第二输入端各别所接收的该输入信号处于稳态时，该第一晶体管与该第二晶体管同时截止，以致使该运算放大器的该第一输入端与该第二输入端各别的该偏压电流不受该第一动态电流与该第二动态电流而增加。
2.如权利要求1所述的动态电流供应电路，其中，该第一转态包括由一低电位状态转向一高电位状态，而该第二转态包括由该高电位状态转向该低电位状态。
3.如权利要求1所述的动态电流供应电路，其中，该第一动态电流与该第二动态电流各别由一第一电流源与一第二电流源所提供，且该第一电流源与该第二电流源具有一定电流源特性或一可变电流源特性。
4.如权利要求1所述的动态电流供应电路，其中，该第一晶体管包括一PMOS晶体管，而该第二晶体管包括一NMOS晶体管。
5.一种动态电流供应电路，适用于一运算放大器，其中，该运算放大器的一第一输入端与一第二输入端各别所接收的一输入信号与该运算放大器的一输出端所输出的一输出信号具有一第一共模电位与一第二共模电位，而该动态电流供应电路包括：
一第一晶体管，该第一晶体管的栅极用以接收该第二共模电位，该第一晶体管的漏极用以接收该第一共模电位，而该第一晶体管的源极则用以接收一第一动态电流；以及
一第二晶体管，该第二晶体管的栅极用以接收该第一共模电位，该第二晶体管的漏极用以接收该第二共模电位，而该第二晶体管的源极则用以接收一第二动态电流，
其中，当该第一输入端与该第二输入端各别所接收的该输入信号发生一第一转态与一第二转态时，该第一晶体管与该第二晶体管皆导通，以致使该运算放大器的该第一输入端与该第二输入端的一偏压电流各别增加该第一动态电流与该第二动态电流；以及
当该第一输入端与该第二输入端各别所接收的该输入信号处于稳态时，该第一晶体管与该第二晶体管同时截止，以致使该运算放大器的该第一输入端与该第二输入端各别的该偏压电流不受该第一动态电流与该第二动态电流而增加。
6.如权利要求5所述的动态电流供应电路，其中，该第一转态包括由一低电位状态转向一高电位状态，而该第二转态包括由该高电位状态转向该低电位状态。
7.如权利要求5所述的动态电流供应电路，其中，该第一动态电流与该第二动态电流各别由一第一电流源与一第二电流源所提供，且该第一电流源与该第二电流源具有一定电流源特性或一可变电流源特性。
8.如权利要求5所述的动态电流供应电路，其中，该第一晶体管包括一PMOS晶体管，而该第二晶体管包括一NMOS晶体管。
9.一种运算放大器，其中，该运算放大器的一第一输入端与一第二输入端各别所接收的一输入信号与该运算放大器的一输出端所输出的一输出信号具有一第一共模电位与一第二共模电位，而该运算放大器包括：
一动态电流供应电路，包括：
一第一晶体管，该第一晶体管的栅极用以接收该输出信号，该第一晶体管的漏极用以接收该第一共模电位，而该第一晶体管的源极则用以接收一第一动态电流；以及
一第二晶体管，该第二晶体管的栅极用以接收该输出信号，该第二晶体管的漏极用以接收该第二共模电位，而该第二晶体管的源极则用以接收一第二动态电流，
其中，当该第一输入端与该第二输入端各别所接收的该输入信号发生一第一转态时，该第一晶体管导通，而该第二晶体管截止，以致使该运算放大器的该第一输入端的一偏压电流增加该第一动态电流，
当该第一输入端与该第二输入端各别所接收的该输入信号发生一第二转态时，该第一晶体管截止，而该第二晶体管导通，以致使该运算放大器的该第二输入端的该偏压电流增加该第二动态电流，以及
当该第一输入端与该第二输入端各别所接收的该输入信号处于稳态时，该第一晶体管与该第二晶体管同时截止，以致使该运算放大器的该第一输入端与该第二输入端各别的该偏压电流不受该第一动态电流与该第二动态电流而增加。
10.如权利要求9所述的运算放大器，其中，该第一转态包括由一低电位状态转向一高电位状态，而该第二转态包括由该高电位状态转向该低电位状态。
11.如权利要求9所述的运算放大器，其中，该第一动态电流与该第二动态电流各别由一第一电流源与一第二电流源所提供，且该第一电流源与该第二电流源具有一定电流源特性或一可变电流源特性。
12.如权利要求9所述的运算放大器，其中，该第一晶体管包括一PMOS晶体管，而该第二晶体管包括一NMOS晶体管。
13.一种运算放大器，其中，该运算放大器的一第一输入端与一第二输入端各别所接收的一输入信号与该运算放大器的一输出端所输出的一输出信号具有一第一共模电位与一第二共模电位，而该运算放大器包括：
一动态电流供应电路，包括：
一第一晶体管，该第一晶体管的栅极用以接收该第二共模电位，该第一晶体管的漏极用以接收该第一共模电位，而该第一晶体管的源极则用以接收一第一动态电流；以及
一第二晶体管，该第二晶体管的栅极用以接收该第一共模电位，该第二晶体管的漏极用以接收该第二共模电位，而该第二晶体管的源极则用以接收一第二动态电流，
其中，当该第一输入端与该第二输入端各别所接收的该输入信号发生一第一转态与一第二转态时，该第一晶体管与该第二晶体管皆导通，以致使该运算放大器的该第一输入端与该第二输入端的一偏压电流各别增加该第一动态电流与该第二动态电流；以及
当该第一输入端与该第二输入端各别所接收的该输入信号处于稳态时，该第一晶体管与该第二晶体管同时截止，以致使该运算放大器的该第一输入端与该第二输入端各别的该偏压电流不受该第一动态电流与该第二动态电流而增加。
14.如权利要求13所述的运算放大器，其中，该第一转态包括由一低电位状态转向一高电位状态，而该第二转态包括由该高电位状态转向该低电位状态。
15.如权利要求13所述的运算放大器，其中，该第一动态电流与该第二动态电流各别由一第一电流源与一第二电流源所提供，且该第一电流源与该第二电流源具有一定电流源特性或一可变电流源特性。
16.如权利要求13所述的运算放大器，其中，该第一晶体管包括一PMOS晶体管，而该第二晶体管包括一NMOS晶体管。
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- 2007-05-14 CN CN2007101025665A patent/CN101309070B/zh not_active Expired - Fee Related
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