[发明专利]可降低耗电量的轨对轨运算放大器

说明书

技术领域

本发明是指一种可降低耗电量的轨对轨运算放大器，尤指一种通过调整 补偿电容的偏压，以降低耗电量的轨对轨运算放大器。

背景技术

随着半导体技术的进步，集成电路的操作电压也越来越低。因此，在设 计模拟电路时，常会发生运算放大器的输入和输出共模电压不足的问题。为 了解决此问题，运算放大器需具备有轨对轨(Rail-to-Rail)输入及输出的共 模电压范围。

一般来说，传统运算放大器通常为两级结构的放大器，其包含有第一级 放大电路(放大级)以及第二级输出电路(输出级)。传统运算放大器中的第一 级放大电路用来提高运算放大器的增益，而第二级输出电路则用来推动运算 放大器所连接的电容性或是电阻性负载。此外，传统运算放大器具有回路稳 定度不足的问题，因此已知运算放大器通过米勒补偿(Miller Compensation) 电容进行频率补偿，以达到稳定回路的效果。

请参考图1，图1为已知运算放大器10的示意图。运算放大器10是轨 对轨运算放大器，包含有放大级电路11、输出级电路12及补偿电路13，用 来通过正输入端VP接收输入信号，以及通过输出端VOUT输出放大信号并反 馈至负输入端VN。放大级电路11由第一差动对110、第二差动对120、第一 电流镜130、第二电流镜140及第三电流镜150所组成。第一差动对110由 一对互相匹配的N型金属氧化物半导体晶体管(NMOS)MN1、MN2及一电流源I1 所组成。电流源I1耦接于晶体管MN1、MN2的源极，用来提供第一差动对110 的静态电流。同样地，第二差动对120由一对互相匹配的P型金属氧化物半 导体晶体管(PMOS)MP1、MP2及一电流源I2所组成。电流源I2耦接于晶体管 MP1、MP2的源极，用来提供第二差动对120的静态电流。第一电流镜130由 PMOS晶体管MP3、MP4、MP5及MP6所组成。第二电流镜140由NMOS晶体管 MN3、MN4、MN5及MN6所组成。晶体管MP5、MP6、MN5及MN6的栅极皆耦接 于偏压VB。第一电流镜130及第二电流镜140用来作为第一差动对110及第 二差动对120的主动负载。第三电流镜150以电流源I3及I4表示，用来将 第一差动对110及第二差动对120的输出信号迭加并输出至输出级电路12。 上述的电流镜工作原理为本领域技术人员所熟知，在此不赘述。

输出级电路12是PMOS晶体管MP7及NMOS晶体管MN7所组成的AB类推 挽式输出电路。晶体管MP7的栅极与放大级电路11耦接于节点E，晶体管MN7 的栅极与放大级电路11耦接于节点F。补偿电路13耦接于放大级电路11及 输出级电路12之间，由开关S1～S4及补偿电容CM1、CM2所组成。开关S1、 S2及补偿电容CM1耦接于节点A，开关S1与放大级电路11耦接于节点B。 开关S3、S4及补偿电容CM2耦接于节点C，开关S3与放大级电路11耦接于 节点D。运算放大器10根据补偿电路13中开关S1～S4的切换操作，对补偿 电容CM1及CM2进行充放电，以达到稳定回路的效果。当运算放大器10的输 入信号由高电位转换至低电位，或由低电位转换至高电位时，开关S1及S3 关闭且开关S2及S4导通，放大级电路11产生的放大信号不经过补偿电容 CM1及CM2。当运算放大器10的输入信号到达稳态时，开关S1及S3导通且 开关S2及S4关闭，放大级电路11产生的放大信号经过补偿电容CM1及CM2 进行频率补偿。

值得注意的是，当开关S1及S3关闭且开关S2及S4导通时，节点A接 到电源端VDD，节点C接到地端GND。在此情形下，节点A的电压不等于节点 B于稳态时的电压，且节点C的电压不等于节点D于稳态时的电压。当运算 放大器10的输入信号到达稳态，开关S1导通时，节点A与节点B会进行电 荷分享。如此一来，节点B的电压将大于其稳态电压而必须进行放电。同样 地，当运算放大器10的输入信号到达稳态，开关S3导通时，节点C与节点 D会进行电荷分享。如此一来，节点D的电压将小于其稳态电压而必须进行 充电。换言之，节点B及节点D的充放电效应将会增加晶体管MP6及MN6的 耗电流。