[发明专利]可编程输出摆率的运算放大器

说明书

技术领域

本发明涉及电子器件，尤其涉及其中的运算放大器，具体讲,涉及可编程输出摆率的运算放大器。

背景技术

运算放大器在实际电路设计中应用极为广泛，通常结合反馈网络共同组成某种功能模块，它是一种带有特殊耦合电路及反馈的放大器。在音、视频信号的采集、处理以及通信系统的应用，要求运放单位增益带宽大、压摆率高、建立时间短。近年来，随着电路系统后端组件的性能显著提升，位居信号链前端的运放为了与之相匹配，避免拖累信号链的整体性能，越来越倾向于向高速化的方向发展，高压摆率是高速运放的主要特征之一。同时目前随着SOC(System On Chip)的集成度与性能的不断发展，对芯片的功耗要求越来越高，电路中的电流过高会使产品的寿命和可靠性降低。一般来说，压摆率高的运放，其工作电流也越大，即耗电也越大。

在高速运放设计过程中，大信号快速充放电特性便成为了一个必须重点考虑的关键因素，其衡量指标称之为摆率(Slew-Rate，SR)。通常运放的摆率受限于负载电容大小C_L以及运放所能提供的最大充放电电流大小I_max：

因此在实际设计过程中在负载固定的情况下输出摆率越高的运放则要求电路的最大充放电电流越大，运放对负载的最大充放电电流通常为运放的偏置电流，其大小主要决定了运放的工作电流，即运放整体功耗。在传统的运放设计过程中提供偏至电流的MOS参数通常设定之后便不可改变，即其提供的最大充放电电流为固定值，不可根据实际需求进行调节，过小的电流会导致运放速度过低，过大的电流会导致功耗过高。对于需要不同充放电电流的运放需要对其内部参数进行重新设计，运放的通用性和灵活性较低。为提高运放对负载冲放电能力的灵活性，本文基于传统运放设计了一种可编程摆率的运放设计，可根据实际驱动能力以及系统速度需求进行自主调节。

参考文献：

1、《大电容负载下的高速、低功耗动态摆率增强电路研究》叶珍华，杨海钢，李凡阳，程小燕，尹韬，刘飞；微电子学与计算机，2012年第29卷第12期。

2、Phillip E.A，Douglas R.H.CMOS Analog Circuit Design[M].New York：OXRORD UNIVERSITY PRESS，2011。

发明内容

为克服现有技术的不足，本发明旨在通过对运放的偏置电流编程可调实现其可编程摆率设计，提高运放的灵活性和通用性。本发明采用的技术方案是，可编程输出摆率的运算放大器，可编程输出摆率的运算放大器，由放大三极管及偏置电路构成，偏置电路中偏置MOS管采用多个MOS管实现，每个MOS管的导通与否取决于其控制开关，不同开关导通组合实现总的偏置电流的改变从而实现运放输出摆率的可编程变化。

输出阶跃响应为：

式中，u(t)为单位阶跃信号，V₀为输入阶跃信号的幅值，A为运放的开环增益，R_out为运放输出电阻，R₁和R₂为串接在运放输出端与地之间的电阻，C_L为负载。

本发明的特点及有益效果是：

运算放大器在实际电路设计中应用极为广泛，通常结合反馈网络共同组成某种功能模块，在大信号处理电路中，对摆率的要求均比较高，传统的运放输出摆率均为固定值，运用的场合变化时需要对运放进行重新设计，灵活性较低，本文设计的可编程输出摆率运放可实现运放摆率编程可调，根据实际应用情况并结合功耗的要求选择摆率的大小，具有很强的灵活性和通用性。

附图说明：

图1典型运放应用电路。

图2CMOS运放整体应用电路。

图3可编程开关设计。

图4整体可编程输出摆率的运放设计。

具体实施方式

本发明通过改进传统运算放大器，实现运放输出压摆率编程可调，提高运放使用的通用性和灵活性，可以根据实际应用中对运放功耗和速度的需求进行编码设置。

反馈电路中使用的运放会表现出一种“转换”的大信号特性，图1为典型带有反馈网络的运放应用电路结构，R₁和R₂组成反馈网络，C_L为负载，对于小的阶跃输入信号，其输出阶跃响应为：

式中，u(t)为单位阶跃信号，V₀为输入阶跃信号的幅值，A为运放的开环增益，R_out为运放输出电阻。上式表明输出信号的摆率正比于输出的最终值，这种响应类型称为线性稳定，主要原因为输入阶跃信号较小，运放还没有表现出“转换”的大信号特性。当输入的幅值增加，实际运放电路的阶跃响应开始偏离式(2)，对于大的输入阶跃信号，输出表现出不变斜率的线性斜坡。图2为用CMOS运放电路代替图1中的运放模型的整体电路，当输入阶跃信号较小时图中各MOS管工作在饱和区，可以正常实现信号的放大，当输入信号增大到使的M₁吸收I_SS的全部电流，因而关断M₂，结果产生斜率等于I_SS/C_L的斜坡输出。只要M₂维持关断，反馈环路就被断开，因此，对C_L的充电电流是保持不变的，而且该电流与输入电平的高低无关，即输出信号的摆率始终为I_SS/C_L。偏置电流I_SS同时决定了整个运放的功耗，因此电路需要获得较大的输出摆率则其运放整体功耗会较大，在处理大信号的高速电路中需要着重考虑信号的输出摆率。由摆率公式可得在负载固定时输出摆率的大小主要由运放的偏置电流决定，因此可以通过改变运放的偏置电流改变运放的输出摆率。通常运放的偏置电流是由基准电流源经过镜像后得到的，可以通过编程可控改变运放的偏置电流从而实现可编程输出摆率的运放设计，图3为采用开关实现可编程偏置电流方法。采用开关控制将偏置MOS管分别采用多个MOS管实现，每个MOS管的导通与否取决于其控制开关，不同开关导通组合实现总的偏置电流的改变从而实现运放输出摆率的可编程变化。图4为整体可编程输出摆率的运放设计，开关采用简单的MOS管实现，整个电路的设计实现了运放输出摆率可编程变化。