[发明专利]基于内部电流反相的轨到轨运算放大器

说明书

技术领域

本发明涉及集成电路技术领域，特别是涉及一种基于内部电流反相的轨到轨运算放大器。

背景技术

近年来，随着集成电路制作工艺特征尺寸的减小，其使用的电源电压逐步下降，但是器件阈值电压并没有相应减小，运算放大器的共模输入/输出范围越来越窄，难以满足现阶段的需求。同时，在便携式电子设备、红外焦平面读出电路、LED驱动电路、平板显示器控制电路等领域对集成电路运算放大器的低功耗、高效率、高速率等特性要求越来越迫切，成为众多设计者研究的目标。

轨到轨运算放大器(rail-to-rail operational amplifier)可以实现从电源高电位到地低电位的共模输入、输出范围，一般采用互补差动输入对管来实现输出级的轨到轨输入，采用共源单级放大器实现输出级的轨到轨输出。但是，互补差动输入管跨导的变化对频率的补偿带来很大困难，并会导致系统工作不稳定；另外，增益随跨导变化而变化，还会引入额外的谐波失真。共源单级放大器输入共模电平范围较小，且难以调节，其静态功耗较高，工作效率较低。

为了解决上述问题，轨到轨输入电路须保持输入跨导的恒定，常用的解决方案主要包括1:3电流镜电路、衬底驱动电路、浮栅电路等，这些方案均会增大电路的功耗，降低了工作速率。轨到轨输出电路可以通过采用甲乙类(Class AB)输出级有效提高工作效率，降低静态功耗，但是同时其输出信号线性度较低，工作速率难以提高。

如图1所示，是现有技术中一种工作在亚阈值状态下的恒跨导轨到轨输入级电路结构。亚阈值状态下MOS管的跨导和其电流成正比，当输入共模电压上行到PMOS差动对停止工作时，M9、M8和M7组成的电流补偿电路开始工作，将M5中的电流镜像到NMOS差动对中，保持输入电路总工作电流不变，从而保持输入级的跨导恒定。当输入共模电压下行到NMOS差动对停止工作时，其工作原理与共模电压上行相似。该电路镜像电路对电流的复制精度较低，特别是对窄沟道的MOS管，由于沟道长度调制效应影响比较大，镜像电路的复制电流受到MOS管漏极电压的影响特别明显，严重降低了电流镜的复制精度。同时，互补差动对管的工作电流由M5和M6通过镜像电路获得，其对电流的控制较低，跨导变化也非常大。

如图2所示，是现有技术中一种使用了甲乙类输出级电路的轨到轨运算放大器。该运放使用甲乙类输出级作为运放的输出级，可以实现该运算放大器的轨到轨输出，工作效率较高；并且甲乙类输出级检测折叠共源共栅运放的信号电流，便于实现，期控制精度较高。该电路的缺点主要表现在以下两个方面：一、轨到轨输入级电路跨导变化很到，谐波失真较高；二、甲乙类输出级输出信号在接近电源和地部分的线性度降低明显，严重影响轨到轨输入及输出的使用。

发明内容

基于此，本发明提供一种基于内部电流反相的轨到轨运算放大器，具有轨到轨输入及轨到轨输出的优点，且其工作效率和输出信号线性度较高，功耗较低，满足现阶段低电源电压对较大共模电平范围的要求。

一种基于内部电流反相的轨到轨运算放大器，包括：轨到轨输入级电路、电流反相电路、甲乙类输出级电路、电流镜镜像电路、上行电流补偿电路和下行电流补偿电路；

所述电流镜镜像电路与所述轨到轨输入级电路、电流反相电路和甲乙类输出级电路依次连接；所述电流镜镜像电路还分别与所述电流反相电路和甲乙类输出级电路连接；所述上行电流补偿电路分别与所述轨到轨输入级电路和所述甲乙类输出级电路连接；所述下行电流补偿电路分别与所述轨到轨输入级电路和所述甲乙类输出级电路连接；

所述电流镜镜像电路用于为所述轨到轨输入级电路、电流反相电路和甲乙类输出级电路提供偏置电流；所述电流反相电路用于将所述轨到轨输入级电路的输出电流信号经过反相处理后提供给所述甲乙类输出级电路，所述上行电流补偿电路和下行电流补偿电路分别用于补偿输入共模电平上行或是下行时输入互补差动对管工作电流的减少，所述上行电流补偿电路和下行电流补偿电路还用于补偿所述甲乙类输出级的工作电流。

上述基于内部电流反相的轨到轨运算放大器，轨到轨输入级电路、电流反相电路、甲乙类输出级电路由电流镜镜像电路提供偏置电流，电流反相电路将轨到轨输入级电路的输出电流信号经过反相处理后提供给甲乙类输出级电路，通过上行电流补偿电路和下行电流补偿电路补偿输入共模电平上行或是下行时输入互补差动对管工作电流的减少，从而保持工作电流的不变，维持输入总跨导的恒定；并通过上行电流补偿电路和下行电流补偿电路补偿甲乙类输出级的工作电流，提高甲乙类输出级电路输出信号的线性度，降低谐波失真。

附图说明