[发明专利]一种输入共模电压不受供电电压限制的运算放大器

说明书

本发明涉及一种输入共模电压不受供电电压限制的运算放大器，采用了在输入端加入开关网络将输入两端的差模信号搬移到高频，然后通过电容耦合的方式将运放输入两端的差模信号耦合到电平为VCM的共模电压信号上，最后再通过一次开关网络将输入两端的差模信号搬移到低频，即通过两组开关网络对有用信号进行调制和解调，使得运放A1的输入端只对整个运算放大器系统的差模信号进行放大，而共模信号不用受到限制。本发明采用开关网络电路，对信号调制与解调以及电容耦合高频信号的思想，实现运算放大器的输入共模电平与其供电电源无关，共模电平可以不受芯片供电电源电压影响，简化了输入管结构，降低了电路设计的复杂程度。

技术领域

本发明属于CMOS工艺集成电路领域，涉及一种输入共模电压不受供电电压限制的运算放大器，具体为一种可实现运算放大器的输入共模电压与其供电电压无关的电路。

背景技术

运算放大器(简称运放)是模拟和混合信号电路的基本模块，其应用已经延伸到医疗电子、安防产品、通信设备等各个领域。商用运放芯片的关键指标多达十余种，例如噪声、功耗、增益、带宽、转换速率、共模抑制比、电源抑制比等。

如图1所示，对于传统的运算放大器，其有输入端口-IN和+IN，输出端口OUT，供电端+V_S和-V_S。如图2所示，传统的运算放大器由输入差分对管N型MOS管和P型MOS管、负载级以及输出级组成，其中的输入差分对管采用了P型MOS管的供电电压为运算放大器的电源，负载级以及输出级的供电端也为+V_S和-V_S，其负向输入端-IN和正向输入端+IN的电压范围被严格限制在供电段+V_S和-V_S之内，此种限制会使得运算放大器的只能使用在共模输入电压在其供电电压范围内的应用，而在一些需要运算放大器共模电压可以比电源电压高的高端电流采样的应用电路中受限。

如图3所示为通用的采样放大应用电路，该应用电路包括运算放大器A1、电阻R11、电阻R22、电阻R33、电阻R44以及电阻RS，其中运算放大器A1、电阻R11、电阻R22、电阻R33以及电阻R44构成了闭环增益为G的放大电路，该电路的基本工作原理为：电流Isence流过采样电阻RS产生电压差，运算放大器A1、电阻R11、电阻R22、电阻R33以及电阻R44构成闭环放大电路将该电压差放大G倍而输出到运算放大器的输出，从而实现了采样放大的功能，运算放大器输出端的输出电压会被后级MCU进行处理分析，MCU的供电电压一般为5V，所以运放的供电电压一般也会被选在5V，此种做法既可以节省功耗，又可以保证运放的输出端不会出现一个异常高压损坏后级电路。对于图2所示的放大电路，若采用传统的运算放大器，其共模输入端被严格限制在供电电压范围内，则Vincm的电压也会被严格限制在运算放大器的供电电压范围内。

如图4所示为传统的实现运算放大器的输入共模电压与电源电压无关的方式，其由P型MOS管和N型MOS管、负载级、输出级以及驱动转换级组成，输入端的差分对管也是采用P型MOS管和N型MOS管，但P型MOS管的尾电流电源电压和负载级的电源电压为VCMP，VCMP由正向输入端+IN、负向输入端-IN以及电源电压+V_S经过驱动转换电路进行选择和转换，正向输入端电压+IN和负向输入端电压-IN的共模电压VCM与电源电压产生的3*Vgs电压做比较进行电压VCMP的转换，其中Vgs为MOS管的栅源电压。当VCM3*Vgs时，VCMP＝3*Vgs，当VCM3*Vgs时，VCMP＝VCM。通过此种电源转换的方式实现运算的输入共模电压与供电电源无关。该结构依然需要N型MOS和P型MOS管做为差分对，而且需要对负载级的电压进行转换，增加了电路设计难度和复杂度。

因此，如何设计一种结构简单以及消耗更小电路资源实现运算放大器的共模输入电压与电源电压无关，使得运放的输入端可以“自由”的去接入共模电平，一直是一个难点。

发明内容

要解决的技术问题