TW200826487A - Gain-improving operational transconductance amplifier and its improvement method thereof - Google Patents

Description

200826487 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明係有關一種運算轉導放大器（0perational Transconductance Amplifier; OTA)，特別是關於—種改善 5增益的運算轉導放大器及其改善方法。 【先前技術】 圖1係習知的運算轉導放大器1〇〇，其中差動輸入對 108受一電流源110提供偏壓電流II，電晶體Ml 10及M2分別受控於輸入電壓V-及電壓V+而導通電流12及 13 ’由PMOS電晶體M3及M4組成的電流鏡1〇2鏡射電 流12產生電流14，由PMOS電晶體M5及M6組成的電流 鏡104鏡射電流13產生電流15，由NMOS電晶體M7及 M8組成的電流鏡106鏡射電流14產生電流16，根據電流 I1 2 3 4 15及16的差值，運算轉導放大器1〇〇產生輸出電流1〇。 運算轉導放大器100具有增益

GM dlo d(V+- V_) 公式1 5 1 〇在理想狀態下，OTA 100的增益gm應維持定值，然而， 2 實際上，隨著OTA 100兩輸入電壓v+及v的差值的增加， 3 輸出電流1〇將趨於飽和，如圖2所示，也就是說OTA 100 4 的增盈GM將越來越小，即進入轉動率（siew rate)限制範 200826487 圍。這是因為OTA 100中的電流源110所供應的電流II 為定值，因此，當電流12及13的差值達到一定大小時， 同樣的電壓變化量d(V+—V_)所產生的電流變化量d(I2 — 13)將變小，進而使輸出電流Ιο的變化量dlo變小，故增 5 益GM將變小。是以，在某些需要快速反應的情況下，例 . 如負載暫態，OTA 100將因為轉動率受限而導致反應過慢。 • 因此，一種改善運算轉導放大器增益的方法，乃為所 ^ 冀。 /" 10【發明内容】 本發明的目的，在於提出一種改善增益的運算轉導放 大器及其改善方法。 根據本發明，一種改善增益的運算轉導放大器及其改 善方法包括一可變電流源或者可變電壓源連接一差動輸 15 入對，使該差動輸入對的偏壓電流因應該差動輸入對的差 動輸入大小而改變，因而改善該運算轉導放大器的增益及 、 輸出輸入特性曲線。 ^ 【實施方式】 20 圖3係本發明的第一實施例。運算轉導放大器200的 差動輸入對208受一可變電流源210提供一可變的偏壓電 流II，PMOS電晶體2082及2084分別因應輸入電壓V. 及V+導通電流12及13，由NMOS電晶體2042及2044組 成的電流鏡204鏡射電流12產生電流14，由NMOS電晶 6 200826487 體2062及2064組成的電流鏡206鏡射電流13產生電流 15，由PMOS電晶體2022及2024組成的電流鏡202鏡射 電流14產生電流15，根據電流15及16的差值產生輸出電 流1〇。其中，可變電流源210隨著兩輸入電壓V+及V-的 5 差值改變電流II的大小。 » 為清楚說明’將圖3中的局部放大如圖4所示，幕所 ； 周知，通過MOS電晶體的電流 ID=K(Vgs-Vtp)2 公式 2 10 其中，K為常數，Vgs為MOS電晶體閘源極之間的壓差，

Vtp為臨界電壓。假設節點a上的電壓為γ+vtp，電壓 V-=Va+X ’電壓V+=Va，在不考慮通道長度調節效應的情 況下，可得到通過PMOS電晶體2082的電流 15 公式3 公式4 I2=K(Va+X~Y)2 以及通過PMOS電晶體的電流 I3=K(Va-Y)2 右OTA2GG要維持增益GM為—定值，則表示 為常數’故(12-13)為χ的—次式，將公式3減去公式4 可得 7 200826487 I2-I3=K(Va+X-Y)2-K(Va-Y)2 公式 5 將公式5化簡後可得 (12 - I3)/K=X2+2X(Va- Υ) 公式 6 根據前述，（12 —13)為X的一次式才能使OTA 200的增益 GM為定值，故要消去X2項，因此可得 10 Y=const+(l/2)X 公式 7 其中，const表示常數。從公式7可知，當兩輸入電壓V_ 及V+之間的差值增加時，節點A上的電壓將增加該差值 15 的二分之一。 圖5顯示可變電流源210的第一實施例，其中NM0S 電晶體2102及2104分別根據電壓V1 = V>Vs及V2=V++Vs 產生電流111及112合成偏壓電流II，其中電壓Vs為一常 數，電流111及112的和等於電流II。假設PM0S電晶體 20 2082具有轉導gmpl，PM0S電晶體2084具有轉導gmp2, NM0S電晶體2102具有轉導gmnl，NM0S電晶體2104 具有轉導gmn2，令gmnl=gmp2，gmn2=gmpl，當輸入電 壓V-或V+改變時，電壓VI或V2也將隨著改變，而節點 A上的電壓也將跟著改變以平衡電流111及112與電流π 8 200826487 及13，又轉導gmnl=gmp2且gnin2=gmp卜因此當輸入電 壓V+及V_的差值改變時，節點a上電壓的變化量將為輸 入電壓V+及V-的差值之變化量的一半。 圖6係根據圖5所示電路所模擬的輸出電流1〇與輸入 5電壓差值(v+一ν·)的關係圖，其中輸出電流1〇與輸入電壓 • 差值(V+ —V-)具有線性關係，其增益GM為定值。 . 在某些情況下，例如負載暫態，輸入電壓V+及V-的 •差值較大時，需要較高的增益GM來加快反應。圖7係可 ’ 變電流源210的第二實施例，其包括電流源2106及2108 1〇分別供應電流17及18合成偏壓電流Π，偵測電路2109 偵測輸入電壓V+及V-或電流12及13來控制電流源2108。 在此實施例中，只有在輸入電壓V+及V-或電流12及13達 到特定條件時，例如，當輸入電壓V+及V_的差值達到一 定大小時，或者電流12及13的差值達到一定大小時，或 15者電流12及13其中之一小於一定大小時，電流源2108才 被偵測電路2109致能以產生電流18至節點A，藉以提高 ' 增益GM，電流18將隨著輸入電壓V+及V_的差值或電流 12及13的差值之絕對值變大而增大。此實施例可達成爆 發性增益的應用。 2〇 為清楚顯示本發明與習知技術的差異，圖8係本發明 OTA200與習知OTA 100的輸入對輸出關係圖，其中，曲 線300係應用圖7所示實施例的OTA200的輸入對輸出曲 線，曲線302係應用圖5所示實施例的OTA 200的輸入對 輸出曲線，曲線304則是習知OTA 100的輸入對輸出曲 9 200826487 線。從圖8可以明顯地看出本發明〇TA 200的增益確實有 改善。圖9顯示本發明OTA 200與習知ota 100之輸出負 載上的電壓，其中，曲線306係應用圖7所示實施例的 OTA200之輸出負载上的電壓，曲線308係應用圖5所示 5實施例的〇TA20〇之輸出負載上的電壓，曲線310則是習 知OTA 100之輸出負载上的電壓。從圖9可知，在發生負 載暫態時，時間20us的位置，本發明的〇TA 2〇〇反應較 為快速。 圖10係本發明的第二實施例。運算轉導放大器的差 1〇動輸入對208連接一可變電壓源4〇2，其中，可變電壓源 402隨著兩輸入電壓V+及汄的差值χ改變共源極A點的 偏壓VA為Y+(X/2)，Y為常數。此實施例的運算轉導放大 器具有穩定的增益GM。 圖11係一個變化的實施例，電壓源404控制差動輸 I5入對共源極Α點的偏壓Va，偵測電路4〇6偵測兩輸入電 ^壓V+及V·之間差值、電流12及13之間的差值或者電流12 或13的值產生信號S2給電壓源406以改變偏壓Va的大 小，例如，在兩輸入電壓V+及V_之間差值或電流^及13 之間的差值達到一定大小時，或者電流12或13其中之一 2〇小於一定大小時，電壓源404提高偏壓Va的大小。此實 施例可以達成爆發性增益的應用。 【圖式簡單說明】 圖1係習知的運算轉導放大器； 200826487 圖2顯示圖1運算轉導放大器的輸入對輸出關係圖； 圖3係本發明的第一實施例； 圖4係圖3的局部放大圖； 圖5顯示可變電流源210的第一實施例； 5 圖6係根據圖5所示電路所模擬的輸出電流1〇與輸入 電壓差值(V+—V_)的關係圖； 圖7係可變電流源210的第二實施例； 圖8係顯示本發明OTA 200與習知OTA 100的輸入對 輸出關係圖； 10 圖9顯示本發明OTA200與習知OTA100之輸出負載 上的電壓； 圖10係本發明的第二實施例；以及 圖11係圖10的變化實施例。 15【主要元件符號說明】 100 運算轉導放大器 電流鏡 102 104 106 2〇 108 110 200 202 2022 電流鏡 電流鏡 差動輸入對 電流源 運算轉導放大器 電流鏡 PMOS電晶體 11 200826487 2042 PMOS電晶體 204 電流鏡 2042 NMOS電晶體 2044 NMOS電晶體 5 206 電流鏡 . 2062 NMOS電晶體 2064 NMOS電晶體 208 差動輸入對 2082 PMOS電晶體 ίο 2084 PMOS電晶體 210 可變電流源 2102 NMOS電晶體 2104 NMOS電晶體 2106 電流源 15 2108 電流源 2109 偵測電路 300 OTA的輸入對輸出曲線 302 OTA的輸入對輸出曲線 304 OTA的輸入對輸出曲線 20 306 OTA之輸出負載上的電壓 308 OTA之輸出負載上的電壓 310 OTA之輸出負載上的電壓 402 可變電壓源 404 可變電壓源 12 200826487 406 偵測電路

Claims (1)

1. 200826487 十、申請專利範圍： 1. 一種改善增益的運算轉導放大器，包括： 一差動輸入對，分別受控於一第一輸入電壓以及一第 二輸入電壓；以及 5 —可變電流源，供應一可變的偏壓電流給該差動輸入 對，以改變該運算轉導放大器的增益； 其中，該差動輸入對因應該第一及第二輸入電壓而將 該可變偏壓電流分流產生一第一電流及一第二電 流。 10 2·如請求項1之運算轉導放大器，其中該差動輸入對具有 一共源極，其上電壓的變化量為該第一及第二輸入電壓 之間差值變化量的一半。 3·如請求項1之運算轉導放大器，其中在該第一及第二電 流的差值達到一預設值時，改變該偏壓電流。 15 4·如請求項1之運算轉導放大器，其中在該第一及第二輸 入電壓的差值達到一預設值時，改變該偏壓電流。 5·如請求項1之運算轉導放大器，其中在該第一電流或第 二電流達到一預設值時，改變該偏壓電流。 6· —種改善運算轉導放大器增益的方法，該運算轉導放大 20 器包含一差動輸入對因應一第一輸入電壓以及一第二 輸入電壓產生一第一電流及一第二電流，該方法包括提 供一可變的偏壓電流給該差動輸入對，以改變該運算轉 導放大器的增益，其中該第一及第二電流等於該偏壓電 200826487 7. 如請求項6之方法，其中該差動輸入對具有一共源極， 其上的電壓變化量為該第一及第二輸入電壓之間差值 變化的一半。 8. 如請求項6之方法，其中該第一及第二輸入電壓的差值 5 在達到一預設值時，改變該偏壓電流。 9·如請求項6之方法，其中該第一及第二電流的差值在達 到一預設值時，改變該偏壓電流。 10.如請求項6之方法，其中該第一或第二電流達到一預設 值時，改變該偏壓電流。 ίο 11.一種改善增益的運算轉導放大器，包括： 一差動輸入對，具有一第一輸入連接一第一輸入電壓 以及一第二輸入連接一第二輸入電壓；以及 一可變電壓源，供應一可變的偏壓給該差動輸入對， 以改變該運算轉導放大器的增益。 15 12.如請求項11之運算轉導放大器，其中該偏壓隨該第一 及第二輸入電壓之間的差值改變。 13·如請求項12之運算轉導放大器，其中該偏壓的變化量 為該差值變化量的二分之一。 14.如請求項11之運算轉導放大器，更包括一偵測電路偵 20 測該第一及第二電壓的差值，在該差值違到一預設值時 改變該偏壓。 15·如請求項11之運算轉導放大器，其中該差動輸入對根 據該第一及第二輸入電壓以及該偏壓產生一第一電流 及一第二電流，在該第一及第二電流的差值達到一預設 15 200826487 值時改變該偏壓。 16. 如請求項11之運算轉導放大器，其中該差動輸入對根 據該第一及第二輸入電壓以及該偏壓產生一第一電流 及一第二電流，在該第一電流或第二電流達到一預設值 5 時改變該偏壓。 17. —種改善運算轉導放大器增益的方法，該運算轉導放大 器包含一差動輸入對具有一第一輸入連接一第一輸入 電壓及一第二輸入連接一第二輸入電壓，該方法包括提 供一可變的偏壓給該差動輸入對，以改變該運算轉導放 10 大器的增益。 18. 如請求項17之方法，更包括根據該第一及第二輸入電 壓的差值改變該偏壓。 19. 如請求項18之方法，其中該偏壓的變化量為該差值的 二分之一。 15 20.如請求項17之方法，更包括偵測該第一及第二電壓的 差值，在該差值達到一預設值時改變該偏壓。 21. 如請求項17之方法，更包括： 根據該第一及第二輸入電壓以及該偏壓產生一第一電 流及一第二電流；以及 20 偵測該第一及第二電流的差值，在該差值達到一預設 值時改變該偏壓。 22. 如請求項17之方法，更包括： 根據該第一及第二輸入電壓以及該偏壓產生一第一電 流及一第二電流；以及 200826487 偵測該第一電流或第二電流，在該第一電流或第二電 流達到一預設值時改變該偏壓。 17