TWI328341B

TWI328341B -

Info

Publication number: TWI328341B
Application number: TW095146107A
Authority: TW
Inventors: Wei Che Chiu
Original assignee: Richtek Technology Corp
Priority date: 2006-12-08
Filing date: 2006-12-08
Publication date: 2010-08-01
Also published as: US20080136523A1; US7701291B2; TW200826487A

Description

1328341 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（〇Perational Transconductance Amplifier; OTA)，特別疋關於一種改善 ,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100，其中差動輸入對 • 108受一電流源110提供偏壓電流II，NMOS電晶體Ml ίο 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102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 -15 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 = dip d(V+-V) 公式1 2〇在理想狀態下，OTA100的增益GM應維持定值，然而，實際上，隨著OTA100兩輸入電壓V+及V.的差值的增加，輸出電流1〇將趨於飽和，如圖2所示，也就是說ota 1 〇〇的增益GM將越來越小，即進入轉動率（slew rate)限制範 5 1328341 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1〇的變化量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，PM0S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 1328341 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，眾所周知，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Y+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 I2=K(Va+X-Y)2 公式 3. 以及通過PMOS電晶體的電流 2〇 I3=K(Va-Y)2 公式 4 若OTA200要維持增益gm為一定值，則表示d(I2 —I3)/dX 為常數，故(12-13)為χ的一次式，將.公式3減去公式4 可得 7 1328341 I2-I3=K(Va+X —Y)2 —K(Va-Y)2 公式 5 . 將公式5化簡後可得 ‘5 (12-I3)/K=X2+2X(Va-Y) 公式 6 根據前述，（12 —13)為X的一次式才能使OTA 200的增益 ❿ 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Vl=V-+Vs及V2=V++Vs 產生電流111及112合成偏壓電流Π，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12 8 1328341 及13 ’又轉導gmnl=gmp2且gmn2=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+—V_)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，輸入電麗V+及v_的差值較大時’需要較高的增益GM來加快反應〇圖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Π及18合成偏壓電流II，彳貞測電路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達到特疋條件時’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 1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。 20 為清楚顯示本發明與習知技術的差異，圖8係本發明 OTA200與習知〇TA 1〇〇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OTA200的輸入對輸出曲線，曲線3〇4則是習知OTA 100的輸入對輸出曲 9 1328341 線。從圖8可以明顯地看出本發明OTA 200的增益確實有改善。圖9顯示本發明ota 200與習知OTA 100之輪出負載上的電壓，其中，曲線306係應用圖7所示實施例的 • OTA200之輪出負載上的電壓，曲線3〇8係應用圖$所示，5實施例的OTA200之輸出負載上的電壓，曲線31〇則是習；知0TA 100之輸出負載上的電壓。從圖9可知，在發生負載暫態時，時間20us的位置，本發明的OTA 200反應較為快速。籲圖1〇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402，其中，可變電壓源 402隨著兩輸入電壓v+及v的差值χ改變共源極a點的偏壓VA為γ+(χ/2)，γ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，電壓癍404控制差動輸 -15入對共源極a點的偏壓Va，偵測電路4〇6偵測兩輸入電 -φ壓V+及ν·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4〇6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12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提高偏壓乂八的大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； 1328341 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的輸入對鲁輸出關係圖； ίο 圖9顯示本發明OTA 200與習知OTA 100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

102 104 106 20 108 110 200 202 2022 運算轉導放大器電流鏡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 1328341 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 10 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 偵測電路攀 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 1328341 406 偵測電路

Claims

1328341

、申請專利範圍：一種改善增益的運算轉導放大器，包括：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，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；以及一可變電流源，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 10 该可變偏壓電流分流產生一第一電流及一第二電流。 2. 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。 3. 如請求項1之運算轉導放大器，其中在該第一及第二輸 15 入電壓的差值達到一預設值時，改變該偏壓電流。 _ 4·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。 5· 一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因應一第一輸入電壓以及一第二 2〇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的和等於該偏疋電流，β亥差動輸入對具有一共渾極，其上的電壓變化里為δ亥第一及弟_一輸入電壓之間差值變化的一半。 14 1328341 6. 如請求項5之方法，其中該第一及第二輸入電壓的差值在達到一預設值時，改變該偏壓電流。 7. 如請求項5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。 5 8.如請求項5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。 9. 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 1〇一可變電壓源，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；其中，該偏壓隨該第一及第二輸入電壓之間的差值改〇 10·如請求項9之運算轉導放大器，其中該偏壓的變化量為 15 該差值變化量的二分之一。 _ 11.如請求項9之運算轉導放大器，更包括一偵測電路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。 12·如請求項9之運算轉導放大器，其中該差動輸入對根據 20 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值時改變該偏壓。 13·如請求項9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 15 1328341 • > 一第二電流’在該第一電流或第二電流達到一預設值時改變該偏壓。 .14.一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 5 =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大器的增益；以及根據該第一及第二輸入電壓的差值改變該偏壓。 15. 如請求項14之方法，其中該偏壓的變化量為該差值的 10 二分之一。 16. 如請求項14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。 17. 如請求項14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 15 流及一第二電流；以及 | 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。 18. 如請求項14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 20 流及一第二電流；以及 4貞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。