TWI418142B - Operational Amplifier - Google Patents

Description

運算放大器

本發明涉及類比電路，更具體地，本發明涉及運算放大器。

運算放大器在許多類比電路中均獲得了廣泛的應用。在許多應用場合，要求運算放大器具有較寬的帶寬，較高的轉換速率，並能在約1.8伏特至8伏特的工作電壓範圍內進行軌對軌工作。軌對軌運算放大器相比於一般運算放大器來說，擴大了動態範圍，最大限度地提高了放大器的整體性能。在低電源電壓和單電源電壓下，軌對軌運算放大器可以有寬的輸入共模電壓範圍和輸出擺幅。軌對軌輸入，可以獲得零交越失真，適合驅動ADC，而不會造成差動線性衰減，實現高精密度應用。

本發明的目的是提供一種軌對軌運算放大器，可以具有更寬的帶寬，更高的轉換速率。

本發明的目的通過下述技術方案來實現：一種運算放大器，所述運算放大器包括：電源端；接地端；輸入級，所述輸入級使所述運算放大器進行軌對軌工作；中間級，所述中間級連接至所述輸入級；以及輸出級，所述輸出級連接至所述中間級。

其中，所述輸入級包括：第一輸入埠以及第二輸入埠；第一輸出埠以及第二輸出埠；第一輸入NPN電晶體，所述第一輸入NPN電晶體包括基極、集極以及射極且所述基極連接至所述第一輸入埠，所述集極連接至所述電源端；第一輸入PNP電晶體，所述第一輸入PNP電晶體包括基極、集極以及射極且所述基極連接至所述第一輸入埠，所述集極連接至所述第二輸出埠；第二輸入NPN電晶體，所述第二輸入NPN電晶體包括基極、集極以及射極且所述基極連接至所述第二輸入埠，所述集極連接至所述電源端；以及第二輸入PNP電晶體，所述第二輸入PNP電晶體包括基極、集極以及射極且所述基極連接至所述第二輸入埠，所述集極連接至所述第一輸出埠。

其中，所述中間級包括：第一中間級輸入NPN電晶體，所述第一中間級輸入NPN電晶體包括基極、集極以及射極且所述射極連接至所述第一輸出埠；第二中間級輸入NPN電晶體，所述第二中間級輸入NPN電晶體包括基極、集極以及射極且所述基極連接至所述第一中間級輸入NPN電晶體的基極，所述射極連接至所述第二輸出埠；第一節點，第二節點以及第三節點；第一AB類緩衝器，所述第一AB類緩衝器將所述第一中間級輸入NPN電晶體的集極連接至所述第一節點；第二AB類緩衝器，所述第二AB類緩衝器將所述第二中間級輸入NPN電晶體的集極連接至所述第二節點；第一電阻器，所述第一電阻器具有第一埠和第二埠且所述第一埠連接至所述第一節點，所述第二埠連接至所述第三節點；以及第二電阻器，所述第二電阻器具有第一埠和第二埠且所述第一埠連接至所述第二節點，所述第二埠連接至所述第三節點。

其中，所述輸出級包括：輸出埠；輸出級PNP驅動電晶體，所述輸出級PNP驅動電晶體包括基極、集極以及射極且所述射極連接至所述電源端，所述基極連接至所述第一AB類緩衝器的第一NPN電晶體的集極，所述集極連接至所述輸出埠；輸出級NPN驅動電晶體，所述輸出級NPN驅動電晶體包括基極、集極以及射極且所述射極連接至所述接地端，所述基極連接至所述第一AB類緩衝器的第二PNP電晶體的集極，所述集極連接至所述輸出埠；第一輸出級PNP電晶體，所述第一輸出級PNP電晶體包括基極、集極以及射極且所述射極連接至所述電源端，所述集極連接至所述第一AB類緩衝器的第一NPN電晶體的集極；第二輸出級PNP電晶體，所述第二輸出級PNP電晶體包括基極、集極以及射極且所述射極連接至所述第一AB類緩衝器的第一NPN電晶體的集極，所述集極連接至所述第一AB類緩衝器的第二PNP電晶體的集極；第一輸出級NPN電晶體，所述第一輸出級NPN電晶體包括基極、集極以及射極且所述射極連接至所述接地端，所述集極連接至所述第一AB類緩衝器的第二PNP電晶體的集極；以及第二輸出級NPN電晶體，所述第二輸出級NPN電晶體包括基極、集極以及射極且所述射極連接至所述第一AB類緩衝器的第二PNP電晶體的集極，所述集極連接至所述第一AB類緩衝器的第一NPN電晶體的集極。

本發明採用上述結構，提高了運算放大器的動態工作範圍和帶寬，以及轉換速率，使之應用範圍更廣泛。

這裏將參考本發明較佳實施例的具體細節，結合附圖對其實例進行描述。當本發明使用較佳實施例進行描述時，應該理解本發明不僅局限於實施例描述的內容。相反，本發明旨在覆蓋申請專利範圍所定義的屬於本發明精神和範圍內的替換、改型和等同物。此外，在下述的本發明的詳細說明書中描述了大量的具體細節，旨在促進對本發明的深入而全面的理解。當然，本領域的普通技術人員應能很清楚，本發明可以脫離其中某些具體細節而實施。另外，為了使本發明的主題清晰，並未對所涉及到的本領域公知的方法、流程、元件和電路進行具體描述。

圖1、圖2和圖3示出了根據本發明一個實施例的軌對軌運算放大器電路圖。其中，圖1中的埠102和104為運算放大器的輸入埠，圖3中的埠106為運算放大器的輸出埠。埠102和104中的一個被指定為同相輸入埠，另一個則被指定為反相輸入埠。在圖1、圖2和圖3所示的具體實施例中，輸入埠102為同相輸入埠，而輸入埠104為反相輸入埠。

圖1、圖2和圖3分別示出了一個具體實施例的一部分，它們共同組成一個實施例。圖1、圖2和圖3之間通過字母“A”、“B”、“C”和“D”表示電氣連接關係。如圖1中的節點“A”和圖2中的“A”點連接，圖1中的“B”和圖2中的“B”點連接，依此類推。

圖1所示電路可被視為運算放大器的輸入級或者輸入級的一部分。該電路作為軌對軌跨導放大器，將輸入埠102和104間的差分電壓轉換為節點A和節點B間的差分電流。

圖1中的電路包含差分對電晶體108和110以及差分對電晶體112和114。輸入埠102連接至NPN電晶體108和PNP電晶體114的基極，而輸入埠104則連接至NPN電晶體110和PNP電晶體112的基極。NPN電晶體108和110的集極均連接至電源端116(V_CC )，它們形成電壓跟隨器，分別使得電晶體108和110的射極電壓跟隨輸入埠102和104處的電壓。

電晶體118和120用於阻抗變換，以分別使得從PNP電晶體118的集極看進去的阻抗比從NPN電晶體108的射極看進去的阻抗大，而從PNP電晶體120的集極看進去的阻抗比從NPN電晶體110的射極看進去的阻抗大。這樣，差分對電晶體108和110以及電晶體118和120不會在節點122和124處引入電阻，可以起到隔離前後級電路的作用。

電晶體118的基極由PNP電晶體126和電流源130一起進行偏壓，而電晶體120的基極由PNP電晶體128和電流源130一起進行偏壓。在圖1所示實施例中，電流源130為電流槽，從電晶體126和128的基極吸收電流。電晶體126和128像二極體那樣連接，其基極彼此互連，其集極也彼此互連，並且其基極和集極均連接至電流源130。電晶體126和128的射極分別連接至電晶體118和120的射極。這樣，電晶體118和120的基極被偏壓，電晶體118和120的大信號集極電流分別受電晶體126、128相對於電晶體118和120的裝置規格控制，同時也受電流源130的大小控制。

PNP電晶體112和114的射極分別由電流源132和134進行偏壓。對於圖1所示實施例，電流源132和134提供等量電流。電晶體112和114的集極分別連接至節點122和124。這樣，節點122處的電流為電晶體112和118的集極電流之和，節點124處的電流為電晶體114和120的集極電流之和。

圖1所示電路的輸入輸出跨導關係可以用多種形式表示。其中一種形式是考慮輸入信號和輸出信號關於各自共模信號的變化。一對信號的共模信號為該對信號的算術平均值，其差模信號為該對信號的差值。這樣，若分別用Δv _in 和V _in 表示輸入節點102和104間的差模輸入電壓和共模輸入電壓，則輸入節點102處的電壓為，輸入節點104處的電壓為；若分別用Δi 和I 表示節點122和124間的差模輸出電流和共模輸出電流，則流入節點122處的電流為，流入節點124的電流為。共模輸出電流I 的大小由圖1中的電晶體、電流源和共模輸入電壓V _in 共同決定。

差模輸出電流Δi 和差模輸入電壓Δv _in 之間的關係可以用線性關係式Δi =g _{m 1} Δv _in 表示，其中，g _{m 1} 為跨導增益，其值取決於圖1所示電路中電晶體對的特徵參數。該運算式假定每對電晶體對中的電晶體完全匹配。亦即，電晶體108和110彼此匹配，它們具有相同的跨導。類似地，電晶體112和114、電晶體118和120以及電晶體126和128也彼此匹配。應當理解，理論上，輸入輸出關係並非完全呈線性，但在實際應用中，上述線性關係式已經能很好地反應該實施例中的輸入輸出關係。

通過採用差分對電晶體108和110作為差分對電晶體112和114的互補電晶體，圖1所示電路能夠進行軌對軌工作。如果輸入埠102和104間的共模輸入電壓V _in 接近接地端137處的地電壓，則對於差分對電晶體108和110來說，沒有足夠的餘量使其正常工作，而差分對電晶體112和114仍可正常工作；反之，如果輸入埠102和104間的共模輸入電壓V _in 接近電源端116(V_CC )處的電壓，則對於差分對電晶體112和114來說，沒有足夠的餘量使其正常工作，而差分對電晶體108和110仍可正常工作。可見，本發明提出的軌對軌輸入級電路使得運算放大器能在接地端電壓和電源端電壓範圍內進行工作，提高了其動態工作範圍。

參看圖2，圖1和圖2中的符號“A”和“B”表示電晶體138的射極和電阻器139均連接至節點122，電晶體140的射極和電阻器141均連接至節點124。

用I _o 表示由電流源142提供的電流。對於圖2所示的具體實施例，電晶體138和140彼此匹配，電阻器139和141相同，負載電阻器144和146也相同。這樣，由於電路的對稱性，流經電阻器139和141的電流基本相等，均為I +；流經電阻器144的電流為-Δi ，其方向為流向節點148的方向；流經電阻器146的電流為+Δi ，其方向為流向節點150的方向。亦即，小信號電流-Δi 向節點148方向流經電阻器144，小信號電流Δi 向節點150方向流經電阻器146。

用R _L 表示負載電阻器144和146的電阻值，Δv 表示節點148和150間的差模電壓，則節點148和150處的小信號電壓分別為和。用上述小信號電流Δi 表示差模電壓Δv ，有：

Δv =2ΔiR _L =2g _{m 1} R _L Δv _in 　(1)

圖2所示電路可以看作運算放大器的中間級，其輸入埠為“A”和“B”，輸出埠為節點204和206，分別標記為“C”和“D”。輸入埠“A”和“B”的輸入信號為前述差模輸出電流Δi ，輸出埠“C”和“D”的輸出信號為電流信號。圖2所示運算放大器中間級電路為一電流放大器，其電流增益表示為g _I 。該電流增益g _I 的計算如下所述。

兩個AB類緩衝器B₁ 和B₂ 分別將節點150和148耦合到節點156和172。AB類緩衝器B₁ 包括電晶體152、154、186、188、160和200以及電流源158和190。其中電流源158為電晶體152提供偏壓電流，電晶體160為電晶體154提供偏壓電流。電流源190為電晶體186提供偏壓電流，電晶體200為電晶體188提供偏壓電流。AB類緩衝器B₂ 包括電晶體164、168、192、194、162和202以及電流源170和202。其中電流源170為電晶體164提供偏壓電流，電晶體162為電晶體168提供偏壓電流。電流源196為電晶體192提供偏壓電流，電晶體202為電晶體194提供偏壓電流。另外，如圖所示，電晶體160和162組成上電流鏡，電晶體200和202組成下電流鏡。

上述兩個AB類緩衝器B₁ 和B₂ 使得運算放大器在軌對軌工作時，節點172和156處的電壓分別等於節點148和150處的電壓。這樣，節點172和156間的電壓差等於節點148和150間的電壓差。因為節點150和電晶體152的基極相連，電晶體152的射極和電晶體154的基極相連，而電晶體154的射極連接至節點156，這樣，從節點150到電晶體152的射極間升高的電壓被從電晶體154的基極到節點156間的降低的電壓所抵消，使得節點150和節點156具有相同的電壓。同樣，節點148和172也具有相同的電壓。

在圖2所示中間級電路中，電阻器182和184相同，電流源174和176彼此匹配，從而使得流過電阻器182和184的電流相同，用Δi ^t 表示。在穩定狀態下，即當節點148和150處的差模電壓為零時，節點172和156之間的差模電壓也為零，這樣，流過電阻器182和184的電流Δi ^t 也為零。且由於這兩個AB類緩衝器B₁ 和B₂ 具有對稱性，它們的上部分電路和下部分電路提供等量的電流。當節點148和150間的差模電壓不為零時，節點172和156之間的差模電壓也不為零，AB類緩衝器的上下部分電路提供的電流比穩態時提供的電流要大或者要小，這樣，流經電阻器182和184的電流為Δi ^t 也不為零。由於節點172和156間的差模電壓等於節點148和150間的差模電壓，因此滿足：

Δv =2Δi ^t R _E 　(2)

其中，R _E 為電阻器182和184的電阻值。

聯合關係式(1)和(2)，圖2所示中間級電路的電流增益可表示為：

或

由關係式(3)和(4)可見，通過選擇大的可提高電流增益。將圖1所示輸入級電路和圖2所示中間級電路連接起來，則輸入埠“A”和“B”與輸出埠“C”和“D”之間的輸入輸出關係可表示為：

Δi ^t =g _{m 1} g _I Δv _in =g _m Δv _in 　(5)

其中，g _m =g _{m 1} g _I =為圖1和圖2所示電路級聯的總增益。

兩個AB類緩衝器B₁ 和B₂ 有效地將節點148和150間的差模電壓Δv 轉換成節點172和156間的差模電流Δi ^t ，該電流被由電晶體160和162組成的上電流鏡和由電晶體200和202組成的下電流鏡鏡像。因此，C點和D點處的電壓將根據Δv 的正負而降低或升高。

當Δv 為正，節點172處的電壓升高，節點156處的電壓降低，電流通過電阻器182和184從節點172流向節點156，這樣，電晶體200提供的電流更大。該電流被由電晶體200和202組成的下電流鏡鏡像，因此，電晶體202提供的電流也更大，電流由輸出級流進輸出埠D，206處電壓降低。同樣，電流由輸出級流進輸出埠C，204電壓降低。

當Δv 為負，節點172處的電壓降低，節點156處的電壓升高，電流通過電阻器182和184從節點156流向節點172，這樣，電晶體160提供的電流更大。該電流被由電晶體160和162組成的上電流鏡鏡像，因此，電晶體162提供的電流也更大，電流由輸出埠C流向輸出級，204處電壓升高。同樣，電流由輸出埠D流向輸出級，206處電壓升高。

為確保運算放大器正常工作，例如，要使運算放大器的性能基本上和製程變化無關，則節點148和150間的共模電壓不能擺動較大，對於一恒定的共模輸出電流I ，節點148和150間的共模電壓應基本保持恒定。對電晶體138和140的基極進行偏壓，以使節點148和150處的共模電壓保持在一個有效範圍內，以確保運算式(1)對於運算放大器的軌對軌工作模式來說基本成立。該性能可以通過一負反饋環路實現。

接下來將介紹用於設定節點148和150間共模電壓的負反饋環路。電流源174和176彼此匹配，為肖特基二極體178提供偏壓電流。由於電流源174饋入節點180的電流和從節點180流入電流源176的電流量相等，因而流經電阻器182和184的電流量也相等，其大小取決於節點156和172間的電壓差。因此，節點180處的電壓為節點156和172兩處電壓的算術平均值，亦即節點150和148的共模電壓，用V 表示。設接地端137處的電勢為零，將電阻器141上的壓降，電晶體140的基極發射極電壓以及肖特基二極體178正偏時的壓降相加，得到如下關係式：

其中，R為電阻器141的電阻器值，V _BE 為電晶體140的基極發射極電壓且V _SC 為肖特基二極體178上的正向壓降。

由關係式(5)可見，對於由圖1所示輸入級電路提供給圖2所示中間級電路的恒定共模電流I ，節點148和150間的共模電壓V 為一恒定值。上述回饋環路可以認為是從節點180到節點148和150的路徑，該路徑經過肖特基二極體178到達電晶體138和140的基極。應當注意，電晶體186和188以及電流源190一起構成緩衝器，以使得節點156處的電壓跟隨節點150處的電壓。類似地，電晶體192和194以及電流源196一起構成緩衝器，以使得節點172處的電壓跟隨節點148處的電壓。這些緩衝器也是所述回饋環路的一部分。

為了判斷上述回饋環路為一負反饋環路，在節點148和150處的電壓上分別加上一正的微擾，以使共模電壓V 上也加上一正的微擾。這將使得節點156和172處的電壓增大，因而使得節點180處的電壓也增大。這樣，電晶體138和140的基極電壓將增大，從而使得節點148和150上的電壓降低，因而消弱了上述正微擾。上述分析表明所述回饋環路為一負反饋環路。由以上分析可見，圖2所示中間級電路提高了運算放大器的電路增益，同時，還提高了其轉換速率。

在一些實施例中，由電晶體160和162構成電流鏡和由電晶體200和202構成的電流鏡相匹配。同樣，電流源158、170、190和196也兩兩匹配。

圖3為根據本發明一個實施例的輸出驅動級。為便於對圖3所示輸出驅動級電路進行描述，認為運算放大器工作在靜態模式。在該模式下，輸入埠102處的電壓等於輸入埠104處的電壓，因而圖2所示中間級電路既不為圖3所示驅動級電路提供電流，也不從驅動級電路吸收電流。

參看圖3，電流源302對電晶體304進行偏壓，電晶體304和306的基極彼此互連形成電流鏡且電晶體304和306的基極電流流經電晶體308。電晶體310和電流源312形成電壓跟隨器，使得節點314處的電壓跟隨節點316處的電壓。為簡化對圖3所示輸出驅動級電路的描述，假定圖3中所有電晶體均具有相同的正向壓降V _F ，即所有NPN電晶體的基極發射極電壓V _BE 等於V _F ，所有PNP電晶體的基極射極電壓V _BE 等於-V _F 。應當注意，節點314處的電壓等於節點316處的電壓減去V _F ，同樣，由於電晶體308的基極連接至節點314，節點318處的電壓等於節點314處的電壓加上V _F 。因此，節點318處的電壓等於節點316處的電壓。節點314處的電壓對電晶體320的基極進行偏壓，使得節點322處的電壓等於節點316和318處的電壓。

用V _CC 表示電源端324處的電壓，在靜態工作模式下，節點316、318以及322處的電壓均等於V _CC -V _F ，電晶體320的基極電壓等於V _CC -2V _F 。

圖3中的下面部分電路是上面部分電路的對偶電路，即，兩部分電路的結構相似，其包含的電晶體的類型相反。電流源326對電晶體328進行偏壓，電晶體328和330的基極彼此互連形成電流鏡。電流源331和電晶體332形成電壓跟隨器。電晶體334為電晶體328和330提供偏壓電流。節點336處的電壓對電晶體338的基極進行偏壓。設接地端340處的電壓為0；仍然，為了簡化描述，認為圖3所示下面部分電路中的所有電晶體的正向壓降均為V _F ，這樣，節點342、344以及346處的電壓也均為V _F ，電晶體338的基極電壓等於2V _F 。

圖3中的電路具有對稱性，其上面部分電路和下面部分電路中的電晶體具有相同的規格參數。實際上，電晶體306的尺寸參數可能比電晶體304的尺寸參數大，以便為電晶體304提供更大的電流。同樣地，在實際應用中，電晶體330的尺寸參數可能比電晶體328的尺寸參數大，以便為電晶體328提供更大的電流。

由電晶體306提供的電流流入電晶體320、334以及338。類似地，由電晶體330提供的電流流入電晶體338、308以及320。電晶體308和334僅提供基極電流，其值相對於由電晶體320和338提供的電流來說較小，因此，在接下來的討論中，由電晶體308和334提供的電流可以忽略不計。在某些具體實施例中，由於電路具有對稱性，電晶體306提供的電流一半流入電晶體338，另一半流入電晶體320。類似地，電晶體330提供的電流一半流入電晶體338，另一半流入電晶體320。這樣，流經電晶體320和306的電流分別和流經電晶體338和330的電流幅值相等。節點322和346處的電壓對電晶體348和350進行偏壓，因此，電晶體348和350均導通。

上述描述均基於圖3所示驅動級的靜態工作模式。現在，考慮輸入埠102處的電壓大於輸入埠104處的電壓的情形。此時，節點148處的電壓大於節點150處的電壓，使得圖2所示的中間級電路將從圖3所示電路的“C”點吸收電流Δi' 至節點204。這樣，節點322處的電壓將減小。由於節點322處的電壓等於電晶體320的射極電壓，節點322處的電壓減小將使得電晶體320關斷，從而不再為節點346提供電流。然而，電晶體330仍將繼續提供電流。結果，電晶體330將繼續從電晶體350的基極以及電晶體338吸收電流，而電晶體338從電晶體348的基極吸收電流。類似地，圖2所示的中間級電路還將從圖3所示電路的“D”點吸收電流Δi' 至節點206。這樣，節點206處的電壓將減小。因此，電晶體348和350的基極電壓降迅速減小，這將使得電晶體350被關斷，而電晶體348被強行導通。結果，驅動級電路將輸出適當的電流至輸出埠106。由上述分析可見，圖3所示電路為運算放大器提供軌對軌輸出，有效地控制了靜態電流，同時還提高了運算放大器的轉換速率。在某些應用場合，輸出埠106接電容性負載，由於驅動級電路驅動旁路電晶體以對負載進行調節，這樣，輸出埠106處的電容性負載將被快速充電。

對於輸入埠102處的電壓小於輸入埠104處的電壓的情形，關於圖3所示驅動級電路的討論和上述討論類似，但此時，圖2所示中間級電路提供電流Δi' ，電晶體350被強行導通，而電晶體348則被快速關斷。這樣，驅動級電路從輸出埠106吸收適當的電流至接地端。因此，輸出埠106處的電容性負載將被快速放電。

關於上述內容，顯然本發明的很多其他改型和更動也是可行的。這裏應該明白，在隨附的申請專利範圍所涵蓋的保護範圍內，本發明可以應用此處沒有具體描述的技術而實施。當然還應該明白，由於上述內容之涉及本發明的最佳具體實施例，所以還可以進行許多改型而不偏離隨附的申請專利範圍所涵蓋的本發明的精神和保護範圍。由於公開的僅是最佳實施例，本領域普通技術人員可推斷出不同的改型而不偏離由隨附的申請專利範圍所定義的本發明的精神和保護範圍。例如，附圖1、2和3所示的輸入級、中間級和輸出級可以獨立於彼此進行工作。

應當理解，本發明所稱的“A連接至B”意指A和B彼此互連以使其電勢相等，其中A和B可以是節點或者裝置端子以及其他類似物。例如，A和B可以通過互連線，如傳輸線相連接。在積體電路技術中，互連線可能非常短以致使其能夠和裝置本身的尺寸參數相比。例如，兩個電晶體的基極可以通過多晶矽或者銅互連線相連接，其中多晶矽或者銅互連線的長度可和基極的空間維度相比。又例如，A和B可以通過開關如傳輸閘相連接，以使得當開關導通時，A和B的電位相等。還應當理解，此處及下述描述中的A和B不同於本發明具體實施例中的埠“A”和“B”或者節點“A”和“B”。

應當理解，本發明所稱的“A耦合至B”可以意指A和B彼此互連以使其電位相等，還可以意指A和B雖然沒有彼此互連以使其電位相等，但A和B間通過器件或者電路而相連接。此處的裝置或電路可以包括主動電路元件或者被動電路元件，其中所述被動電路元件可以是分佈參數元件或者集總參數元件。例如，A可以連接至一電路元件，該電路元件還連接至B。

應當理解，本發明所稱“電流源”可以意指電流源或者電流槽。與此類似，本發明所稱“提供電流”可以意指電流流出或者電流流入。

還應當理解，本發明中的各個電路裝置或者模組，如電流鏡，放大器等可能是一個更大電路中的一部分，所述各個電路器件或者模組可能包括開關以使得所述電路裝置或者模組在更大的電路中使能或者不使能。此時，所述電路裝置或者模組仍然被視為連接至所述的更大電路。

102．．．輸入埠

104．．．輸入埠

108．．．NPN電晶體

110．．．NPN電晶體

112．．．PNP電晶體

114．．．PNP電晶體

116．．．電源端

118．．．PNP電晶體

120．．．PNP電晶體

122．．．節點

124．．．節點

126．．．PNP電晶體

128．．．PNP電晶體

130．．．電流源

132．．．電流源

134．．．電流源

106．．．輸出埠

137．．．接地端

138．．．電晶體

139．．．電阻器

140．．．電晶體

141．．．電阻器

142．．．電流源

144．．．負載電阻器

146．．．負載電阻器

148．．．節點

150．．．節點

152．．．電晶體

154．．．電晶體

156．．．節點

158．．．電流源

160．．．電晶體

162．．．電晶體

164．．．電晶體

168．．．電晶體

170．．．電流源

172．．．節點

174．．．電流源

176．．．電流源

178．．．肖特基二極體

180．．．節點

182．．．電阻

184．．．電阻

186．．．電晶體

188．．．電晶體

190．．．電流源

192．．．電晶體

194．．．電晶體

196．．．電流源

200．．．電晶體

202．．．電晶體

204．．．節點

206．．．節點

302．．．電流源

304．．．電晶體

306．．．電晶體

308．．．電晶體

310．．．電晶體

312．．．電流源

314．．．節點

316．．．節點

318．．．節點

320．．．電晶體

322．．．節點

324．．．電源端

326．．．電流源

328．．．電晶體

330．．．電晶體

332．．．電晶體

334．．．電晶體

336．．．節點

338．．．電晶體

340．．．接地端

342．．．節點

344．．．節點

346．．．節點

348．．．電晶體

350．．．電晶體

331．．．電流源

圖1為根據本發明一個實施例的誤差放大器輸入級或者部分輸入級示意圖。

圖2為根據本發明一個實施例的誤差放大器中間級示意圖。

圖3為根據本發明一個實施例的誤差放大器驅動級示意圖。

102．．．輸入埠

104．．．輸入埠

108．．．NPN電晶體

110．．．NPN電晶體

112．．．PNP電晶體

114．．．PNP電晶體

116．．．電源端

118．．．PNP電晶體

120．．．PNP電晶體

122．．．節點

124．．．節點

126．．．PNP電晶體

128．．．PNP電晶體

130．．．電流源

132．．．電流源

134．．．電流源

137．．．接地端

Claims (19)

1. 一種運算放大器，包括：電源端；接地端；輸入級，該輸入級使該運算放大器進行軌對軌工作；中間級，該中間級連接至該輸入級；以及輸出級，該輸出級連接至該中間級；其中，該輸入級包括：第一輸入埠以及第二輸入埠；第一輸出埠以及第二輸出埠；第一輸入NPN電晶體，該第一輸入NPN電晶體包括基極、集極以及射極且該基極連接至該第一輸入埠，該集極連接至該電源端；第一輸入PNP電晶體，該第一輸入PNP電晶體包括基極、集極以及射極且該基極連接至該第一輸入埠，該集極連接至該第二輸出埠；第二輸入NPN電晶體，該第二輸入NPN電晶體包括基極、集極以及射極且該基極連接至該第二輸入埠，該集極連接至該電源端；第二輸入PNP電晶體，該第二輸入PNP電晶體包括基極、集極以及射極且該基極連接至該第二輸入埠，該集極連接至該第一輸出埠；第一PNP電晶體，該第一PNP電晶體包括基極、集極以及射極且該射極連接至該第一輸入NPN電晶體的射極， 該集極連接至該第一輸出埠；第二PNP電晶體，該第二PNP電晶體包括基極、集極以及射極且該射極連接至該第二輸入NPN電晶體的射極，該集極連接至該第二輸出埠，該基極連接至該第一PNP電晶體的基極；第三PNP電晶體，該第三PNP電晶體包括基極、集極以及射極且該射極連接至該第一輸入NPN電晶體的射極，該集極連接至該第三PNP電晶體的基極，該基極連接至該第一PNP電晶體的基極；第四PNP電晶體，該第四PNP電晶體包括基極、集極以及射極且該射極連接至該第二輸入NPN電晶體的射極，該集極連接至該第三PNP電晶體的集極，該基極連接至該第一PNP電晶體的基極；以及第一電流源，該第一電流源連接至該第三PNP電晶體和該第四PNP電晶體的集極。
2. 如申請專利範圍第1項所述的運算放大器，其中，該輸入級還包括：第二電流源，該第二電流源連接至該第二輸入PNP電晶體的射極；以及第三電流源，該第三電流源連接至該第一輸入PNP電晶體的射極。
3. 如申請專利範圍第1~2項中之任一項所述的運算放大器，其中，該中間級包括：第一中間級輸入NPN電晶體，該第一中間級輸入 NPN電晶體包括基極、集極以及射極且該射極連接至該第一輸出埠；第二中間級輸入NPN電晶體，該第二中間級輸入NPN電晶體包括基極、集極以及射極且該基極連接至該第一中間級輸入NPN電晶體的基極，該射極連接至該第二輸出埠；第一節點，第二節點以及第三節點；第一AB類緩衝器，該第一AB類緩衝器將該第一中間級輸入NPN電晶體的集極連接至該第一節點；第二AB類緩衝器，該第二AB類緩衝器將該第二中間級輸入NPN電晶體的集極連接至該第二節點；第一電阻器，該第一電阻器具有第一埠和第二埠且該第一埠連接至該第一節點，該第二埠連接至該第三節點；以及第二電阻器，該第二電阻器具有第一埠和第二埠且該第一埠連接至該第二節點，該第二埠連接至該第三節點。
4. 如申請專利範圍第3項所述的運算放大器，其中，該中間級還包括：第一中間級電流源，該第一中間級電流源連接至該第三節點；二極體，該二極體具有陽極和陰極且該陽極連接至該第三節點，該陰極連接至該第一中間級輸入NPN電晶體的基極；以及第二中間級電流源，該第二中間級電流源連接至該二 極體的陰極。
5. 如申請專利範圍第4項所述的運算放大器，其中，該第一AB類緩衝器包括：第一PNP電晶體，該第一PNP電晶體包括基極、集極以及射極且該基極連接至該第一中間級輸入NPN電晶體的集極；第一NPN電晶體，該第一NPN電晶體包括基極、集極以及射極且該基極連接至該第一AB類緩衝器的第一PNP電晶體，該射極連接至該第一節點；第二NPN電晶體，該第二NPN電晶體包括基極、集極以及射極且該基極連接至該第一中間級輸入NPN電晶體的集極；以及第二PNP電晶體，該第二PNP電晶體包括基極、集極以及射極且該基極連接至該第一AB類緩衝器的第二NPN電晶體的射極，該射極連接至該第一節點；以及該第二AB類緩衝器包括：第一PNP電晶體，該第一PNP電晶體包括基極、集極以及射極且該基極連接至該第二中間級輸入NPN電晶體的集極；第一NPN電晶體，該第一NPN電晶體包括基極、集極以及射極且該基極連接至該第二AB類緩衝器的第一PNP電晶體，該射極連接至該第二節點；第二NPN電晶體，該第二NPN電晶體包括基極、集極以及射極且該基極連接至該第二中間級輸入NPN電晶 體的集極；以及第二PNP電晶體，該第二PNP電晶體包括基極、集極以及射極且該基極連接至該第二AB類緩衝器的第二NPN電晶體的射極，該射極連接至該第二節點。
6. 如申請專利範圍第3項所述的運算放大器，其中，該輸出級包括：輸出埠；輸出級PNP驅動電晶體，該輸出級PNP驅動電晶體包括基極、集極以及射極且該射極連接至該電源端，該基極連接至該第一AB類緩衝器的第一NPN電晶體的集極，該集極連接至該輸出埠；輸出級NPN驅動電晶體，該輸出級NPN驅動電晶體包括基極、集極以及射極且該射極連接至該接地端，該基極連接至該第一AB類緩衝器的第二PNP電晶體的集極，該集極連接至該輸出埠；第一輸出級PNP電晶體，該第一輸出級PNP電晶體包括基極、集極以及射極且該射極連接至該電源端，該集極連接至該第一AB類緩衝器的第一NPN電晶體的集極；第二輸出級PNP電晶體，該第二輸出級PNP電晶體包括基極、集極以及射極且該射極連接至該第一AB類緩衝器的第一NPN電晶體的集極，該集極連接至該第一AB類緩衝器的第二PNP電晶體的集極；第一輸出級NPN電晶體，該第一輸出級NPN電晶體包括基極、集極以及射極且該射極連接至該接地端，該集 極連接至該第一AB類緩衝器的第二PNP電晶體的集極；以及第二輸出級NPN電晶體，該第二輸出級NPN電晶體包括基極、集極以及射極且該射極連接至該第一AB類緩衝器的第二PNP電晶體的集極，該集極連接至該第一AB類緩衝器的第一NPN電晶體的集極。
7. 如申請專利範圍第6項所述的運算放大器，其中，該輸出級包括：第三輸出級PNP電晶體，該第三輸出級PNP電晶體包括基極、集極以及射極且該射極連接至該電源端，該基極連接至該第一輸出級PNP電晶體的基極；第四輸出級PNP電晶體，該第四輸出級PNP電晶體包括基極、集極以及射極且該射極連接至該第一輸出級PNP電晶體的基極，該基極連接至該第二輸出級PNP電晶體的基極，該集極連接至該第一AB類緩衝器的第二PNP電晶體的集極；第一電壓跟隨器，該第一電壓跟隨器連接至第三輸出級PNP電晶體和第四輸出級PNP電晶體，該第三輸出級PNP電晶體的集極具有集極電壓，該第四輸出級PNP電晶體的基極具有基極電壓，該第四輸出級PNP電晶體的基極電壓跟隨該第三輸出級PNP電晶體的集極電壓；第三輸出級NPN電晶體，該第三輸出級NPN電晶體包括基極、集極以及射極且該射極連接至該接地端，該基極連接至該第一輸出級NPN電晶體的基極； 第四輸出級NPN電晶體，該第四輸出級NPN電晶體包括基極、集極以及射極且該射極連接至該第一輸出級NPN電晶體的基極，該基極連接至該第二輸出級NPN電晶體的基極，該集極連接至該第一AB類緩衝器的第一NPN電晶體的集極；以及第二電壓跟隨器，該第二電壓跟隨器連接至第三輸出級NPN電晶體和第四輸出級NPN電晶體，該第三輸出級NPN電晶體的集極具有集極電壓，該第四輸出級NPN電晶體的基極具有基極電壓，該第四輸出級NPN電晶體的基極電壓跟隨該第三輸出級NPN電晶體的集極電壓。
8. 一種運算放大器輸入級電路，包括：電源端；第一輸入埠以及第二輸入埠；第一輸出埠以及第二輸出埠；第一輸入NPN電晶體，該第一輸入NPN電晶體包括基極、集極以及射極且該基極連接至該第一輸入埠，該集極連接至該電源端；第一輸入PNP電晶體，該第一輸入PNP電晶體包括基極、集極以及射極且該基極連接至該第一輸入埠，該集極連接至該第二輸出埠；第二輸入NPN電晶體，該第二輸入NPN電晶體包括基極、集極以及射極且該基極連接至該第二輸入埠，該集極連接至該電源端；第二輸入PNP電晶體，該第二輸入PNP電晶體包括 基極、集極以及射極且該基極連接至該第二輸入埠，該集極連接至該第一輸出埠；第一PNP電晶體，該第一PNP電晶體包括基極、集極以及射極且該射極連接至該第一輸入NPN電晶體的射極，該集極連接至該第一輸出埠；第二PNP電晶體，該第二PNP電晶體包括基極、集極以及射極且該射極連接至該第二輸入NPN電晶體的射極，該集極連接至該第二輸出埠，該基極連接至該第一PNP電晶體的基極；第三PNP電晶體，該第三PNP電晶體包括基極、集極以及射極且該射極連接至該第一輸入NPN電晶體的射極，該集極連接至該第三PNP電晶體的基極，該基極連接至該第一PNP電晶體的基極；第四PNP電晶體，該第四PNP電晶體包括基極、集極以及射極且該射極連接至該第二輸入NPN電晶體的射極，該集極連接至該第三PNP電晶體的集極，該基極連接至該第一PNP電晶體的基極；以及第一電流源，該第一電流源連接至該第三PNP電晶體和該第四PNP電晶體的集極。
9. 如申請專利範圍第8項所述的運算放大器輸入級電路，其中，該運算放大器輸入級電路還包括：第二電流源，該第二電流源連接至該第二輸入PNP電晶體的射極；以及第三電流源，該第三電流源連接至該第一輸入PNP電 晶體的射極。
10. 一種運算放大器中間級電路，包括：第一輸入埠和第二輸入埠；第一輸入NPN電晶體，該第一輸入NPN電晶體包括基極、集極以及射極且該射極連接至該第一輸入埠；第二輸入NPN電晶體，該第二輸入NPN電晶體包括基極、集極以及射極且該基極連接至該第一輸入NPN電晶體的基極，該射極連接至該第二輸入埠；第一節點，第二節點以及第三節點；第一AB類緩衝器，該第一AB類緩衝器將該第一輸入NPN電晶體的集極連接至該第一節點；第二AB類緩衝器，該第二AB類緩衝器將該第二輸入NPN電晶體的集極連接至該第二節點；第一電阻器，該第一電阻器包括第一埠和第二埠且該第一埠連接至該第一節點，該第二埠連接至該第三節點；以及第二電阻器，該第二電阻器包括第一埠和第二埠且該第一埠連接至該第二節點，該第二埠連接至該第三節點。
11. 如申請專利範圍第10項所述的運算放大器中間級電路，其中，該運算放大器中間級電路還包括：第一電流源，該第一電流源連接至該第三節點；二極體，該二極體具有陽極和陰極且該陽極連接至該第三節點，該陰極連接至該第一輸入NPN電晶體的基極；以及 第二電流源，該第二電流源連接至該二極體的陰極。
12. 如申請專利範圍第10項所述的運算放大器中間級電路，其中，該第一AB類緩衝器包括：第一PNP電晶體，該第一PNP電晶體包括基極、集極以及射極且該基極連接至該第一輸入NPN電晶體的集極；第一NPN電晶體，該第一NPN電晶體包括基極、集極以及射極且該基極連接至該第一AB類緩衝器的第一PNP電晶體，該射極連接至該第一節點；第二NPN電晶體，該第二NPN電晶體包括基極、集極以及射極且該基極連接至該第一輸入NPN電晶體的集極；以及第二PNP電晶體，該第二PNP電晶體包括基極、集極以及射極且該基極連接至該第一AB類緩衝器的第二NPN電晶體的射極，該射極連接至該第一節點；以及該第二AB類緩衝器包括：第一PNP電晶體，該第一PNP電晶體包括基極、集極以及射極且該基極連接至該第二輸入NPN電晶體的集極；第一NPN電晶體，該第一NPN電晶體包括基極、集極以及射極且該基極連接至該第二AB類緩衝器的第一PNP電晶體，該射極連接至該第二節點；第二NPN電晶體，該第二NPN電晶體包括基極、集 極以及射極且該基極連接至該第二輸入NPN電晶體的集極；以及第二PNP電晶體，該第二PNP電晶體包括基極、集極以及射極且該基極連接至該第二AB類緩衝器的第二NPN電晶體的射極，該射極連接至該第二節點。
13. 如申請專利範圍第12項所述的運算放大器中間級電路，其中，該運算放大器中間級電路還包括：第一電流源，該第一電流源連接至該第三節點；二極體，該二極體具有陽極和陰極且該陽極連接至該第三節點，該陰極連接至該第一輸入NPN電晶體的基極；以及第二電流源，該第二電流源連接至該二極體的陰極。
14. 如申請專利範圍第13項所述的運算放大器中間級電路，其中，該運算放大器中間級電路還包括：第三電流源；第三電阻，該第三電阻將該第三電流源連接至該第一輸入NPN電晶體的集極；以及第四電阻，該第四電阻將該第三電流源連接至該第二輸入NPN電晶體的集極。
15. 如申請專利範圍第14項所述的運算放大器中間級電路，其中，該運算放大器中間級電路還包括：第一電流鏡，該第一電流鏡包括第一PNP電晶體和第二PNP電晶體，其中，該第一PNP電晶體包括基極、集極以及射極且該集極連接至該第一AB類緩衝器的第一 NPN電晶體的集極；該第二PNP電晶體包括基極、集極以及射極且該集極連接至該第二AB類緩衝器的第一NPN電晶體的集極，該基極連接至該第一電流鏡的第一PNP電晶體的基極以及該第一電流鏡的第二PNP電晶體的集極；以及第二電流鏡，該第二電流鏡包括第一NPN電晶體和第二NPN電晶體，其中，該第一NPN電晶體包括基極、集極以及射極且該集極連接至該第一AB類緩衝器的第二PNP電晶體的集極；該第二NPN電晶體包括基極、集極以及射極且該集極連接至該第二AB類緩衝器的第二PNP電晶體的集極，該基極連接至該第二電流鏡的第一NPN電晶體的基極以及該第二電流鏡的第二NPN電晶體的集極。
16. 如申請專利範圍第12項所述的運算放大器中間級電路，其中，該運算放大器中間級電路還包括：第一電流鏡，該第一電流鏡包括第一PNP電晶體和第二PNP電晶體，其中，該第一PNP電晶體包括基極、集極以及射極且該集極連接至該第一AB類緩衝器的第一NPN電晶體的集極；該第二PNP電晶體包括基極、集極以及射極且該集極連接至該第二AB類緩衝器的第一NPN電晶體的集極，該基極連接至該第一電流鏡的第一PNP電晶體的基極以及該第一電流鏡的第二PNP電晶體的集極；以及第二電流鏡，該第二電流鏡包括第一NPN電晶體和 第二NPN電晶體，其中，該第一NPN電晶體包括基極、集極以及射極且該集極連接至該第一AB類緩衝器的第二PNP電晶體的集極；該第二NPN電晶體包括基極、集極以及射極且該集極連接至該第二AB類緩衝器的第二PNP電晶體的集極，該基極連接至該第二電流鏡的第一NPN電晶體的基極以及該第二電流鏡的第二NPN電晶體的集極。
17. 一種運算放大器輸出級電路，包括：第一輸入埠和第二輸入埠；輸出埠；電源端和接地端；PNP驅動電晶體，該PNP驅動電晶體包括基極、集極以及射極且該射極連接至該電源端，該基極連接至該第一輸入埠，該集極連接至該輸出埠；NPN驅動電晶體，該NPN驅動電晶體包括基極、集極以及射極且該射極連接至該接地端，該基極連接至該第二輸入埠，該集極連接至該輸出埠；第一PNP電晶體，該第一PNP電晶體包括基極、集極以及射極且該射極連接至該電源端，該集極連接至該第一輸入埠；第二PNP電晶體，該第二PNP電晶體包括基極、集極以及射極且該射極連接至該第一輸入埠，該集極連接至該第二輸入埠；第一NPN電晶體，該第一NPN電晶體包括基極、集 極以及射極且該射極連接至該接地端，該集極連接至該第二輸入埠；第二NPN電晶體，該第二NPN電晶體包括基極、集極以及射極且該射極連接至該第二輸入埠，該集極連接至該第一輸入埠；第三PNP電晶體，該第三PNP電晶體包括基極、集極以及射極且該射極連接至該電源端，該基極連接至該第一PNP電晶體的基極；第四PNP電晶體，該第四PNP電晶體包括基極、集極以及射極且該射極連接至第一PNP電晶體的基極，該基極連接至第二PNP電晶體的基極，該集極連接至該第二輸入埠；第一電壓跟隨器，該第一電壓跟隨器連接至第三PNP電晶體和第四PNP電晶體，該第三PNP電晶體的集極具有集極電壓，該第四PNP電晶體的基極具有基極電壓，該第四PNP電晶體的基極電壓跟隨該第三PNP電晶體的集極電壓；第三NPN電晶體，該第三NPN電晶體包括基極、集極以及射極且該射極連接至該接地端，該基極連接至該第一NPN電晶體的基極；第四NPN電晶體，該第四NPN電晶體包括基極、集極以及射極且該射極連接至該第一NPN電晶體的基極，該基極連接至該第二NPN電晶體的基極，該集極連接至該第一輸入埠；以及 第二電壓跟隨器，該第二電壓跟隨器連接至第三NPN電晶體和第四NPN電晶體，該第三NPN電晶體的集極具有集極電壓，該第四NPN電晶體的基極具有基極電壓，該第四NPN電晶體的基極電壓跟隨該第三NPN電晶體的集極電壓。
18. 如申請專利範圍第17項所述的運算放大器輸出級電路，其中，該第一電壓跟隨器包括一個NPN電晶體，其中，該NPN電晶體包括基極、集極以及射極且該射極連接至該第四PNP電晶體的基極，該基極連接至該第三PNP電晶體的集極，該集極連接至該電源端；以及該第二電壓跟隨器包括一個PNP電晶體，其中，該PNP電晶體包括基極、集極以及射極且該射極連接至該第四NPN電晶體的基極，該基極連接至該第三NPN電晶體的集極，該集極連接至該接地端。
19. 如申請專利範圍第18項所述的運算放大器輸出級電路，其中，該第一電壓跟隨器包括第一電流源和第二電流源，其中，該第一電流源連接至該第三PNP電晶體的集極，該第二電流源連接至該第四PNP電晶體的基極；以及該第二電壓跟隨器包括第一電流源和第二電流源，其中，該第一電流源連接至該第三NPN電晶體的集極，該第二電流源連接至該第四NPN電晶體的基極。