專利名稱：一種偏置電流產(chǎn)生電路及運算放大器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于集成電路領(lǐng)域，尤其涉及一種偏置電流產(chǎn)生電路及運算放大器。
背景技術(shù)：
模擬信號芯片以及模擬數(shù)字混合信號芯片中經(jīng)常需要高轉(zhuǎn)換速率的運算放 大器，尤其是驅(qū)動輸出模擬信號時，需要大的驅(qū)動能力才能驅(qū)動外部的電阻或 電容，同時還需滿足諧波失真或上升/下降時間的要求及功耗的要求。
偏置電流產(chǎn)生電路可以輸出較小的靜態(tài)電流并驅(qū)動大的負載，廣泛應(yīng)用于
線纜驅(qū)動、恒流LED驅(qū)動芯片、其他運算放大器或驅(qū)動芯片。
在靜態(tài)功耗要求低、輸出擺幅大、輸出負載大的應(yīng)用領(lǐng)域， 一個具有低靜 態(tài)功耗、高電壓轉(zhuǎn)換速率的驅(qū)動電路十分必要的。例如在恒流LED驅(qū)動應(yīng)用領(lǐng) 域(特別是大屏幕LED屏)，為了保證PWM調(diào)制脈沖能夠響應(yīng)20ns，輸出電 流最大為60mA以上的LED驅(qū)動芯片， 一般要求輸出60mA電流上升時間約 5ns，下降時間約5ns，因此高轉(zhuǎn)換速率、低靜態(tài)功耗的偏置電流產(chǎn)生電路非常 必需。
而現(xiàn)有技術(shù)(申請?zhí)枮?1270527.6，實用新型名稱為互補金屬氧化物 半導體線路驅(qū)動器)中提到的偏置電流產(chǎn)生電路，可以完成自動偏置，在一定 范圍內(nèi)能夠達到靜態(tài)功耗低、轉(zhuǎn)換速率快的要求，但是由于在電路中形成了一 個閉環(huán)(MN1、 MN2、 MP1)，構(gòu)成了一個增益倍數(shù)小于1的正反饋，極易產(chǎn) 生自激，從而降低了芯片的穩(wěn)定性；同時也會隨工藝變化而有可能出現(xiàn)震蕩現(xiàn) 象，不利于批量生產(chǎn)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明實施例的目的在于提供一種偏置電流產(chǎn)生電路，旨在解決現(xiàn)有的偏 置電流產(chǎn)生電路采用閉環(huán)控制導致穩(wěn)定性差的問題。
本發(fā)明實施例是這樣實現(xiàn)的， 一種偏置電流產(chǎn)生電路，包括 電源、第一開關(guān)、第二開關(guān)、儲/釋能元件、第一晶體管、第二晶體管以及 參考電流；
所述儲/釋能元件的一端通過所述第一開關(guān)與所述電源連接，還通過所述第 二開關(guān)與所述第一晶體管和所述第二晶體管的柵極連接；另一端接地；當所述 第一開關(guān)導通，所述第二開關(guān)斷開時，所述儲/釋能元件用于儲能；當所述第一 開關(guān)斷開，所述第二開關(guān)導通時，所述儲/釋能元件用于釋能；
所述第一晶體管的源/漏極接地，柵極與漏/源極均與所述參考電流連接；所 述第二晶體管的源/漏極接地，柵極接所述參考電流，當所述儲/釋能元件釋能給 所述第一晶體管和所迷第二晶體管的柵極充電時，由所述第二晶體管的漏/源極 輸出偏置電流。
本發(fā)明實施例的目的還在于提供一種運算放大器，包括偏置電流產(chǎn)生電路， 鏡像電路以及放大電路，所述偏置電流產(chǎn)生電路的輸出經(jīng)所述鏡像電路后形成 偏置電流，再經(jīng)所述放大電路放大后輸出；所述偏置電流產(chǎn)生電路包括
電源、第一開關(guān)、第二開關(guān)、儲/釋能元件、第一晶體管、第二晶體管以及 參考電流；
所述儲/釋能元件的一端通過所述第一開關(guān)與所述電源連接，還通過所述第 二開關(guān)與所述第一晶體管和所述第二晶體管的柵極連接；另一端接地；當所述 第一開關(guān)導通，所述第二開關(guān)斷開時，所述儲/釋能元件用于儲能；當所述第一 開關(guān)斷開，所述第二開關(guān)導通時，所述i諸/釋能元件用于釋能；
所述第一晶體管的源/漏極接地，柵極與漏/源極均與所述參考電流連接；所 述第二晶體管的源/漏極接地，柵極接所述參考電流，當所述儲/釋能元件釋能給 所述第一晶體管和所述第二晶體管的柵極充電時，由所述第二晶體管的漏/源極 輸出偏置電流。
本發(fā)明實施例提供的偏置電流產(chǎn)生電路在輸入信號的過零點輸出最大偏置 電流，在不需要最大偏置電流時，輸出小的偏置電流，降低了功耗，提高了電
壓轉(zhuǎn)換速率；同時釆用開環(huán)控制，提高了穩(wěn)定性。


圖1是本發(fā)明實施例提供的偏置電流產(chǎn)生電路的電路圖； 圖2是本發(fā)明實施例提供的偏置電流產(chǎn)生電路的原理波形圖； 圖3是本發(fā)明實施例提供的運算放大器的電路圖； 圖4是本發(fā)明實施例提供的LED恒流輸出電路的電路圖。
具體實施例方式
為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實 施例，對本發(fā)明進行進一步詳細說明。應(yīng)當理解，此處所描述的具體實施例僅 僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。
本發(fā)明實施例提供的偏置電流產(chǎn)生電路在輸入信號的過零點輸出最大偏置 電流，在不需要最大偏置電流時，輸出小的偏置電流，降低了功耗，提高了電 壓轉(zhuǎn)換速率；同時采用開環(huán)控制，避免了穩(wěn)定性差的問題。
本發(fā)明實施例提供的偏置電流產(chǎn)生電路可以采用互補金屬氧化物半導體 (Complementary Metal Oxide Semiconductor, CMOS)工藝制作，也可以采用 模擬的雙極工藝(Bipolar)制作；該偏置電流產(chǎn)生電路主要應(yīng)用于電源管理領(lǐng) 域和微電子技術(shù)領(lǐng)域。
圖1示出了本發(fā)明實施例提供的偏置電流產(chǎn)生電路，為了便于說明，僅示 出了與本發(fā)明實施例相關(guān)的部分，詳述如下。
偏置電流產(chǎn)生電路包括電源100、第一開關(guān)101、第二開關(guān)102、儲/釋能 元件103、第一晶體管104、第二晶體管105以及參考電流106;其中，儲/釋能 元件103的一端通過第一開關(guān)101與電源100連接，還通過第二開關(guān)102與第
一晶體管104和第二晶體管105的柵極連接；另一端接地；當?shù)谝婚_關(guān)101導 通，第二開關(guān)102斷開時，儲/釋能元件103用于儲能；當?shù)谝婚_關(guān)101斷開， 第二開關(guān)102導通時，儲/釋能元件103用于釋能；第一晶體管104的源/漏極接 地，柵極與漏/源極均與參考電流106連接；第二晶體管105的源/漏極接地，柵 極接參考電流106,當儲/釋能元件103釋能給第一晶體管104和第二晶體管105 的柵極充電時，由第二晶體管的105漏/源極輸出偏置電流IB。
作為本發(fā)明的一個實施例，偏置電流產(chǎn)生電路還包括過零檢測電路107, 才艮據(jù)輸入信號Vi輸出控制信號DB和D,并控制第一開關(guān)101與第二開關(guān)102 的通斷。
在本發(fā)明實施例中，儲/釋能元件可以為電容Cl，也可以為任何可以實現(xiàn) 儲存電能并釋放電能的元件。
現(xiàn)結(jié)合圖2描述本發(fā)明實施例提供的偏置電流產(chǎn)生電路原理當過零檢測 電路107的輸入信號Vi為正弦波時，過零檢測電路107輸出的控制信號D和 DB互為反向的方波。當DB為高電平時，第一開關(guān)101閉合導通，第二開關(guān) 102斷開，電源IOO給電容CI充電；當D為高電平時，第一開關(guān)101斷開， 第二開關(guān)102閉合導通，儲存在電容C1中的電能通過第二開關(guān)102向第一晶 體管104以及第二晶體管105的柵極充電，使得第二晶體管105的柵極電壓瞬 時升高，因此第二晶體管105的漏極輸出偏置電流IB也很快增大，在過零點M 提供最大的偏置電流Im;然后第二晶體管105的柵極電壓通過第一晶體管104 逐步放電，使得偏置電流IB逐步減少到靜態(tài)電流Iref。這樣能夠保證在輸入信 號Vi過零點M時，偏置電流IB最大，其它時間，偏置電流IB逐漸/人Im減少 到靜態(tài)偏置電流Iref，可以滿足平均電流Iav遠小于峰^f直電流。
根據(jù)運算放大器的工作原理可知壓擺率(SlewRate, SR)的計算公式為
血<formula>formula see original document page 7</formula>
當電路中有驅(qū)動電容時，根據(jù)電荷守恒定律，得到= 所以
當電路中有驅(qū)動電容時，根據(jù)電荷守恒定律，得到^"《=/.&,所以
C，進一步可以得到4ax =C.^max
其中，A為輸出信號的擺幅，w為輸出信號的角頻率，C為電路中需要驅(qū) 動的電容值。由以上推導可知，在愉入信號過零點時需要最大的偏置電流，而 在非過零點對偏置電流需求相對d 、。
如果在輸入信號Vi的過零點M加大偏置電流，適當調(diào)節(jié)電荷儲存量，可 以很好的使得過零點M的轉(zhuǎn)換速率滿足要求，同時，在大部分時間偏置電流IB 為靜態(tài)偏置Iref,即可完成低功耗(即低靜態(tài)電流)、高轉(zhuǎn)換速率的要求。
圖3示出了采用本發(fā)明實施例提供的偏置電流產(chǎn)生電路的運算放大器的電 路，為了便于說明，僅示出了與本發(fā)明實施例相關(guān)的部分，詳述如下
運算放大器包括偏置電流產(chǎn)生電路31、鏡像電路32以及放大電路33， 其中，偏置電流產(chǎn)生電路31的輸出經(jīng)鏡像電路32后形成偏置電流，再經(jīng)放大 電路33放大后輸出。其中，偏置電流產(chǎn)生電路31即為本發(fā)明實施例提供的圖 l所示的電路，在此不在贅述。鏡像電路32包括MOS管MP5、 MP6、 MP7、 MN7、 MN8、 MN9，偏置電流產(chǎn)生電路31輸出的偏置電流IB經(jīng)過MOS管 MP5、 MP6、 MP7以及MOS管MN7、 MN8、 MN9后對運算放大器進行電流 偏置。放大電路33包括由MOS管MPl、 MP2組成差分輸入對管，輸入的差分 電壓信號VP、 VN經(jīng)電壓-電流轉(zhuǎn)換放大后分別送至MOS管MN5、 MN6的 源極，MOS管MN5、 MN6將差分電流信號電平平移，MOS管MN5的電流經(jīng) 過由MOS管MP3、 MP4組成的電流鏡電路后，與經(jīng)過MOS管MN6的電流相 加，相加后的電流引起輸出端VO電壓的變化，從而將差分電壓信號VP、 VN 放大，由VO輸出，實現(xiàn)電壓放大功能。
在本發(fā)明實施例中，采用偏置電流產(chǎn)生電路的LED恒流輸出電路如圖4所 示，為了便于說明，僅示出了與本發(fā)明實施例相關(guān)的部分，詳述如下
LED恒流輸出電路包括運算放大器A]、 A2、 A3以及MOS管Ml、 M2、 M3、 M4、 M5; VB為輸入的偏置參考電壓，Iref為輸入的參考電流；運算放大
器A3與MOS管Ml構(gòu)成電壓跟隨器41，偏置參考電壓VB經(jīng)電壓跟隨器41 后為運算放大器A1、 A2的正向輸入電壓；運算放大器Al與MOS管M4構(gòu)成 MOS管M2的輸出阻抗提升電路42,運算放大器A2與MOS管M5構(gòu)成MOS 管M3的輸出阻抗提升電路43。 MOS管M2、 M3分別放大輸出MOS管Ml的 鏡像電流，》文大倍數(shù)由M2與Ml、 M3與Ml的寬長比決定。
當?shù)谝幻}寬調(diào)制信號PWM1輸入到運算放大器Al時，運算放大器Al中 的自動偏置電路一旦檢測到數(shù)據(jù)的上升沿時，運算放大器A1的偏置電流增大， 形成大電流并驅(qū)動MOS管M4，使得MOS管M4的柵極電壓迅速上升，MOS 管M4迅速進入飽和區(qū)，將MOS管M2的鏡像電流通過MOS管M4輸出至Ioutl ， 完成參考電流Iref的鏡像放大輸出。同理，當?shù)诙}寬調(diào)制信號PWM2輸入到 運算放大器A2時，運算放大器A2中的自動偏置電路一_34企測到數(shù)據(jù)的上升沿 時，運算放大器A2的偏置電流增大，形成大電流并驅(qū)動MOS管M5，使得 MOS管M5的斥冊極電壓迅速上升，MOS管M5迅速進入飽和區(qū)，將MOS管 M3的鏡像電流通過MOS管M5輸出至1out2，完成參考電流Iref的鏡像放大輸 出。
脈寬調(diào)制信號PWM輸出的最小脈寬為20ns，輸出電流為100mA,需要在 過零點對MOS管的柵極進行快速驅(qū)動，以滿足輸出電流的上升/下降時間的要 求(小于5ns)，而在PWM輸出脈沖維持為高電平時，驅(qū)動的偏置電流可以很 小。這樣采用本發(fā)明實施例提供的偏置電流產(chǎn)生電路的LED恒流輸出電路可以 滿足快速響應(yīng)、低功耗的要求。
本發(fā)明實施例提供的偏置電流產(chǎn)生電路在輸入信號的過零點輸出最大偏置 電流，在不需要最大偏置電流時，輸出小的偏置電流，降低了功耗，提高了電 壓轉(zhuǎn)換速率；同時采用開環(huán)控制，提高了穩(wěn)定性。
以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā) 明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進等，均應(yīng)包含在本發(fā)明 的保護范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1、一種偏置電流產(chǎn)生電路，其特征在于，所述偏置電流產(chǎn)生電路包括電源、第一開關(guān)、第二開關(guān)、儲/釋能元件、第一晶體管、第二晶體管以及參考電流；所述儲/釋能元件的一端通過所述第一開關(guān)與所述電源連接，還通過所述第二開關(guān)與所述第一晶體管和所述第二晶體管的柵極連接；另一端接地；當所述第一開關(guān)導通，所述第二開關(guān)斷開時，所述儲/釋能元件用于儲能；當所述第一開關(guān)斷開，所述第二開關(guān)導通時，所述儲/釋能元件用于釋能；所述第一晶體管的源/漏極接地，柵極與漏/源極均與所述參考電流連接；所述第二晶體管的源/漏極接地，柵極接所述參考電流，當所述儲/釋能元件釋能給所述第一晶體管和所述第二晶體管的柵極充電時，由所述第二晶體管的漏/源極輸出偏置電流。
2、 如權(quán)利要求1所述的偏置電流產(chǎn)生電路，其特征在于，所述偏置電流產(chǎn) 生電路還包括過零檢測電路，根據(jù)輸入信號輸出控制信號，并控制所述第一開關(guān)與所述 第二開關(guān)的通斷。
3、 如權(quán)利要求1所述的偏置電流產(chǎn)生電路，其特征在于，所述儲/釋能元 件為電容。
4、 一種運算放大器，包括偏置電流產(chǎn)生電路，鏡像電路以及放大電路，所 述偏置電流產(chǎn)生電路的輸出經(jīng)所述鏡像電路后形成偏置電流，再經(jīng)所述放大電 路放大后輸出；其特征在于，所述偏置電流產(chǎn)生電路包括電源、第一開關(guān)、第二開關(guān)、儲/釋能元件、第一晶體管、第二晶體管以及 參考電流；所述儲/釋能元件的一端通過所述第一開關(guān)與所述電源連接，還通過所述第 二開關(guān)與所述第一晶體管和所述第二晶體管的柵極連接；另一端接地；當所述 第一開關(guān)導通，所述第二開關(guān)斷開時，所述儲/釋能元件用于儲能；當所述第一 開關(guān)斷開，所述第二開關(guān)導通時，所述儲/釋能元件用于釋能；所述第一晶體管的源/漏極接地，柵極與漏/源極均與所述參考電流連接；所 述第二晶體管的源/漏極接地，柵極接所述參考電流，當所述儲/釋能元件釋能給 所述第一晶體管和所述第二晶體管的柵極充電時，由所述第二晶體管的漏/源極 輸出偏置電流。
5、 如權(quán)利要求4所述的運算放大器，其特征在于，所述偏置電流產(chǎn)生電路 還包括過零檢測電路，根據(jù)輸入信號輸出控制信號，并控制所述第一開關(guān)與所述 第二開關(guān)的通斷。
6、 如權(quán)利要求4所述的運算放大器，其特征在于，所述儲/釋能元件為電
全文摘要
本發(fā)明適用于集成電路領(lǐng)域，尤其涉及一種偏置電流產(chǎn)生電路及運算放大器；偏置電流產(chǎn)生電路包括電源、第一開關(guān)、第二開關(guān)、儲/釋能元件、第一晶體管、第二晶體管以及參考電流；儲/釋能元件的一端通過第一開關(guān)與電源連接，還通過第二開關(guān)與第一晶體管和第二晶體管的柵極連接；另一端接地；第一晶體管的源/漏極接地，柵極與漏/源極均與參考電流連接；第二晶體管的源/漏極接地，柵極接參考電流，當儲/釋能元件釋能給第一晶體管和第二晶體管的柵極充電時，由第二晶體管的漏/源極輸出偏置電流。本發(fā)明提供的偏置電流產(chǎn)生電路在輸入信號的過零點輸出最大偏置電流，在不需要最大偏置電流時，輸出小的偏置電流，降低了功耗，提高了電壓轉(zhuǎn)換速率；同時采用開環(huán)控制，提高了穩(wěn)定性。
文檔編號G05F3/08GK101387894SQ20081021641
公開日2009年3月18日 申請日期2008年10月7日 優(yōu)先權(quán)日2008年10月7日
發(fā)明者周命福, 王新亞, 袁戍娟, 裴曉東 申請人:深圳市矽普特科技有限公司