[发明专利]可消除直流电压偏移的运算放大器

说明书

技术领域

本发明涉及一种运算放大器，尤其涉及一种具有直流偏移消除功能的运算放大器。

背景技术

全差动式运算放大器(Fully differential operational amplifier)广泛地用于各种高速传输应用，如通讯系统、语音及图像数据处理中。常见的全差动式运算放大器是由一输入级与一输出级组成，输入级提供高增益，输出级则提供足够的电压摆幅。请参考图1，图1为已知一运算放大器10的示意图。运算放大器10为全差动式运算放大器，由一输入级11及一A类输出级12组成。输入级11包含有p型晶体管MP1～MP4及n型晶体管MN1～MN5，组成四个差动对及一共模反馈(Common mode feedback)电路100，  用来产生输入级11的输出共模电压。输出级12包含有p型晶体管MP6、MP7、n型晶体管MN6、MN7、电容CM1、CM2及一共模反馈电路102。偏压VBP1、VBP2、VBN1、VBN2、VBN3用于输入级11及输出级12中的差动对。输入级11接收差动输入信号INP及INN，并且产生差动输出信号VOP及VON；输出级12接收输入级11产生的差动输出信号，以产生差动输出信号OUTP及OUTN。

运算放大器10有以下缺点：输出级12的互导(Transconductance)很小，并且由于晶体管MP6及MP7的使用，造成寄生极点降低。由于控制晶体管MN6、MN7的栅极的偏压VBN3固定，晶体管MN6及MN7的吸收电流(Sink current)只能为固定值。此外，输入级11的输出共模电压是由输出级12的输入共模电压而决定，此电路设计容易导致输入级11的电压余量(Headroom)不足，使晶体管MP1～MP4进入三极体(Triode)工作区。输入级11的输出共模电压亦受到制程、供应电源及温度的影响，其变动范围可达数百毫伏特。因此，运算放大器10很难于低供应电压的环境下实现预期的放大效果。

请参考图2，图2为已知一运算放大器20的示意图。运算放大器20是2007年发表于ISSCC期刊的论文“A 0.8V 10bit 80MS/s 6.5mW PipelinedADC with Regulated OverdriveVoltage Biasing”所提出。运算放大器20是由一输入级21、一AB类输出级22及一开关电容式电压转换电路(Switchedcapacitor level shifter)23所组成。输入级21包含有p型晶体管MP1～MP4、n型晶体管MN～MN5及一共模反馈电路200。输出级22包含有p型晶体管MP6～MP7、n型晶体管MN6～MN9、电容CM1、CM2及一共模反馈电路202。开关电容式电压转换电路23由开关S1～S16及电容C1～C8组成，用来将输入级21与输出级22进行解耦，因此输入级21的输出共模电压不再根据输出级22的输入共模电压而决定，进而解决电压余量可能不足的问题。输入级21使用偏压VBP1、VBP2、VBN1及VBN2，开关电容式电压转换电路23另外使用了偏压VBP3、VBN3及VC。

相较于图1的运算放大器10，运算放大器20改善了输入级的电压余量不足的问题。然而，运算放大器20仍有不少缺点，举例来说，开关电容式电压转换电路23所需的开关及电容数量很多，对于面积成本而言是一大负担。输出级22的共模反馈电路202利用晶体管MN8及MP8做为共模回路增益放大器，这二个晶体管造成较大的电容性负载，使运算放大器20的频宽变小，进而使相位边际(Phase margin)变小，降低了运算放大器20的稳定性。此外，由于开关电容式电压转换电路23的存在，运算放大器20只能用于开关电容式电路，如管线式(Pipelined)模拟数字转换器，且需要额外的电路来控制开关S1～S16，而无法用于连续式电路，如主动RC滤波电路。