[发明专利]一种放大级数可调的运放

说明书

技术领域

本发明属于模拟集成电路技术领域，特别涉及一种放大级数可调的运算放大器。

背景技术

运算放大器，简称运放，是电子电路领域，特别是模拟电路领域最常用的模块之一。早期的运放用于模拟计算机中，用以实现数学运算功能。运放在模拟电路领域通常以反馈环路的形式实现功能，而无论是用于放大电压、提供大驱动电流或是提高输入信号的信噪比等，都可以归结为稳定电压的功能。运放可以在电路板上用分立器件实现，也可以采用集成电路的形式实现。鉴于性能的优势，目前的运放大多采用集成电路的形式实现。

根据放大级数的不同，运放主要分为单级运放、两级运放、多级运放。通常，放大级数越多，放大倍数越大。但是级数的增多也会增多极点，从而改变运放所构成的电路系统的稳定性。通常来说，单级运放含有一个极点，两级运放含有两个极点，多级运放含有三个以上极点。根据反馈系统的理论，当系统中含有一个极点时，系统保持稳定；系统中含有主极点和次极点等两个极点时，如果次极点大于带宽，则反馈系统的相位裕度大于45度，系统保持稳定，否则，系统倾向于振荡。所以在设计思路上，单级运放的反馈环路一般无需考虑稳定性问题，两级运放通过设计将次极点和带宽的距离拉大来保持稳定性，多级运放通过设计零点抵消次极点来保持稳定性。除了放大倍数、稳定性以外，运放还需要考虑驱动能力和输出范围。由于设计了输出级，两级运放和多级运放的驱动能力和输出范围通常比单级运放要大。鉴于以上因素的考虑，两级运放是应用最广泛的结构，单级运放通常应用于驱动电容负载的场合，多级运放用于对放大倍数要求特别高且负载条件特定的场合。所以，在不同的应用场景要选择合适放大级数的运放是集成电路设计者必须考虑的问题。

某些通用芯片，例如MCU，应用领域广泛和多变，要求设计者设计适应性较高的模块。例如，同一款芯片上的运放被要求在某些场合快速响应，在某些场合驱动芯片外大电容负载。要驱动片外大电容，通常采用单级运放或主极点在片外的两级运放；而要达到快速响应的要求，通常采用主极点在片内且带宽较大的两级运放。可以看出，无论采用单级、两级、多级运放都难以兼顾这两项性能要求。一种解决方法是设计几个不同结构的运放共用一个输出节点，但是这样做的代价是对芯片面积的浪费，并且选择不同的运放的偏移电压不同，并不是一种最佳的实现方法

以最常见的两级运放结构示意图如图1所示，包含差分跨导级实现差分电压输入功能、高增益放大级实现高增益放大功能、输出缓冲级实现大驱动能力等三部分。单级运放不含输出缓冲器，多级运放则是在高增益放大级中使用两级或三级放大器来达到特高增益的目的。

一个折叠共源共栅运放如图2所示。参照图1中的运放结构，图3中的差分跨导输入级采用了NMOS管输入对，高增益放大级采用了Cascode结构以获得较大的输出阻抗，输出缓冲器采用了以NMOS作为放大管和PMOS电流源的结构。由于需要将运放的次极点设计到大于运放带宽的位置，该两级运放中使用了米勒电容CC。为了达到稳定的目的，CC的取值与VOUT所连接的负载电容CLOAD有关，一般来说，CLOAD越大，CC也应相应增大，以确保VOUT1为主极点，VOUT为次极点且大于运放带宽。

实际应用中，CLOAD的取值一般在几个pF到几个uF不等。而受限于芯片面积和成本，通常CC的大小一般只有几个pF到几十个pF之间，否则芯片内的大部分面积都将被电容所占据，消耗了极大的芯片成本。因此，采用两级运放的负载电容不能太大，一般小于100pF，否则仅仅依靠米勒电容CC难以达到稳定系统的目的。但是，从稳压角度出发，运放连接更大的电容会获得更小的输出电压波动。所以，这是一个设计与使用的矛盾问题。

发明内容

基于此，因此本发明的首要目地是提供一种放大级数可调的运放，该运放通过对高增益放大级电路与输出缓存器的控制，将运放进行切换，可以使得放大级数切换之后的漂移电压变化较小。

本发明的另一个目地在于提供一种放大级数可调的运放，该运放仅仅通过开关即可实现，实现简便、成本低廉。

为实现上述目的，本发明的技术方案为：

一种放大级数可调的运放，其包括有差分跨导级电路、高增益放大级电路、输出缓存器，所述输入VINP、VINN接于差分跨导级电路，差分跨导级电路接于高增益放大级电路，高增益放大级电路接于输出缓存器，通过输出缓存器最终输出VOUT。