CN1069152A - 转换速率加快电路 - Google Patents

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Abstract

本文公开了一种用于在运算放大器或比较器中 提高转换速率而无需增加功耗的转换速率加快电路， 在一优选实施例中，一个带有一差分放大器和一第一 上牵晶体管10的运算放大器包括：一第一输入端 25，一第二上牵晶体管9，一联在第一上牵晶体管10 沟道一端的第二输出端26，一具有公共电流通路、上 牵电流通路和拉曳电流通路的电流稳定装置30，一 第一拉曳晶体管11以及一第二拉曳晶体管8。

Description

本发明涉及运算放大器或比较器，更具体地说，涉及能提高运算放大器的转换速率（作为输入信号的函数的输出信号的响应速度）并且在输出端有容性负载等等的电路。
大多数电子线路广泛地采用运算放大器或比较器，它们通过对反向输入端和非反向输入端上的输入信号的和、减或差分放大产生输出信号。在这种运算放大器中，首先必须确立作为输入信号的一个函数的输出信号的响应，其程度对电子线路的特性和可靠性具有重大影响。具体讲，在一个用于半导体存贮装置等的比较器中，如果响应速度慢，除将导致数据存取速度慢以外，还会引起以高速运行的存贮装置的误操作。
图1以电路图形式示出已有技术的比较器（或运算放大器）。如图1所示，将发现比较器与N沟道输入型差分放大器具有相同的结构。因此，当第一输入端21的电位高于第二输入端22的电位时，P型金属氧化物半导体（MOS）晶体管4和5以及N型MOS晶体管7和11导通，于是，将第二输出端24的电位降低。与此相反，如果第二输入端22的电位高于第一输入端21的电位，电源电压VDD通过-P型MOS晶体管10对第二输出端24充电。在此情况下，第一输出端23的电压增益AVO1和第二输出端24的电压增益AVO2分别计算如下：
VVO1＝gm2/gm6
VVO2＝{gm1（S10/S6）}/（gdS10+gdS11）
其中，gm1、gm2和gm6分别为N型MOS晶体管1和2及P型MOS晶体管6的跨导，gds为沟道导纳，s为沟道的宽度与长度的比率。
在输出电压VOUT正向增长后，当拉曳电流I11经N型MOS晶体管11从第二输出端24流入地电压端VSS时，转换速率SR在第二输出端子24上变为最大值为“0”。在输出电压负向增长后，当上牵电流I10从电源电压端VDD经P型MOS晶体管10流入第二输出端24时，转换速率SR在第二输出端24上变为最大值为“0”。
然而，在第二输出端24，存在由寄生电容15产生的负载电容量CL，它使得负载电流iL流动。负载电容量CL和负载电流iL对在第二输出端子24的电位从逻辑“低”变为逻辑“高”或从逻辑“高”变为逻辑“低”时转换速率SR产生重大影响。详细地讲，转换速率SR相对于时间而被定义作为输出电压VOUT的差分系数，另一方面，负载电流iL表示从上牵电流I10中减去拉曳电流I11后的值。这样，转换速率SR可表示如下：
SR＝｜dVOUT/dt｜＝｜iL/CL｜＝｜（I10-I11）/CL｜
如转换速率SR的表达式，为了增加转换速率SR（或对作为输入信号的函数具有输出信号的快速响应速度），负载电容量CL应当减小或使负载电流iL加大。负载电容量CL不可被改变，因为负载电容作为一个寄生元件，在电路结构中具有其固定值，但却可以通过增加P型MOS晶体管10或N型MOS晶体管11的规格来增加负载电流iL。然而，在输出上增加MOS晶体管10和11的规格将导致不希望的在电路功耗上的增加。
本发明的目的在于提供一种电路，该电路能够提高转换速率而不会增加在比较器的输出端等等上的功耗。
根据本发明的一个方面，一个具有一差分放大器和一栅极联到差分放大器输出端上的第一上牵晶体管的运算放大器，包括：一第一输出端;一栅极联到差分放大器输出端，沟道联在电源电压端和第一输出端间的第二上牵晶体管;一个联到第一上牵晶体管沟道任何一端上的第二输出端;一个联在第一输出端和第二输出端之间并具有公共电流通路、一个上牵电流通路和一个拉曳电流通路的电流稳定装置;一其沟道联在第二输出端与地电压端之间的第一拉曳晶体管;以及一其沟道联在第一输出端与地电压端子之间的第二拉曳晶体管。
本发明的优点及特征将在以下借助于附图的详细描述中变得更加清楚：
图1示出已有技术的比较器（或运算放大器）的电路图;
图2示出根据本发明的比较器（或运算放大器）的优选实施例的电路图;
图3示出根据本发明的操作波形图。
图2中，与图1中所示元件具有相同结构的元件标以相同的参考号。如图2所示，P型MOS晶体管9的栅极联到差分放大器的一个输出端23上，其沟道联在电源端VDD和第一输出端25之间。N型MOS晶体管8其栅极联到N型MOS晶体管7的栅极，其沟道联在第一输出端25和地电压端VSS之间。电流稳定电路30包含一N型MOS晶体管12、一P型MOS晶体管13及一电阻器14，该电流稳定电路30是联在第一输出端25和第二输出端26之间的，第二输出端26与图1中第二输出端24对应。N型MOS晶体管12的栅极联到第一输出端25，其沟道串在电源端VDD与第二输出端26之间。P型MOS晶体管13的栅极联到第一输出端25，其沟通联在第二输出端26与地电压端VSS之间。电阻14串在第一输出端25与第二输出端26之间。在图2所示电路中，应当注意：用于上牵的P型MOS晶体管9和10规格相同，并且用于拉曳的N型MOS晶体管8和11规格也相同。
在图3中示出在第一输出端子25上的输入波形31和波形32以及在第二输出端子26上的波形33。假定作为“第一输入信号”的输入信号为逻辑低，即“0”电平，且被加到第一输入端21，作为“第二输入信号”诸如图3输入波形31的信号被加到第二输入端子22上。由于第二输入信号的电位高于第一输入信号的电位，则差分放大器的输出端23的电位变为逻辑低。因而，用于上牵的P型MOS晶体管9和10导通，于是，对第一输入端子25和第二输入端子26充电直达到电源电压VDD的电平。在这种情况下，如果在第二输出端26上没有电容15，则第一输出端子25和第二输出端子26之间电压彼此相同，且电流不会在第一输出端子25和第二输出端子26之间流动。但是，如上所述，不可避免由寄生电容15产生的负载电容量CL在第二输出端26上的存在。因此，在第一输出端25由负载电容量CL产生如图3的波形32的电压、在第二输出端26产生如图3的波形33的电压。第二输出端26的波形33具有较平缓的陡度，即其转换速率与第一输出端的波形32相比更缓和。这一点是由负载电容CL充电时间决定的。也就是说，在时间t1，第一输出端25的电位高于第二输出端26的电位△V。如果电位差△V大于N型MOS晶体管12的阈值电压，则N型MOS晶体管12导通，电流iX流入第二输出端26直到第一和第二输出端子25和26的电位相等为止。此外，由在电阻14中第一输出端子25与第二输出端子26之间的电位差产生的电流iR流入第二输出端26。即，流入第二输出端子26的电流数量变为（I10-I11）+iX+iR。流入第二输出端26的电流量与图1之中的相比增加了（iX+iR）。增加输出电流的结果使电容15的充电时间缩短较多，由此提高了转换速率。依相同途径，如果第二输入信号的电位低于为逻辑“0”电平的第一输入信号的电位，则流入地电压端VSS的电流为经P型MOS晶体管13流入的电流、其方向与上述电流iR相反的经电阻器14流入第一输出端25的电流与拉曳电流i11的和电流iY。其中经电阻器14流入第一输出端子25的电流方向取决于第一输出端子25与所述第二输出端子26间的电位差。因此，对负载电容CL的充电时间缩短较多，故提高了转换速率。
结果，由于第二输出端子26的波形33依箭头方向移动，作为输入波形31的函数的输出信号响应速度（或转换速率）加快。
如上所述，在运算放大器或比较器中，输出信号的转换速率提高而无需增加电路的功率储备。
本发明已被具体示出，并参考采用N沟道输入型比较器的优选实施例加以描述了。但是，既使是采用P沟道输入型比较器，或采用图3所示输入波形31那样的信号作为第一输入信号，并将第二输入信号设置为逻辑“0”电平，而那些本技术领域的人应当知道，操作和通过对优选实施例的描述而达到的目的仍可被实现。

Claims (8)

1、一种用于相对于运算放大器的输入信号提高输出信号响应速度的电路，该电路具有一个差分放大器并具有一其栅极联到所述差分放大器输出端上的第一上牵晶体管，所述电路包括：
一联接到所述上牵晶体管沟道一端的第一输出端；
一其沟道联在所述第一输出端与地电压端子之间的第一拉曳晶体管；
一第二上牵晶体管，其栅极联到所述差分放大器的所述输出端，其沟道的一端联到电源电压端子上；
一联在所述地电压端子和所述第二上牵晶体管之间的第二拉曳晶体管；
一联在所述第二上牵晶体管所述沟道另一端与所述拉曳晶体管之间的第二输出端；
联接在所述第一输出端与所述第二输出端之间并具有公共电流通路装置、上牵电流通路装置和拉曳电流通路装置的电流稳定装置。
2、如权利要求1的电路，其特征在于：所述公共电流通路装置的电流方向取决于在所述第一输出端子与所述第二输出端子之间的电位差。
3、如权利要求1的电路，其特征在于：所述上牵电流通路装置为第一金属氧化物半导体晶体管的沟道，该第一金属氧化物半导体晶体管的栅极联到所述第二输出端，且该第一金属氧化物半导体晶体管是联在所述电源电压端子与所述第一输出端子之间的。
4、如权利要求1的电路，其特征在于：所述拉曳电流通路装置为第二金属氧化物半导体晶体管的沟道，该第二金属氧化物半导体晶体管的栅极联到所述第二输出端，且该第二金属氧化物半导体晶体管是联在地电压端子与所述第一输出端子之间的。
5、如权利要求1的电路，其特征在于：所述公共电流通路装置包含一联在所述第一输出端和所述第二输出端之间的电阻。
6、如权利要求1、3或4的电路，其特征在于：所述第一和第二上牵晶体管及所述第二金属氧化物半导体晶体管的导通类型与所述第一和第二拉曳晶体管及所述第一金属氧化物半导体晶体管的导通类型相反。
7、一种用于相对于运算放大器的给定输入信号提高输出信号响应速度的电路，该电路具有一差分放大器，所述电路包括：
第一输出端;
第二输出端;
一其栅极耦合到所述差分放大器输出端并且其沟道联在电源电压端子与所述第二输出端之间的第一上牵晶体管;
一其栅极耦合到所述差分放大器所述输出端并且其沟道联在所述电源电压端子与所述第一输出端子之间的第二上牵晶体管;
一其沟道联在所述第二输出端与地电压端子之间的第一拉曳晶体管;
一其沟道联在所述第一输出端与所述地电压端子之间的第二拉曳晶体管;
一其栅极耦合到所述第一输出端并且其沟道联在所述电源电压端子与所述第二输出端之间的第三上牵晶体管;
一其栅极耦合到所述第一输出端子并且其沟道联在所述地电压端子与所述第二输出端之间的第三拉曳晶体管;以及
联接在所述第一输出端子与所述第二输出端子之间的阻性装置。
8、如权利要求7的电路，其特征在于：所述第一和第二上牵晶体管和所述第三拉曳晶体管的导通类型与所述第一和第二拉曳晶体管和所述上牵晶体管的导通类型相反。
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