一种输入共模电压不受供电电压限制的运算放大器的制作方法

1.本发明属于cmos工艺集成电路领域，涉及一种输入共模电压不受供电电压限制的运算放大器，具体为一种可实现运算放大器的输入共模电压与其供电电压无关的电路。


背景技术：

2.运算放大器(简称运放)是模拟和混合信号电路的基本模块，其应用已经延伸到医疗电子、安防产品、通信设备等各个领域。商用运放芯片的关键指标多达十余种，例如噪声、功耗、增益、带宽、转换速率、共模抑制比、电源抑制比等。
3.如图1所示，对于传统的运算放大器，其有输入端口-in和+in，输出端口out，供电端+vs和-vs。如图2所示，传统的运算放大器由输入差分对管n型mos管和p型mos管、负载级以及输出级组成，其中的输入差分对管采用了p型mos管的供电电压为运算放大器的电源，负载级以及输出级的供电端也为+vs和-vs，其负向输入端-in和正向输入端+in的电压范围被严格限制在供电段+vs和-vs之内，此种限制会使得运算放大器的只能使用在共模输入电压在其供电电压范围内的应用，而在一些需要运算放大器共模电压可以比电源电压高的高端电流采样的应用电路中受限。
4.如图3所示为通用的采样放大应用电路，该应用电路包括运算放大器a1、电阻r11、电阻r22、电阻r33、电阻r44以及电阻rs，其中运算放大器a1、电阻r11、电阻r22、电阻r33以及电阻r44构成了闭环增益为g的放大电路，该电路的基本工作原理为：电流isence流过采样电阻rs产生电压差，运算放大器a1、电阻r11、电阻r22、电阻r33以及电阻r44构成闭环放大电路将该电压差放大g倍而输出到运算放大器的输出，从而实现了采样放大的功能，运算放大器输出端的输出电压会被后级mcu进行处理分析，mcu的供电电压一般为5v，所以运放的供电电压一般也会被选在5v，此种做法既可以节省功耗，又可以保证运放的输出端不会出现一个异常高压损坏后级电路。对于图2所示的放大电路，若采用传统的运算放大器，其共模输入端被严格限制在供电电压范围内，则vincm的电压也会被严格限制在运算放大器的供电电压范围内。
5.如图4所示为传统的实现运算放大器的输入共模电压与电源电压无关的方式，其由p型mos管和n型mos管、负载级、输出级以及驱动转换级组成，输入端的差分对管也是采用p型mos管和n型mos管，但p型mos管的尾电流电源电压和负载级的电源电压为vcmp，vcmp由正向输入端+in、负向输入端-in以及电源电压+vs经过驱动转换电路进行选择和转换，正向输入端电压+in和负向输入端电压-in的共模电压vcm与电源电压产生的3*vgs电压做比较进行电压vcmp的转换，其中vgs为mos管的栅源电压。当vcm《3*vgs时，vcmp＝3*vgs，当vcm》3*vgs时，vcmp＝vcm。通过此种电源转换的方式实现运算的输入共模电压与供电电源无关。该结构依然需要n型mos和p型mos管做为差分对，而且需要对负载级的电压进行转换，增加了电路设计难度和复杂度。
6.因此，如何设计一种结构简单以及消耗更小电路资源实现运算放大器的共模输入电压与电源电压无关，使得运放的输入端可以“自由”的去接入共模电平，一直是一个难点。


技术实现要素：

7.要解决的技术问题
8.为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种输入共模电压不受供电电压限制的运算放大器，一种可以实现运算放大器的共模输入电压与电源电压无关的电路解决方案。
9.技术方案
10.一种输入共模电压不受供电电压限制的运算放大器，其特征在于：首先将运算放大器a1输入两端的差模信号调制到高频，该差模信号通过耦合电路耦合到电平为vcm的共模电压信号上，再将耦合到共模电平为vcm的电压信号解调到低频，然后输入至运算放大器a1的两个输入端，通过对差模信号进行调制和解调，使得运放a1的输入端只对整个运算放大器系统的差模信号进行放大，而共模信号不用受到限制。
11.所述将运算放大器a1输入两端的差模信号调制到高频，采用第一开关网络，包括开关sw11、开关sw12、开关sw13和开关sw14；开关sw11串联于信号负向输入端-in与运算放大器的负向输入端，开关sw12串联于信号正向输入端+in与运算放大器的正向输入端，开关sw13串联于信号负向输入端-in与运算放大器的正向输入端，开关sw14串联于信号正向输入端+in与运算放大器的负向输入端；所述开关网络受频率为f的时钟信号控制其导通和断开，在高电平时开关sw11和开关sw12导通，开关sw13和开关sw14断开，在低电平时开关sw13和开关sw14导通，开关sw11和开关sw12断开。
12.所述将耦合到电平为vcm的共模电压信号解调到低频，采用第二开关网络，包括开关sw21、开关sw22、开关sw23和开关sw24；开关sw21串联于信号负向输入端-in与运算放大器的负向输入端，开关sw22串联于信号正向输入端+in与运算放大器的正向输入端，开关sw23串联于信号负向输入端-in与运算放大器的正向输入端，开关sw24串联于信号正向输入端+in与运算放大器的负向输入端；所述开关网络受频率为f的时钟信号控制其导通和断开，在高电平时开关sw21和开关sw22导通，开关sw23和开关sw24断开，在低电平时开关sw23和开关sw24导通，开关sw21和开关sw21断开。
13.所述耦合电路采用电容c1和电容c2，分别串联在信号负向输入端-in与运算放大器的负向输入端，以及信号正向输入端+in与运算放大器的正向输入端。
14.所述第一开关电路的前端设有两个嵌位二极管，二极管d1和二极管d2极性相反的并联于信号负向输入端-in和信号正向输入端+in之间。
15.所述第一开关电路的前端还设有两个电阻，电阻r1和电阻r2；电阻r1串联在信号负向输入端-in与第一开关电路的开关sw11之间，电阻r2串联在正向输入端+in与第一开关电路的开关sw12之间。
16.所述第二开关电路的前端设有两个电阻，电阻r3和电阻r4；电阻r3连接于共模电压节点vcm与第二开关电路的开关sw21之间，电阻r4连接于共模电压节点vcm与第二开关电路的开关sw22之间。
17.所述共模电压节点vcm的电压vcm为通过运放电源电压所产生的、具有驱动能力低压电源。
18.所述r1＝r2、r3＝r4、c1＝c2。
19.有益效果
20.本发明提出的一种输入共模电压不受供电电压限制的运算放大器，包括电阻r1、电阻r2、电阻r3、电阻r4、二极管d1、二极管d2、电容c1、电容c2、开关sw11、开关sw12、开关sw13、开关sw14、开关sw21、开关sw22、开关sw23、开关sw24以及运算放大器的主体架构a1。本次发明采用了在输入端加入开关网络将输入两端的差模信号搬移到高频，然后通过电容耦合的方式将运放输入两端的差模信号耦合到电平为vcm的共模电压信号上，最后再通过一次开关网络将输入两端的差模信号搬移到低频，即通过两组开关网络对有用信号进行调制和解调，使得运放a1的输入端只对整个运算放大器系统的差模信号进行放大，而共模信号不用受到限制。
21.与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
22.1.本发明由于采用开关网络电路，利用开关对信号调制与解调以及电容耦合高频信号的思想，实现运算放大器的输入共模电平与其供电电源无关，共模电平可以不受芯片供电电源电压影响，可以灵活的运用在高端电平采样应用电路。
23.2.本发明通过开关电路的使用，简化了输入管结构，降低了电路设计的复杂程度。
附图说明
24.图1是一种常用的运算放大器引脚图；
25.图2是一种常用的运算放大器电路架构；
26.图3是一种常用的电流采样应用电路；
27.图4是一种实现运算放大器的输入共模电压与供电电压无关的电路；
28.图5是本次发明的可实现运算放大器输入共模电压与电源电压无关的电路；
29.图6是本发明的电路的一种时刻开关状态；
30.图7是本发明的电路的另一种时刻开关状态；
31.图8是本发明的信号变化时序图。
具体实施方式
32.现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：
33.参见图5，一种可实现运算放大器的输入共模电压与其供电电压无关的电路，包括电阻r1、电阻r2、电阻r3、电阻r4、二极管d1、二极管d2、电容c1、电容c2、开关sw11、开关sw12、开关sw13、开关sw14、开关sw21、开关sw22、开关sw23、开关sw24以及运算放大器的主体架构a1。
34.电阻r1的一端与运算放大器的负向输入端-in相接，电阻r1的另外一端、二极管d1的阳极、二极管d2的阴极、开关sw13的一端以及开关sw11的一端接于节点vna，电阻r2的一端与运算放大器的正向输入端+in相接，电阻r2的另外一端、二极管d1的阴极、二极管d2的阳极、开关sw12的一端以及开关sw14的一端接于节点vpa，开关sw11的另外一端、开关sw14的另外一端以及电容c1的一端接于节点vnb，开关sw13的另外一端、开关sw12的另外一端以及电容c2的一端接于节点vpb，电阻r3的一端和电阻r4的一端接于共模电压节点vcm，其中电压vcm为通过运放电源电压所产生的的低压电源，具有一定的驱动能力，电容c1的另外一端、电阻r3的另外一端、开关sw21的一端以及开关sw23的一端接于节点vnc，电容c2的另外一端、电阻r4的另外一端、开管sw22的一端以及开关sw24的一端接于节点vpc，开关sw21的
另外一端、开关sw24的另外一端以及运放主体a1的负向输入端接于节点vnd，开关sw22的另外一端、开关sw23的另外一端以及运放主体a1的正向输入端接于节点vpd，out端为运算放大器的输出端子，+vs端和-vs端为运放的供电端子，一般情况下-vs电平为整个运算放大器系统里的最低电位。
35.本次发明的可实现运算放大器输入共模电压与电源电压无关的电路原理如下所述，
36.本次发明中的开关sw11、开关sw12、开关sw13、开关sw14、开关sw21、开关sw22、开关sw23以及开关sw24通过频率为f的时钟信号控制其导通和断开，电阻r1、电阻r2以及二极管d1和二极管d2用来嵌位输入两端压差不超过一个二极管压降。如图8所示为信号变化时序图，其中在p1时刻，开关sw11、开关sw12、开关sw21以及开关sw22导通，开关sw13、开关sw14、开关sw23以及开关sw24断开，等效电路如图6所示，其中在p2时刻，开关sw11、开关sw12、开关sw21以及开关sw22断开，开关sw13、开关sw14、开关sw23以及开关sw24导通，等效电路如图7所示。
37.通过p1时刻和p2时刻的相互切换，若-in和+in端为共模电压为vcmin和差模电压为va的信号，则其通过开关频率为f的开关sw11、开关sw12、开关sw13以及开关sw14将差模电压va搬移到频率为f以及共模电压为vcmin和幅值为va的信号，即为节点vnb和vpb的信号状态，节点vnb的信号和节点vpb的信号幅值相等，相位相反。然后通过电容c1和电容c2将节点vnb和vpb的高频交流信号分别耦合到节点vnc和和vpc，得到频率为f、共模电压为vcm以及幅值为va的信号，最后通过开关sw21、开关sw22、开关sw23以及开关sw24将差模电压va解调到节点vnd和vpd，得到共模电压为vcm以及差模电压为va的直流信号，运放主体a1两个输入端处理的共模电压为vcm，而差模信号为va，即通过本次发明的电路实现了运算放大器的输入共模电压与电源电压无关的特性。
38.以上实例和图示并非限定本发明的产品形态和式样，不构成对本发明的任何限制，显然在本发明的构思下可以对其电路进行不同的变更与改进，但这些均在本发明的保护之列。