1.本发明涉及运算放大器技术领域，尤其涉及一种支持负压输入、高输入阻抗、高精度的运算放大器。
背景技术：2.运算放大器(简称“运放”)是具有很高放大倍数的电路单元。在实际电路中，通常结合反馈网络共同组成某种功能模块。它是一种带有特殊耦合电路及反馈的放大器。其输出信号可以是输入信号加、减或微分、积分等数学运算的结果。运放可以由分立的器件实现，也可以实现在半导体芯片当中。随着半导体技术的发展，大部分的运放是以单芯片的形式存在。运放的种类繁多，广泛应用于电子行业当中。用于提供驱动的单位增益运算放大器需要满足高输入阻抗，高精度(即高线性度性)性能，供后级电路使用。
3.现有的单位增益运算放大器采用pmos输入差分对管实现，在满足高输入阻抗和高精度性能的同时，受限于输出摆幅，其输出信号范围需要满足gnd+vds—vdd-vds，通常的单位增益运算放大器输入摆幅与输出摆幅相同，即pmos输入差分对管的输入范围也需要满足大于gnd+vds电压才能保证其具有高精度性能，其中gnd表示接地端电压；vds表示输出级mos上下拉管的最小漏源电压；vdd表示供电端电压。
技术实现要素：4.为了解决以上技术问题，本发明提供了一种运算放大器。
5.本发明所解决的技术问题可以采用以下技术方案实现：
6.一种运算放大器，其特征在于，包括：
7.第一运算放大单元，用于接收一输入信号，并产生一第一输出信号，所述第一运算放大单元包括：
8.第一差分对，用于接收所述输入信号和所述第一输出信号；
9.第一镜像电路，用于将一参考电流以一第一预定比例镜像至所述第一差分对的第一共源端；
10.第一输出级电路，连接于一供电端和一接地端之间，包括第一输入端和第二输入端，分别连接所述第一差分对；第一输出端，用于产生所述第一输出信号并反馈至所述第一差分对；
11.第二运算放大单元，用于接收一地信号，并产生一第二输出信号，所述第二运算放大单元包括：
12.第二差分对，用于接收所述地信号和所述第二输出信号；
13.第二镜像电路，用于将所述参考电流以一第二预定比例镜像至所述第二差分对的第二共源端；
14.第二输出级电路，连接于所述供电端和所述接地端之间，包括第三输入端和第四输入端，分别连接所述第二差分对；第二输出端，用于产生所述第二输出信号并反馈至所述
第二差分对。
15.优选地，还包括：
16.钳位电路，连接于所述第二镜像电路和所述第二共源端之间，所述钳位电路的输入端连接所述输入信号，用于将流经所述第二差分对的电流钳位至与流经所述第一差分对的电流一致。
17.优选地，所述第一差分对包括：
18.第一晶体管，所述第一晶体管的栅极连接所述输入信号，所述第一晶体管的源极通过一第一电阻连接所述第一共源端，所述第一晶体管的漏极连接所述第一输入端；
19.第二晶体管，所述第二晶体管的栅极连接所述第一输出信号，所述第二晶体管的源极连接所述第一共源端，所述第二晶体管的漏极通过一第二电阻连接所述第二输入端。
20.优选地，所述第二差分对包括：
21.第三晶体管，所述第三晶体管的栅极连接所述地信号，所述第三晶体管的源极通过一第三电阻连接所述第二共源端，所述第三晶体管的漏极连接所述第三输入端；
22.第四晶体管，所述第四晶体管的栅极连接所述第二输出信号，所述第四晶体管的源极连接所述第二共源端，所述第四晶体管的漏极通过一第四电阻连接所述第四输入端。
23.优选地，所述第二电阻的阻值与所述第一电阻的阻值相同；
24.所述第四电阻的阻值与所述第三电阻的阻值相同；
25.所述第一电阻和所述第三电阻的阻值相同。
26.优选地，还包括电流源电路，用于产生所述参考电流，所述电流源电路包括：
27.第五晶体管，所述第五晶体管的栅极连接一第一节点，所述第五晶体管的源极连接所述供电端；
28.第六晶体管，所述第六晶体管的栅极连接一第二节点，所述第六晶体管的源极连接所述第五晶体管的漏极，所述第六晶体管的漏极连接一电流源。
29.优选地，所述第一镜像电路包括：
30.第七晶体管，所述第七晶体管的栅极连接所述第一节点，所述第七晶体管的源极连接所述供电端；
31.第八晶体管，所述第八晶体管的栅极连接所述第二节点，所述第八晶体管的源极连接所述第七晶体管的漏极，所述第八晶体管的漏极连接所述第一共源端。
32.优选地，所述第二镜像电路包括：
33.第九晶体管，所述第九晶体管的栅极连接所述第一节点，所述第九晶体管的源极连接所述供电端；
34.第十晶体管，所述第十晶体管的栅极连接所述第二节点，所述第十晶体管的源极连接所述第九晶体管的漏极。
35.优选地，所述钳位电路包括：
36.第十一晶体管，所述第十一晶体管的栅极连接所述输入信号，所述第十一晶体管的源极连接所述第十晶体管的漏极，所述第十一晶体管的漏极连接所述第二共源端。
37.优选地，所述第一预定比例与所述第二预定比例相同。
38.本发明技术方案的优点或有益效果在于：
39.本发明提供的运算放大器可支持负压输入，输出具有高线性度性能，将单端可低
于地信号的输入信号转化为能够满足高输入阻抗和高精度要求的差分输出信号，供后级电路使用。
附图说明
40.图1为本发明较佳实施例中，运算放大器的示意图；
41.图2-3为本发明较佳实施例中，运算放大器具体实施例的等效示意图。
具体实施方式
42.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
43.需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
44.下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为本发明的限定。
45.本发明的较佳的实施例中，基于现有技术中存在的上述问题，现提供一种运算放大器，属于运算放大器技术领域，用于将输入负压信号无失真的转化为输出差分信号，如图1所示，运算放大器包括：
46.第一运算放大单元，用于接收一输入信号vin，并产生一第一输出信号，第一运算放大单元包括：
47.第一差分对，用于接收输入信号vin和第一输出信号voutp；
48.第一镜像电路，用于将一参考电流以一第一预定比例镜像至第一差分对的第一共源端；
49.第一输出级电路，连接于一供电端vdd和一接地端之间，包括第一输入端和第二输入端，分别连接第一差分对；第一输出端，用于产生第一输出信号voutp并反馈至第一差分对；
50.第二运算放大单元，用于接收一地信号gnd，并产生一第二输出信号voutn，第二运算放大单元包括：
51.第二差分对，用于接收地信号gnd和第二输出信号voutn；
52.第二镜像电路，用于将参考电流以一第二预定比例镜像至第二差分对的第二共源端；
53.第二输出级电路，连接于供电端vdd和接地端之间，包括第三输入端和第四输入端，分别连接第二差分对；第二输出端，用于产生第二输出信号voutn并反馈至第二差分对。
54.作为优选的实施方式，其中，还包括：
55.钳位电路，连接于第二镜像电路和第二共源端之间，钳位电路的输入端连接输入信号，用于将流经第二差分对的电流钳位至与流经第一差分对的电流一致。
56.作为优选的实施方式，其中，第一差分对包括：
57.第一晶体管mpin1，第一晶体管mpin1的栅极连接输入信号vin，第一晶体管mpin1的源极通过一第一电阻r1连接第一共源端，第一晶体管mpin1的漏极连接第一输入端；
58.第二晶体管mpin2，第二晶体管mpin2的栅极连接第一输出信号voutp，第二晶体管mpin2的源极连接第一共源端，第二晶体管mpin2的漏极通过一第二电阻r2连接第二输入端。
59.作为优选的实施方式，其中，第二差分对包括：
60.第三晶体管mpin3，第三晶体管mpin3的栅极连接地信号gnd，第三晶体管mpin3的源极通过一第三电阻r3连接第二共源端，第三晶体管mpin3的漏极连接第三输入端；
61.第四晶体管mpin4，第四晶体管mpin4的栅极连接第二输出信号voutn，第四晶体管mpin4的源极连接第二共源端，第四晶体管mpin4的漏极通过一第四电阻r4连接第四输入端。
62.作为优选的实施方式，其中，第一晶体管mpin1的衬源短接，同样的，第二晶体管mpin2、第三晶体管mpin3、第四晶体管mpin4也衬源短接。
63.具体的，在本实施例中，第一晶体管mpin1、第二晶体管mpin2、第三晶体管mpin3、第四晶体管mpin4需要衬源短接，以防止由于晶体管源极和衬底的压差vsb随输入信号变化而产生谐波。
64.作为优选的实施方式，其中，第二电阻r2的阻值与第一电阻r1的阻值相同；
65.第四电阻r4的阻值与第三电阻r3的阻值相同。
66.具体的，在本实施例中，第一电阻r1和第二电阻r2相同，以保证第一晶体管mpin1和第二晶体管mpin2的漏源电压相同；同样地，第三电阻r3和第四电阻r4相同，以保证第三晶体管mpin3、第四晶体管mpin4的漏源电压相同。
67.作为优选的实施方式，其中，第一电阻r1和第三电阻r3的阻值相同。
68.具体的，在本实施例中，第一电阻r1与第三电阻r3采用相同电阻，以便于更好的匹配流进第一差分对的镜像电流i1和流进第二差分对的镜像电流i3。
69.作为优选的实施方式，其中，还包括电流源电路，用于产生参考电流，电流源电路包括：
70.第五晶体管mpb1，第五晶体管mpb1的栅极连接一第一节点，第五晶体管mpb1的源极连接供电端；
71.第六晶体管mpb2，第六晶体管mpb2的栅极连接一第二节点，第六晶体管mpb2的源极连接第五晶体管mpb1的漏极，第六晶体管mpb2的漏极连接一电流源。
72.作为优选的实施方式，其中，第一镜像电路包括：
73.第七晶体管mpb3，第七晶体管mpb3的栅极连接第一节点，第七晶体管mpb3的源极连接供电端；
74.第八晶体管mpb4，第八晶体管mpb4的栅极连接第二节点，第八晶体管mpb4的源极连接第七晶体管mpb3的漏极，第八晶体管mpb4的漏极连接第一共源端。
75.作为优选的实施方式，其中，第二镜像电路包括：
76.第九晶体管mpb5，第九晶体管mpb5的栅极连接第一节点，第九晶体管mpb5的源极连接供电端；
77.第十晶体管mpb6，第十晶体管mpb6的栅极连接第二节点，第十晶体管mpb6的源极连接第九晶体管mpb5的漏极。
78.作为优选的实施方式，其中，钳位电路包括：
79.第十一晶体管mpb7，第十一晶体管mpb7的栅极连接输入信号，第十一晶体管mpb7的源极连接第十晶体管mpb6的漏极，第十一晶体管mpb7的漏极连接第二共源端。
80.具体的，第八晶体管mpb4的漏端电压v
d4
＝v
in
+v
gs4
+v
r1
；其中，v
in
表示输入信号vin的电压；v
gs4
表示第八晶体管mpb4的栅源电压；v
r1
表示第一电阻r1两端的电压；v
d4
表示第八晶体管mpb4的漏端电压。
81.即使通过第八晶体管mpb4增大了第七晶体管mpb3的输出阻抗，但是由于沟道调制效应，还是会导致流经第七晶体管mpb3的镜像电流i1随着输入信号vin会有微弱的变化。
82.而第十晶体管mpb6的漏端电压v
d6
＝v
gs6
+v
r3
，其中，v
gs6
表示第十晶体管mpb6的栅源电压；v
r3
表示第三电阻r3两端的电压；v
d6
表示第十晶体管mpb6的漏端电压。
83.即，第十晶体管mpb6的漏端电压为一个固定电压，流经第九晶体管mpb5的镜像电流i3不会随着输入信号变化而变化，而流经第七晶体管mpb3的镜像电流i1会随着输入信号vin会有微弱的变化，导致v
r1
与v
r3
不能完全抵消，从而输出的差分信号的线性度变差；
84.本发明实施例通过增加第十一晶体管mpb7进行钳位，第十晶体管mpb6的漏端电压为v
in
+v
gs6
，第九晶体管mpb5的镜像电流也会随输入信号具有相同微弱的变化，即流进两个差分对的镜像电流均会一致也随输入信号具有相同微弱变化，v
r1
与v
r3
完全抵消，保证了输出差分信号的线性度。
85.或者，钳位电路中也可以插入电阻，使得第十晶体管mpb6的漏端电压变为v
in
+v
gs6
+v
r3
，与第八晶体管mpb4的漏端电压完全一致。
86.作为优选的实施方式，其中，第一预定比例与第二预定比例相同。优选的，第一预定比例和第二预定比例均为2，即流进第一差分对的镜像电流i1和流进第二差分对的镜像电流i3为电流源电流的2倍。
87.作为优选的实施方式，其中，第一晶体管mpin1、第二晶体管mpin2、第三晶体管mpin3、第四晶体管mpin4、第十一晶体管mpb7的宽长比相同。
88.进一步的，第一晶体管mpin1、第二晶体管mpin2、第三晶体管mpin3、第四晶体管mpin4均可分别设置多个，但其设置数量相同。
89.第十一晶体管mpb7也可设置多个，第十一晶体管mpb7的设置数量为第三晶体管mpin3的个数的2倍。
90.作为优选的实施方式，其中，第五晶体管mpb1、第六晶体管mpb2、第七晶体管mpb3、第八晶体管mpb4、第九晶体管mpb5、第十晶体管mpb6的宽长比相同。
91.进一步的，第五晶体管mpb1、第六晶体管mpb2均可分别设置多个，但其设置数量相同。
92.第七晶体管mpb3、第八晶体管mpb4、第九晶体管mpb5、第十晶体管mpb6均可分别设置多个，但其设置数量相同。但第七晶体管mpb3、第八晶体管mpb4、第九晶体管mpb5、第十晶体管mpb6的设置数量为第五晶体管mpb1、或第六晶体管mpb2的设置个数的2倍。
93.进一步的，差分对中的晶体管的宽长比与镜像电路中的晶体管的长宽比相同，或者也可以不相同。
94.本发明实施例提供一种用于可支持输入负压、满足高输入阻抗和高精度的运算放大器，供后级电路(adc)使用。
95.如图2和图3所示，运算放大器将单端信号转化为差分信号，其转化过程中要满足
高精度的特性，并且由于输入阻抗要求，输入信号需要接差分对管的栅极。
96.为了满足高精度性能的要求，运算放大器的输入的第一输出信号voutp和第二输出信号voutn要大于晶体管的漏源电压vds；则输入信号vin的电压和电压源va的电压的和要大于晶体管的漏源电压vds，即vin+va》vds，也即va》vds-vin；va需要保证不随vin变化，以差分相减完全抵消。
97.如图1所示，当vin+i1*r1》vds，i3*r3》vds，运算放大器具有较高的线性度性能，即i1*r1》vds-vin。例如，假设需要满足输入信号的输入范围为-0.2v—vdd-vgs-vds的正弦波，即晶体管漏源电压vds》0.05v，输入信号vin＝-0.2v，则i1*r1》0.25v；
98.此时第一输出信号voutp＝vin+i1*r1；第二输出信号voutn＝i3*r3，运算放大器的增益远远大于1。此时，只需满足r1＝r3，i1＝i3即可，则voutp-voutn＝vin，其差分信号具有较好的线性度性能，同时输入端接晶体管的栅极，满足高输入阻抗。
99.采用上述技术方案具有如下优点或有益效果：本发明提供的运算放大器可支持负压输入，输出差分电压具有高线性度性能，将单端可低于地信号的输入信号转化为能够满足高输入阻抗和高精度的要求的差分输出信号，供后级电路使用。
100.以上所述仅为本发明较佳的实施例，并非因此限制本发明的实施方式及保护范围，对于本领域技术人员而言，应当能够意识到凡运用本说明书及图示内容所作出的等同替换和显而易见的变化所得到的方案，均应当包含在本发明的保护范围内。
技术特征：1.一种运算放大器，其特征在于，包括：第一运算放大单元，用于接收一输入信号，并产生一第一输出信号，所述第一运算放大单元包括：第一差分对，用于接收所述输入信号和所述第一输出信号；第一镜像电路，用于将一参考电流以一第一预定比例镜像至所述第一差分对的第一共源端；第一输出级电路，连接于一供电端和一接地端之间，包括第一输入端和第二输入端，分别连接所述第一差分对；第一输出端，用于产生所述第一输出信号并反馈至所述第一差分对；第二运算放大单元，用于接收一地信号，并产生一第二输出信号，所述第二运算放大单元包括：第二差分对，用于接收所述地信号和所述第二输出信号；第二镜像电路，用于将所述参考电流以一第二预定比例镜像至所述第二差分对的第二共源端；第二输出级电路，连接于所述供电端和所述接地端之间，包括第三输入端和第四输入端，分别连接所述第二差分对；第二输出端，用于产生所述第二输出信号并反馈至所述第二差分对。2.根据权利要求1所述的运算放大器，其特征在于，还包括：钳位电路，连接于所述第二镜像电路和所述第二共源端之间，所述钳位电路的输入端连接所述输入信号，用于将流经所述第二差分对的电流钳位至与流经所述第一差分对的电流一致。3.根据权利要求1所述的运算放大器，其特征在于，所述第一差分对包括：第一晶体管，所述第一晶体管的栅极连接所述输入信号，所述第一晶体管的源极通过一第一电阻连接所述第一共源端，所述第一晶体管的漏极连接所述第一输入端；第二晶体管，所述第二晶体管的栅极连接所述第一输出信号，所述第二晶体管的源极连接所述第一共源端，所述第二晶体管的漏极通过一第二电阻连接所述第二输入端。4.根据权利要求3所述的运算放大器，其特征在于，所述第二差分对包括：第三晶体管，所述第三晶体管的栅极连接所述地信号，所述第三晶体管的源极通过一第三电阻连接所述第二共源端，所述第三晶体管的漏极连接所述第三输入端；第四晶体管，所述第四晶体管的栅极连接所述第二输出信号，所述第四晶体管的源极连接所述第二共源端，所述第四晶体管的漏极通过一第四电阻连接所述第四输入端。5.根据权利要求4所述的运算放大器，其特征在于，所述第二电阻的阻值与所述第一电阻的阻值相同；所述第四电阻的阻值与所述第三电阻的阻值相同；所述第一电阻和所述第三电阻的阻值相同。6.根据权利要求2所述的运算放大器，其特征在于，还包括电流源电路，用于产生所述参考电流，所述电流源电路包括：第五晶体管，所述第五晶体管的栅极连接一第一节点，所述第五晶体管的源极连接所述供电端；
第六晶体管，所述第六晶体管的栅极连接一第二节点，所述第六晶体管的源极连接所述第五晶体管的漏极，所述第六晶体管的漏极连接一电流源。7.根据权利要求6所述的运算放大器，其特征在于，所述第一镜像电路包括：第七晶体管，所述第七晶体管的栅极连接所述第一节点，所述第七晶体管的源极连接所述供电端；第八晶体管，所述第八晶体管的栅极连接所述第二节点，所述第八晶体管的源极连接所述第七晶体管的漏极，所述第八晶体管的漏极连接所述第一共源端。8.根据权利要求6所述的运算放大器，其特征在于，所述第二镜像电路包括：第九晶体管，所述第九晶体管的栅极连接所述第一节点，所述第九晶体管的源极连接所述供电端；第十晶体管，所述第十晶体管的栅极连接所述第二节点，所述第十晶体管的源极连接所述第九晶体管的漏极。9.根据权利要求8所述的运算放大器，其特征在于，所述钳位电路包括：第十一晶体管，所述第十一晶体管的栅极连接所述输入信号，所述第十一晶体管的源极连接所述第十晶体管的漏极，所述第十一晶体管的漏极连接所述第二共源端。10.根据权利要求1所述的运算放大器，其特征在于，所述第一预定比例与所述第二预定比例相同。
技术总结本发明提供一种运算放大器，包括：第一运算放大单元和第二运算放大单元，第一运算放大单元包括：第一差分对、第一镜像电路、第一输出级电路，用于产生第一输出信号并反馈至第一差分对；第二运算放大单元包括：第二差分对、第二镜像电路、第二输出级电路，用于产生第二输出信号并反馈至第二差分对。有益效果：本发明提供的运算放大器可支持负压输入，输出具有高线性度性能，将单端可低于地信号的输入信号转化为能够满足高输入阻抗和高精度的要求的差分输出信号，供后级电路使用。供后级电路使用。供后级电路使用。
技术研发人员：葛锐
受保护的技术使用者：荣湃半导体（上海）有限公司
技术研发日：2022.07.05
技术公布日：2022/11/1
