基于CDMOS工艺具有限流保护功能的功率运算放大器制造技术

本实用新型专利技术公开了一种基于CDMOS工艺具有限流保护功能的功率运算放大器，包括第一级运算放大单元、第二级运算放大单元、限流保护单元、偏置电路；所述偏置电路与第一级运算放大单元、第二级运算放大单元连接，第一级运算放大单元的输出端与第二级运算放大单元的输入端连接，所述限流保护单元与第二级运算放大器单元的输出端连接。本实用新型专利技术通过改进的电流源负载结构，简化了电路复杂度，减少了偏置电压的个数，进而减小了系统电路的静态功耗；通过在运算放大器输出级增加电流检测晶体管和电阻来感应输出电流大小，进而保护电路在输出短接时不被损毁，增强了系统的可靠性。

Power Operational Amplifier with Current Limiting Protection Based on CDMOS Technology

【技术实现步骤摘要】
基于CDMOS工艺具有限流保护功能的功率运算放大器
本技术涉及一种功率运算放大器，特别涉及一种基于CDMOS工艺具有限流保护功能的功率运算放大器。
技术介绍
功率放大类放大器广泛应用于通信系统和各种电子设备中，为负载提供足够大的信号功率，通常用于驱动电机、音圈电感、音响放大等实际应用中，具有低频段工作、大功率输出、高效率、智能控制等特点。近年来，随着集成电路设计及制造技术的不断发展，便携式、智能化电子产品逐渐向着轻便化、高集成度、微型化发展，这对低压功率类模拟集成电路的需求也在持续增加。目前，低压大电流输出功率类运算放大器大多采用BJT工艺，但是在这种工艺下电路的热稳定性较差，尤其系统电路工作在较大输出电流的情况下。为了能够在复杂环境下，适应更大温度变化范围需要的要求，发展出了一些基于其他工艺的低压大电流功率运算放大器电路，如CMOS，CDMOS工艺。传统的运算放大器大多采用PMOS对管输入，以降低输入噪声，采用折叠式共源共栅结构以获得较高的直流增益。但是，由于PMOS晶体管的载流子迁移率较小，所以PMOS差分对输入管表现出较小的跨导，另外，在相同跨导的情况下PMOS管需要的宽长比会比NMOS管大很多，占用相对较大的版图面积，这将会增加设计成本。再者，传统的折叠式共源共栅结构中需要的偏置电压相对较多，这样增加了电路设计的复杂度、电路的整体静态功耗，还增加了芯片版图面积。由于大多集成类运算放大器的工作输出电流较小，一般不采用限流保护功能电路来限制输出。因此，考虑到芯片使用环境的复杂与多变，传统运算放大器结构，很难满足高增益、大电流输出、稳定性好的性能要求。传统折叠式共源共栅电路中电流源负载电路通常采用图2中现有技术，虽然也可以实现提高第一级折叠式共源共栅级运算放大电路的直流增益，但是，电路中需要增加额外的直流偏置电路，进而增加电路的复杂度，并且会产生额外的功耗。传统的两级运算放大器电路由于较少实现几百毫安，甚至更大的电流输出，所以没有限流保护电路。在设计输出较大电流的运算放大器电路时，输出级运算放大电路中的晶体管往往采用相对较大的宽长比，一般为几千或者上万，当输出级意外短接至VDD或者GND时，输出级晶体管将会在瞬间流过几百毫安甚至几安的大电流，这很容易烧坏输出级晶体管，因此就需要设计特殊的限流保护电路来提高运算放大器的可靠性。在传统的运算放大电路中，跨导线性环电路晶体管的偏压，如图4中PMOS管MP5和NMOS管MN9的栅极电压偏置电路往往直接采用简单的偏置实现，如二极管串接的MOS管实现，这种结构产生的偏压稳定性相对较差。
技术实现思路
为了解决上述技术问题，本技术提供一种结构简单、安全可靠的基于CDMOS工艺具有限流保护功能的功率运算放大器。本技术解决上述问题的技术方案是：一种基于CDMOS工艺具有限流保护功能的功率运算放大器，包括第一级运算放大单元、第二级运算放大单元、限流保护单元、偏置电路；所述偏置电路与第一级运算放大单元、第二级运算放大单元连接，用于向第一级运算放大单元和第二级运算放大单元提供对应的偏置电压；所述第一级运算放大单元的输出端与第二级运算放大单元的输入端连接，用于提供高的直流增益；所述第二级运算放大单元的输入端与第一级运算放大单元的输出端连接，用于增加第一级运算放大单元输出信号的最大摆幅；所述限流保护单元与第二级运算放大器单元的输出端连接，当输出电流超过额定值后，限流保护电路将第二级运算放大单元输出对管的栅极电压限定在一个固定值，而不受输入的变化的影响，以保护输出对管不使其流过过大电流而损坏。上述基于CDMOS工艺具有限流保护功能的功率运算放大器，所述第一级运算放大单元包括NMOS对管输入的折叠式共源共栅放大电路，折叠式共源共栅放大电路采用有源负载技术，提高第一级运放单元的直流增益，折叠式共源共栅放大电路包括第一至第八NMOS管、第一至第四PMOS管，其中第一NMOS管的栅极、第二NMOS管的栅极分别接输入信号VIN+、VIN-，第一NMOS管的源极和第二NMOS管的源极连接并接到第三NMOS管的漏极，第三NMOS管的源极和第四NMOS管的漏极相连接，第四NMOS管的源极接地，第三NMOS管的栅极、第四NMOS管的栅极相连并接入偏置电路提供的偏压VB；第一PMOS管的栅极与第二PMOS管的栅极相连并接入偏置电路提供的偏压VB1，第一PMOS管的源极、与第二PMOS管的源极接电源，第一PMOS管的漏极和第三PMOS管的源极以及第二NMOS管的漏极相连，第二PMOS管的漏极与第四NMOS管的源极以及第一NMOS管的漏极相连，第三PMOS管的栅极和第四PMOS管的栅极相连并接入偏置电路提供的偏压VB2，第三PMOS管的漏极与第五NMOS管的栅极和漏极、第六NMOS管的栅极、第七NMOS管的栅极、第八NMOS管的栅极相连接，第五NMOS管的源极和第七NMOS管的漏极相连接，第七NMOS管的源极接地，第六NMOS管的源极和第八NMOS管的漏极相连接，第八NMOS管的源极接地。上述基于CDMOS工艺具有限流保护功能的功率运算放大器，所述第二级运算放大单元包括由第九NMOS管、第五PMOS管构成的，为输出对管栅极提供稳定偏压的跨导线性环电路；由第七PMOS管、第十一NMOS管构成的Class-AB输出级电路；由第一电阻、第二电阻、第一电容、第二电容构成的，用于密勒补偿的补偿电路；由负载电阻和负载电容构成的输出负载；所述第四PMOS管的漏极与第七PMOS管的栅极、第五PMOS管的源极、第九NMOS管的漏极相连接，第七PMOS管的源极接入电源，第五PMOS管的漏极和第九NMOS管的源极相连后并与第六NMOS管的漏极、第十一NMOS管的栅极相连接，第五PMOS管的栅极接入偏置电路提供的偏压VP1，第九NMOS管的栅极接入偏置电路提供的偏压VP2，第十一NMOS管的源极接地，第十一NMOS管的漏极和第七PMOS管的漏极相连构成输出端OUT；密勒补偿电路中第一电阻的一端与第七PMOS管的栅极相连接，第一电阻的另一端与第一电容的一端相连，第一电容的另一端连接输出端OUT，第二电阻的一端与第十一NMOS管的栅极相连，第二电阻的另一端与第二电容的一端连接，第二电容的另一端连接输出端OUT；负载电阻的一端接输出端OUT，负载电阻的另一端接地，输出负载电容的一端接输出端OUT，输出负载电容的另一端接地。上述基于CDMOS工艺具有限流保护功能的功率运算放大器，所述限流保护电路包括第六PMOS管、第八至第十三PMOS管、第十NMOS管、第十二至第十八NMOS管、第三至第六电阻；所述第三电阻的一端接电源，第三电阻的另一端分别接第九PMOS管的源极、第八PMOS管的源极，第四电阻的一端接电源，第四电阻的另一端接第十PMOS管的源极，第八PMOS管的栅极接第七PMOS管的栅极，第八PMOS管的漏极接输出端OUT，第九PMOS管的栅极与第十PMOS管的栅极、第十PMOS管的源极相连接，第九PMOS管的漏极与第十三NMOS管的漏极、第六PMOS管的栅极相连接，第十PMOS管的栅极和漏极与第十四NMOS管的漏极相连接，第六PMOS管的源极接电源，第六PMOS管的漏极接第七PMOS管的栅极，第十三NMOS管的本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于CDMOS工艺具有限流保护功能的功率运算放大器，其特征在于：包括第一级运算放大单元、第二级运算放大单元、限流保护单元、偏置电路；所述偏置电路与第一级运算放大单元、第二级运算放大单元连接，用于向第一级运算放大单元和第二级运算放大单元提供对应的偏置电压；所述第一级运算放大单元的输出端与第二级运算放大单元的输入端连接，用于提供高的直流增益；所述第二级运算放大单元的输入端与第一级运算放大单元的输出端连接，用于增加第一级运算放大单元输出信号的最大摆幅；所述限流保护单元与第二级运算放大器单元的输出端连接，当输出电流超过额定值后，限流保护电路将第二级运算放大单元输出对管的栅极电压限定在一个固定值，而不受输入的变化的影响，以保护输出对管不使其流过过大电流而损坏。

【技术特征摘要】
1.一种基于CDMOS工艺具有限流保护功能的功率运算放大器，其特征在于：包括第一级运算放大单元、第二级运算放大单元、限流保护单元、偏置电路；所述偏置电路与第一级运算放大单元、第二级运算放大单元连接，用于向第一级运算放大单元和第二级运算放大单元提供对应的偏置电压；所述第一级运算放大单元的输出端与第二级运算放大单元的输入端连接，用于提供高的直流增益；所述第二级运算放大单元的输入端与第一级运算放大单元的输出端连接，用于增加第一级运算放大单元输出信号的最大摆幅；所述限流保护单元与第二级运算放大器单元的输出端连接，当输出电流超过额定值后，限流保护电路将第二级运算放大单元输出对管的栅极电压限定在一个固定值，而不受输入的变化的影响，以保护输出对管不使其流过过大电流而损坏。2.根据权利要求1所述的基于CDMOS工艺具有限流保护功能的功率运算放大器，其特征在于：所述第一级运算放大单元包括NMOS对管输入的折叠式共源共栅放大电路，折叠式共源共栅放大电路采用有源负载技术，提高第一级运放单元的直流增益，折叠式共源共栅放大电路包括第一至第八NMOS管、第一至第四PMOS管，其中第一NMOS管的栅极、第二NMOS管的栅极分别接输入信号VIN+、VIN-，第一NMOS管的源极和第二NMOS管的源极连接并接到第三NMOS管的漏极，第三NMOS管的源极和第四NMOS管的漏极相连接，第四NMOS管的源极接地，第三NMOS管的栅极、第四NMOS管的栅极相连并接入偏置电路提供的偏压VB；第一PMOS管的栅极与第二PMOS管的栅极相连并接入偏置电路提供的偏压VB1，第一PMOS管的源极、与第二PMOS管的源极接电源，第一PMOS管的漏极和第三PMOS管的源极以及第二NMOS管的漏极相连，第二PMOS管的漏极与第四NMOS管的源极以及第一NMOS管的漏极相连，第三PMOS管的栅极和第四PMOS管的栅极相连并接入偏置电路提供的偏压VB2，第三PMOS管的漏极与第五NMOS管的栅极和漏极、第六NMOS管的栅极、第七NMOS管的栅极、第八NMOS管的栅极相连接，第五NMOS管的源极和第七NMOS管的漏极相连接，第七NMOS管的源极接地，第六NMOS管的源极和第八NMOS管的漏极相连接，第八NMOS管的源极接地。3.根据权利要求2所述的基于CDMOS工艺具有限流保护功能的功率运算放大器，其特征在于：所述第二级运算放大单元包括由第九NMOS管、第五PMOS管构成的，为输出对管栅极提供稳定偏压的跨导线性环电路；由第七PMOS管、第十一NMOS管构成的Class-AB输出级电路；由第一电阻、第二电阻、第一电容、第二电容构成的，用于密勒补偿的补偿电路；由负载电阻和负载电容构成的输出负载；所述第四PMOS管的漏极与第七PMOS管的栅极、第五PMOS管的源极、第九NMOS管的漏极相连接，第七PMOS管的源极接入电源，第五PMOS管的漏极和第九NMOS管的源极相连后并与第六NMOS管的漏极、第十一NMOS管的栅极相连接，第五PMOS管的栅极接入偏置电路提供的偏压VP1，第九NMOS管的栅极接入偏置电路提供的偏压VP2，第十一NMOS管的源极接地，第十一NMOS管的漏极和第七PMOS管的漏极相连构成输出端OUT；密勒补偿电路中第一电阻的一端与第七PMOS管的栅极相连接，第一电阻的另一端与第一电容的一端相连，第一电容的另一端连接输出端OUT，第二电阻的一端与第十一NMOS管的栅极相连，第二电阻的另一端与第二电容的一端连接，第二电容的另一端连接输出端OUT；负载电阻的一端接输出端OUT，负载电阻的另一端接地，输出负载电容的一端接输出端OUT，输出负载电容的另一端接地。4.根据权利要求3所述的基于CDMOS工艺具有限流保护功能的功率运算放大器，其特征在于：所述限流保护电路包括第六PMOS管、第八至第十三PMOS管、第十NMOS管、第十二至第十八NMOS管、第三至第六电阻；所述第三电阻的一端接电源，第三电阻的另一端分别接第九PMOS管的源极、第八PMOS管的源极，第四电阻的一端接电源，第四电阻的另一端接第十PMOS管的源极，第八PMOS管的栅极接第七PMOS管的栅极，第八PMOS管的漏极接输出端OUT，第九PMOS管的栅极与第十PMOS管的栅极、第十PMOS管的源极相连接，第九PMOS管的漏极与第十三NMOS管的漏极、第六PMOS管的栅极相连接，第十PMOS管的栅极和漏极与第十四NMOS管的漏极相连接，第六PMOS管的源极接电源，第六PMOS管的漏极接第七PMOS管的栅极，第十三NMOS管的栅极、第十四NMOS管的栅极、第十五NMOS管的栅极和漏极、第十六NMOS管的栅极相连接，第十三NMOS管的源极、第十四NMOS管的源极、第十五NMOS管的源极、第十六NMOS管的源极接地，第十六NMOS管的漏极接第十一PMOS管的漏极、第十一PMOS管的栅极、第十二PMOS管的栅极、第十三PMOS管的栅极，第十一PMOS管的源极、第十二PMOS管的源极、第十三PMOS管的源极均接电源，第十二PMOS管的漏极与第十七NMOS管的漏极、第十NMOS管的栅极连接，第十NMOS管的漏极与第十一NMOS管的栅极相连接，第十NMOS管的源极接地，第十七NMOS管的栅极和第十三PMOS管的漏极、第十八NMOS管的栅极、第十八NMOS管的漏极相连，第十七NMOS管的源极接第五电阻的一端、第十二NMOS管的源极，第五电阻的另一端接地，第十八NMOS管的源极接第六电阻的一端，第六电阻的另一端接地，第十二NMOS管的栅极与第十一NMOS管的栅极相连接，第十二NMOS管的漏极接输出端OUT。5.根据权利要求4所述的基于CD...

【专利技术属性】
技术研发人员：汪洋，丁利强，金湘亮，杨红姣，
申请(专利权)人：湘潭大学，
类型：新型
国别省市：湖南,43