*CN101917168A*
(10)申请公布号 CN 101917168 A(43)申请公布日 2010.12.15
(12)发明专利申请
(21)申请号 201010214772.7(22)申请日 2010.06.30
(71)申请人西安电子科技大学
地址710071 陕西省西安市太白南路2号(72)发明人来新泉 王松林 叶强 何惠森
陈小丹 王辉 刘晨(74)专利代理机构陕西电子工业专利中心
61205
代理人王品华 朱红星(51)Int.Cl.
H03F 3/45(2006.01)H03F 1/30(2006.01)H02M 1/42(2007.01)
权利要求书 2 页 说明书 6 页 附图 2 页
(54)发明名称
用于有源功率因数校正器中的高转换速率跨导放大器(57)摘要
本发明公开了应用于有源功率因数校正器中的高转换速率跨导放大器，主要解决现有跨导放大器不能及时处理有源功率因数校正器中出现的非正常情况问题。该电路包括：偏置电流源、三个电流镜、跨导输入级和转换速率增强电路，其中：跨导输入级采用源极交叉耦合对；偏置电流源设为两路，分别与该源极交叉耦合对连接，用于提供相等的偏置电流is1和is2；三个电流镜与源极交叉耦合对之间连接有转换速率增强电路，形成电路内部的正反馈；三个电流镜将源极交叉耦合对输出的电流I1、I2进行放大，并经比较后输出电流差值IO。本发明能扩大输出电流的最大线性范围和大幅提高跨导放大器的瞬态响应速度，可应用于有源功率因数校正器中。
CN 101917168 ACN 101917168 A
权 利 要 求 书
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1.一种用于有源功率因数校正器中的高转换速率跨导放大器，包括偏置电流源(6)、第一电流镜(3)、第二电流镜(4)、第三电流镜(5)、跨导输入级(1)，其特征在于：跨导输入级(1)采用源极交叉耦合对；偏置电流源(6)设为两路，分别与该源极交叉耦合对连接，用于提供相等的偏置电流is1和is2；第一电流镜(3)、第二电流镜(4)、第三电流镜(5)与源极交叉耦合对之间连接有转换速率增强电路(2)，形成电路内部的正反馈；第一电流镜(3)、第二电流镜(4)和第三电流镜(5)将源极交叉耦合对输出的电流I1、I2进行放大，并经比较后输出电流差值IO。
2.根据权利要求书1所述的高转换速率跨导放大器，其特征在于所述的转换速率增强电路(2)，包括：第一电流相减电路(7)、第二电流相减电路(8)、第四电流镜(9)和第五电流镜(10)；第一电流相减电路(7)输出的电流输入到第四电流镜(9)进行放大，第二电流相减电路(8)输出的电流输入到第五电流镜(10)进行放大，该第四电流镜(9)和第五电流镜(10)放大的电流输入到所述的偏置电流源(6)与跨导输入级(1)之间，所述的第一电流镜(3)和第二电流镜(4)将跨导输入级(1)产生的电流I1和I2进行放大后得到的电流Ie1和Ie2分别输入到第一电流相减电路(7)和第二电流相减电路(8)。
3.根据权利要求书2所述的高转换速率跨导放大器，其特征在于所述的第四电流镜(9)和第五电流镜(10)相互对称，该第四电流镜(9)与第五电流镜(10)的电流传输比均为1∶A，A取正整数。
4.根据权利要求书2所述的高转换速率跨导放大器，其特征在于所述的第一电流相减电路(7)和第二电流相减电路(8)通过两个对称的自偏置共源共栅电流镜实现，以增加跨导放大器的输出摆幅，该对称的自偏置共源共栅电流镜的传输比均为1∶1；第一电流相减电路(7)由MOS管M29-M32和电阻R1连接组成，第二电流相减电路(8)由M37-M40和电阻R2连接组成。
5.根据权利要求书4所述的高转换速率跨导放大器，其特征在于所述的MOS管M30、M32、M38和M40均采用耐压为20V的高压MOS管。
6.根据权利要求书3所述的高转换速率跨导放大器，其特征在于所述的对称的第四电流镜(9)和第五电流镜(10)分别是由MOS管M33-M36和M41-M44组成的共源共栅电流镜，该M34、M36、M42和M44均采用耐压为20V的高压MOS。
7.根据权利要求书1所述的高转换速率跨导放大器，其特征在于源极交叉耦合对，包括四个NMOS管M3-M6、四个PMOS管M1-M2和M7-M8，该M6的源极连接到M7的源极，M6的栅极和漏极连接到M4的栅极，M7的栅极连接到M1的栅极；M5的源极连接到M8的源极，M5的栅极和漏极连接到M3的栅极，M8的栅极连接到M2的栅极；M1的源极连接到M3的源极，M2的源极连接到M4的源极，形成源极的交叉耦合，用以保证跨导放大器工作在甲乙类状态，提高转换速率和扩大输出电流的最大线性范围。
8.根据权利要求书7所述的高转换速率跨导放大器，其特征在于所述的PMOS管M5与M6的尺寸和参数相等，NMOS管M7与M8的尺寸和参数相等，M3-M6均采用耐压为20V的高压MOS管。
9.根据权利要求书1所述的高转换速率跨导放大器，其特征在于所述的第一电流镜(3)是由MOS管M13-M20组成的共源共栅电流镜，用以提高跨导放大器的电源抑制比；第二电流镜(4)是由MOS管M21-M28组成的共源共栅电流镜；第三电流镜(5)是由MOS管M9-M12和
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R3组成的自偏置共源共栅电流镜；第一电流镜(3)和第二电流镜(4)的电流传输比相同，第三电流镜(3)的电流传输比为1∶1；所述的M13-M16、M21-M24和M11-M12均采用耐压为20V的高压MOS管。
10.根据权利要求书1或7所述的高转换速率跨导放大器，其特征在于所述的偏置电流源(6)提供两路相等的偏置电流，使得M1与M4的栅极之间和M2与M3的栅极之间分别连接大小相等的等效电压源，M1的栅极受第一输入电压VIN-控制，用于产生响应于第一输入电压VIN-的电流I1，输出到第一电流镜(3)，M2的栅极受第二输入电压VIN+控制，用于产生响应于第二输入电压VIN+的电流I2，输出到第二电流镜(4)。
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用于有源功率因数校正器中的高转换速率跨导放大器
技术领域
本发明属于电子电路技术领域，涉及模拟集成电路，特别涉及一种高转换速率的
跨导放大器，可应用于开关电源设计中的有源功率因数校正器中。
[0001]
背景技术
在开关电源领域中，功率因数校正器PFC是提高电子产品的功率因数、降低谐波干扰的有效方法之一。跨导放大器可作为误差放大器广泛应用于有源功率因数校正器APFC中，是整个APFC变换器实现稳定输出电压的重要环节。它将有源功率因数校正器APFC的输出电压经电阻分压后的反馈信号INV与基准电压VREF进行差分比较放大，通过反馈环路实现输出电压的稳定。
[0003] 有源功率因数校正器APFC中要求经外部电容补偿后误差放大器的环路带宽必须小于20Hz来滤除掉APFC输出电压的非直流成分，而外部电容负载若太大将会使得PFC系统的响应速度很慢。对于电路故障、短路或负载的突变等情况，若APFC系统不能及时做出反应将造成电路关断或损坏，从而影响系统工作性能。因此，这就对运算放大器的瞬态响应速度有了要求。
[0004] 图1是现有跨导放大器的电路图，它由跨导输入级1、偏置电流源2、第一电流镜3、第二电流镜4、第三电流镜5、外部电容CL组成。偏置电流源为跨导输入级提供尾电流is；PMOS管M1和M2组成跨导输入级；NMOS管M3和M4组成第一电流镜；NMOS管M5和M6组成第二电流镜；PMOS管M7和M8组成第三电流镜；电容CL为负载电容。现有跨导放大器工作原理：偏置电流源为跨导输入级提供尾电流is；M1和M2组成的源极耦合差分对作为跨导输入级，将输入信号VIN-和VIN+分别转换为差动电流信号I1和I2；M3-M8组成的三组电流镜完成双端转单端功能，提供输出电流来驱动负载电容CL。现有跨导运算放大器的输出电流的最
[0002]
正转换速率SR+和负转换速率SR-为大线性范围为-Bis≤Io≤Bis，中
[0005]
其
W为MOS管的栅宽，L为MOS管的栅长。
由此可知，当驱动大容性负载CL≥150pF时，上述现有的跨导放大器的转换速率太小，瞬态响应速度太慢，且输出电流的最大线性范围小，不能及时处理APFC系统中出现的非正常情况，无法满足高速电子系统的工作性能。若想提高其瞬态响应速度，只能增大is或者B，而增大其中任何一个因数来满足瞬态响应速度只能导致系统的功耗大幅度增加，难以满足集成电路低功耗的发展要求。发明内容
本发明的目的在于避免上述现有技术的不足，提供一种用于有源功率因数校正器
中的高转换速率跨导运算放大器，可在基本不增加功耗的前提下，提高有源功率因数校正器APFC中的跨导运算放大器瞬态响应速度，扩大其输出电流的最大线性范围，实现对APFC
[0006]
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说 明 书
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系统中出现非正常情况的及时处理，满足系统的工作性能。[0007] 为实现上述目的，本发明包括：包括偏置电流源、第一电流镜、第二电流镜、第三电流镜、跨导输入级，其中：跨导输入级采用源极交叉耦合对；偏置电流源设为两路，分别与该源极交叉耦合对连接，用于提供相等的偏置电流is1和is2；第一电流镜、第二电流镜、第三电流镜与源极交叉耦合对之间连接有转换速率增强电路，形成电路内部的正反馈；第一电流镜、第二电流镜和第三电流镜将源极交叉耦合对输出的电流I1和I2进行放大，并经比较后输出电流差值IO。
[0008] 所述的转换速率增强电路，包括：第一电流相减电路、第二电流相减电路、第四电流镜和第五电流镜；第一电流相减电路输出的电流输入到第四电流镜进行放大，第二电流相减电路输出的电流输入到第五电流镜进行放大，该第四电流镜和第五电流镜放大的电流输入到所述的偏置电流源与跨导输入级之间，所述的第一电流镜和第二电流镜将跨导输入级产生的电流I1和I2进行放大后得到的电流Ie1和Ie2分别输入到第一电流相减电路和第二电流相减电路。
[0009] 本发明由于采用源极交叉耦合对作为跨导输入级，能拓宽输出电流的最大线性范围和一定程度上加快跨导放大器的转换速率；同时由于本发明使用基于电流相减原理的转换速率增强电路，可将相减得到的电流输出到源极交叉耦合对构成的跨导输入级，从而在整体电路中形成部分正反馈，能大幅加速跨导放大器的转换速率；此外由于本发明的电流镜采用共源共栅结构，从而提高了电源抑制比。附图说明
图1是现有跨导放大器的电路原理图；[0011] 图2是本发明跨导放大器的结构框图；[0012] 图3是本发明跨导放大器的电路原理图；
[0013] 图4是本发明跨导放大器中的转换速率增强电路原理图。
[0010]
具体实施方式
[0014] 以下参照附图对本发明作进一步详细描述。[0015] 参照图2，本发明的应用于有源功率因数校正器中的高转换速率跨导放大器主要包括偏置电流源6、第一电流镜3、第二电流镜4、第三电流镜5、跨导输入级1和转换速率增强电路2。其中转换速率增强电路2连接在第一电流镜3、第二电流镜4、第三电流镜5与跨导输入级1之间，形成电路内部的正反馈；该跨导输入级1采用源极交叉耦合对，偏置电流源6设为两路，提供两路相等的偏置电流is1和is2输入到源极交叉耦合对；第一输入电压VIN-和第二输入电压VIN+输入到源极交叉耦合对，产生响应于第一输入电压VIN-的电流I1和响应于第二输入电压VIN+的电流I2，电流I1输出到第一电流镜3进行放大，I2输出到第二电流镜4进行放大；当第一输入电压VIN-减小或第二输入电VIN+增大时，I1持续增加而I2逐步截止；当第一输入电压VIN-增大或第二输入电VIN+减小时，I2持续增加而I1逐步截止，使得跨导放大器工作在甲乙类状态，以提高转换速率和输出电流的最大线性范围；I1经第一电流镜3放大，输出电流Ie1和I5，其中Ie1输入到转换速率增强电路2，I5输入到第三电流镜5进行镜像；I1经第二电流镜4放大，输出电流Ie2和I6，其中Ie2输入到转换速率增强
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电路2；Ie1和Ie2经转换速率增强电路2比较放大后，得到电流差值I3和I4，其中I3输入到偏置电流源6的一路偏置is2和源极交叉耦合对的交汇点，I4输入到偏置电流源6的一路偏置is1和源极交叉耦合对的交汇点，形成电路内部正反馈，能大幅提高跨导放大器的转换速率；I5经第三电流镜5镜像得到电流I7，该电流与经第二电流镜4放大的电流I6进行比较，输出电流差值IO。[0016] 参考图3，本发明的各单元电路结构及工作原理如下：[0017] 1)构成的跨导输入级1的源极交叉耦合对，包括普通PMOS管M1、M2、M7、M8和耐压为20V的高压NMOS管M3-M6，其中PMOS管M1、M2、M7、M8尺寸和参数相等，NMOS管M3-M6尺寸和参数相等；普通PMOS管M1和M7的栅极同时接第一输入电压VIN-；M7的源极连接到M6的源极，同时接转换速率增强电路2中M36的漏极；M7的漏极接地GND；M6的栅极和漏极连接到M4的栅极，同时接到偏置电流源6的一路偏置电流is2；M2和M8的栅极同时接第二输入电压VIN+；M8的源极连接到M5的源极，同时接转换速率增强电路2中M44的漏极；M8的漏极接地GND；M5的栅极和漏极连接到M3的栅极，同时接偏置电流源6的另一路偏置电流is1，其中is1＝is2；从而M1与M4的栅极之间和M2与M3的栅极之间分别连接大小相等的等效电压源；M4的漏极接电源电压VDD；M1漏极接到第一电流镜3中的M13的栅极和漏极，同时接到M14的栅极；M3的漏极接电源电压VDD；M2的漏极接到第二电流镜4中的M21的栅极和漏极，同时接到M22的栅极；M1的源极连接到M3的源极，M2的源极连接到M4的源极，形成源极的交叉耦合，以保证跨导放大器工作在甲乙类状态，提高转换速率和输出电流的最大线性范围。源极交叉耦合对产生响应于第一输入电压VIN-的电流I1和响应于第二输入电压VIN+的电流I2。[0018] 结合偏置电流源6、第一电流镜3、第二电流镜4、第三电流镜5和外接电容负载CL，所述源极交叉耦合对的转换速率和输出电流的最大线性范围为：假设M1、M2、M7和M8的尺寸和参数相同，M3-M6的尺寸和参数相同，M13-M16和M21-M24的尺寸和参数相同，M17-M20和M25-M28的尺寸和参数相同，M9-M10的尺寸和参数相同，M11-M12的尺寸和参数相同，且所有管子都工作在饱和区，则
[0019] 输出电流IO为：
[0020] [0021]
其中，
is＝is1＝is2，VIN＝VIN+-VIN-，
I1为响应于第一输入电压VIN-的电流，I2为响应于第二输入电压VIN+的电流，
μ为载流子迁移率，COX为单位面积栅氧化电容，W为MOS
管的栅宽，L为MOS管的栅长。
[0022] CMOS源极交叉耦合对的跨导Gm为
[0023] [0024]
最大允许的差模输入电压为：
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[0025]
输出电流最大线性范围为：
[0027] -4BiS≤IO≤4BiS
[0028] 当外接电容负载CL时，转换速率为：
[0026] [0029]
2)第一电流镜3，采用共源共栅电流镜，它包括NMOS管M13-M20，其中M13-M16采用耐压为20V的高压NMOS。M14-M16的栅极均接到M13的栅极；M13的漏极接到M13的栅极，同时接源极交叉耦合对构成的跨导输入级1中M1的漏极；M13的源极接到M18-M20的栅极，同时接到M17的栅极；M17的漏极接到M17的栅极；M14的源极接到M18的漏极；M15的源极接到M19的漏极；M16的源极接到M20的漏极；M17-M20的源极均接到地GND；M14的漏极接转换速率增强电路2中的M40的漏极，同时接到M42的栅极和漏极；M15的漏极接转换速率增强电路2中的M30和M32的栅极，同时接到电阻R1的一端；M16的漏极接第三电流镜5中的M11和M12的栅极，同时接到电阻R3的一端；第一电流镜3输出电流Ie1和I5，其中Ie1＝CI1，I5＝BI1，I1为响应于第一输入电压VIN-的电流，I2为响应于第二输入电压VIN+的电流，C取分数，B取正整数。[0031] 3)第二电流镜4，采用共源共栅电流镜，它包括NMOS管M21-M28，其中M21-M24采用耐压为20V的高压NMOS。M22-M24的栅极均接到M21的栅极和漏极，同时接到源极交叉耦合对构成的跨导输入级1中M2的漏极；M21的源极接到M26-M28的栅极，同时接到M25的栅极；M25的漏极接到M25的栅极；M22的源极接到M26的漏极；M23的源极接到M27的漏极；M24的源极接到M28的漏极；M25-M28的源极均接到地GND；M22的漏极接转换速率增强电路2中的M32的漏极，同时接到M34的栅极和漏极；M23的漏极接转换速率增强电路2中的M38和M40的栅极，同时接到电阻R2的一端；M24的漏极接第三电流镜5中的M12的漏极，同时外接负载电容CL。第二电流镜4输出电流Ie2和I6，其中Ie2＝CI2，I6＝BI2，C取分数，B取正整数。[0032] 4)第三电流镜5，采用电流传输比为1∶1的自偏置共源共栅电流镜，它包括PMOS管M9-M12和电阻R3，其中M11和M12采用耐压为20V的高压PMOS。M9和M10的栅极均接M11的漏极，同时接到电阻R3的一端；M9和M10的源极接电源VDD；M9的漏极接M11的源极；M10的漏极接M12的源极；M11、M12的栅极接电阻R3的另一端，同时接到第一电流镜3中的M16的漏极；M12的漏极接到第二电流镜4的M24的漏极同时连接到外接负载电容CL。第三电流镜5输出电流I7。
[0033] 所述的第一电流镜3和第二电流镜4采用相互对称的、电流传输比相等的共源共栅电流镜，用以提高跨导放大器的电源抑制比；第一电流镜3、第二电流镜4和第三电流镜5将源极交叉耦合对输出的差动电流进行比较，输出电流差值IO＝B(I1-I2)，其中
[0030]
W为MOS管的栅宽，L为MOS管的栅长，I1为响应于
第一输入电压VIN-的电流，I2为响应于第二输入电压VIN+的电流。[0034] 5)转换速率增强电路2，是基于电流相减的原理实现的，用于大幅提高跨导放大器的转换速率，其结构如图4所示，它包括：第一电流相减电路7、第二电流相减电路8、第四
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电流镜9和第五电流镜10，该第一电流相减电路7和第二电流相减电路8相互对称，第四电流镜9和第五电流镜10相互对称。其中：[0035] 5.1)第一电流相减结构7，由内部NMOS管M29-M32和电阻R1组成的自偏置共源共栅电流镜来实现，该自偏置共源共栅电流镜的电流传输比为1∶1，完成电流Ie1和Ie2的相减。M30和M32采用耐压为20V的高压PMOS管。M29和M31的栅极接M30的漏极，同时接到电阻R1的一端；M29和M31的源极接电源VDD；M29的漏极接M30的源极；M31的漏极接M32的源极；M30和M32的栅极接电阻R1的另一端；同时接到第一电流镜3中的M15的漏极；M32的漏极接到第二电流镜4中的M22的漏极同时接第四电流镜9中的M34的栅极和漏极，且M32的漏极输出的相减电流输入第四电流镜9中。电流Ie1和Ie2输入到第一电流相减电路7，当I1＜I2时，即Ie1＜Ie2时，第一电流相减电路7正常工作，输出相减后的电流Ie2-Ie1到第四电流镜9进行镜像；否则，当I1≥I2时，即Ie1≥Ie2时，第一电流相减电路7输出零电流；其中Ie1＝CI1，Ie2＝CI2；采用自偏置的共源共栅电流镜用以增加跨导放大器的输出摆幅。[0036] 5.2)第二电流相减结构8，由内部NMOS管M37-M40和电阻R2组成的自偏置共源共栅电流镜来实现，该自偏置共源共栅电流镜的电流传输比为1∶1，完成电流Ie1和Ie2的相减。M38和M40采用耐压为20V的高压PMOS管。M37和M39的栅极接M38的漏极，同时接到电阻R2的一端；M37和M39的源极接电源VDD；M37的漏极接M38的源极；M39的漏极接M40的源极；M38和M40的栅极接电阻R2的另一端，同时接到第二电流镜4中的M23的漏极；M40的漏极接到第一电流镜3中的M14的漏极，同时接到第五电流镜10中M42的栅极和漏极，且M40的漏极输出的相减电流到第五电流镜10中。电流Ie1和Ie2输入到第二电流相减结构8，当I1＞I2时，即Ie1＞Ie2时，第二电流相减结构8正常工作，输出相减后的电流Ie1-Ie2到第五电流镜10进行镜像；否则，当I1≤I2时，即Ie1≤Ie2时，第二电流相减结构8输出零电流；其中Ie1＝CI1，Ie2＝CI2；采用自偏置的共源共栅电流镜用以增加跨导放大器的输出摆幅。[0037] 5.3)第四电流镜9，包括PMOS管M33-M36。M34和M36采用耐压为20V的高压PMOS管，其中M35的栅极接M33的栅极；M33的漏极接到M33的栅极，同时接M34的源极；M33和M35的源极均接到电源VDD，M35的漏极接M36的源极，M36的栅极接M34的栅极；M34的漏极接到M34的栅极，伺时接到第一电流相减电路7中M32的漏极；M36的漏极输出电流I3到源极交叉耦合对构成的跨导输入级1中的NMOS管M6和PMOS管M7的源极；第四电流镜9将第一电流相减结构7的输出电流Ie2-Ie1放大了A倍，即第四电流镜9的电流传输比为1∶A，其中
A取正整数，W为MOS管的栅宽，L为MOS管的栅长。
5.4)第五电流镜10，包括PMOS管M41-M44。M42和M44采用耐压为20V的高压PMOS管，其中M43的栅极接M41的栅极；M41的漏极接到M41的栅极，同时接M42的源极；M41和M43的源极均接到电源VDD；M43的漏极接M44的源极；M44的栅极接M42的栅极；M42的漏极接到M42的栅极，同时接到第二电流相减电路8中M40的漏极；M44的漏极输出电流I4到源极交叉耦
[0038]
合对构成的跨导输入级1中的NMOS管M5和PMOS管M8的源极；第五电流镜10将第二电流相减结构8的输出电流Ie1-Ie2放大了A倍，即第五电流镜10的电流传输比为1∶A，其中
A取正整数。
[0039]
上述第一电流相减电路7将电流Ie2和Ie1相减，输出的差值电流到第四电流镜9
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进行放大，将放大后的电流I3输入到跨导输入级；第二电流相减电路8将电流Ie1和Ie2相减，输出差值电流到第五电流镜10进行放大，将放大后的电流I4输入到跨导输入级；当第一输入电压VIN-和第二输入电压VIN+相等时，电路处于平衡态，I1＝I2，转换速率增强电路2输出电流I3与I4均为零；当第一输入电压VIN-大幅降低而第二输入电压VIN+不变时，I1增加而I2保持不变，此时I4＝A(Ie1-Ie2)，而I3＝0，Ie1＝CI1，Ie2＝CI2，其中A为第四电流镜9和第五电流镜10的电流放大系数，则此时偏置电流源6的两路偏置电流由原来大小相等的is1和is2分别变为is1+I4和is2，使得电路内部产生部分正反馈，从而提高转换速率，加快瞬态响应速度；反之，当第一输入电压VIN-不变而第二输入电压VIN+大幅降低时，I1保持不变而I2增加，此时I3＝A(Ie2-Ie1)，而I4＝0，则此时两路偏置电流由原来大小相等的is1和is2分别变为is1和is2+I3，则电路内部产生部分正反馈，从而提高转换速率，加快瞬态响应速度。
[0040] 以上仅是本发明的一个最佳实例，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。
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说 明 书 附 图
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