用于多级运算放大器的系统和方法技术方案

根据实施例，运算放大器包括：耦合在输入节点和中间节点之间的第一放大器级；耦合在中间节点和输出节点之间的第二放大器级；具有第一端子和第二端子的补偿电容器，第一端子耦合至中间节点；以及耦合在输出节点和第二端子之间的补偿放大器。补偿放大器具有大于1的正增益。

【技术实现步骤摘要】
用于多级运算放大器的系统和方法
本专利技术总体地涉及模拟电路，并且在具体实施例中，涉及用于多级运算放大器的系统和方法。
技术介绍
放大器是一种电子器件，其可以通过从电源获取能量并且在增加振幅的同时控制输出以匹配输入信号的形状来增加信号的功率。放大器被用于电子电路的多个方面，特别是被用于模拟电路的多个方面。放大器的一种特定类型是运算放大器(op-amp)。例如，op-amp可以被用于消费者级设备、工业级设备以及科学级设备中。op-amp可以作为部件被封装，或被用作更复杂的集成电路(IC)的元件。可以使用多种电路制造技术来实现op-amp，并且op-amp通常被制造为CMOSIC。通常使用具有或不具有补偿网络的一个或多个级来实现op-amp。各种op-amp的众多配置和实施方式通常与具体实施方式和预期用途相关。未补偿的二级CMOS运算放大器的主要限制之一是第一和第二极点之间固有的小的频率间隔，其引起不足的相位裕度并且导致闭环条件下的不稳定性。不同的频率补偿技术被使用来克服这个限制。最普及的技术是米勒补偿，其通过使用放置在op-amp第二级周围的补偿电容器实现极点分离。对于米勒补偿，由于在第一级的输出节点处增加的有效电容，主极点可以被移位到较低频率，而由于在足够高的频率处的第二级的减小的输出阻抗，非主极点被推到较高频率。米勒补偿通常产生右半平面(RHP)零点，这是由补偿电容器引入的前馈路径引起的。该零点的频率可以在op-amp的单位增益频率的相同数量级上，因为在CMOS技术中，两个级的跨导通常相似，这显著地降级了op-amp的相位裕度并且降低了稳定性。存在与米勒补偿一起使用用于寻址RHP零点的不同技术。不同技术包括调零电阻器补偿(NRC)，电压缓冲器补偿(VBC)和电流缓冲器补偿(CBC)。调零电阻器补偿使用与补偿电容器串联连接的电阻器，其将零点移至新频率。如果选择电阻器的适当的值，零点趋近于无穷大，并且因此减少了不稳定性问题。电流缓冲器补偿和电压缓冲器补偿(CBC和VBC)均通过切断由补偿电容器产生的前馈路径来防止RHP零点的形成，而不是重新定位RHP零点。例如，电压缓冲器补偿包括在第二级的输出和补偿电容器的右板之间放置单位增益缓冲器，以使补偿电容器两端的信号电压与在标准米勒补偿的情况下相同。作为另一示例，电流缓冲器补偿包括在补偿电容器的左板(如在传统电路示意图中所描述的)和第一级的输出之间放置单位增益电流缓冲器，以使注入到后一个节点中的信号电流与在标准米勒补偿情况下相同。在一些情况下，电流缓冲器补偿允许获得较大的增益带宽积；然而，由于电流缓冲器的非零输入阻抗，电流缓冲器补偿的设计不像电压缓冲器补偿直接，这能够引起复数极点和共轭极点的形成，复数极点和共轭极点可以导致不稳定性。
技术实现思路
根据一个实施例，运算放大器包括被耦合在输入节点和中间节点之间的第一放大器级；被耦合在中间节点和输出节点之间的第二放大器级；具有第一端子和第二端子的补偿电容器，第一端子被耦合至中间节点；以及被耦合在输出节点和第二端子之间的补偿放大器。补偿放大器具有大于1的正增益。附图说明为了更完整地理解本专利技术及其优点，现在参考结合附图进行的以下描述，其中：图1A和图1B图示了实施例运算放大器的框图和电路示意图；图2A、图2B和图2C图示了另一实施例运算放大器的框图和电路示意图；图3A和图3B图示了实施例运算放大器和相应的小信号等效模型的示意图；图4A和图4B图示了模拟运算放大器的波特图；图5A、图5B、图5C、图5D和图5E图示了附加实施例运算放大器的框图；以及图6A和图6B图示了另一实施例运算放大器的框图和电路示意图。除非另有说明，不同附图中的对应数字和符号通常指示对应的部分。附图被绘制以清楚地图示实施例的相关方面，并且附图不一定按比例绘制。具体实施方式下面详细讨论各种实施例的制造和使用。然而，应当理解，本文所描述的各种实施例可应用在各种各样的特定情景中。所讨论的具体实施例仅仅说明了制造和使用各种实施例的具体方式，并且不应被解释为限制范围。说明书关于在特定情境中的各种实施例来进行描述，即放大器，更具体地，运算放大器(op-amp)。本文描述的各种实施例中的一些包括多级op-amp、用于op-amp的补偿、用于多级op-amp的电压缓冲器补偿、以及用于多级op-amp的电压补偿中的正增益放大器。在其它实施例中，方面还可以应用于涉及根据本领域已知的任何方式的任何类型的放大器或补偿反馈电路的其它应用。根据各种实施例，通过在反馈补偿路径中引入增益级来增强用于多级op-amp的电压缓冲器补偿。在各种实施例中，通过包括耦合至补偿电容器的正增益放大器的串联路径，提供围绕多级op-amp的级到中间节点的反馈路径。在一些实施例中，正增益放大器被引入来代替用于标准电压缓冲器补偿的标准单位增益缓冲器。根据各种实施例，正增益级允许较小的补偿电容器的使用(通过增加有效电容)，并且关于常规电压缓冲器补偿，将非主极点移向较高频率，从而确保实施例op-amp的较高的增益带宽积。图1A和1B图示了实施例运算放大器(op-amp)100的框图和电路示意图，运算放大器100包括差分输入级102、负增益级104、正增益补偿级106、补偿电容器108(具有电容CC)和负载电容110(具有电容CL)。根据各种实施例，op-amp100是包括差分输入级102和负增益级104的二级op-amp，其中通过补偿电容器108和正增益补偿级106提供频率补偿，补偿电容器108和正增益补偿级106从输出节点VOUT(其相应地具有电压VOUT)被串联地耦合至中间节点V1(其相应地具有电压V1)。常规电压缓冲器补偿技术包括具有单位增益的电压缓冲器和补偿电容器的频率补偿串联路径。相反，根据各种实施例，正增益补偿级106具有大于1的正增益K。在一些各种实施例中，正增益K大于或等于2且小于或等于50。在具体实施例中，正增益K大于或等于5且小于或等于25。根据各种实施例，包括具有正增益K的正增益补偿级106可以提供各种有益效果。例如，中间节点V1处的有效电容通过正增益K的因子而被增加。因此，实现正增益补偿级106可以使得能够使用尺寸上较小的补偿电容器108(其导致节约用于集成实施例的半导体裸片面积)，同时在中间节点V1处维持相同的有效补偿电容。作为另一示例，正增益补偿级106可以附加地将非主极点的位置移位到较高频率，这允许使用较小的补偿电容器，从而增加op-amp100的运算的增益带宽积，这是包括正增益补偿级106的意外结果。此外，正增益补偿级106有助于防止右半平面(RHP)零点的形成。下面例如参考图3A、图3B、图4A和图4B进一步描述实施例op-amp的特性的各种细节和分析。差分输入级102具有耦合至总体放大器的非反相输入节点的反相输入端子V+、耦合至总体放大器的反相输入节点的非反相输入端子V-、以及耦合至中间节点V1的输出端子。在各种实施例中，电容C1是差分输入级102的总负载电容(不包括补偿电容CC的贡献)，并且包括差分输入级102的输出电容和负增益级104的输入电容。类似地，负增益级104具有耦合至中间节点V1的输入端子和耦合至输出节点VOUT的输出端子，输出节点VOUT具有由负载电容本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种运算放大器，包括：第一放大器级，被耦合在输入节点和中间节点之间；第二放大器级，被耦合在所述中间节点和输出节点之间；补偿电容器，具有第一端子和第二端子，所述第一端子被耦合至所述中间节点；以及补偿放大器，被耦合在所述输出节点和所述第二端子之间，所述补偿放大器具有大于1的正增益。

【技术特征摘要】
2016.06.24 US 15/192,8631.一种运算放大器，包括：第一放大器级，被耦合在输入节点和中间节点之间；第二放大器级，被耦合在所述中间节点和输出节点之间；补偿电容器，具有第一端子和第二端子，所述第一端子被耦合至所述中间节点；以及补偿放大器，被耦合在所述输出节点和所述第二端子之间，所述补偿放大器具有大于1的正增益。2.根据权利要求1所述的运算放大器，其中所述补偿放大器包括：电流镜，被耦合至所述第二端子；输入元件，被耦合在所述输出节点和所述电流镜之间；以及传导元件，被耦合至所述第二端子，其中所述传导元件通过所述电流镜被耦合至所述输入元件。3.根据权利要求2所述的运算放大器，其中所述电流镜包括第一晶体管和第二晶体管，所述第一晶体管和所述第二晶体管根据尺寸比率被设定尺寸，其中所述尺寸比率大于1。4.根据权利要求2所述的运算放大器，其中所述输入元件具有跨导，并且所述传导元件具有电导，并且所述跨导与所述电导的比率大于1。5.根据权利要求1所述的运算放大器，还包括从所述输入节点被耦合至所述输出节点的电阻分压器电路。6.根据权利要求5所述的运算放大器，其中所述补偿放大器通过所述电阻分压器电路被耦合至所述输出节点。7.根据权利要求1所述的运算放大器，其中所述补偿放大器被直接地连接至所述输出节点。8.根据权利要求1所述的运算放大器，其中所述第一放大器级包括差分输入、单端输出放大器；以及所述第二放大器级包括单端输入、单端输出放大器。9.根据权利要求1所述的运算放大器，还包括：第三放大器级，从所述中间节点被耦合至所述第二放大器级的输入；以及附加补偿电容器，被耦合在所述输出节点和所述第二放大器级的所述输入之间。10.根据权利要求1所述的运算放大器，还包括：第三放大器级，从所述第一放大器级的输出被耦合至所述中间节点；以及附加补偿电容器，被耦合在所述输出节点和所述第三放大器级的输入之间。11.一种运算放大器，包括：差分输入级，包括非反相输入端子、反相输入端子和输出端子；单端增益级，包括输入端子和输出端子，所述输入端子被耦合至所述差分输入级的所述输出端子；补偿电容器，包括第一端子和第二端子，所述第一端子被耦合至所述单端增益级的所述输入端子；以及补偿增益级，包括被耦合至所述单端增益级的所述输出端子的输入端子和被耦合至所述补偿电容器的所述第二端子的输出端子，所述补偿增益级具有大于1的正增益。12.根据权利要求11所述的运算放大器，其中所述补偿增益级包括：第一电流镜，包括从供电轨到第一分支节点的第一电流分支和从所述供电轨到第二分支节点的第二电流分支，所述第二分支节点被耦合至所述补偿电容器的所述第二端子；二极管连接的晶体管，包括从所述第二分支节点耦合至参考节点的传导路径；以及第一输入晶体管，包括与所述第一电流分支串联地耦合的传导路径和被耦合至所述补偿增益级的所述输入端子的控制端子。13.根据权利要求12所述的运算放大器，其中所述补偿增益级包括与所述差分输入级共享的晶体管。14.根据权利要求12所述的运算放大器，其中所述补偿增益级与所述差分输入级分离并且不包括所共享的晶体管。15.根据权利要求12所述的运算放大器，其中所述第一电流镜包括第一电流镜晶体管和第二电流镜晶体管，所述第一电流镜晶体管和所述第二电流镜晶体管根据尺寸比率被设定尺寸，所述尺寸比率大于1。16.根据权利要求12所述的运算放大器，其中所述补偿增益级的所述输入端子通过电阻分压器电路被耦合至所述单端增益级的所述输出端子。17.根据权利要求11所述的运算放大器，其中所述差分输入级包括：第二电流镜，包括从供电轨到第三分支节点的第三电流分支和从所述供电轨到第四分支节点的第四电流分支，所述第四分支节点被耦合至所述差分输入级的所述输出端子；第二输入晶体管，包括与所述第三电流分支串联地耦合的传导路径和被耦合至所述差分输入级的所述反相输入端子的控制端子；以及第三输入晶体管，包括与所述第四电流分支串联耦合的传导路径和被耦合至所述差分输入级的所述非反相输入端子的控制端子。18.根据权利要求17所述的运算放大器，其中所述差分输入级进一步包括偏压晶体管，所述偏压晶体管包括被耦合至所述第二输入晶体管的所述传导路径并且被耦合至所述第三输入晶体管的所述传导路径的传导路径、以及被耦合至偏压节点的控制端子。19.根据权利要求11所述的运算放大器，其中所述单端增益级包括：放大晶体管，包括从供电轨被耦合至所述单端增益级的所述输出端子的传导路径和被耦合至所...

【专利技术属性】
技术研发人员：M·帕索蒂，R·祖尔拉，A·卡布里尼，G·托瑞利，
申请(专利权)人：意法半导体股份有限公司，
类型：发明
国别省市：意大利,IT