高带宽低功耗频率补偿三级运算放大器制造技术

本发明专利技术属于模拟集成电路设计技术领域，具体为一种高带宽低功耗的频率补偿三级运算放大器。该放大器包含：输入级；第二级，连接于输入级；输出级，连接于第二级，放大第二级输出的信号并且驱动外部负载电路；共模反馈级，取出差分输出级的共模电平并对共模电平进行稳定；补偿电路，包括传统跨导补偿电路，米勒补偿电路以及分离高频零极点的电阻；内部前馈电路，用于补偿内部额外极点并和输出级构成推挽电路减小静态功耗。该三级运算放大器在消耗较小的直流功耗的条件下实现了高增益高带宽和高的稳定性。该放大器可用于高速模数转换电路如适用于ＬＴＥ无线通讯协议的宽带ｓｉｇｍａ－ｄｅｌｔａ调制器。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术模拟集成电路设计
，具体涉及一种高带宽低功耗频率补偿三级运 算放大器，可用于高速模数转化电路中。
技术介绍
随着半导体工艺技术的不断更新，CMOS工艺下电源电压越来越低，作为模拟集成 电路设计基本模块，运算放大器的设计得到了越来越大的挑战。一般结构为了在较低功耗 的情况下获得高带宽需要采用较短的沟道长度来实现较快的速度，但是会导致较低的直流 增益，而且较短的沟道长度会产生较大的工艺偏差，传统提高增益的方法如叠加晶体管或 者增益自举电路随着电源电压的降低已经不适合应用于今后技术的发展。同时随着无线通讯协议的发展，对于模数转换器的带宽要求越来越大，以过采样 型模数转化器为例，适用于LTE无线通讯协议中对模数转换器带宽的要求最大可以到20兆 赫兹，这样对里面的运算放大器的要求就会很高甚至达到上千兆赫兹(GHz)。所以需要找到 一种用较低功耗实现高增益和高带宽运算放大器的结构。多级放大器可以比较容易的达到较高的增益，但是单纯增加放大器的级数会存在 稳定性的问题，因为多级放大器存在较多的零极点，需要有较好的补偿结构才能保证多级 运算放大器的稳定性问题。传统多级放大器的设计是为了驱动很大的容性负载或者阻性负 载，带宽一般在几十兆赫兹到几百兆赫兹，设计时一般忽略内部寄生电容的影响。而应用于 通信领域中的运放负载一般较轻，要求很大的带宽，这样在设计的时候需要考虑内部寄生 电容的影响。通常采用的多级放大器频率补偿技术有米勒(Miller)补偿技术、跨导及调零电 阻米勒补偿(NGRNMC)技术和跨导电容补偿(TCFC)技术等等。以三级运算放大器为例，米 勒补偿技术是采用两个反馈电容，分别跨接在输出级和第一、二级的输出端。前馈跨导米勒 补偿技术是在米勒补偿的基础上分别从输入端和第二级输入端跨接前馈跨导到输出端；跨 导电容补偿技术是在米勒补偿第二级输出和第二个补偿电容中间添加了 一个跨导。图1是
技术介绍
中三级米勒补偿技术的结构框图，三级放大器包括第一级放大器 Al、第二级放大器A2、第三级放大器A3。这三级放大器的跨导分别为gml、gm2和gm3，输出电 阻分别为R1、R2和R3,集总输出电容为C” C2和CL。米勒补偿电容Cffll跨接在Al的输出端 和A3的输出端。米勒补偿电容Cm2跨接在A2的输出端和A3的输出端。假设米勒补偿电容 Cffll> Cffl2和负载电容Q >>内部集总输出电容C1和C2,可以得到这种结构的开环频响公式4(1+丄+丄)^W =-^3 —42(1)(1 +丄)(1 +丄+丄) (Od ωχ ωχω2Adc 为直流增益 Ad。= Smlgm2gm3R1R2R3, ω d 为主极点 ω d = !/Cffllgffl2gffl3R1R2R3,单位增益 带宽为"UG = gml/Cml，两个极点 GJ1 = gm2/Cm2，ω2 = gm3/CL，两个零点 ω3 = _gm3/Cm2，ω4 =3gm2/Cml。为了使这种结构的三级放大器保持稳定，需要使ω2 = 2ω1 = 4ωυ(;，为了得到较大 单位增益带宽gml/Cml较大，且Cml不能取很小以防止内部寄生电容的影响，同理Cm2和Q也 不会很小由此可见最后两集的跨导需要很大才能保证放大器保持稳定，这种结构不能得到 较低的功耗，不适用与低功耗的设计。图2是
技术介绍
中三级跨导及调零电阻米勒补偿技术的结构框图，三级放大器包 括第一级放大器Bi、第二级放大器B2、第三级放大器B3。这三级放大器的跨导分别为gml、 gffl2和gm3，输出电阻分别为R^R2和R3,集总输出电容为C^C2和Q。还有第一级前馈放大器 B4，第二级前馈放大器B5，它们的跨导分别为gmfl和g_米勒补偿电容Cml跨接在Bl的输出 端和B3的输出端。米勒补偿电容Cm2跨接在B3的输出端和调零电阻Rm两端，调零电阻Rm 跨接在B2的输出端和Cm2两端。同样假设米勒补偿电容Cml、Cm2和负载电容内部集 总输出电容C1和C2，可以得到它的主极点为ω d = !/Cmlgm2gm3R1R2R3,其他极点 ω ！ = gm2gm3/ ，ω 2 = (Rm2Rm3Rm+gm3_Rm2) /CL，零点ω 3 = gmlgm2gm3/ (gm3gmK|Cml+gmlgm2gm3RmCm2-gmlgm2Cm2)ω4 = (gm3gmf。Cml+gmlgm2gm3RmCm2-gmlgm2Cm2)/(gm3gmf。Rm+gmfl-gmf。-gml) CmlCm2，在时这种结 构的放大器保持稳定的同时，可以通过调整Q和Cml，Q和Cm2的比率以及电阻Rm来减小最 后两级的跨导，最多可减小为NMC结构的五分之一左右，但是这种结构使用的调零电阻必 须很小才能保证零极点分离的条件，而且在高频的时候Cml和Cm2的前馈作用会使幅频特性 变差，所以这种结构也不能满足很大带宽的要求。图3是
技术介绍
中三级跨导电容补偿技术的结构框图，三级放大器包括第一级放 大器D1、第二级放大器D2、第三级放大器D3。这三级放大器的跨导分别为gml、gm2和gm3，输 出电阻分别为RpR2和R3，集总输出电容为CpC2和Q。米勒补偿电容Cml跨接在Dl的输出 端和D3的输出端。米勒补偿电容Cm2跨接在D3的输出端和D4两端，跨导级D4，它的跨导为 gmt跨接在D2的输出端和Cm2两端。这种结构的三级放大器采用了一个跨导gmt阻隔了 Cm2 在高频时的短路效应，提高了高频时的增益和PSRR。但是这种结构一般是应用在驱动大的 容性负载和阻性负载的情况下，带宽不高的时候有比较大的优势，当驱动较小电容但是要 求很高带宽和低功耗的时候，第一个米勒补偿电阻Cml在高频时的短路效应就会显现出来， 而且第二级跨导补偿结构的寄生极点也会影响放大器的稳定性，阻碍了实现低功耗高带宽 的要求。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种在较低电源电压(1.2V及以下)时，具有高带宽、高增 益、低功耗的三级频率补偿运算放大器。本专利技术提供的高带宽低功耗三级频率补偿运算放大器，包括输入级，第二级，电 流源，输出级，共模反馈级，补偿电路，和内部前馈电路，其中输入级，用于接收输入信号并放大；第二级，连接于输入级，放大输入级输出的信号；电流源，用于给第一级和第二级提供电流源负载；差分输出级，连接于第二级，放大第二级输出的信号并且驱动外部负载电路；共模反馈级，取出差分输出级的共模电平并对共模电平进行稳定；补偿电路，包含第一补偿电容，第二补偿电容，跨导补偿电路，高频零极点分离电 阻，其中第二补偿电容，连接在输出级输出和跨导补偿电路之间；跨导补偿电路，连接在第二级输出和第二补偿电容之间，消除高频时补偿电容的 短路和前馈效应；高频零极点分离电阻，连接在第一补偿电容和输出级输出端之中，在频率很高时 减小第一补偿电容的前馈效应产生零极点分离；内部前馈电路，用于补偿内部额外极点并和输出级构成推挽电路，以减小静态功耗。本专利技术中，运放第二级包括电流镜电路和跨导晶体管。电流镜电路，提供电流源负 载；跨导晶体管，连接到第一级的输出和电流镜电路，通过电流镜镜像增加跨导，提供第二 级增益。本专利技术中，补偿电路的跨导补偿电路和连接补偿电容分别连接在第二级和第三极本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种高带宽低功耗频率补偿三级运算放大器，其特征在于包括：输入级，第二级，电流源，输出级，共模反馈级，补偿电路，和内部前馈电路，其中：输入级，用于接收输入信号并放大；第二级，连接于输入级，放大输入级输出的信号；电流源，用于给第一级和第二级提供电流源负载；输出级，连接于第二级，放大第二级输出的信号并且驱动外部负载电路；共模反馈级，取出差分输出级的共模电平并对共模电平进行稳定；补偿电路，包含：第一补偿电容，第二补偿电容，跨导补偿电路，高频零极点分离电阻，其中：第二补偿电容，连接在输出级输出和跨导补偿电路之间；跨导补偿电路，连接在第二级输出和第二补偿电容之间，消除高频时补偿电容的短路和前馈效应；第一补偿电容，连接在高频零极点分离电阻和输出级之间；高频零极点分离电阻，连接在第一补偿电容和输出级输出端之中，在频率很高时减小第一补偿电容的前馈效应产生零极点分离；内部前馈电路，用于补偿内部额外零点并和输出级构成推挽电路减小静态功耗。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：李冉，刘俊娟，洪志良，
申请(专利权)人：复旦大学，
类型：发明
国别省市：31[中国|上海]