三级频率补偿运算放大器制造技术

一种三级频率补偿运算放大器。其中三级频率补偿运算放大器用于驱动大电容性负载，包含第一级电路；第二级电路在该第一输出信号处于第一频率时以第一增益放大该第一输出信号，在该第一输出信号处于第二频率时以第二增益放大该第一输出信号，以产生第二输出信号；第三级电路用于通过放大该第二输出信号产生第三输出信号包含：输入端用于接收该第二输出信号；以及输出端用于输出该第三输出信号；以及第一补偿电容，耦接在该第一级电路的该低阻抗端和该第三级电路的该输出端之间。本发明专利技术提供的三级频率补偿运算放大器可在较低功耗下驱动很大的电容性或电阻性负载。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及运算放大器，更具体的，是关于三级频率补偿运算放大器。
技术介绍
运算放大器已经广泛应用于电子设备和电子学领域，在此仅举数例例如 反相器放大器(inverter amplifier),积分器、滤波器电路。近年来，随着CMOS 工艺尺度的快速微缩(scaling)，超大规模集成电路(VLSI)的供电电压急剧降低。 运算放大器作为大多数模拟系统的 一个基本区块，也需要在低压应用中同时达 到高增益和高带宽。传统级联(cascode)放大器是通过堆叠晶体管来提高增益，但 由于电压摆幅(swing)较小而不适用于低压设计；而多级(multi-stage)放大器是通 过横向(horizontally)增加增益级的数目来提高增益，因此越来越多的电路设计者 注意到多级放大器的重要性。但由于多级放大器在小信号传输函数中具有多重 极点(multiple-pole)的特性，所有多级;故大器均存在闭环(close-loop)不稳定的问 题。因此研究人员提出了多种频率补偿布局结构(topology),以保证多级放大器 的稳定性。 一般而言，传统驱动器芯片中应用的运算放大器通常是两^i文大器， 传统两级放大器具有用于提升增益的第一级放大电路、以及用于驱动电容性或 电阻性负载的第二级输出电路。但当前三级运算放大器也越来越受欢迎。通常，放大器电路最重要的特性参数是增益和带宽。而放大器的增益和带 宽具有相反关系。 一般而言，较高增益值关联较低的带宽，而较低增益值关联 较高的带宽。运算放大器的性能特性在于传输函数，而传输函数可通过应用小 信号分析来获得。图l是示例两^^文大器的传输函数的示意图。参考图1，从直 流(DC,频率为零)到第一主极点cow的频率期间，放大器的增益大致为常数； 当频率上升至大于第一主极点o^的频率时，放大器增益开始急剧下降。放大器 的最大可用带宽与第二非主极点(non-dominantpole)o)p2有关。在不同应用中，可 能希望调整极点COjm和0Jp2的频率。本领域已知许多用于调整放大器极点频率的 补偿技术，例如米勒(Miller)补偿或Ahuja补偿。米勒补偿采用 一个反馈电容，该电g接在第二放大器级的输入和输出之间。Ahuja补偿则在第二放大器级的 反馈回路中添加了 一个电流增益装置。图2是
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中两级米勒补偿(MC)放大器10的区块示意图。参考图2， 两级MC放大器10包括第一级放大器ll、第二级放大器12和补偿电容Cm。第 一增益级的跨导(transconductance)、输出电阻和集总输出寄生电阻(lumped output parasitic resistance)分另'J标示为gmi 、 r ol 和Cpp在第二增益级中相应参数分别标示为gm2、 r。2和C^。补偿电容Cm耦接于第二级放大器12的输入端和输出端之 间。通过引入补偿电容Cm，从第二级放大器12输入端观察到第二级放大器12 的电容就大得多，由此，第一主极点C0P1将向较低频率移动、第二非主极点P2 将向较高频率移动。但是，高频时电容Cm具有短路路径的功能，且电容Cm与第二级放大器12 的组合形成了连接成二极管形式的晶体管。这样一来，来自参考电势的任何噪声都会传递至第二级放大器12。另外，两级MC放大器IO在高频运作时电源抑 制比(Power Supply Rejection Ratio,以下简称为PSRR)较差。因此，若要求较好 的PSRR,则两级MC放大器10不足以达到运作要求。图3是
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中三级巢状米勒补偿(Nested Miller Compensation, NMC)放 大器20的区块示意图。参考图3，三级NMC放大器20包括第一级放大器21、 第二级放大器22、第三级放大器23以及补偿电容Qm和Q^。第一增益级的跨 导、输出电阻和集总输出寄生电阻分别标示为gml、 r。i和CV,第二增益级中相 应参数分别标示为g^、 r。2和Cp2，第三增益级中相应参数分别标示为gm3、 r。3 和CL。补偿电容C^耦接于第二级^:大器22的输入端和第三级放大器23的输 出端之间。补偿电容CM耦接于第三级放大器23的输入端和输出端之间。在假设(1)Q^、 C^、 CL CP1、 CP2,以及假设(2)g^》gmi、 g^的条件下，三级NMC放大器20的特性在于小信号传输函数ANMC(s), Anmc(s)表示如下<formula>formula see original document page 8</formula>其中Adc表示DC增益，DC增益等于gmigm2gm3r。ir。2r。3, a^表示主极点，主极点等于(Cmigm2gm3r。ir。2r。3 )。为使NMC放大器20稳定，应遵守以下尺度条件(dimension condition):<formula>formula see original document page 9</formula>(2)<formula>formula see original document page 9</formula>(3)在NMC放大器20中，通过引入补偿电容Cml、 Cw，也可实现极点分离 (pole-splitting)。但是，如(l)、 (3)式所示，非主极点依赖于C^，并因此依赖于 负载电容Ct。驱动较大电容性负载时要求Cn^较大，以使非主极点移动至较低 的频率。因此，NMC放大器20的频宽较小。此夕卜，由于之前提出的假设gm3〉〉gmi、 gm2可能不再有效，所以NMC放大器20不适用于低功率设计。Ahuja频率补偿方案是另一种广为人知的用于运算放大器的频率补偿方案。 图4是
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中两级Ahuja补偿放大器30的区块示意图。参考图4，两级Ahuja 补偿;故大器30包括第一级》文大器31、第二级放大器32、补偿电容Cm和电流增 益装置Ig。第一增益级的跨导、输出电阻和集总输出寄生电阻分别标示为gml、 r。i和Cpn第二增益级中相应参数分别标示为gmi、 r。2和CL。两级Ahuja补偿放大器30的特性在于小信号传输函数A酬a(S), A剩a(S)表示为<formula>formula see original document page 9</formula>其中，ADc为DC增益，等于 为主极点，等于(Cmg^r。J。2 );OJn为固有频率c^为非主零点，等于^ f为阻尼系数，等于备,1 +丘(natural frequency), 等于.在两级Ahuja补偿放大器30中，补偿电容Cm和电流增益装置Ig串联耦接 于第二^i史大器32的输入端和输出端之间。通过引入电流增益装置Ig，第二级 放大器32运作于高频时不再成为连接成二极管形式的晶体管。因此，两级Ahuja 补偿放大器30在高频段能达到较佳的PSRR。但是，两级Ahuja补偿放大器30 在某些情况下不能实现较好的补偿功能。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术其中之一目的在于提供一种三级频率补偿运算放大器， 以在放大器低压应用中对高增益和高带宽作更好的平衡。本专利技术提供一种三级频率补本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种三级频率补偿运算放大器，用于驱动大电容性负载，包含：　第一级电路，用于通过放大输入信号产生第一输出信号，该第一级电路包含：输入端，用于接收该输入信号；以及输出端，用于输出该第一输出信号；　第二级电路，用于选择性地放大该第一输 出信号，以产生第二输出信号，该第二级电路在该第一输出信号处于第一频率时以第一增益放大该第一输出信号，以及在该第一输出信号处于第二频率时以第二增益放大该第一输出信号，该第二级电路包含：输入端，耦接至该第一级电路的该输出端，用于接收该第一输出信号；输出端，用于输出该第二输出信号；以及第一补偿电路，用于在该第二频率时将该第一增益调节至该第二增益；　第三级电路，用于通过放大该第二输出信号产生第三输出信号，该第三级电路包含：输入端，用于接收该第二输出信号；以及输出端，用于输出该第 三输出信号；以及　第二补偿电路，用于调节该第二级电路和该第三级电路的频率特性，该第二补偿电路包含：第一补偿电容，耦接至该第三级电路的该输出端；以及电流源，耦接在该补偿电容和该第二级电路的该输入端之间。

【技术特征摘要】
US 2008-9-15 61/097,202;US 2009-6-18 12/486,7591.一种三级频率补偿运算放大器，用于驱动大电容性负载，包含第一级电路，用于通过放大输入信号产生第一输出信号，该第一级电路包含输入端，用于接收该输入信号；以及输出端，用于输出该第一输出信号；第二级电路，用于选择性地放大该第一输出信号，以产生第二输出信号，该第二级电路在该第一输出信号处于第一频率时以第一增益放大该第一输出信号，以及在该第一输出信号处于第二频率时以第二增益放大该第一输出信号，该第二级电路包含输入端，耦接至该第一级电路的该输出端，用于接收该第一输出信号；输出端，用于输出该第二输出信号；以及第一补偿电路，用于在该第二频率时将该第一增益调节至该第二增益；第三级电路，用于通过放大该第二输出信号产生第三输出信号，该第三级电路包含输入端，用于接收该第二输出信号；以及输出端，用于输出该第三输出信号；以及第二补偿电路，用于调节该第二级电路和该第三级电路的频率特性，该第二补偿电路包含第一补偿电容，耦接至该第三级电路的该输出端；以及电流源，耦接在该补偿电容和该第二级电路的该输入端之间。2. 如权利要求1所述的三级频率补偿运算放大器，其特征在于，该第一级电路包括差分放大器，该差分放大器具有第一晶体管、第二晶体管、第三晶体管和第四晶体管。3. 如权利要求2所述的三级频率补偿运算放大器，更包含电流源，用于与该差分》t大器通信。4. 如权利要求1所述的三级频率补偿运算放大器，其特征在于该第二级电路更包含第一晶体管和第二晶体管，其中，该第一晶体管提供该第一增益，且该第一晶体管包括控制端，耦接至该第二级电路的该输入端；第一端；以及第二端；该第二晶体管提供第三增益，且该第二晶体管包括控制端；第一端，耦接至该第一晶体管的该第一端；以及第二端，耦接至该第二级电路的该输出端；以及该第一补偿电路包含补偿电阻，耦接至该第二晶体管的该控制端；以及补偿电容，耦接在该第二晶体管的该控制端与该第二端之间，用于在高频时将该第二晶体管的该控制端与该第二端之间短路，以提供等于该第一增益除以该第三增益的该第二增益。5. 如权利要求4所述的三级频率补偿运算放大器，其特征在于，该第二级电路更包含第三晶体管，耦接至该第一晶体管的该第二端，以提供偏置电流；以及第四晶体管，耦接至该第二晶体管的该第二端，以提供偏置电流。6. 如权利要求1所述的三级频率补偿运算放大器，其特征在于该第二级电路更包含第一晶体管、第二晶体管、第三晶体管和第四晶体管，其中，该第一晶体管提供该第一增益，且该第一晶体管包括第一端、第二端和耦接至该第二级电路的该输入端的控制端；该第二晶体管提供第三增益，且该第二晶体管包括控制端、耦接至该第一晶体管的该第一端的第一端、以及耦接至该第二级电路的该输出端的第二端；该第三晶体管包括耦接至该第一晶体管的该第二端的控制端，耦接至该第一晶体管的该第一端的第一端，以及耦接至该第一晶体管的该第二端的第二端；以及该第四晶体管包括耦接至该第一晶体管的该第二端的控制端，耦接至该第一晶体管的该第一端的第一端，以及耦接至该第二级电路的该输出端的第二端；以及该第一补偿电路包含补偿电阻，耦接至该第二晶体管的该控制端；以及补偿电容，耦接在该第二晶体管的该控制端与该第二端之间，用于在高频时将该第二晶体管的该控制端与该第二端之间短路，以提供等于该第一增益除以该第三增益的该第二增益。7. 如权利要求6所述的三级频率补偿运算放大器，其特征在于，该第二级电路更包含第五晶体管，耦接至该第一晶体管的该第二端，以提供偏置电流；以及第六晶体管，耦接至该第二晶体管的该第二端，以提供偏置电流。8. 如权利要求1所述的三级频率补偿运算放大器，其特征在于该第二级电路更包含第一晶体管、第二晶体管、第三晶体管和AB类配置电路，其中，该第一晶体管包括第一端、第二端和耦接至该第二级电路的该输入端的控制端；该第二晶体管包括控制端、耦接至该第一晶体管的该第一端的第一端、以及耦接至该第二晶体管的该控制端的第二端；该第三晶体管包括控制端、耦接至该第一晶体管的该第一端的第一端、以及耦接至该第三晶体管的该控制端的第二端；该AB类配置电路包括第四晶体管、第五晶体管、第六晶体管和第七晶体管，其中，该第四晶体管包括控制端...

【专利技术属性】
技术研发人员：尤达达思古帕塔，
申请(专利权)人：联发科技新加坡私人有限公司，
类型：发明
国别省市：SG[新加坡]