一種有源前饋電路構(gòu)成頻率補(bǔ)償?shù)牟罘诌\算放大器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種有源前饋電路構(gòu)成頻率補(bǔ)償?shù)牟罘诌\算放大器，主要解決現(xiàn)有密勒頻率補(bǔ)償方法由于引入密勒電容而引起的多級差分運算放大器零極點分離，進(jìn)而限制了差分運算放大器單位增益帶寬的技術(shù)問題，技術(shù)方案：所述差分運算放大器包括第一增益級、第二增益級以及有源前饋放大級；第一增益級和第二增益級均包含第一輸入節(jié)點和第二輸入節(jié)點；有源前饋放大級由電路A（一個控制節(jié)點耦合到第一輸入節(jié)點以及一條控制路徑耦合到第二輸出節(jié)點）和電路B（一個控制節(jié)點耦合到第二輸入節(jié)點以及一條控制路徑耦合到第一輸出節(jié)點）組成。本發(fā)明還包括共模負(fù)反饋電路，共模負(fù)反饋電路由高增益級和有源前饋放大級組成。本發(fā)明可有效提高全差分運算放大器的單位增益帶寬性能和減小芯片實現(xiàn)面積。
【專利說明】一種有源前饋電路構(gòu)成頻率補(bǔ)償?shù)牟罘诌\算放大器

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及集成電路運算放大器設(shè)計（Integrated Circuit Operational Amplifier)領(lǐng)域，特別涉及一種不需要密勒補(bǔ)償電容，提高全差分運算放大器單位增益帶寬 性能和減小芯片實現(xiàn)面積的一種有源前饋電路構(gòu)成頻率補(bǔ)償?shù)牟罘诌\算放大器。

【背景技術(shù)】
[0002] 運算放大器是模擬集成電路和數(shù)?；旌霞呻娐分凶罨镜膯卧娐分弧６?差分運算放大器因為有相對大的輸出擺幅和更好的對電源噪聲以及共模漂移的抑制性能 而成為必須的選擇。但是這也意味著電路復(fù)雜性的增加：全差分運算放大器一般都需要包 括共模負(fù)反饋（Common Mode FeedBaCk，CMFB)電路是輸出級的共模電壓穩(wěn)定在參考電壓 (VR)附近。
[0003] 在常用的模擬電路例如模數(shù)轉(zhuǎn)換器，自動增益控制電路以及模擬濾波器中，高 增益，高速是對其中的全差分運算放大器模塊的普遍要求。在電源電壓限定的情況下，高 增益通常通過增加放大器的級數(shù)實現(xiàn)，但是同時這在放大器的傳輸函數(shù)上也引入了更多 的極點和負(fù)的相位位移。對多級放大器而言，為了保證放大器在閉環(huán)情況下的穩(wěn)定性，必須 進(jìn)行頻率補(bǔ)償?，F(xiàn)有的頻率補(bǔ)償電路大部分是基于密勒補(bǔ)償技術(shù)，它的基本原理是利用連 接在增益電路輸入和輸出端的電容的密勒效應(yīng)，把放大器的主極點推向更低頻率，次極點 相應(yīng)的推向更高頻率，從而實現(xiàn)頻率補(bǔ)償。顯然這種補(bǔ)償技術(shù)導(dǎo)致了比較低的單位增益帶 寬，而且產(chǎn)生了一個右半平面的零點，一般需要另外的串聯(lián)電阻進(jìn)行零點消除。
[0004] 因為可能分別形成獨立的反饋環(huán)路，全差分運算放大器的主放大器和共模負(fù)反 饋（CMFB)電路都需要進(jìn)行頻率補(bǔ)償。多級電路中，共模負(fù)反饋電路因為會引入更多的極 點，導(dǎo)致頻率補(bǔ)償也會遇到更多的電路設(shè)計難點。
[0005] 采用密勒補(bǔ)償技術(shù)的米勒償電容限制了全差分放大器的單位增益帶寬，增加了芯 片實現(xiàn)面積。在多級電路中，共模負(fù)反饋電路使頻率補(bǔ)償變得更加困難，使得全差分運算 放大器在一定的功耗限制下，很難同時達(dá)到高增益和大的單位增益帶寬。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明的目的是提供一種簡單易行、效果顯著、可有效提高全差分運算放大器的 單位增益帶寬性能和減小芯片實現(xiàn)面積的一種有源前饋電路構(gòu)成頻率補(bǔ)償?shù)牟罘诌\算放 大器。主要解決現(xiàn)有的密勒頻率補(bǔ)償方法由于引入密勒電容而引起的多級差分運算放大器 零極點分離，進(jìn)而限制了差分運算放大器的單位增益帶寬的技術(shù)問題。
[0007] 為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明思路是：完全不需要米勒補(bǔ)償電容，而全部采用有源 前饋電路，有源前饋頻率補(bǔ)償技術(shù)同時應(yīng)用在差分運算放大器的主差分增益級和共模負(fù)反 饋級。采用如下技術(shù)方案： 一種有源前饋電路構(gòu)成頻率補(bǔ)償?shù)牟罘诌\算放大器，其特征是： 1)所述的差分運算放大器包括第一增益級，第二增益級以及有源前饋放大級。其中， 第一增益級是一級差分放大電路，包含第一輸入節(jié)點和第二輸入節(jié)點；第二增益級是簡 單共源單管差分放大電路，包含第一輸出節(jié)點和第二輸出節(jié)點；有源前饋放大級由電路A 和電路B組成：電路A包括一個控制節(jié)點耦合到第一輸入節(jié)點以及一條控制路徑耦合到第 二輸出節(jié)點；電路B包括一個控制節(jié)點耦合到第二輸入節(jié)點以及一條控制路徑耦合到第一 輸出節(jié)點。輸入信號通過第一輸出節(jié)點和第二輸入節(jié)點進(jìn)入差分放大增益級，把差分增益 級的輸出結(jié)果導(dǎo)入第二增益級，對應(yīng)的產(chǎn)生第一輸出結(jié)果和第二輸出結(jié)果，利用有源前饋 電路進(jìn)行頻率補(bǔ)償：通過第一輸入節(jié)點信號控制第二輸出結(jié)果，通過第二輸入節(jié)點信號控 制弟一輸出結(jié)果。
[0008] 2)電路A和電路B的兩條控制路徑的其中一端互相連接在一起，并且這個連在一 起節(jié)點的電壓由共模負(fù)反饋電路決定。
[0009] 3)差分運算放大器的第一增益級由共源差分對管，電流源，負(fù)載對管組成。共源 差分對管源級通過電流源接地，漏極通過負(fù)載對管接電源。共源差分對管和負(fù)載對管是互 補(bǔ)CMOS管(互補(bǔ)晶體管)。
[0010] 4)差分運算放大器的第二增益級由共源差分放大級組成。其中共源級接地，漏極 分別接第一輸出節(jié)點和第二輸出節(jié)點。
[0011] 5 )差分運算放大器還包括共模負(fù)反饋電路，共模負(fù)反饋電路包括高增益級和有源 前饋放大級。共模負(fù)反饋電路通過感應(yīng)第一輸出節(jié)點和第二輸出節(jié)點的輸出電壓并取平均 值，產(chǎn)生第一反饋控制參數(shù)和第二反饋控制參數(shù)，通過這兩個控制參數(shù)最終達(dá)到穩(wěn)定差分 放大器的共模輸出電壓的目的。
[0012] 6)共模負(fù)反饋電路的高增益級的輸入端一邊連接到第一輸出節(jié)點和第二輸出節(jié) 點，另一邊連接到參考電壓VR。輸入信號通過第一輸出節(jié)點和第二輸入節(jié)點進(jìn)入差分放大 增益級，把差分增益級的輸出結(jié)果導(dǎo)入第二增益級，對應(yīng)的產(chǎn)生第一輸出結(jié)果和第二輸出 結(jié)果，利用第一輸出結(jié)果和第二輸出結(jié)果形成反饋控制參數(shù)，達(dá)到使得差分運算放大器差 分增益級的共模輸出電壓穩(wěn)定在參考電壓附近。
[0013] 7)共模負(fù)反饋電路的高增益級包括兩個共源差分對管，兩個源級分別通過電流源 接地；漏極分別交叉對接，通過兩個與差分對管互補(bǔ)的柵漏互接晶體管連接到電源。其中的 一個漏極，也就是第一反饋控制參數(shù)，連接到差分運算放大器的第一增益級，用來控制第一 輸出節(jié)點和第二輸出節(jié)點的共模電壓。
[0014] 8)共模負(fù)反饋電路的有源前饋級由共源差分對管組成，其輸入端分別連接到差分 運算放大器的第一輸出節(jié)點和第二輸出節(jié)點。有源前饋級的共源差分對管共源端接地，漏 極連接在一起組成輸出端。輸出端也就是第二反饋控制參數(shù)，連接到差分運算放大器主放 大器的電路A和電路B的共源節(jié)點，用來穩(wěn)定差分運算放大器的第二增益級的輸出共模電 壓。
[0015] 本發(fā)明的有益效果是：克服了現(xiàn)有的密勒頻率補(bǔ)償方法由于引入密勒電容而引起 的多級差分運算放大器零極點分離，進(jìn)而限制了差分運算放大器的單位增益帶寬問題，提 高了差分運算放大器的單位增益帶寬；又因為完全不需要密勒補(bǔ)償電容，發(fā)明同時減小了 運算放大器的芯片實現(xiàn)面積。進(jìn)一步，該發(fā)明在全差分運算放大器的共模負(fù)反饋回路中采 用同樣的有源前饋電路作為頻率補(bǔ)償，設(shè)計合適的有源前饋電路結(jié)構(gòu)和設(shè)計參數(shù)，從而使 得共模負(fù)反饋電路和主放大電路的單位增益帶寬性能相匹配，保證了全差分運算放大器的 閉環(huán)穩(wěn)定性和可靠性。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0016] 圖1為本發(fā)明主差分放大電路結(jié)構(gòu)示意圖。
[0017] 圖2為本發(fā)明有源前饋電路小信號分析電路示意圖。
[0018] 圖3為本發(fā)明共模負(fù)反饋電路結(jié)構(gòu)示意圖。
[0019] 圖中：5_第一增益級第一輸入節(jié)點；6-第一增益級第二輸入節(jié)點；10-共模負(fù)反 饋端節(jié)點；11-第一增益級第一 NM0S晶體管；12-第一增益級第二NM0S晶體管；13-電流 源NM0S晶體管；15-第一增益級第一負(fù)載PM0S晶體管；16-第一增益級第二負(fù)載PM0S晶體 管；20-節(jié)點；21-第二增益級第一 PM0S晶體管；22-第二增益級第二PM0S晶體管；23-第 一前饋NM0S晶體管；24-第二前饋NM0S晶體管；25-有源前饋級第一 NM0S晶體管；26-有 源前饋級第二NM0S晶體管；31-第二增益級第一輸出節(jié)點；32-第二增益級第二輸出節(jié)點； 41-共模負(fù)反饋第一負(fù)載PM0S管；42-共模負(fù)反饋第二負(fù)載負(fù)載PM0S管；43-共模負(fù)反饋 第一 NM0S晶體管；44-共模負(fù)反饋第二NM0S晶體管；45-共模負(fù)反饋第三NM0S晶體管； 46-共模負(fù)反饋第四NM0S晶體管；47-共模負(fù)反饋第五NM0S晶體管；48-共模負(fù)反饋第六 NM0S晶體管。

【具體實施方式】
[0020] 下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的優(yōu)選實施例進(jìn)行詳細(xì)介紹。
[0021] 參考圖1，全差分放大器的第一增益級包括共源差分對管，第一增益級第一 NM0S 晶體管11，第一增益級第二NM0S晶體管12，第一增益級第一負(fù)載PM0S晶體管15，第一 增益級第二負(fù)載PM0S晶體管16,以及電流源NM0S晶體管13。其中第一增益級第一負(fù)載 PM0S晶體管15、第一增益級第二負(fù)載PM0S晶體管16源級接電源vdd ;電流源NM0S晶體管 13源級接地。第一增益級第一 NM0S晶體管11、第一增益級第二NM0S晶體管12的柵極分 別接差分運算放大器的第一增益級第一輸入節(jié)點5和第一增益級第二輸入節(jié)點6。第一增 益級第一負(fù)載PM0S晶體管15、第一增益級第二負(fù)載PM0S晶體管16的柵極共同接到共模負(fù) 反饋端節(jié)點10。
[0022] 第一增益級第一 NM0S晶體管11和第一增益級第一負(fù)載PM0S晶體管15的漏極互 連，并連接到第二增益級第一 PM0S晶體管21的柵極。類似的，第一增益級第二NM0S晶體 管12和第一增益級第二負(fù)載PM0S晶體管16的漏極互連，并連接到第二增益級第二PM0S 晶體管22的柵極。第二增益級第一 PM0S晶體管21、第二增益級第二PM0S晶體管22的源 級連接到電源vdd，漏極分別連接到第二增益級第一輸出點節(jié)點31和第二增益級第二輸出 節(jié)點32。
[0023] 第二增益級第一輸出節(jié)點31和第二增益級第二輸出節(jié)點32分別連接到第一前饋 NM0S晶體管23和第二前饋NM0S晶體管24的漏極。第一前饋NM0S晶體管23和第二前饋 NM0S晶體管24的柵極分別交叉耦合到差分運算放大器的第一增益級第一輸入節(jié)點6和第 一增益級第二輸入節(jié)點5。第一前饋NM0S晶體管23和第二前饋NM0S晶體管24的源級連 接在一起，接到節(jié)點20。進(jìn)一步，節(jié)點20會連接到圖3的共模負(fù)反饋的第二反饋參數(shù)。
[0024] 現(xiàn)有的差分運算放大器中會采用密勒電容連接在第二增益級第一 PM0S晶體管 21、第二增益級第二PMOS晶體管22的漏極和柵極實現(xiàn)頻率補(bǔ)償。本發(fā)明方法采用第一前 饋NM0S晶體管23和第二前饋NM0S晶體管24實現(xiàn)頻率補(bǔ)償，而無需密勒電容。
[0025] 為了便于理解，現(xiàn)以交流小信號分析方法對本發(fā)明方法做進(jìn)一步的描述：圖1可 看做兩級放大器，它的小信號電路如圖2所示，其中g(shù) mi(i=l，2，3)代表第一增益級第一 NM0S晶體管11，第一增益級第二NM0S晶體管12,第二增益級第一 PM0S晶體管21、第二增 益級第二PM0S晶體管22,和第一前饋NM0S晶體管23和第二前饋NM0S晶體管24的跨導(dǎo)； 1^、(^分別代表第一和第二增益級的輸出節(jié)點的總共輸出電導(dǎo)和電容值i(i=l，2)。兩級 主差分放大電路的傳輸函數(shù)可以表示為：

【權(quán)利要求】
1. 一種有源前饋電路構(gòu)成頻率補(bǔ)償?shù)牟罘诌\算放大器，其特征是包括第一增益級、第 二增益級以及有源前饋放大級；其中第一增益級是一級差分放大電路，包含第一輸入節(jié)點 和第二輸入節(jié)點；第二增益級是簡單共源單管差分放大電路，包含第一輸出節(jié)點和第二輸 出節(jié)點；有源前饋放大級由電路A和電路B組成：電路A包括一個控制節(jié)點耦合到第一輸入 節(jié)點以及一條控制路徑耦合到第二輸出節(jié)點；電路B包括一個控制節(jié)點耦合到第二輸入節(jié) 點以及一條控制路徑耦合到第一輸出節(jié)點；輸入信號通過第一輸出節(jié)點和第二輸入節(jié)點進(jìn) 入差分放大增益級，把差分增益級的輸出結(jié)果導(dǎo)入第二增益級，對應(yīng)的產(chǎn)生第一輸出結(jié)果 和第二輸出結(jié)果，利用有源前饋電路進(jìn)行頻率補(bǔ)償：通過第一輸入節(jié)點信號控制第二輸出 結(jié)果，通過第二輸入節(jié)點信號控制第一輸出結(jié)果。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的差分運算放大器，其特征是還包含共模負(fù)反饋電路一端輸入 連接到差分運算放大器的第一輸出節(jié)點和第二輸出節(jié)點；共模負(fù)反饋電路的另一端輸入連 接參考電壓節(jié)點；共模負(fù)反饋電路通過高增益級產(chǎn)生第一反饋控制參數(shù)連接到差分放大器 的第一增益級，以控制第一增益級和第二增益級的輸出共模電壓；進(jìn)一步，共模負(fù)反饋電路 通過有源前饋電路產(chǎn)生第二反饋控制參數(shù)直接第二增益級的輸出共模電壓。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的差分運算放大器，其特征是第一增益級包括共源差分對管； 差分對管的共源端通過電流源接地；差分對管的漏端通過負(fù)載管接電源；負(fù)載管為差分對 管的互補(bǔ)晶體管。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的差分運算放大器，其特征是第二增益級包括共源單管差分放 大電路；其共源端接電源，漏端分別接差分運算放大器的第一輸出節(jié)點和第二輸出節(jié)點。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的差分運算放大器，其特征是所述電路A和電路B的控制信號 路徑延伸連接到對應(yīng)的輸出端和一個共同節(jié)點；這個共同節(jié)點分別通過受第一輸出節(jié)點和 第二輸出節(jié)點控制的有源晶體管接地。
6. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的差分運算放大器，其特征是所述的共模負(fù)反饋電路包括兩對 共源差分對管；共源差分對管的第一個晶體管的柵極分別接到第一輸出節(jié)點和第二輸出節(jié) 點；共源差分對管的第一個晶體管的漏端連接在一起，并通過柵漏相連的負(fù)載管接到電源； 進(jìn)一步，共源差分對管的第一個晶體管的相連的漏端形成第一反饋控制參數(shù)；共源差分對 管的另外一個晶體管的柵極共同連接到參考電壓；對應(yīng)的，共源差分對管的另外一個晶體 管的漏端連接在一起，也通過柵漏相連的負(fù)載管接到電源。
7. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的差分運算放大器，其特征是所述的的共模負(fù)反饋電路包括高 增益級，它的一端輸入接到第一輸出節(jié)點和第二輸出節(jié)點，另一端輸入接到參考節(jié)點；高增 益級的輸出形成第一反饋控制參數(shù)，用以控制差分運算放大器的第一增益級的共模輸出電 壓。
8. 根據(jù)權(quán)利要求2或7所述的差分運算放大器，其特征是所述的共模負(fù)反饋電路包括 有源前饋級，它的輸入連接到差分運算放大器的第一輸出節(jié)點和第二輸出節(jié)點；有源前饋 級的輸出形成第二反饋控制參數(shù)，連接到差分運算放大器的有源前饋電路A和電路B的共 源端。
【文檔編號】H03F3/45GK104270107SQ201410582130
【公開日】2015年1月7日 申請日期:2014年10月28日 優(yōu)先權(quán)日:2014年10月28日
【發(fā)明者】李夢雄 申請人:李夢雄