整合運算放大器與補償整合運算放大器的方法
2023-04-30 08:38:01 2
專利名稱：整合運算放大器與補償整合運算放大器的方法
技術領域：
本發明是關於一種運算放大器，特別是關於一種具有主動RC濾波器的運 算放大器。
背景技術：
在集成電路上實現低頻濾波器的一個常用的方式就是使用具有回授網絡 (feedback network)的運算放大器，其中回授網絡是由電阻與電容所組成。 這些型式的濾波器通常被認為是主動RC濾波器。在理想狀態下，濾波器的響 應只會與電阻值與電容值有關，而且運算放大器的增益足夠大，與濾波器的 運算頻率無關，且在濾波器的頻率響應上會有一個無關緊要的影響。
相比之下，要使運算放大器擁有足夠大的增益值以及足夠大的頻寬，使 得濾波器的頻率響應上具有一個無關緊要的影響，這是比較容易的。而這種 無關緊要的影響一般都是在於功率消耗的費用上。功率消耗也會造成過量的 熱能產生，而且在以電池供電的手持式裝置上，如行動電話，過大的電流消 耗會降低到下次充電時的可使用的時間。當單位增益頻寬(unity gain bandwidth)下降，會導致實際的頻率響應比理想的頻率響應發生更多的突波 (peak)以及漣波(ripple)。
發明內容
本發明的一個目的為提供一種整合運算放大器(integrated amplifier),包 過一第一增益級(gain stage),具有一補償電容，用以驅動一輸出級，該輸出 級為一RC負載，且該第一增益級的一互導值(transconductance)與該RC負載中的電阻的電阻值成反向變化，該補償電容的電容值與該RC負載中的電容
的電容值成等比例變化。
本發明的另一個目的為提供一種用以補償一整合運算放大器的方法，用 以抵抗工藝與溫度變化，如此所述運算放大器被可適用於一主動濾波器，所
述方法包括提供所述運算放大器，所述運算放大器包括一第一級與一輸出 級，其中所述輸出級驅動一RC負載，且包括一補償電容，所述補償電容位於
所述第一級的一輸出端，所述補償電容的電容值與所述RC負載中的電容的電 容值成正比，且所述第一級的一互導值為所述RC負載中的電阻的電阻值的函數。 因此便可以提供一個運算放大器，且該運算放大器的單位增益頻寬可以 被降低且不會從一個所希望的濾波器的頻率響應上產生顯著的誤差。濾波器 的效能可以因而被改善，通過控制單位增益頻寬至接近一個常數值，或是至 少可以追蹤其他元件的變化。因此，便可顯著的降低運算放大器消耗的電流。 運算放大器的特徵通常在於在什麼頻率時，增益值會變為1 (unity)也就 是所謂的單位增益頻寬。運算放大器的單位增益頻寬通常會根據電晶體與其 他用以設計該運算放大器的元件的特徵而變化。就其本身而言，單位增益頻 寬會因為溫度以及工藝的變化而有所變化。 一個主動RC濾波器的RC元件值 可以被修改，用以補償放大器在頻率響應的單位增益值的有限值(finite value)。然而這樣的補償技術的假設前提是單位增益值與RC元件值是常數， 或是可以互相被追蹤。但在巨大集成電路(monolithic integrated circuits)內都 不是主要問題。通常在集成電路製造時的工藝變化可能會導致最後在不同批 (batch)元件之間的元件值有10~30%的差異。此外，在一個集成電路內的元 件值通常會受到溫度的影響，且RC元件對溫度的依賴程度以及單位增益值對 溫度的依賴程度逋常是完全不同的。這也造成定義具有足夠精確度的RC濾波 器元件的元件值來補償運算放大器降低的單位增益值變得更為困難。
本發明避免了上述問題，因為發明人了解到集成電路內相近元件之間的 匹配可以降低運算放大器的單位增益頻寬，因為補償電容的電容值可以被設計為追蹤負載電容的變化，而且第一增益級的互導值的變化可以被用來補償
負載上電阻值的變化，如此一來，放大器的單位增益頻寬便可追蹤由RC元件
所組成的濾波器的頻寬。在濾波器響應的被降低的運算放大器單位增益頻寬 的影響可以通過調整濾波器的電阻且域濾波器的電容的大小來得到補償，這 也使得運算放大器的電流需求可以被顯著的降低，對於延長以電池為供電的 裝置的使用時間是非常有幫助的。
圖1為一集成電路中的一雙二階濾波器的一實施例的示意圖。
圖2為一雙級(twostage)的運算放大器的電路示意圖。 圖3是互導值與漏極電流變化曲線示意圖。 圖4為一電流鏡的電路圖。 附圖標號-
rO 第一運算放大器；12 第二運算放大器；14~第一電阻;16~電容；18~ 電阻；20 電容；22 反相放大器；30 輸入級；31 第一P型電晶體；32~第二
P型電晶體；34 電流源；36 主動負載；38 主動負載；40~輸出級；50-N型 電晶體；52~電流源；54 輸出端節點；80~電晶體；82 電晶體；84~電晶體； 86 電晶體；88 電阻；90 正向電源分配導軌；95~電容；100 電晶體；102~ 電晶體；U0 電晶體；
具體實施例方式
圖1為一集成電路中的一雙二階濾波器(biquadratic filter,簡稱bi-quad filter)的一實施例的示意圖。在本實施例中，濾波器的設計不需要非常精準。 但是，要注意的是濾波器元件被選擇是一單位電容大小與一單位電阻大小的 整數倍，如此一來濾波器響應即使工藝的變化與溫度的改變之下也可以保持 固定常數，濾波器響應為用以實現該濾波器的單位電容值(unit capacitance)與單位電阻值(unitresistance)的函數。
由圖上可以發現第一運算放大器10與第二運算放大器12的反相輸入端 耦接於地，因此第一運算放大器10與第二運算放大器12的反相輸入端的動 作為虛接地(virtual earth)。因此可以發現，從第一運算放大器10的輸出端來 看，第一運算放大器10有效的通過第一電阻14接地。且因為第一電阻14與 電容16的其中一端都耦接到虛接地，因此第一電阻14有效的並聯電容16。 同理，從第二運算放大器12的輸出端來看，可以看到輸出端包含了一個並聯 的電阻18與電容20，而且都同樣的耦接到虛接地，也就是第二運算放大器 12的反相輸入端。這樣的表示方式會在說明書後面會使用到。要注意的是， 在如圖l的雙二階電路中， 一個反相放大器22是被使用的。當第一運算放大 器io與第二運算放大器12被當成是差動輸出運算放大器時，反相放大器22 是可以被忽略的，這是因為由反相放大器22跨接(cross coupling)第二運算 放大器12的輸出端的原因。
圖2為一雙級(two stage)的運算放大器的電路示意圖。運算放大器包括 一輸入級30，包括第一P型電晶體31與第二P型電晶體32，耦接一長尾對 結構(long tail pair configuration)。第一 P型電晶體31與第二 P型電晶體32 接收來自可控制電流源34的一偏壓電流。
第一 P型電晶體31與第二 P型電晶體32的漏極通過一負載接地，其中 該負載可能為一電阻，但較佳為一主動負載36與38，分別耦接第一 P型晶體 管31與第二P型電晶體32。
一般來說，對電晶體31與32形成的差動結構來說，會有一輸出級40耦 接在每一電晶體31與32的漏極與對應的主動負載之間。為了簡單說明，在 本實施例中，僅以電晶體32的輸出級說明，而且本領域技術人員當可輕易了 解類似的結構也可以耦接於電晶體31。輸出級40包括一N型電晶體50，用 以接收來自電流源52的電流。電晶體50的連接方式為將其漏極接收來自電 流源52的電流，電晶體50亦耦接到運算放大器的輸出端節點54，其中放大器包括一個負載，包括並聯的一電阻與一電容。為了提高穩定性，因此採用
一補償電容Cc，耦接在第二放大器的輸入級30。補償電容Cc的一端可以直 接接地，但是通常會採用米勒效應(Miller effect)的優點來減少補償電容Cc 的實體大小，也因此補償電容Cc的兩端分別耦接在電晶體50的柵極與漏極。
本發明也注意到運算放大器的單位增益頻寬，在傳統的設計之下可能會 被降低。傳統的設計是針對在濾波器響應的有限運算放大器單位頻寬最顯著 的那一點。但是有一些手段已經被試圖使用來使得運算放大器的單位增益頻 寬大致上在溫度與工藝的影響下保持不變，因此在濾波器響應的被降低的運 算放大器單位增益頻寬的影響可以通過調整濾波器的電阻且/或濾波器的電容 的大小來得到補償。這也使得運算放大器的電流需求(currentdrawn)可以被 顯著的降低，這對於延長以電池為供電的裝置的使用時間是非常有幫助的。
可以知道運算放大器的單位增益頻寬(DO是與第一增益級的互導值 (transconductance) gml成比例，第一增益級的互導值是由補償電容的電容 值Cc中分離出來的(divided)。
我們也了解到，我們想要調整濾波器的特徵，在經過調整後，負載的RC 乘積值是為常數。在前面提到，電阻的電阻值與電容的電容值必須是一個單 位值(unityvalue)的整數倍，假設電阻的電阻值與電容的電容值的單位值分 別是C0與R0，因此負載的，電阻的電阻值與電容的電容值分別為mC0與nR0。 因此，我們可以得到下列兩個方程式
式l
m * C0 * " *及0 = 式2
其中o)o是運算放大器的單位增益頻寬，gml是第一增益級的互導值，Cc 是補償電容的電容值，al為一常數，ox)是RC濾波器的特徵頻寬，C0是電容 的單位電容值，RO是電阻的單位電阻值，m與n為係數。
由上文可得知，單位增益頻寬可以維持與特徵調整頻寬(characteristic
8tuned bandwidth)成一定比例，其中特徵調整頻寬是與RC元件的值有關，而 且會因此受到工藝的變化而有變化。 一般來說調整濾波器的方式通常是調整 電阻值、電容值或兩者一起。如果gml是與單位電阻的電阻值成反向比例且 補償電容的電容值是與單位電容的電容值成正比，單位增益頻寬可以維持為 常數。
要使得補償電容的電容值與單位電容的電容值成正比，是相對比較簡單， 因為工藝的變化會相同地影響這些電容。因此，假設
g4 式3 Cc = or3*C0 式4
通過式1到式4，可以得到
cr， 1 or'fl^fl), c fy0=ai*~2>*-= 1 2 1 式5
常數al是運算放大器設計的一個函數。對一第一階近似值(first order approximation)來說，是與輸出級40的電壓增益成比例的。然而，我們可以 控制常數a2與a3。追蹤工藝與溫度變化的匹配(matching)與敏感度 (sensitivity)並加以考慮，可以知道常數a2與a3較佳為整數。
為了變化第一級的互導值，必須要調整輸入到第一級的偏壓電流值。圖3 是互導值與漏極電流變化曲線示意圖。可以看得出來，互導值的增加與漏極 電流的增加是非線性的。必然地，如果電阻的單位電阻值RO是因為工藝或溫 度變化而增加，互導值應該被通過降低輸入至輸入級30的偏壓電流來降低。 實際上，在"The Art of Electronics", Horowitz與Hill 2nd Edition,第132頁 中就有簡單的概算(approximation),其結果為gm與漏極電流的平方根成變化。
圖4所示的電路用以產生一電流，可用以產生如圖2的電流源34產生的
電流，該電流與成丄比例。
圖4所示的電路包含兩個電流鏡。電晶體80與電晶體82形成第一電流鏡，用以確保流經電流鏡的兩個分支(branch)的電流相同，其中電晶體80 與電晶體84為其中一個分支，電晶體82與電晶體86為另一個分支。
電晶體84與電晶體86亦形成一電流鏡，但電晶體84是嚴重的退化 (degenerated),因為電阻88耦接在電晶體84與正向電源分配導軌90 (power mil)。因此電晶體84的gm值大致上與電阻88的電阻值成反向變化。
因為電流鏡的運作，上述的電流流經電晶體86，且也流經電晶體82，這 是因為電晶體82與電晶體86是以串聯方式連接。電晶體82的柵極電壓用以 提供並導通電流散布電晶體100、電晶體102與電晶體110。
通過調整電流鏡中電晶體的大小，便可用來改變電路的特徵。因此，如 果電晶體84的大小被設計為大於電晶體86的大小的K倍，接著對平方律 (square law)場效應電晶體，如長通道裝置(long channel device)，通過晶體 管86產生的電流就會被複製在電晶體100、 102與110，如下方程式所示
其中R88為電阻88的電阻值。
為了穩定性，電容95被使用，耦接在電晶體82、電晶體100、電晶體102 與電晶體110的柵極與地電位之間。
從電流散布電晶體100、 102與110來的電流可以被提供為所知的電流鏡 結構，用作電流源，如圖2的電流源34。
圖2的放大器是適合使用在主動濾波器中。濾波器設計者為了整合主動 濾波器，設計者必須考慮到實際與工藝變化與溫度改變會造成集成電路內的 實際電阻的電阻值與電容的電容值改變，因此設計者必須找到一個平衡點。 設計者會去補償這個改變的值，通過選擇電阻的電阻值與電容的電容值為單 位電阻值與單位電容值的整數倍來達成。如此一來，濾波器的一部分內的溫 度與工藝的影響就可以被逋過另一部分內的對應且匹配的溫度與工藝的影響 來消除。通過延伸這個概念去包括具有一低單位增益頻寬特徵的一運算放大器內的影響。當製造時工藝的變化與溫度的變化造成相同的電阻的電阻值與 電容的電容值改變，運算放大器的特徵仍可被準確的追蹤。因此濾波器的設 計者可以去產生一個主動率波器，其特徵是可信賴的，而且是可以通過降低 的單位增益頻寬來顯著的降低所需的電流。
雖然本發明己以具體實施例揭露如上，然其僅為了易於說明本發明的技 術內容，而並非將本發明狹義地限定於該實施例，任何本領域技術人員，在 不脫離本發明的精神和範圍內，當可作些許的更動與潤飾，因此本發明的保 護範圍當以權利要求所界定的為準。
權利要求
1.一種整合運算放大器，其特徵在於，所述整合運算放大器包括一第一增益級，具有一補償電容，用以驅動一輸出級，所述輸出級為一RC負載，且所述第一增益級的一互導值與所述RC負載中的電阻的電阻值成反向變化，所述補償電容的電容值與所述RC負載中的電容的的電容值成等比例變化。
2. 如權利要求1所述的整合運算放大器，其特徵在於，所述補償電容的電 容值與所述RC負載中的電容的的電容值的變化比例是預定的。
3. 如權利要求1所述的整合運算放大器，其特徵在於，所述整合運算放大 器耦接一整合RC負載。
4. 如權利要求1所述的整合運算放大器，其特徵在於，所述整合運算放大 器還包括一電路，用以控制所述第一增益級的互導值。
5. 如權利要求4所述的整合運算放大器，其特徵在於，所述第一增益級包 括在一長尾對結構內的一對電晶體，以及一電流源，用以提供一偏壓電流至 所述長尾對結構內的所述這些電晶體，其中所述偏壓電流是可控制的，因此 可以調整第一增益級的互導值。
6. 如權利要求5所述的整合運算放大器，其特徵在於，所述整合運算放大 器包括一電阻，其電阻值與RC負載中的電阻的電阻值匹配，用以控制輸入第 一增益級的一電流。
7.如權利要求5所述的整合運算放大器，其特徵在於，所述整合運算放大 器包括一電阻，用以定義流經一電流偏壓電路的電流，所述電流偏壓電路被 用以設定流入第一增益級的一電流。
8. 如權利荽求1項所述的整合運算放大器，其特徵在於，所述功率放大器 還連接電阻的與電容的元件，用以定義濾波器的特徵。
9. 一種用以補償一整合運算放大器的方法，用以抵抗工藝與溫度變化，所 述運算放大器被可適用於一主動濾波器，其特徵在於，所述方法包括提供所述運算放大器，所述運算放大器包括一第一級與一輸出級，其中所述輸出級驅動一RC負載，且包括一補償電容，所述補償電容位於所述第一 級的一輸出端，所述補償電容的電容值與所述RC負載中的電容的的電容值成 正比，且所述第一級的一互導值為所述RC負載中的電阻的電阻值的函數。
全文摘要
本發明提供一種整合運算放大器與補償整合運算放大器的方法，用以抵抗工藝與溫度變化，如此該運算放大器被可適用於一主動濾波器，該方法包括提供該運算放大器，該運算放大器包括一第一級與一輸出級，其中該輸出級驅動一RC負載，且包括一補償電容，該補償電容位於該第一級的一輸出端，該補償電容的電容值與該RC負載中的電容的電容值成正比，且該第一級的一互導值為該RC負載中的電阻的電阻值的函數。在濾波器響應的被降低的運算放大器單位增益頻寬的影響可以通過調整濾波器的電阻且/或濾波器的電容的大小來得到補償，這也使得運算放大器的電流需求可以被顯著的降低，對於延長以電池為供電的裝置的使用時間是非常有幫助的。
文檔編號H03F3/45GK101309072SQ20081009656
公開日2008年11月19日 申請日期2008年5月16日 優先權日2007年5月18日
發明者伯納德·坦布魯克 申請人:聯發科技股份有限公司