一種有源前饋電路構成頻率補償的差分運算放大器的製造方法
2023-05-30 21:37:56
一種有源前饋電路構成頻率補償的差分運算放大器的製造方法
【專利摘要】本發明涉及一種有源前饋電路構成頻率補償的差分運算放大器，主要解決現有密勒頻率補償方法由於引入密勒電容而引起的多級差分運算放大器零極點分離，進而限制了差分運算放大器單位增益帶寬的技術問題，技術方案：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點和第二輸入節點；有源前饋放大級由電路A（一個控制節點耦合到第一輸入節點以及一條控制路徑耦合到第二輸出節點）和電路B（一個控制節點耦合到第二輸入節點以及一條控制路徑耦合到第一輸出節點）組成。本發明還包括共模負反饋電路，共模負反饋電路由高增益級和有源前饋放大級組成。本發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晶片實現面積。
【專利說明】一種有源前饋電路構成頻率補償的差分運算放大器
【技術領域】
[0001] 本發明涉及集成電路運算放大器設計（Integrated Circuit Operational Amplifier)領域，特別涉及一種不需要密勒補償電容，提高全差分運算放大器單位增益帶寬 性能和減小晶片實現面積的一種有源前饋電路構成頻率補償的差分運算放大器。
【背景技術】
[0002] 運算放大器是模擬集成電路和數模混合集成電路中最基本的單元電路之一。而全 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複雜性的增加：全差分運算放大器一般都需要包 括共模負反饋（Common Mode FeedBaCk，CMFB)電路是輸出級的共模電壓穩定在參考電壓 (VR)附近。
[0003] 在常用的模擬電路例如模數轉換器，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實現，但是同時這在放大器的傳輸函數上也引入了更多 的極點和負的相位位移。對多級放大器而言，為了保證放大器在閉環情況下的穩定性，必須 進行頻率補償。現有的頻率補償電路大部分是基於密勒補償技術，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，把放大器的主極點推向更低頻率，次極點 相應的推向更高頻率，從而實現頻率補償。顯然這種補償技術導致了比較低的單位增益帶 寬，而且產生了一個右半平面的零點，一般需要另外的串聯電阻進行零點消除。
[0004] 因為可能分別形成獨立的反饋環路，全差分運算放大器的主放大器和共模負反 饋（CMFB)電路都需要進行頻率補償。多級電路中，共模負反饋電路因為會引入更多的極 點，導致頻率補償也會遇到更多的電路設計難點。
[0005] 採用密勒補償技術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 片實現面積。在多級電路中，共模負反饋電路使頻率補償變得更加困難，使得全差分運算 放大器在一定的功耗限制下，很難同時達到高增益和大的單位增益帶寬。
【發明內容】
[0006] 本發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晶片實現面積的一種有源前饋電路構成頻率補償的差分運算放 大器。主要解決現有的密勒頻率補償方法由於引入密勒電容而引起的多級差分運算放大器 零極點分離，進而限制了差分運算放大器的單位增益帶寬的技術問題。
[0007] 為解決上述技術問題，本發明思路是：完全不需要米勒補償電容，而全部採用有源 前饋電路，有源前饋頻率補償技術同時應用在差分運算放大器的主差分增益級和共模負反 饋級。採用如下技術方案： 一種有源前饋電路構成頻率補償的差分運算放大器，其特徵是： 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，包含第一輸入節點和第二輸入節點；第二增益級是簡 單共源單管差分放大電路，包含第一輸出節點和第二輸出節點；有源前饋放大級由電路A 和電路B組成：電路A包括一個控制節點耦合到第一輸入節點以及一條控制路徑耦合到第 二輸出節點；電路B包括一個控制節點耦合到第二輸入節點以及一條控制路徑耦合到第一 輸出節點。輸入信號通過第一輸出節點和第二輸入節點進入差分放大增益級，把差分增益 級的輸出結果導入第二增益級，對應的產生第一輸出結果和第二輸出結果，利用有源前饋 電路進行頻率補償：通過第一輸入節點信號控制第二輸出結果，通過第二輸入節點信號控 制弟一輸出結果。
[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，並且這個連在一 起節點的電壓由共模負反饋電路決定。
[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，漏極通過負載對管接電源。共源差分對管和負載對管是互 補CMOS管(互補電晶體)。
[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 分別接第一輸出節點和第二輸出節點。
[0011] 5 )差分運算放大器還包括共模負反饋電路，共模負反饋電路包括高增益級和有源 前饋放大級。共模負反饋電路通過感應第一輸出節點和第二輸出節點的輸出電壓並取平均 值，產生第一反饋控制參數和第二反饋控制參數，通過這兩個控制參數最終達到穩定差分 放大器的共模輸出電壓的目的。
[0012] 6)共模負反饋電路的高增益級的輸入端一邊連接到第一輸出節點和第二輸出節 點，另一邊連接到參考電壓VR。輸入信號通過第一輸出節點和第二輸入節點進入差分放大 增益級，把差分增益級的輸出結果導入第二增益級，對應的產生第一輸出結果和第二輸出 結果，利用第一輸出結果和第二輸出結果形成反饋控制參數，達到使得差分運算放大器差 分增益級的共模輸出電壓穩定在參考電壓附近。
[0013] 7)共模負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的柵漏互接電晶體連接到電源。其中的 一個漏極，也就是第一反饋控制參數，連接到差分運算放大器的第一增益級，用來控制第一 輸出節點和第二輸出節點的共模電壓。
[0014] 8)共模負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點和第二輸出節點。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，連接到差分運算放大器主放 大器的電路A和電路B的共源節點，用來穩定差分運算放大器的第二增益級的輸出共模電 壓。
[0015] 本發明的有益效果是：克服了現有的密勒頻率補償方法由於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償電容，發明同時減小了 運算放大器的晶片實現面積。進一步，該發明在全差分運算放大器的共模負反饋迴路中採 用同樣的有源前饋電路作為頻率補償，設計合適的有源前饋電路結構和設計參數，從而使 得共模負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 閉環穩定性和可靠性。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0016] 圖1為本發明主差分放大電路結構示意圖。
[0017] 圖2為本發明有源前饋電路小信號分析電路示意圖。
[0018] 圖3為本發明共模負反饋電路結構示意圖。
[0019] 圖中：5_第一增益級第一輸入節點；6-第一增益級第二輸入節點；10-共模負反 饋端節點；11-第一增益級第一 NM0S電晶體；12-第一增益級第二NM0S電晶體；13-電流 源NM0S電晶體；15-第一增益級第一負載PM0S電晶體；16-第一增益級第二負載PM0S晶體 管；20-節點；21-第二增益級第一 PM0S電晶體；22-第二增益級第二PM0S電晶體；23-第 一前饋NM0S電晶體；24-第二前饋NM0S電晶體；25-有源前饋級第一 NM0S電晶體；26-有 源前饋級第二NM0S電晶體；31-第二增益級第一輸出節點；32-第二增益級第二輸出節點； 41-共模負反饋第一負載PM0S管；42-共模負反饋第二負載負載PM0S管；43-共模負反饋 第一 NM0S電晶體；44-共模負反饋第二NM0S電晶體；45-共模負反饋第三NM0S電晶體； 46-共模負反饋第四NM0S電晶體；47-共模負反饋第五NM0S電晶體；48-共模負反饋第六 NM0S電晶體。
【具體實施方式】
[0020] 下面結合附圖對本發明的優選實施例進行詳細介紹。
[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 電晶體11，第一增益級第二NM0S電晶體12，第一增益級第一負載PM0S電晶體15，第一 增益級第二負載PM0S電晶體16,以及電流源NM0S電晶體13。其中第一增益級第一負載 PM0S電晶體15、第一增益級第二負載PM0S電晶體16源級接電源vdd ;電流源NM0S電晶體 13源級接地。第一增益級第一 NM0S電晶體11、第一增益級第二NM0S電晶體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點5和第一增益級第二輸入節點6。第一增 益級第一負載PM0S電晶體15、第一增益級第二負載PM0S電晶體16的柵極共同接到共模負 反饋端節點10。
[0022] 第一增益級第一 NM0S電晶體11和第一增益級第一負載PM0S電晶體15的漏極互 連，並連接到第二增益級第一 PM0S電晶體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載PM0S電晶體16的漏極互連，並連接到第二增益級第二PM0S 電晶體22的柵極。第二增益級第一 PM0S電晶體21、第二增益級第二PM0S電晶體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點31和第二增益級第二輸出 節點32。
[0023] 第二增益級第一輸出節點31和第二增益級第二輸出節點32分別連接到第一前饋 NM0S電晶體23和第二前饋NM0S電晶體24的漏極。第一前饋NM0S電晶體23和第二前饋 NM0S電晶體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點6和第 一增益級第二輸入節點5。第一前饋NM0S電晶體23和第二前饋NM0S電晶體24的源級連 接在一起，接到節點20。進一步，節點20會連接到圖3的共模負反饋的第二反饋參數。
[0024] 現有的差分運算放大器中會採用密勒電容連接在第二增益級第一 PM0S電晶體 21、第二增益級第二PMOS電晶體22的漏極和柵極實現頻率補償。本發明方法採用第一前 饋NM0S電晶體23和第二前饋NM0S電晶體24實現頻率補償，而無需密勒電容。
[0025] 為了便於理解，現以交流小信號分析方法對本發明方法做進一步的描述：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 mi(i=l，2，3)代表第一增益級第一 NM0S電晶體11，第一增益級第二NM0S電晶體12,第二增益級第一 PM0S電晶體21、第二增 益級第二PM0S電晶體22,和第一前饋NM0S電晶體23和第二前饋NM0S電晶體24的跨導； 1^、(^分別代表第一和第二增益級的輸出節點的總共輸出電導和電容值i(i=l，2)。兩級 主差分放大電路的傳輸函數可以表示為：
【權利要求】
1. 一種有源前饋電路構成頻率補償的差分運算放大器，其特徵是包括第一增益級、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，包含第一輸入節點 和第二輸入節點；第二增益級是簡單共源單管差分放大電路，包含第一輸出節點和第二輸 出節點；有源前饋放大級由電路A和電路B組成：電路A包括一個控制節點耦合到第一輸入 節點以及一條控制路徑耦合到第二輸出節點；電路B包括一個控制節點耦合到第二輸入節 點以及一條控制路徑耦合到第一輸出節點；輸入信號通過第一輸出節點和第二輸入節點進 入差分放大增益級，把差分增益級的輸出結果導入第二增益級，對應的產生第一輸出結果 和第二輸出結果，利用有源前饋電路進行頻率補償：通過第一輸入節點信號控制第二輸出 結果，通過第二輸入節點信號控制第一輸出結果。
2. 根據權利要求1所述的差分運算放大器，其特徵是還包含共模負反饋電路一端輸入 連接到差分運算放大器的第一輸出節點和第二輸出節點；共模負反饋電路的另一端輸入連 接參考電壓節點；共模負反饋電路通過高增益級產生第一反饋控制參數連接到差分放大器 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；進一步，共模負反饋電路 通過有源前饋電路產生第二反饋控制參數直接第二增益級的輸出共模電壓。
3. 根據權利要求1所述的差分運算放大器，其特徵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載管接電源；負載管為差分對 管的互補電晶體。
4. 根據權利要求1所述的差分運算放大器，其特徵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點和第二輸出節點。
5. 根據權利要求1所述的差分運算放大器，其特徵是所述電路A和電路B的控制信號 路徑延伸連接到對應的輸出端和一個共同節點；這個共同節點分別通過受第一輸出節點和 第二輸出節點控制的有源電晶體接地。
6. 根據權利要求2所述的差分運算放大器，其特徵是所述的共模負反饋電路包括兩對 共源差分對管；共源差分對管的第一個電晶體的柵極分別接到第一輸出節點和第二輸出節 點；共源差分對管的第一個電晶體的漏端連接在一起，並通過柵漏相連的負載管接到電源； 進一步，共源差分對管的第一個電晶體的相連的漏端形成第一反饋控制參數；共源差分對 管的另外一個電晶體的柵極共同連接到參考電壓；對應的，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載管接到電源。
7. 根據權利要求2所述的差分運算放大器，其特徵是所述的的共模負反饋電路包括高 增益級，它的一端輸入接到第一輸出節點和第二輸出節點，另一端輸入接到參考節點；高增 益級的輸出形成第一反饋控制參數，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. 根據權利要求2或7所述的差分運算放大器，其特徵是所述的共模負反饋電路包括 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點和第二輸出節點；有源前饋 級的輸出形成第二反饋控制參數，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 優先權日:2014年10月28日
【發明者】李夢雄 申請人:李夢雄