[發(fā)明專利]快速建立的、低噪聲、低偏移的運(yùn)算放大器和方法

無效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 200680018043.6
• 申請(qǐng)日: 2006-05-24
• 公開（公告）號(hào): CN101180793A
• 公開（公告）日: 2008-05-14
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: S·V·阿勒尼恩;H·舍提哈迪
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 德克薩斯儀器股份有限公司
• 主分類號(hào): H03F3/45
• 分類號(hào): H03F3/45
• 代理公司: 北京紀(jì)凱知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司
• 代理人: 趙蓉民

技術(shù)領(lǐng)域

【0001】本發(fā)明主要涉及放大器；并且更具體地說，涉及具有輸出信號(hào)的快速建立和低輸入偏移電壓的低噪聲運(yùn)算放大器。

背景技術(shù)

【0002】為實(shí)現(xiàn)運(yùn)算放大器的低噪聲，必須使在運(yùn)算放大器第一級(jí)(即輸入級(jí))中產(chǎn)生噪聲的電路元件數(shù)量最少。典型地，主要的噪聲制造者是組成輸入級(jí)的差分輸入晶體管對(duì)的兩個(gè)輸入晶體管。除了輸入晶體管，典型的低噪聲運(yùn)算放大器的輸入級(jí)還包含典型地為大值電阻器的負(fù)載器件。不過，電阻性負(fù)載電阻器不能提供足夠高的電壓增益并且通常由有源負(fù)載器件取代，典型地由電流鏡電路或其他對(duì)稱電流源電路系統(tǒng)(circuitry)的晶體管所取代。為最小化運(yùn)算放大器中的噪聲，用作有源負(fù)載器件的晶體管應(yīng)具有比輸入差分晶體管對(duì)的跨導(dǎo)低得多的跨導(dǎo)。換言之，有源負(fù)載晶體管應(yīng)被大量地簡并，例如通過使用長溝道MOS晶體管或通過采用與有源負(fù)載晶體管串聯(lián)的發(fā)射極或源極負(fù)反饋電阻器(degeneration?resistor)。為了實(shí)現(xiàn)運(yùn)算放大器中的低輸入偏移電壓，通常有必要將第一(輸入)級(jí)和第二級(jí)都作為差分放大器實(shí)現(xiàn)并且盡可能使第一級(jí)對(duì)稱。由于具有對(duì)稱的有源負(fù)載晶體管或其他對(duì)稱的有源負(fù)載電路系統(tǒng)，運(yùn)算放大器第一級(jí)的共模工作點(diǎn)通常由第二級(jí)產(chǎn)生的共模反饋來設(shè)置，并且被施加于有源負(fù)載電路系統(tǒng)的共?？刂戚斎搿９材７答伒牡湫蛯?shí)施的一個(gè)示例可在Laker&Sansen所著“Design?of?Analog?Integrated?Circuits?and?Systems”(McGraw?Hill，1994)，641頁找到。本說明書中的圖1示出了這種電路的簡化形式，其更一般的形式在圖2示出。

【0003】參考圖1，運(yùn)算放大器1包括輸入級(jí)4，所述輸入級(jí)4包括P溝道JFET輸入晶體管Q1，該晶體管Q1的柵極被連接到Vin-并且其源極被連接到尾電流源I0和柵極被連接到Vin+的P溝道JFET輸入晶體管Q2的源極。輸入晶體管Q1的漏極由導(dǎo)線2A連接到NPN有源負(fù)載晶體管Q3的集電極和補(bǔ)償電容器C2的一端，該補(bǔ)償電容器的另一端接地。輸入晶體管Q2的漏極由導(dǎo)線2B連接到NPN有源負(fù)載晶體管Q4的集電極。有源負(fù)載晶體管Q3和Q4的基極被連接到共模反饋導(dǎo)線3。有源負(fù)載晶體管Q3和Q4的發(fā)射極分別由負(fù)反饋電阻器R0和R1耦合到地極。

【0004】運(yùn)算放大器1的第二級(jí)8包括發(fā)射極耦合的NPN輸入晶體管Q5和Q6，NPN輸入晶體管Q5和Q6的發(fā)射極被連接到共模反饋導(dǎo)線3和尾電流源I4。輸入晶體管Q5的集電極被連接到連接成二極管的PNP有源負(fù)載晶體管Q7的集電極和基極以及PNP有源負(fù)載晶體管Q8的基極。有源負(fù)載晶體管Q7和Q8的發(fā)射極被連接到VDD。輸入晶體管Q6的集電極由輸出導(dǎo)線13連接到Vout和有源負(fù)載晶體管Q8的集電極。補(bǔ)償電容器C3的一端被連接到輸出導(dǎo)線13并且其另一端被連接到輸入晶體管Q6的基極。晶體管Q5和Q6的基極分別被連接到導(dǎo)線2A和2B。

【0005】圖2是圖l現(xiàn)有技術(shù)運(yùn)算放大器1的概括框圖，其中圖2中的輸入級(jí)4包括輸入級(jí)差分晶體管對(duì)5(其可以是圖1的輸入晶體管Q1和Q2)。輸入級(jí)差分晶體管對(duì)5由導(dǎo)線2A和2B耦合以控制有源負(fù)載電路6，并且被耦合到第二級(jí)差分晶體管對(duì)7(其可以是圖1的輸入晶體管Q5和Q6)的輸入。第二級(jí)差分晶體管對(duì)7被耦合到組成有源負(fù)載電路的電流鏡8。第二級(jí)差分晶體管對(duì)7產(chǎn)生共模反饋信號(hào)以通過導(dǎo)線3控制有源負(fù)載電路6。

【0006】存在一個(gè)與圖2所示的電路相關(guān)的問題，因?yàn)檩斎爰?jí)4和第二級(jí)8之間的共模反饋與輸入級(jí)有源負(fù)載電路系統(tǒng)6的很大負(fù)反饋的結(jié)合導(dǎo)致對(duì)輸入階躍信號(hào)響應(yīng)的Vout的慢速建立。在圖2所示的電路中，共模反饋環(huán)的帶寬由gm/C2確定，其中g(shù)m是輸入級(jí)中有源負(fù)載電路的跨導(dǎo)并且C2是米勒(Miller)補(bǔ)償電容器的值。當(dāng)為了減少運(yùn)算放大器1的噪聲和輸入偏移電壓，有源負(fù)載被大量地簡并時(shí)，運(yùn)算放大器1的輸入級(jí)中的有源負(fù)載晶體管(或其他有源負(fù)載電路系統(tǒng))的跨導(dǎo)較低。當(dāng)由于大的負(fù)反饋電阻，共模反饋環(huán)的帶寬大致低于運(yùn)算放大器的帶寬時(shí)，結(jié)果就是慢速建立。(晶體管Q3的基極是到共模反饋環(huán)的輸入，并且共模反饋環(huán)中有源負(fù)載電路的跨導(dǎo)由電阻R0和R1限定。)