[發明專利]三級頻率補償運算放大器

有效

• 申請號: 200910169635.3
• 申請日: 2009-08-27
• 公開（公告）號: CN101677230A
• 公開（公告）日: 2010-03-24
• 發明（設計）人: 尤達·達思古帕塔
• 申請（專利權）人: 聯發科技（新加坡）私人有限公司
• 主分類號: H03F3/68
• 分類號: H03F3/68;H03F1/08;H03F3/45
• 代理公司: 北京萬慧達知識產權代理有限公司
• 代理人: 葛 強;張一軍

技術領域

本發明涉及運算放大器，更具體的，是關于三級頻率補償運算放大器。

背景技術

運算放大器已經廣泛應用于電子設備和電子學領域，在此僅舉數例：例如 反相器放大器(inverter?amplifier)、積分器、濾波器電路。近年來，隨著CMOS 工藝尺度的快速微縮(scaling)，超大規模集成電路(VLSI)的供電電壓急劇降低。 運算放大器作為大多數模擬系統的一個基本區塊，也需要在低壓應用中同時達 到高增益和高帶寬。傳統級聯(cascode)放大器是通過堆疊晶體管來提高增益，但 由于電壓擺幅(swing)較小而不適用于低壓設計；而多級(multi-stage)放大器是通 過橫向(horizontally)增加增益級的數目來提高增益，因此越來越多的電路設計者 注意到多級放大器的重要性。但由于多級放大器在小信號傳輸函數中具有多重 極點(multiple-pole)的特性，所有多級放大器均存在閉環(close-loop)不穩定的問 題。因此研究人員提出了多種頻率補償布局結構(topology)，以保證多級放大器 的穩定性。一般而言，傳統驅動器芯片中應用的運算放大器通常是兩級放大器， 傳統兩級放大器具有用于提升增益的第一級放大電路、以及用于驅動電容性或 電阻性負載的第二級輸出電路。但當前三級運算放大器也越來越受歡迎。

通常，放大器電路最重要的特性參數是增益和帶寬。而放大器的增益和帶 寬具有相反關系。一般而言，較高增益值關聯較低的帶寬，而較低增益值關聯 較高的帶寬。運算放大器的性能特性在于傳輸函數，而傳輸函數可通過應用小 信號分析來獲得。圖1是示例兩級放大器的傳輸函數的示意圖。參考圖1，從直 流(DC，頻率為零)到第一主極點ω_P1的頻率期間，放大器的增益大致為常數； 當頻率上升至大于第一主極點ω_P1的頻率時，放大器增益開始急劇下降。放大器 的最大可用帶寬與第二非主極點(non-dominant?pole)ω_P2有關。在不同應用中，可 能希望調整極點ω_P1和ω_P2的頻率。本領域已知許多用于調整放大器極點頻率的 補償技術，例如米勒(Miller)補償或Ahuja補償。米勒補償采用一個反饋電容， 該電容跨接在第二放大器級的輸入和輸出之間。Ahuja補償則在第二放大器級的 反饋回路中添加了一個電流增益裝置。

圖2是背景技術中兩級米勒補償(MC)放大器10的區塊示意圖。參考圖2， 兩級MC放大器10包括第一級放大器11、第二級放大器12和補償電容C_m。第 一增益級的跨導(transconductance)、輸出電阻和集總輸出寄生電阻(lumped?output parasitic?resistance)分別標示為g_m1、r_o1和C_p1，在第二增益級中相應參數分別標 示為g_m2、r_o2和C_L。補償電容C_m耦接于第二級放大器12的輸入端和輸出端之 間。通過引入補償電容C_m，從第二級放大器12輸入端觀察到第二級放大器12 的電容就大得多，由此，第一主極點ωP1將向較低頻率移動、第二非主極點ω_P2將向較高頻率移動。

但是，高頻時電容C_m具有短路路徑的功能，且電容C_m與第二級放大器12 的組合形成了連接成二極管形式的晶體管。這樣一來，來自參考電勢的任何噪 聲都會傳遞至第二級放大器12。另外，兩級MC放大器10在高頻運作時電源抑 制比(Power?Supply?Rejection?Ratio，以下簡稱為PSRR)較差。因此，若要求較好 的PSRR，則兩級MC放大器10不足以達到運作要求。