[發(fā)明專利]有源RC濾波器

在審

• 申請?zhí)枺?/td>: 201580068439.0
• 申請日: 2015-12-14
• 公開（公告）號: CN107112962A
• 公開（公告）日: 2017-08-29
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 菲爾·柯比斯利
• 申請（專利權(quán)）人: 北歐半導(dǎo)體公司
• 主分類號: H03F3/45
• 分類號: H03F3/45
• 代理公司: 北京清亦華知識產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(普通合伙)11201
• 代理人: 宋融冰

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及運算放大器，具體來說涉及適合于在有源電阻器-電容器(RC)濾波器中使用的那些運算放大器。

背景技術(shù)

通常以運算放大器實施的有源RC濾波器是常用的模擬濾波器，尤其是當在集成電路中實施時。這些濾波器通常展現(xiàn)優(yōu)良的線性，且準許利用具有大振幅的信號。然而，這些濾波器常常性能有限，因為存在與運算放大器相關(guān)聯(lián)的固有傳播延遲。

為了使運算放大器穩(wěn)定，常常使用被稱為頻率補償?shù)募夹g(shù)。頻率補償涉及使用反饋在恰低于與下一最高頻率極點相關(guān)聯(lián)的頻率的頻率處將主要極點引入到系統(tǒng)的傳遞函數(shù)中。此主要極點起作用以便將放大器的增益減少到單位一，以使得當輸入頻率接近于現(xiàn)有極點的頻率時現(xiàn)有極點不會造成大振蕩和系統(tǒng)不穩(wěn)定性。然而，此頻率補償技術(shù)對信號在傳播通過裝置時其經(jīng)歷的延遲具有影響。

反饋環(huán)路也趨于需要相當大的電力，并且因此并不良好適合于低電力應(yīng)用，例如電池供電的便攜式裝置。這些放大器還經(jīng)受在放大器的飽和后的長啟動時間和長恢復(fù)周期。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明開始提供一種替代方法。

從第一方面，本發(fā)明提供一種運算放大器，其包括：

第一放大器級，其包括經(jīng)布置以接收且放大差分輸入信號進而提供第一差分輸出信號的晶體管的第一差分對；以及

第二放大器級，其包括經(jīng)布置以接收且放大所述第一差分輸出信號進而提供第二差分輸出信號的晶體管的第二差分對。

因此所屬領(lǐng)域的技術(shù)人員將了解，本發(fā)明提供尤其適合于在有源RC濾波器中使用的運算放大器，其包括級聯(lián)放大器級，所述放大器級可各自具有其自身的增益和帶寬特性。此運算放大器可有利地為有源RC濾波器提供低傳播延遲，從而允許所需的傳遞函數(shù)和低電力要求。此布置也可有利地去除針對與以常規(guī)運算放大器實施有源RC濾波器相關(guān)聯(lián)的共模反饋的要求，從而允許此濾波器從削波(即當輸入信號經(jīng)放大到大于最大輸出振幅的振幅時)恢復(fù)且比現(xiàn)有濾波器將預(yù)期的情況更快地啟動。

根據(jù)本發(fā)明所述的級聯(lián)差分對在此項技術(shù)中不是常規(guī)的，因為其導(dǎo)致增益的減少，且將通常預(yù)期有引入系統(tǒng)不穩(wěn)定性的風(fēng)險，因為放大器級中的每一者引入90°相移，并且因此級聯(lián)兩個差分對造成180°相移且因此帶來不合意的反饋的可能。然而，申請人已經(jīng)認識到，在有源RC濾波器應(yīng)用的情境中，高增益不是始終必要的。申請人已進一步認識到，可解決潛在不穩(wěn)定性或者在一些情況下可以是可忍受的。因此盡管前述可能的缺陷，申請人也已了解到，具體來說關(guān)于給出低傳播延遲和低電力消耗的可能性的與本發(fā)明相關(guān)聯(lián)的益處可以比所述缺陷更重要。

根據(jù)本發(fā)明的布置可有利地允許以最少組件實施運算放大器，因此減少在集成電路上建造其所需的物理面積。本發(fā)明還準許使用并不需要大量電力來操作的組件。

在一組實施例中，所述第二放大器級包括經(jīng)布置以將額外極點引入到所述運算放大器的傳遞函數(shù)中的一個或多個組件。申請人已經(jīng)了解到，將此頻率補償添加到所述第二差分對降低了與第二差分對相關(guān)聯(lián)的最低頻率極點的頻率而無需補償，以便“擴展”極點且確保它們不重疊。在一些組實施例中，所述第二放大器級包含包括至少一個電容器的反應(yīng)性部分。所述電容器具有頻率相依性的阻抗，并且因此合意地在比與所述第一放大器級相關(guān)聯(lián)的最低頻率極點低的頻率處引入極點。雖然所述電容器將減少所述第二放大器級的帶寬，但其提供額外穩(wěn)定性。所述反應(yīng)性部分可包括單個電容器，或在一些情況下可能有利的是使用更復(fù)雜的反應(yīng)性網(wǎng)絡(luò)。這可提供領(lǐng)先-滯后補償，從而在比新引入的極點低的頻率處添加零。這可為所述第二放大器級提供額外帶寬，這可保證在集成電路上容納其所需的額外面積。所述反應(yīng)性網(wǎng)絡(luò)可包括例如與電容器串聯(lián)的電阻器，或電容器和與另一電容器并聯(lián)的電阻器。

在一些組實施例中，所述第一和第二放大器級中的任一者或兩者包括長尾部對晶體管配置。有利的是利用此項技術(shù)中本身已知的長尾部對晶體管配置以便提供差分放大器級中的至少一者。長尾部對放大器通常由晶體管的差分對組成，所述晶體管經(jīng)布置使得其發(fā)射極(在雙極結(jié)晶體管或BJT的情況下)或源極(在場效應(yīng)晶體管或FET)的情況下連接在一起，且隨后經(jīng)由充當恒定電流源的尾部電阻器連接到接地或負電源軌。晶體管的任一個或兩個差分對也可以經(jīng)由一個或多個電流源連接到接地或連接到負電源軌。然而，在一些組實施例中，所述長尾部對晶體管配置包括尾部晶體管。申請人已了解可能有利的是在一些情況下利用尾部晶體管代替尾部電阻器，因為其提供通過長尾部對控制電流的能力，且因此提供對長尾部對的輸出上存在的任何共模電壓的某一程度的控制。