專利名稱：頻率補(bǔ)償運(yùn)算放大器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是關(guān)于Ahuja補(bǔ)償方案，特別是關(guān)于可消除先前實(shí)施中固有的偏置 (bias)問題的Ahuja頻率補(bǔ)償運(yùn)算放大器。
背景技術(shù)：
Ahuja頻率補(bǔ)償方案是一種公知的用于運(yùn)算放大器的頻率補(bǔ)償方 案。Ahuja頻率補(bǔ)償是被發(fā)展以用于改善公知的米勒(Miller)補(bǔ)償。圖 1A為相關(guān)技術(shù)的米勒補(bǔ)償方案100的示意圖。米勒補(bǔ)償是由跨接于運(yùn) 算放大器A2的輸入級(jí)與輸出級(jí)的電容器Cc組成。Ahuja頻率補(bǔ)償則 是通過提供由補(bǔ)償晶體管組成的第三級(jí)來耦接電容器Cc,來實(shí)現(xiàn)間接 地耦接于此電容器。
為了更清楚地說明Ahuja補(bǔ)償，請(qǐng)參考圖1B。圖IB為相關(guān)技術(shù) 的Ahuja補(bǔ)償方案200的示意圖。從圖IB中可以看出，Ahuja補(bǔ)償方 案200中具有放大器Al,放大器A2。放大器Al具有兩個(gè)信號(hào)輸入端 In+以及In-，且電容器C!耦接于力文大器Al的輸出端以及接地端之間， 放大器Al的跨導(dǎo)為gml。放大器A2具有一個(gè)輸出端Out,且電容器 (32耦接于放大器A2的信號(hào)輸出端Out以及接地端之間，放大器A2 的跨導(dǎo)為gm2。補(bǔ)償晶體管MP3耦接于電容器Cc,并且耦接于偏置電 壓VBIAS。補(bǔ)償晶體管MP3上施加有偏置電流IBIAS。 Ahuja補(bǔ)償優(yōu)于 米勒補(bǔ)償之處在于Ahuja補(bǔ)償在處理高電阻以及電容負(fù)載時(shí)具有更 好的性能，可以減小電容器Cc的尺寸，并且具有更好的電源抑制比 (power supply rejection ratio ， 以下簡(jiǎn)稱為PSRR)。
請(qǐng)參考圖2。圖2顯示由相關(guān)技術(shù)中的兩級(jí)運(yùn)算放大器300實(shí)現(xiàn) 圖IB中所示的Ahuja補(bǔ)償方案200的示意圖。運(yùn)算放大器300包含耦 接于差動(dòng)電流源的輸入級(jí)，輸入級(jí)包含晶體管MP5, MPla, MPlb, MNla以及MNlb。輸入級(jí)耦接于包含晶體管MP2以及MN2的輸出級(jí)，并且耦接于供應(yīng)電壓VoD以及接地端之間。晶體管MP5耦接于供應(yīng)電壓 Vj)d以及偏置電壓vbp之間。補(bǔ)償晶體管MP3耦接于偏置電壓Vbp2以及
補(bǔ)償電容器Cc。補(bǔ)償晶體管MP3進(jìn)一步耦接于晶體管MP4，晶體管
MP4耦接于供應(yīng)電壓VoD以及偏置電壓VBiM之間，用于為補(bǔ)償晶體管
MP3提供偏置電流IBIAS。運(yùn)算放大器300進(jìn)一步包含晶體管MN3以 及MN4,晶體管MN3以及MN4耦接于補(bǔ)償晶體管MP3，晶體管MN2, 以及晶體管MNlb，并且晶體管MN3耦接于偏置電壓VBN1,晶體管 MN4耦接于偏置電壓VBN2。晶體管MN3以及MN4是用于為補(bǔ)償晶體 管MP3以及晶體管MP4中的偏置電流ImAs提供一條到接地端的路徑。 運(yùn)算放大器300的缺點(diǎn)在于必須使用偏置電壓VBN1以及Vbn2來 偏置晶體管MN3以及MN4,以承載分別由偏置電壓VBP2以及VBP1偏 置的補(bǔ)償晶體管MP3以及晶體管MP4內(nèi)的偏置電流IBIAS。然而，事 實(shí)上不可能分別偏置一 p通道晶體管以及一 n通道晶體管，以承載相 同電流，所以以上目標(biāo)從未達(dá)到過。結(jié)果就是運(yùn)算放大器300的直流 偏置電壓很高。
另外，如圖1B所示的Ahuja補(bǔ)償方案200在某些情況下(例如， 低電容負(fù)載時(shí))不能取得預(yù)期的益處。因此，原始的Ahuja補(bǔ)償方案200 以及Ahuja補(bǔ)償運(yùn)算放大器300都需要改進(jìn)。

發(fā)明內(nèi)容
為了解決以上技術(shù)方案中所存在的問題，本發(fā)明提供了一種頻率 補(bǔ)償運(yùn)算放大器。
本發(fā)明提供了一種頻率補(bǔ)償運(yùn)算放大器，包含輸入級(jí)，用于接 收輸入信號(hào)；輸出級(jí)，耦接于輸入級(jí)，用于根據(jù)輸入級(jí)的輸出產(chǎn)生輸 出信號(hào)；第一電流源，用于提供第一偏置電流；第二電流源，用于提 供與第一偏置電流相同的第二偏置電流；以及Ahuja補(bǔ)償電路，包含 匹配的晶體管對(duì)，耦接于第一電流源以及第二電流源；電容器，耦接 于匹配的晶體管對(duì)以及輸出級(jí)之間；以及跨導(dǎo)增加電路，耦接于匹配 的晶體管對(duì)，用于增加匹配的晶體管對(duì)的跨導(dǎo)。
本發(fā)明另提供了 一種頻率補(bǔ)償運(yùn)算放大器，包含輸入級(jí)，用于 接收輸入信號(hào)；輸出級(jí)，耦接于輸入級(jí)，用于根據(jù)輸入級(jí)的輸出產(chǎn)生輸出信號(hào)；第一電流源，用于提供第一電流；第二電流源，用于提供 第二電流；以及Ahuja補(bǔ)償電路，包含匹配的晶體管對(duì)，耦接于第 一電流源以及第二電流源；電容器，耦接于匹配的晶體管對(duì)以及輸出 級(jí)之間；以及跨導(dǎo)增加電路，耦接于匹配的晶體管對(duì)，用于增加匹配 的晶體管對(duì)的跨導(dǎo)。
本發(fā)明提供的頻率補(bǔ)償運(yùn)算放大器，通過間接地增加補(bǔ)償晶體管 的跨導(dǎo)來達(dá)到增強(qiáng)補(bǔ)償?shù)男Ч?，解決了與傳統(tǒng)運(yùn)算放大器實(shí)現(xiàn)Ahuja 補(bǔ)償有關(guān)的偏置問題。


圖1A為相關(guān)技術(shù)的米勒補(bǔ)償方案的示意圖。 圖IB為相關(guān)技術(shù)的Ahuja補(bǔ)償方案的示意圖。 圖2顯示由相關(guān)技術(shù)中的兩級(jí)運(yùn)算放大器實(shí)現(xiàn)的Ahuja補(bǔ)償方案 的示意圖。
圖3為依據(jù)本發(fā)明一實(shí)施例的改進(jìn)的Ahuja補(bǔ)償方案的示意圖。 圖4為依據(jù)本發(fā)明一實(shí)施例的運(yùn)算放大器的示意圖 圖5為依據(jù)本發(fā)明另一實(shí)施例的運(yùn)算放大器的示意圖。
具體實(shí)施例方式
請(qǐng)參考圖3。圖3為依據(jù)本發(fā)明一實(shí)施例的改進(jìn)的Ahuja補(bǔ)償方 案400的示意圖。Ahuja補(bǔ)償方案400的目標(biāo)在于，通過間接的倍增 補(bǔ)償晶體管MP3的跨導(dǎo)來改進(jìn)由原始Ahuja補(bǔ)償方案200提供的補(bǔ)償。 間接倍增的效果是將非主極點(diǎn)(non-dominant pole)以及非主零點(diǎn) (non-dominant zero)移動(dòng)至更高的頻率，并且增加非主纟及點(diǎn)的阻尼 (damping)。
圖3所示的改進(jìn)的Ahuja補(bǔ)償方案400提供了放大器Al,放大器 A2,以及放大器A。放大器Al具有兩個(gè)信號(hào)輸入端In+以及In-，且 電容器d耦接于放大器Al的輸出端以及接地端之間。電容器<32耦接 于放大器A2的信號(hào)輸出端Out以及接地端之間。放大器A具有耦接
于偏置電流IBIAS的第 一輸入端，耦接于偏置電壓VwAs的第二輸入端，
以及耦接于補(bǔ)償晶體管MP3的柵極的 一 輸出端。因此，源極電壓(source voltage)裙—放大，且接下來已i文大的源才及電壓,皮施加至補(bǔ)償晶 體管MP3的柵極。如果放大器A具有增益-^以及源極電壓為Vs，則 柵極-源極電壓(gate-source voltage)vgs等于-(l+J) Vs。因此，柵極-源 極電壓vgs已經(jīng)被乘以因子(l+^)。只要放大器A的增益足夠大，補(bǔ)償 晶體管MP3的源極電壓將保持在偏置電壓VBIAS。補(bǔ)償晶體管MP3的 漏極電流為跨導(dǎo)與柵極-源極電壓的一個(gè)影響因素，且源極電壓保持為 偏置電壓VwAs，放大器A通過因子(l+J)有效地增加了跨導(dǎo)。補(bǔ)償晶 體管MP3的柵極-源極電容器C3也通過相同的因子(l+」)被增加。目前， 跨導(dǎo)是由裝置的尺寸以及偏置電流所決定的。因此，本發(fā)明使用了間 接的增加補(bǔ)償晶體管MP3的跨導(dǎo)的方法，而不需要改變其尺寸或偏置 電流。這在某種程度上節(jié)省了電源消耗以及硅面積。
以下將以圖2所示的運(yùn)算放大器300作為參考，來顯示圖3所示 的改進(jìn)的Ahuja補(bǔ)償方案400的增加的跨導(dǎo)的效果。圖2所示的運(yùn)算 放大器300的轉(zhuǎn)移函數(shù)如式(l)所示
+ 1
為
51 ，
:+ ^——^ + l
化
化
2《
(1)
為=運(yùn)算放大器的直流增益=LigM 2
Spl =主極點(diǎn)=
Sz =非主零點(diǎn)=
ml
一K8叫=運(yùn)算放大器的單位增益頻寬=Cc
W —
nd
其中，《以及為與非主極點(diǎn)Sp2以及Sp3相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)二階參數(shù)(2
order parameter)。
圖2所示的運(yùn)算放大器300具有極點(diǎn)spl、 Sp2以及Sp3,其中，spl
為主極點(diǎn)且Sp2， Sp3為非主極點(diǎn)。對(duì)于米勒補(bǔ)償來說，非主極點(diǎn)是實(shí)數(shù)
(real),但是對(duì)于Ahuja補(bǔ)償來說，非主極點(diǎn)可能是實(shí)數(shù)也可能是復(fù)數(shù) (complex)。 這決定于 二階參數(shù)《。如果二階參數(shù)《大于或等于1,則其 只寸應(yīng)于阻尼步貞率響應(yīng)(damped frequency response), 因jt匕，非主才及點(diǎn)是 實(shí)數(shù)；如果二階參數(shù)《小于1，則非主極點(diǎn)是復(fù)數(shù)，意味著此處為欠阻 尼步貞率響應(yīng)(under-damped frequency response)。
為取得良好的補(bǔ)償，非主極點(diǎn)以及非主零點(diǎn)需要盡可能的遠(yuǎn)離單
位增益頻寬
饑
頻率響應(yīng)也需要盡可能的是阻尼頻率響應(yīng)。實(shí)際上，
sz以及氣的幅度需要盡可能的高， 2以及sp3的頻率響應(yīng)需要盡可能 是阻尼頻率響應(yīng)，因此，二階參數(shù)《需要盡可能的高(至少大于1)，以 使有足夠的頻率阻尼。
如上所示，因?yàn)殡娙萜鰿3以及跨導(dǎo)gm3已經(jīng)通過因子(l + j)被增
加(J^0/匕^隨的增力口)， sz也將通過因子十c^/增加，且當(dāng)(l +
爿)>> /^時(shí)，二階參數(shù)^以及w"將通過因子V /^增加。因此，圖 3所示的改進(jìn)的Ahuja補(bǔ)償方案400通過增加補(bǔ)償，改善了圖1B所示
仏的相關(guān)技術(shù)的Ahuja補(bǔ)償方案200。
請(qǐng)參考圖4。圖4為依據(jù)本發(fā)明一實(shí)施例的運(yùn)算力文大器500的示 意圖，其解決了圖2所示的運(yùn)算放大器300的偏置問題，并且實(shí)現(xiàn)了 圖3所示的改進(jìn)的Ahuja補(bǔ)償方案400。圖4所示的運(yùn)算放大器500 與圖2所示的運(yùn)算放大器300相似，但是有一些重要的差異。運(yùn)算放 大器300的單個(gè)的晶體管MP4被一對(duì)P通道晶體管MP4a以及MP4b 所取代，且晶體管MP4a以及MP4b都耦接于偏置電壓VBP1以及供應(yīng) 電壓VDD，其中，P通道晶體管MP4a以及MP4b可以是P通道金屬氧 化物半導(dǎo)體晶體管。因此，晶體管MP4a以及MP4b都提供偏置電流 Ibias。另外，運(yùn)算放大器300的單個(gè)的補(bǔ)償晶體管MP3也被一對(duì)補(bǔ)償 晶體管MP3b以及MP3a所取代。電容器Cc耦接于補(bǔ)償晶體管MP3b 以及信號(hào)輸出端Out之間?？梢钥吹?，因?yàn)榫w管MP4a，補(bǔ)償晶體管 MP3a,晶體管MP4b以及補(bǔ)償晶體管MP3b都為P通道元件，且是由 共同的或匹配的偏置節(jié)點(diǎn)來偏置，所以晶體管MP4a，補(bǔ)償晶體管MP3a 以及晶體管MP4b,補(bǔ)償晶體管MP3b可承載相同的偏置電流IBIAS。 因此，由于補(bǔ)償晶體管MP3a耦接于晶體管MPla以及MNla之間， 且補(bǔ)償晶體管MP3b耦接于晶體管MPlb以及MNlb之間，上述改善 確保了偏置問題不再存在。圖4的運(yùn)算放大器500進(jìn)一步顯示了 Ahuja 補(bǔ)償方案400包含第一放大器Ai以及第二放大器A2。因?yàn)檫\(yùn)算放大 器500包含兩個(gè)補(bǔ)償晶體管(MP3a以及MP3b),此實(shí)施例中的第一放 大器Ai以及第二放大器A2是用于匹配或平衡。
于運(yùn)算放大器500中改進(jìn)的Ahuja補(bǔ)償方案的效果如上文所描述， 通過間接增加補(bǔ)償晶體管MP3a以及MP3b的跨導(dǎo)，非主極點(diǎn)以及非 主零點(diǎn)盡可能的遠(yuǎn)離Wo,因此，增強(qiáng)了補(bǔ)償。解決相關(guān)技術(shù)中的偏置 問題，使得實(shí)施于運(yùn)算放大器500中改進(jìn)的Ahuja補(bǔ)償方案可獲得所 期望的結(jié)果。
請(qǐng)參考圖5。圖5為依據(jù)本發(fā)明另一實(shí)施例的于運(yùn)算放大器600 中改進(jìn)的Ahuja補(bǔ)償方案實(shí)施的示意圖，其解決了圖2所示的運(yùn)算方文 大器300中固有的偏置問題。由圖5中可以看出，本發(fā)明的改進(jìn)的Ahuja 補(bǔ)償方案具有增加跨導(dǎo)，增強(qiáng)補(bǔ)償?shù)男Ч?。圖5所示的運(yùn)算放大器600, 包括一個(gè)輸入級(jí)，輸入級(jí)包含晶體管MN4以及由晶體管MNla及MNlb組成的差動(dòng)對(duì)，晶體管MN4耦接于偏置電壓VBN，進(jìn)一步包含一對(duì) 耦接于偏置電壓VBP1的P通道晶體管MPla以及MPlb，晶體管MPla 以及MPlb分別耦接于一對(duì)補(bǔ)償晶體管MP3a、 MP3b，補(bǔ)償晶體管 MP3a、 MP3b依次地耦接于由晶體管MN3a、 MN3b形成的電流鏡，并 且^爭(zhēng)接于由晶體管MNla及MNlb組成的差動(dòng)對(duì)。分別耦接于補(bǔ)償晶 體管MP3a， MP3b的放大器Ap八2具有耦接于偏置電壓VBP2的第一 輸入端，以及分別耦接于晶體管MP3a、 MP3b的源極的第二輸入端， 并且i欠大器A2也耦接于由晶體管MNla及MNlb組成的差動(dòng)對(duì)。 再次說明，改進(jìn)的Ahuja補(bǔ)償方案，通過放大柵極-源極電壓以間接地 增加補(bǔ)償晶體管MP3a、 MP3b的跨導(dǎo)來增強(qiáng)補(bǔ)償。
因此，本發(fā)明所提供的改進(jìn)的Ahuja補(bǔ)償方案，通過一個(gè)額外的 放大器增加了補(bǔ)償晶體管的跨導(dǎo)，以此來確保良好的補(bǔ)償，并且進(jìn)一 步于運(yùn)算放大器中實(shí)施改進(jìn)的Ahuja補(bǔ)償方案，其解決了與傳統(tǒng)運(yùn)算 放大器實(shí)現(xiàn)Ahuja補(bǔ)償有關(guān)的偏置問題。另外，改進(jìn)的Ahuja補(bǔ)償也 可以實(shí)施于其它的傳統(tǒng)運(yùn)算it大器電路中，且仍然可以通過間接地增 加補(bǔ)償晶體管的跨導(dǎo)來達(dá)到增強(qiáng)補(bǔ)償?shù)男ш健?br> 改進(jìn)的Ahuja補(bǔ)償方案與相關(guān)技術(shù)相比，其優(yōu)點(diǎn)在于可以提高電 源效率，增加空間使用效率，具有更好的PSRR,并且具有更好的處 理低電容負(fù)載的能力。
雖然本發(fā)明已以較佳實(shí)施例揭露如上，然其并非用以限定本發(fā)明， 任何所屬技術(shù)領(lǐng)域中的技術(shù)人員，在不脫離本發(fā)明的范圍內(nèi)，可以做 一些改動(dòng)，因此本發(fā)明的保護(hù)范圍應(yīng)與權(quán)利要求所界定的范圍為準(zhǔn)。
權(quán)利要求
1.一種頻率補(bǔ)償運(yùn)算放大器，包含輸入級(jí)，用于接收輸入信號(hào)；輸出級(jí)，耦接于所述輸入級(jí)，用于根據(jù)所述輸入級(jí)的輸出產(chǎn)生輸出信號(hào)；第一電流源，用于提供第一偏置電流；第二電流源，用于提供與所述第一偏置電流相同的第二偏置電流；以及Ahuja補(bǔ)償電路，包含匹配的晶體管對(duì)，耦接于所述第一電流源以及所述第二電流源；電容器，耦接于所述匹配的晶體管對(duì)以及所述輸出級(jí)之間；以及跨導(dǎo)增加電路，耦接于所述匹配的晶體管對(duì)，用于增加所述匹配的晶體管對(duì)的跨導(dǎo)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的頻率補(bǔ)償運(yùn)算放大器，其特征在于，所 述匹配的晶體管對(duì)包含第一晶體管，具有控制端，耦接于第一偏置電壓，第一端，耦接 于所述第一電流源，以及第二端；以及第二晶體管，具有控制端耦接于所述第一偏置電壓，第一端，耦 接于所述第二電流源，以及第二端，其中，所述第一晶體管的第二端 以及所述第二晶體管的第二端跨接于所述輸入級(jí)。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的頻率補(bǔ)償運(yùn)算放大器，其特征在于，所 述跨導(dǎo)增加電路包含第一放大器，具有輸出端，耦接于所述第一晶體管的控制端，第 一輸入端，耦接于所述第一晶體管的第一端，以及第二輸入端，耦接 于第二偏置電壓；以及第二放大器，具有輸出端，耦接于所述第二晶體管的控制端，第 一輸入端，耦接于所述第二晶體管的第一端，以及第二輸入端，耦接于所述第二偏置電壓。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的頻率補(bǔ)償運(yùn)算放大器，其特征在于，所述第一電流源由p通道金屬氧化物半導(dǎo)體晶體管來實(shí)現(xiàn)，所述第一電 流源具有控制端，耦接于第三偏置電壓，第一端，耦接于供應(yīng)電壓，以及第二端，耦接于所述第一放大器的第一輸入端；以及所述第二電 流源由P通道金屬氧化物半導(dǎo)體晶體管來實(shí)現(xiàn)，所述第二電流源具有 控制端，耦接于所述第三偏置電壓，第一端，耦接于所述供應(yīng)電壓， 以及第二端，耦接于所述第二放大器的第一輸入端。
5. —種頻率補(bǔ)償運(yùn)算放大器，包含 輸入級(jí)，用于接收輸入信號(hào)；輸出級(jí)，耦接于所述輸入級(jí)，用于根據(jù)所述輸入級(jí)的輸出產(chǎn)生輸 出信號(hào)；第一電流源，用于提供第一電流； 第二電流源，用于提供第二電流；以及 Ahuja補(bǔ)償電路，包含匹配的晶體管對(duì)，耦接于所述第 一 電流源以及所述第二電流源；電容器，耦接于所述匹配的晶體管對(duì)以及所述輸出級(jí)之間；以及跨導(dǎo)增加電路，耦接于所述匹配的晶體管對(duì)，用于增加所述 匹配的晶體管對(duì)的跨導(dǎo)。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的頻率補(bǔ)償運(yùn)算放大器，其特征在于，進(jìn) 一步包含電流鏡，耦接于所述輸入級(jí)以及所述輸出級(jí)之間，其中， 所述匹配的晶體管對(duì)包含第一晶體管，具有控制端，耦接于第一偏置電壓，第一端，耦接 于第一偏置電流，以及第二端；以及第二晶體管，具有控制端，耦接于所述第一偏置電壓，第一端， 耦接于第二偏置電流，以及第二端，其中，所述第一晶體管的第二端 以及所述第二晶體管的第二端耦接于所述電流鏡。
7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的頻率補(bǔ)償運(yùn)算放大器，其特征在于，所 述跨導(dǎo)增加電路包含第一放大器，具有輸出端，耦接于所述第一晶體管的控制端，第 一輸入端，耦接于所述第一晶體管的第一端以及所述第一電流源之間， 以及第二輸入端，耦接于第二偏置電壓；以及第二放大器，具有輸出端，耦接于所述第二晶體管的控制端，第 一輸入端，耦接于所述第二晶體管的第 一 端以及所述第二電流源之間， 以及第二輸入端，耦接于所述第二偏置電壓。
全文摘要
本發(fā)明是關(guān)于一種頻率補(bǔ)償運(yùn)算放大器，包含輸入級(jí)，用于接收輸入信號(hào)；輸出級(jí)，耦接于輸入級(jí)，用于根據(jù)輸入級(jí)的輸出產(chǎn)生輸出信號(hào)；第一電流源，用于提供第一偏置電流；第二電流源，用于提供與第一偏置電流相同的第二偏置電流；Ahuja補(bǔ)償電路，包含匹配的晶體管對(duì)，耦接于第一電流源以及第二電流源；電容器，耦接于匹配的晶體管對(duì)以及輸出級(jí)之間；以及跨導(dǎo)增加電路，耦接于匹配的晶體管對(duì)，用于增加匹配的晶體管對(duì)的跨導(dǎo)。本發(fā)明提供的頻率補(bǔ)償運(yùn)算放大器，通過間接地增加補(bǔ)償晶體管的跨導(dǎo)來達(dá)到增強(qiáng)補(bǔ)償?shù)男Ч?，解決了與傳統(tǒng)運(yùn)算放大器實(shí)現(xiàn)Ahuja補(bǔ)償有關(guān)的偏置問題。
文檔編號(hào)H03F3/45GK101599741SQ20091014320
公開日2009年12月9日 申請(qǐng)日期2009年5月20日 優(yōu)先權(quán)日2008年6月2日
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