專利名稱:具有高電源抑制性能的反饋放大器的制作方法
本發(fā)明大體涉及放大器，具體地說是涉及一種具有高電源抑制性能的反饋放大器。
放大器可包括作為第一級的跨導放大器和輸出級，其中輸出級提供驅(qū)動低阻抗負載的單位電壓增益。輸出級可以包括一源極跟隨晶體管。具有源極跟隨輸出級的放大器的重要指標包括寬帶寬、大電流驅(qū)動能力、低靜態(tài)功耗、高電源抑制性能和穩(wěn)定的工作。

圖1以原理圖的形式說明通常所采用的AB類放大器10。AB類放大器10包括放大器11和輸出級12。輸出級12包括P溝道晶體管13、14和15，電流源16和電容器17。P溝道晶體管14被連接成源極跟晶體管，用以提供標以Vout的輸出信號。放大器11是一普通的單級跨導型放大器，用來接收標以“+VIN”的非反相輸入信號和標以“-VIN”的反相輸入信號，并提供一單端輸出信號。
先有技術(shù)的AB類放大器10以相對較低的靜態(tài)功耗提供低阻抗輸出驅(qū)動和強電流驅(qū)動能力。但是，由于輸出級12的電壓增益高和頻率極點低，所以需要米勒補償電容器17來穩(wěn)定放大器10。采用米勒補償卻帶來了輸出級12的電源抑制性能退化的問題。為使電源變化時輸出級12的驅(qū)動電流保持恒定，晶體管13的柵源電壓應保持不變。為此，晶體管的柵電壓應跟蹤電源電壓。然而，這會使得米勒補償電容器17的電壓隨電源電壓變化，并在電容器17中產(chǎn)生引起放大器電源抑制能退化的隨電源變化的電流。
輸出級12的另一個問題是，當要求驅(qū)動阻抗足夠小的負載(未給出)上的高電壓時，P溝道晶體管15的漏極電流變得比電流源16提供的電流還要大。這使得源極跟隨晶體管14的柵極電壓上升。源極跟隨晶體管14中的電流隨柵電壓的升高減小到接近零，源極跟隨晶體管14實際上變得不導通。這樣便有效地切斷了輸出級12在P溝道晶體管15和輸出級12輸出端間的增益通路，輸出級12的電壓增益減小為與輸出負載相連的簡單共源晶體管(P溝道晶體管13)的增益。
因此，本發(fā)明提出一種具有高電源抑制性能反饋的CMOS放大器，其特征為放大級，其具有第一和第二輸入端及一輸出端；穩(wěn)定電容器，其第一板電極與放大級的輸出端耦合，第二板電極與模擬接地端耦合；源極跟隨晶體管，其具有接收輸入信號的柵極、提供輸出信號的源極和一有漏極電流漏極；負反饋電路，其耦合在源極跟隨晶體管的源極和漏極之間，其用來檢測由負載電流變化引起的源極跟隨晶體管漏極電流的變化，并根據(jù)檢測的漏極電流的變化，提供負電流反饋給源極跟隨晶體管的源極以限制漏極電流的變化。
從下面結(jié)合附圖的詳細描述中，將能更加清楚地了解這些以及其它特征和優(yōu)點。
圖1用原理圖的形式說明一先有技術(shù)的AB類放大器。
圖2用原理圖的形式說明根據(jù)本發(fā)明所述的A類放大器。
圖3用原理圖的形式說明根據(jù)本發(fā)明另一實施例所述的A類放大器。
圖4用原理圖的形式說明根據(jù)本發(fā)明又一實施例所述的AB類放大器。
圖5用原理圖的形式說明本發(fā)明再一個實施例所述的AB類放大器。
圖2用原理圖的形式說明根據(jù)本發(fā)明所述的A類放大器20。A類放大器20采用CMOS技術(shù)實現(xiàn)，包括放大器21、電容器22和輸出級23。在最佳實施例中，放大器21是一普通的單級跨導型放大器，用以提供差分信號并相應地提供一單端輸出信號。然而，在其它的實施例中，放大器21可能是運算放大器、差分放大器、或任意類型的可將一個或多個輸入信號耦合到一個或多個放大器輸出級的輸入放大器。注意，在其它實施例中，可使用不帶放大器21的輸出級23，并可用輸出級23代替任何要求高跨導、低失真源極跟隨器件的電路中的源極跟隨晶體管。
放大器21有用于接收標以“+VIN”的第一輸入信號的非反相輸入端、用于接收標以“-VIN”的第二輸入信號的反相輸入端和輸出端。電容器22耦合在放大器21的輸出端和標以“VAG”的模擬地端之間，并按需限制放大器21的帶寬以便在A類放大器中保持足夠的相位余量。
輸出級23包括源極跟隨晶體管24和反饋電路25。反饋電路25包括電流源26，N溝道晶體管28、電流源30、電容器32和P溝道晶體管34。源極跟隨晶體管24具有與放大器21的輸出端相連的柵極、與用以提供標為“VouT1”的輸出信號的輸出端相連的源極和一漏極。電流源26的第一端與源極跟隨晶體管24的漏極相連，第二端與標以“Vss”的電源電壓端相連。N溝道晶體管28的漏極與節(jié)點101相連，柵極用來接收標以“VBIAS”的偏置電壓，源極與源極跟隨晶體管24的漏極相連。電流源30的第一端與標以“VDD”的電源電壓端相連，第二端與N溝道晶體管28連接于節(jié)點101。電容器32的第一板極與電流源30在節(jié)點101相連，第二板極與電源電壓端VDD相連。P溝道晶體管34的源板與電源電壓端VDD相連，柵極與節(jié)點101相連，漏極與源極跟隨晶體管24的源極相連。在最佳實施例中，電源電壓端VDD接收一大約為5V的正電源電壓，電源電壓端Vss與地電位相連。模擬地端VAG接收正電源電壓和地之間約一半處或約2.5V的電壓。在其它實施例中，VDD可以接收低至約2.0V的正電源電壓，VAG可以在VDD或Vss的電位上，或在依賴輸出信號VouTI參考電位的另一個中間電位上。
工作時，放大器21(圖2)接收非反相輸入信號+VIN和反相輸入信號-VIN，并提供輸出信號至輸出級23的源極跟隨晶體管24的柵極。輸出級23起單位增益驅(qū)動電路的作用，包括由反饋電路25提供的負電流反饋。輸出級23可以以恒定的增益和低靜態(tài)功耗驅(qū)動一排阻抗相對較低的負載。電路不需要米勒補償，從而提供高電源抑制性能。反饋電路25提供負反饋，通過調(diào)整P溝道晶體管34中的電流、補償輸出信號VouT1的負載電流的變化來保持源極跟隨晶體管24中電流的相對恒定。源極跟隨晶體管24的跨導被有效地增大至1+Ai倍，其中Ai代表反饋電路25的電流增益。
A類放大器20的帶寬及穩(wěn)定性與輸出級23的相互依賴。A類放大器20與輸出級23的相互依賴關(guān)系是與放大器20的輸出端相連的負載阻抗的反函數(shù)。當電路與足夠高的阻抗負載一起使用時，源極跟隨晶體管24的柵源電壓與流過P溝道晶體管34的電流弱相關(guān)(weak function)。因而，在這種情況下，A類放大器20的帶寬及穩(wěn)定性不嚴重依賴輸出級23的帶寬。如果由于輸出級23有限的帶寬而使反饋電路25在高頻工作時失效，那么這樣引起的放大器20穩(wěn)定性的退化將很少。
電流源26和30提供相對恒定的電流。節(jié)點101是阻抗相對較高的節(jié)點，其為P溝道晶體管34的柵極提供偏置電壓。如果流過源極跟隨晶體管24的電流由于負載電流的變化而開始變化，流過N溝道晶體管28的電流就會變化。由于節(jié)點101的阻抗相對較高，流過節(jié)點101的電流很小的變化就能引起節(jié)點101電壓的大變化。例如，如果負載電流開始增加，流過源極跟隨晶體管24的電流就開始下降。由于電流源26提供相對恒定的電流，流過N溝道晶體管28的電流就增加。流過N溝通晶體管28的電流的很小的增加卻在節(jié)點101引起大的電壓下降，并使P溝道晶體管34的柵極偏置電壓減小。P溝道晶體管34提供一可變的電流源。流過P溝道晶體管34的電流反比于節(jié)點101的電壓，這樣，當負載電流變化時可保持流過源極跟隨晶體管24的電流相對恒定。通過保持流過源極跟隨晶體管24的電流相對恒定，反饋電路25保證源極跟隨晶體管24起具有相對恒定的柵源電壓和相對較低的失真的單位增益緩沖器的作用。
電容器32提供使反饋電路25穩(wěn)定的主極點。由于節(jié)點101的大輸出阻抗使得101的頻率極點很低，所以電容器32應足夠大以促證該極點是主要的，從而使反饋電路的帶寬低于輸出級23輸出端的極點。這不象先有技術(shù)的AB類放大器10的米勒補償電容器17，電容器22或32都不會使A類放大器20的電源抑制性能退化。偏置電壓VBIAS被設置得足夠高，可保持電流源26相對較高的阻抗，但又足夠低，可使輸出信號VouT1的電壓擺幅不受影響。偏置電壓VBIAS應被設置為高于Vss約一至兩個MOSFET的二極管壓降。正如上面提到的，由于不需要用米勒補償來穩(wěn)定電路，因而就改善了電源抑制性能，同時仍保持于強電流驅(qū)動能力和低靜態(tài)功耗。放大器20在要求低頻時的高增益、高精度的應用中很有用。(注意，為便于討論，低頻定義為低于1MHz，而高頻定義為大于1MHz。)應用包括，但不限于基準電壓發(fā)生器，離片(off chip)驅(qū)動器和音頻放大器。
圖3用原理圖的形式說明根據(jù)本發(fā)明另一實施例所述的A類放大器35。注意，不同實施例中相似的元件被賦予了同樣的參考號。A類放大器35包括放大器21，電容器22和輸出級36。輸出級36包括源極跟隨晶體管37和反饋電路39。反饋電路39包括電流源38、N溝道晶體管40及P溝道晶體管42和44。P溝道晶體管42和44相連，形成電流鏡41。
輸出級36中，源極跟隨晶體管37有一與提供標以“VouT2”的輸出信號的輸出端相連的源極、與放大器21的輸出端相連的柵極和一漏極。電流源38包括與源極跟隨晶體管37的漏極相連的第一端和與Vss相連的第二端。N溝道晶體管40有與電流源38的第一端相連的源極、用于接收偏置電壓“VBIAS”的柵極和一漏極。P溝道晶體管42的源極與VDD相連，柵極和漏極都與N溝道晶體管40的漏極相連。P溝道晶體管44的源極與VDD相連，柵極與P溝道晶體管42的柵極相連，漏極與源極跟隨晶體管44的源極相連。
反饋電路39起與圖2的反饋電路25相似的作用。反饋電路39給源極跟隨晶體管37的源極提供負電流反饋，以保證當輸出負載電流變化時，流過源極跟隨晶體管37的漏極電流相對恒定。然而，與輸出級23(圖2)的反饋電路25不同的是，反饋電路39沒有高阻抗節(jié)點，因而輸出極36的帶寬可以很寬。帶寬受輸出級36輸出端處的極點的限制，其中極點是負載阻抗的函數(shù)。反饋電路39保持流過源極跟隨晶體管37的電流相對恒定以便低失真地、大體線性地工作。由于不需要米勒補償，電源抑制性能相對采用米勒補償?shù)南扔屑夹g(shù)的輸出級來說得到了改善。放大器35可用于需要寬帶寬的應用中，包括(但不限于)寬帶寬驅(qū)動器和視頻放大器。
工作時，如果流過源極跟隨晶體管37的電流由于輸出信號VouT2的電流增加而開始下降，流過N溝道晶體管40的電流就會上升，因為電流源38提供的是相對恒定的電流源。電流鏡41接收N溝道晶體管40的電流，根據(jù)其相應的電導率，P溝道晶體管44反映一部分流過接成二極管的P溝道晶體管42的電流。當流過P溝道晶體管42的電流增加時，提供給源極跟隨晶體管37的電流也增加以補償增加的負載電流。如果負載電流下降，反饋電路39就會探測到源極跟隨晶體管37漏極電流的相應增加，并減小P溝道晶體管44提供的電流。在最佳實施例中，P溝道晶體管42的電導率相應地大于P溝道晶體管44的電導率，于是流過P溝道晶體管44的電流大于流過P溝道晶體管42的電流，并且電流鏡41的增益大于1。
輸出級23和36能產(chǎn)生比先有技術(shù)輸出級12更大的負載電流。注意，圖2和圖3中實施例的電流吸收(sink)能力受電流源提供的電流量限制。A類放大器20能吸收的最大電流等于電流源26的電流減去電流源30的電流。A類放大器35能吸收的最大電流等于電流源38提供的電流。正如上面討論的，圖2的輸出級23以較低的帶寬為代價提供大電流增益。輸出級36則相反，其以較高的帶它提供較低的增僧。與輸出級23(圖2)相比，輸出級36能驅(qū)動大的容性負載。象圖2的實施例一樣，輸出級36不需要米勒補償，從而保證了高電源抑制比。
圖4用原理圖的形式說明根據(jù)本發(fā)明又一實施例所述的AB類放大器50。AB類放大器50包括放大器21，電容器22和輸出級51。輸出級51包括源極跟隨晶體管52和反饋電路53。反饋電路53包括電流鏡56，電流源57，電容器62，N溝道晶體管64和電流鏡55。電流鏡56包括N溝道晶體管58和60。電流鏡55包括P溝道晶體管66和68。
源極跟隨晶體管52具有與輸出級51的輸出端相連的柵極、用來提供標 VouT3”的輸出信號的源極和漏極。N溝道晶體管58的漏極和柵極都與源極跟隨晶體管52的漏極相連。電流源57具有與VDD相連的第一端和一個第二端。N溝道晶體管60的漏極與電流源57的第二端相連，柵極與N溝道晶體管58的柵極相連，源極與Vss相連。電容器62的第一板電極與N溝道晶體管60的漏極相連，第二板電極與Vss相連。N溝道晶體管64具有與N溝道晶體管60的漏極相連的柵極，一漏極和與Vss相連的源極。P溝道晶體管66的源極與VDD相連，其柵極和漏極都與N溝道晶體管64的漏極相連。P溝道晶體管68的源極與VDD相連，柵極與P溝道晶體管66的柵極相連，漏極與源極跟隨晶體管52的源極相連。
象圖2和圖3的實施例一樣，輸出級51用作帶負電流反饋的單位增益緩沖電路。
工作時，反饋電路53監(jiān)視源極跟隨晶體管52的漏極電流，并提供一反饋電流以控制流過P溝道晶體管68的電流，從而使漏極電流相對變化的負載電流保持恒定。源極跟隨晶體管52的跨導增加到1+Ai倍，其中Ai代表反饋電路53的電流增益。Ai通常為100左右，可由共陰共柵(cascoding)的N溝道晶體管60進一步提高。與圖2和圖3中所示實施例一樣，輸出級51不采用米勒補償進行穩(wěn)定，從而避免不希望的電源增益，同時仍保持良好的電流驅(qū)動能力和低靜態(tài)功耗。電容器62提供輸出級51的主極點而沒有影響電源抑制性能。
工作時，電流源57提供恒定的電流源。電流鏡56接收源極跟隨晶體管52的漏極電流并在電流源57的第二端提供一與源極跟隨晶體管52的漏極電流成比例的電流。由于電流源57提供的電流相對恒定，N溝道晶體管64的柵極電壓與源極跟晶體管52漏極電流的變化成比例。同樣地，電流鏡55接收N溝道晶體管64的電流，并反映P溝道晶體管68的電流。如果源極跟隨晶體管52中的電流由于負載電流的增加而減小，反饋電路53就給源極跟隨晶體管52的源極提供更多的電流。如果源極跟隨晶體管52中的電流由于負載電流的減小而增加，反饋電路53便向源極跟隨晶體管52的源極提供較少的電流。源極跟隨晶體管52的柵源電壓保持相對恒定。輸出級51能夠產(chǎn)生比先有技術(shù)的輸出級21更大的負載電流，這是以輸出級51的輸出電壓幅度在Vss方向有所減小為代價的。與輸出級23和36相比，輸出級51能夠吸收大得多的負載電流。放大器50在需要低頻時高增益、高精度的應用中很有用。
圖5用原理圖的形式說明根據(jù)本發(fā)明再一實施例所述的AB類放大器70。AB類放大器70包括放大器21、電容器22和輸出級72。輸出級72包括源極跟隨晶體管74和反饋電路76。反饋電路76包括電流鏡77、電流源80、N溝道晶體管84和86、以及電流鏡87。電流鏡77包括N溝道晶體管78和82，電流鏡87包括P溝道晶體管88和90。N溝道晶體管84和86構(gòu)成電流鏡79。
源極跟隨晶體管74具有與提供標以“VouT4”的輸出信號的輸出級72的輸出端相連的源極、與放大器21的輸出端相連的柵極、和一個漏極。N溝道晶體管78的柵極和漏極與源極跟隨晶體管74的漏極相連，源極與Vss相連。電流源80具有與VDD相連的第一端和一第二端。N溝道晶體管82的漏極與電流源80的第二端相連，柵極與N溝道晶體管78的柵極相連，源極與Vss相連。N溝道晶體管的漏極和柵極都與N溝道晶體管82的漏極相連，源極與Vss相連。N溝道晶體管86有一漏極，一與N溝道晶體管82的漏極相連的柵極，和一與Vss相連的源極。P溝道晶體管88的源極與VDD相連，柵極和漏極都與N溝道晶體管86的漏極相連。P溝道晶體管90的源極與VDD相連，柵極與P溝道晶體管88的柵極相連，漏極與源極跟隨晶體管74的源極相連。
除了電容62(圖4)被接為二極管的晶體管84(圖5)代替以外，輸出級72與圖4的輸出級51相似。輸出級72的工作與輸出級51的相似。電流源80提供一恒定的電流源。電流鏡77接收源極跟隨晶體管74漏極處的電流，并在電流源80的第二端提供與源極跟隨晶體管74的漏極電流成比例的電流。由于電流源80所提供的電流相對恒定，N溝道晶體管86的柵電壓便與源極跟隨晶體管74漏電流的變化成比例。相似地，電流鏡87從N溝道晶體管86接收電流并反映P溝道晶體管90中的電流。如果源極跟隨晶體管74中的電流由于負載電流增大而減小，反饋電路76就提供更多的電流給源極跟隨晶體管74的源極。如果源極跟隨晶體管74中的電流由于負載電流的減上而增大，反饋電路76就會提供給源極跟隨晶體管74較少的電流。
與輸出級51不同的是，輸出級72的主極點被置于輸出級72的輸出端，是與輸出級72輸出端相連的輸出阻抗的函數(shù)。與輸出級51(圖4)相比，輸出級72能夠驅(qū)動更大的容性負載。此外，其以減小電流反饋增益Ai和電流驅(qū)動能力為代價，改善了輸出級72的帶寬。
當比較所說明的本發(fā)明實施例時，有各種作用和限制要考慮。與圖2和圖3的實施例相比，圖4和圖5的實施例是AB類放大器，因而能夠吸收大得多的電流。圖4和圖5所示的實施例略微減小了Vss方向的電壓幅度，因為源極跟隨晶體管24(圖4)和源極跟隨晶體管37(圖5)的漏極電壓由Vss下降一個二極管壓降。注意，圖2和圖3的實施例具有更好的頻率響應，可以做得能以比圖4和圖5的實施例更寬的帶寬工作。然而，與圖3的實施例相比，圖5的實施例由于有三個電流鏡而具有更高的反饋電流增益。
當以最佳實施例的角度描述本發(fā)明時，本領(lǐng)域的那些技術(shù)人員會清楚地知道本發(fā)明可按大量方式進行修改，并可設想出許多與前面具體說明和描述的實施例不同的實施例。如，顯而易見，上述的任何實施例都可用差分輸出實現(xiàn)。在一全差分放大器結(jié)構(gòu)中，與耦合到輸出信號的電源噪聲有關(guān)的問題減少了，因為借助電路的差分性質(zhì)使噪聲得到了抑制。然而，由于大差分信號引起輸出端不匹配以及輸出阻抗不匹配，所以差分放大器中。電源電壓抑制比可能仍是一個問題。因此，也可將本發(fā)明用于這種應用以減小電源噪聲。于是，所附權(quán)利要求
覆蓋在本發(fā)明的實質(zhì)精神和范圍內(nèi)的所有變化。
權(quán)利要求
1.具有高電源抑制性能反饋的CMOS放大器，其特征為放大級，其具有第一和第二輸入端及一輸出端；穩(wěn)定電容器，其第一板電極與放大級的輸出端耦合，第二板電極與模擬接地端耦合；源極跟隨晶體管，其具有接收輸入信號的柵極、提供輸出信號的源極和一有漏極電流漏極；負反饋電路，其耦合在源極跟隨晶體管的源極和漏極之間，其用來檢測由負載電流變化引起的源極跟隨晶體管漏極電流的變化，并根據(jù)檢測的漏極電流的變化，提供負電流反饋給源極跟隨晶體管的源極以限制漏極電流的變化。
2.權(quán)利要求
1所述放大器，其中反饋電路的特征為電流源給源極跟隨晶體管的源極提供其變化與源極跟隨晶體管漏極電流的變化成反比的電流。
3.權(quán)利要求
1所述的放大器，其中反饋電路的特征為電流源，其與源極跟隨晶體管的漏極耦合，用來提供相對恒定的電流源；N溝道晶體管，其具有與源極跟隨晶體管的漏極耦合的源極、用于接收偏置電壓的柵極和一漏極；電流鏡，其與N溝道晶體管的漏極和源極跟隨晶體管的源極耦合，用來提供與漏極電流變化成反比的電流給源極跟隨晶體管的源極。
4.權(quán)利要求
1所述放大器，其中反饋電路的特征為第一電流鏡，其與源極跟隨晶體管的漏極耦合，用以提供與漏極電流成比例的第一電流；N溝道晶體管，其柵極與第一電流鏡耦合以接收與第一電流成比例的基準電壓，該N溝道晶體管提供與基準電壓成比例的第二電流；第二電流鏡用來接收第二電流，并相應地為源極跟隨晶體管提供反比于第二電流的第三電流。
專利摘要
AB類放大器包括放大器、電容器和輸出級。輸出級包括源極跟隨晶體管和反饋電路。源極跟隨晶體管接收放大器的模擬信號并提供相應的輸出信號給負載。反饋電路提供電流反饋以保持源極跟隨晶體管中漏極電流的相對恒定。具有反饋電路的AB類放大器以低靜態(tài)功耗，高電源電壓抑制性能、高電壓增益和穩(wěn)定的工作保證大電流驅(qū)動能力，卻沒有使用米勒補償電容器。
文檔編號H03F1/30GKCN1055810SQ94114817
公開日2000年8月23日 申請日期1994年7月25日
發(fā)明者托德·L·布魯克斯 申請人:摩托羅拉公司導出引文BiBTeX, EndNote, RefMan專利引用 (3),