專利名稱：用于運算放大器頻率補償?shù)难b置和方法
技術領域：
本發(fā)明一般地涉及運算放大器，更具體地，是涉及對一個運算放大器進行頻率補償?shù)难b置和方法。


圖1用例子說明了一個常規(guī)的運算放大器100(以后稱為“放大器”)和負載110的方框圖。放大器100是一個基本的模擬標準部件，可用于多種模擬信號處理應用。舉幾個例子說，這些應用包括有源濾波，信號放大，和電壓調(diào)整。
圖1的放大器100通常包括一個跨導級101，一個補償網(wǎng)絡102和一個輸出驅(qū)動器103。圖1還示出一個輸出負載110。
放大器100的框圖的內(nèi)部連接和工作說明如下。跨導級101用來接收輸入信號105和輸入信號106并在線路107上產(chǎn)生一個已放大的信號。補償網(wǎng)絡102對線路107上已放大的信號進行頻率補償。補償網(wǎng)絡102可選擇性地連接來接收線路109上的輸出信號。輸出驅(qū)動器103用來接收已放大的信號107，并產(chǎn)生輸出信號108來驅(qū)動輸出負載110。
放大器100的工作說明如下。輸入105和輸入106間的差分輸入信號在跨導級101中得到放大，并被變換為線路107上的電流信號。通過利用在線路107上提供的阻抗將電流信號變換為電壓信號，補償網(wǎng)絡102對于線路107上已放大的電流提供頻率補償。輸出驅(qū)動器103對線路107上已放大的信號提供電壓和/或電流增益，并產(chǎn)生跨接在負載110上的輸出信號108。負載110有一個復數(shù)及有與它相連系的實數(shù)阻抗。
放大器可構成開環(huán)或閉環(huán)。放大器具有由放大器的輸入和輸出間的關系所定義的增益。增益有與頻率有關的幅度和相位。在閉環(huán)結(jié)構中為了使放大器處于無條件的穩(wěn)定狀態(tài)，在開環(huán)相位超過180°之前，在相應頻率開環(huán)增益的幅度必須降到1以下。相位余量定義為180°減去某一頻率的開環(huán)相位，在此頻率開環(huán)增益幅度降至1以下。通常認為45°的相位余量是適宜的。但我們通常希望在負載阻抗的寬廣范圍內(nèi)相位余量至少是45°。
常規(guī)放大器100的一個問題是輸出驅(qū)動器103實際上可能是一個和大輸入電容相連系的大型器件。大的輸入電容與補償網(wǎng)絡102相并聯(lián)，因而能嚴重地影響它所要求的頻率補償特性。
常規(guī)放大器100的另一個問題是在某些應用中，例如在電壓調(diào)節(jié)器中，與輸出負載相連系的復數(shù)阻抗可能是很重要的。這個復數(shù)阻抗對于開環(huán)增益可能會增加附加相移因而惡化放大器的相位余量。如果補償網(wǎng)絡102的性能由于輸出驅(qū)動器的輸入電容引起嚴重的變化，那么為了保證穩(wěn)定工作所必須的足夠的相位余量，可接受的負載阻抗值的范圍可能必須嚴格地限制。
解決這些問題的一個辦法包含通過減小它的單位開環(huán)增益頻率來減小放大器的帶寬。然而，這種解決辦法的缺點是由于減小了帶寬使放大器100不能放大高頻信號。而且，減小帶寬實際上可能要求大的元件例如大的電容器。更進一步，放大器100對高頻噪音是敏感的，這個噪音是與電源或放大器接地有關的。
因而，需要一種對于運算放大器進行頻率補償?shù)难b置和方法，它對于復數(shù)的低阻抗負載能有利地提供更寬的帶寬和改善的穩(wěn)定性。
圖1說明帶有一個負載的常規(guī)運算放大器的方框圖。
圖2說明一個運算放大器的方框圖，它帶有依照本發(fā)明的互阻抗電路。
圖3說明依照本發(fā)明另一實施例的互阻抗電路的方框圖。
圖4說明一個電壓調(diào)整器的方框圖，它包括依照本發(fā)明的圖2運算放大器。
圖5說明一流程圖，它說明依照本發(fā)明的圖2運算放大器200和圖4電壓調(diào)整器400進行頻率補償?shù)牟襟E。
圖6說明依照本發(fā)明圖2的運算放大器200的原理圖。
依照本發(fā)明，利用對運算放大器進行頻率補償?shù)母倪M裝置和方法，實際上就能滿足上述的要求。依照本發(fā)明，互阻抗電路接有一個輸入端用來接收已放大的信號，還有一個工作的輸出端來產(chǎn)生一個已緩沖放大的信號?；プ杩闺娐返囊粋€輸入端在頻率實際上接近運算放大器的開環(huán)單位增益頻率處，為已放大的信號提供一個電阻性輸入阻抗。已放大的信號與輸出驅(qū)動器輸入端的復數(shù)阻抗相隔離。本發(fā)明對于具有低復數(shù)阻抗的負載能有利地提供寬的帶寬和穩(wěn)定的工作。
參考圖2—5，能夠更充分地說明本發(fā)明，其中圖2說明運算放大器200的方框圖，它具有依據(jù)本發(fā)明的互阻抗電路。運算放大器200通常包含一個跨導級101，一個互阻抗電路201，和一個輸出驅(qū)動級103。明顯地，跨導級101和輸出驅(qū)動器103通常是本領域熟知的，所以除非為了幫助對本發(fā)明的理解，將不再進行討論。依據(jù)本發(fā)明，互阻抗電路201以及它與運算放大器200的工作被認為是新技術，因而將參考圖2—5在下面詳細地說明和解釋。
例如，使用signetics公司NE5517雙運算跨導放大器的一個單級，就可以實現(xiàn)跨導級101。使用一個P溝道金屬氧化半導體場效應晶體管(P溝道MOSFET)，就可以實現(xiàn)輸出驅(qū)動器103。
運算放大器200驅(qū)動負載110，負載110具有一個復數(shù)阻抗，其數(shù)是從很寬的數(shù)值范圍中選出的。有復數(shù)阻抗的負載不是純電阻性的，而通常是代之以容性或感性元件。在優(yōu)選的實施例中，負載是一個并聯(lián)的電容性元件。
運算放大器200有一個開環(huán)單位增益頻率。開環(huán)單位增益頻率定義為當運放工作在開環(huán)配置時，運算放大器200的增益降為1時的頻率。開環(huán)配置意味著沒有反饋。
跨導級101接有輸入端105和106來接收輸入信號，還有一個工作的輸出端205用來產(chǎn)生已放大的信號。另一方面，比如，端205可是一個雙端的差分信號而并不改變本發(fā)明的運用。更進一步，運算放大器200中的所有信號都可能是雙端信號?？鐚Ъ?01是這樣一種電路，在它的輸出端205，它產(chǎn)生一個電流通常是和輸入端105和106上的電壓成線性關系。跨導級101的增益是它輸出端205上的電流與輸入端105和106上的電壓之比。
互阻抗電路201接有一個輸入端205來接收已放大的信號，還有一個工作的輸出端206來產(chǎn)生一個已緩沖放大的信號?；プ杩闺娐?01的輸入端205在頻率實際上接近運算放大器200的開環(huán)單位增益頻率處，給已放大信號提供一個電阻性的輸入阻抗?；プ杩闺娐?01在輸入端205接收一個電流，而在輸出端206產(chǎn)生一個輸出電壓。在頻率實際上接近運算放大器200的開環(huán)單位增益頻率時，給已放大信號提供一個電阻性輸入阻抗的目的就是在輸入端205消除負相移，它會減少在接近單位增益頻率時的相位含量。
輸出驅(qū)動器103接有一個具有復阻抗的輸出端206，它用來接收已緩沖放大的信號，還有一個工作的輸出端108，用來產(chǎn)生一個輸出信號來驅(qū)動負載110。在一端205的已放大信號與輸出驅(qū)動器103的輸入端206的復阻抗相隔離。在優(yōu)選的實施例中，輸出驅(qū)動器103是一個PMOS FET，并有一個包含大的并聯(lián)輸入電容的復數(shù)輸入阻抗。在一端205上的已放大信號與輸出驅(qū)動器203的大輸入電容相隔離，這就說明已放大信號不再被輸出驅(qū)動器103的大輸入電容所負載。
互組抗電路201通常包含一個補償網(wǎng)絡202和一個緩沖放大器203。很明顯，補償網(wǎng)絡202和緩沖放大器203通常是本領域熟知的，所以除非為了幫助對本發(fā)明的理解，將不再進行討論。依據(jù)本發(fā)明，補償網(wǎng)絡202和緩沖放大器203的組合以及它們在運算放大器200中的應用被認為是新技術，因而將參考圖2—5在下面詳細地說明和解釋。
例如，依照已知的設計技術，使用電阻207和電容208，實現(xiàn)補償網(wǎng)絡202。使用一個運算放大器，比如Motorola公司的Mc1741可以實現(xiàn)緩沖放大器203。
依照圖2所示的本發(fā)明的優(yōu)選實施例，緩沖放大器203接有互阻抗電路201的輸入端205來接收已放大信號，還有工作的互阻抗電路201的輸出端206來產(chǎn)生已緩沖放大的信號。補償網(wǎng)絡202接有互阻抗電路201的輸入端來接收已放大的信號205，并用來對已放大的信號205進行頻率補償。已放大信號205的頻率補償指的是在放大器100的整個開環(huán)增益內(nèi)改進已放大信號205的幅度和相位與頻率的關系，以產(chǎn)生一個所期望的幅度和相位與頻率的關系。所期望的開環(huán)增益有一個相位含量，通常至少為45°。
圖3說明了依據(jù)本發(fā)明的另一個實施例的一個互阻抗電路201的框圖。依據(jù)另一個實施例，互阻抗電路201通常包含一個反饋放大器301和補償網(wǎng)絡202。很明顯，反饋放大器301和補償網(wǎng)絡202通常是本領域熟知的，所以除非為了幫助對本發(fā)明的理解，將不再討論。根據(jù)本發(fā)明的另一個實施例，反饋放大器301和補償網(wǎng)絡202的組合以及它們在圖2的運算放大器200中的應用被認為是新技術，因而將參考圖3—5在下面詳細地說明和解釋。
舉例說，反饋放大器301可使用一個運算放大器，比如Mo-torola公司的MC1741實現(xiàn)。
反饋放大器301有與一個互阻抗電路201的輸入端205來接收已放大信號，還有互阻抗電路201的輸出端206工作的產(chǎn)生已緩沖放大的信號。反饋結(jié)構是用來將一個放大器的輸出耦合到它輸入的方法。反饋結(jié)構的優(yōu)點是它產(chǎn)生低輸出阻抗。
補償網(wǎng)絡202連接在互阻抗網(wǎng)絡201的輸入端205和互阻抗電路201的輸出端206之間，它對應于輸出端206的已緩沖放大的信號，對輸入端205的已放大的信號進行頻率補償。補償網(wǎng)絡202位于反饋放大器301的反饋通路中，用來提供一個電流到電壓的變換功能。反饋放大器301的輸入用作一個虛擬地以使它的輸入端沒有電壓。沒有電流流入反饋放大器301的輸入。全部電流流入補償網(wǎng)絡202。由于反饋作用，反饋放大器301的輸出有一個低阻抗。
圖4說明電壓調(diào)節(jié)器400的框圖，它包括依據(jù)本發(fā)明的圖2的運算放大器200，電壓調(diào)節(jié)器400通常包括運算放大器200和一個反饋電路402。反饋電路402通常是本領域熟知的，所以除非為了幫助對本發(fā)明的理解，就不再討論。反饋電路例如可用熟知的電阻實現(xiàn)。
運算放大器200連接成在端子105來接收來自電壓參考信號源401的輸入信號，并用來在端子108工作地產(chǎn)生一個具有已調(diào)整電壓的輸出信號來驅(qū)動負載110。反饋電路402連接在運算放大器200的輸入端106和運算放大器200的輸出端108之間。
在電壓調(diào)節(jié)器400中使用運算放大器200的優(yōu)點就是因為改善了電源抑制，改善了對復數(shù)的低阻抗負載的穩(wěn)定性，所以電壓調(diào)節(jié)器400得到了更寬的帶寬。
圖5是一流程圖，它說明對圖2的運算放大器200和圖4的電壓調(diào)節(jié)器400進行頻率補償?shù)牟襟E。概括地，步驟501—506說明圖4的電壓調(diào)節(jié)器400的工作。通常，步驟502—505說明圖2的運算放大器的工作。步驟503和504說明對圖2的運算放大器200進行頻率補償?shù)姆椒ā?br> 流程圖從步驟500開始。
在步驟502，來自電壓參考信號源401的輸入信號105得到放大并產(chǎn)生一個已放大的信號205。
在步驟503，已放大的信號205得到頻率補償。在接近運算放大器200的單位增益頻率處，頻率補償對已放大信號205提供一個電阻性輸入阻抗。
在步驟504，已放大的信號205被隔離，并在復數(shù)阻抗兩端產(chǎn)生一個已緩沖放大的信號。
在步驟505，對應于已緩沖放大的信號206，產(chǎn)生一個具有已調(diào)整電壓的輸出信號108來驅(qū)動負載110。
在步驟506，輸出信號108耦合到輸入信號106。
流程圖在步驟507結(jié)束。
圖6說明依據(jù)本發(fā)明的圖2運算放大器200的原理圖?？鐚Ъ?01，互阻抗電路201，輸出驅(qū)動器103，緩沖放大器203以及頻率補償網(wǎng)絡202都畫在虛線之中，并和圖2中單元的標號相對應。示于圖6的運算放大器200的原理圖是使用常規(guī)元件實現(xiàn)，這些常規(guī)元件使用雙極型器件，金屬氧化半導體場效應晶體管(MOSFET)，電容器，電阻和電流源等。該電流源也是使用雙極型器件和MOSFET器件來實現(xiàn)的。然而，為了簡化起見，示于圖6中的電流源是理想化的。
這樣，本發(fā)明有利地提供了一種對運算放大器200進行頻率補償?shù)难b置和方法。依據(jù)本發(fā)明，互阻抗電路至少接有一個輸入端來接收至少一個已放大的信號，還至少有一個輸出端來產(chǎn)生至少一個已緩沖放大的信號。互阻抗電路的至少一個輸入端給至少一個已放大信號提供一個電阻性的輸入阻抗，至少一個已放大的信號實際上有一個接近運算放大器的開環(huán)單位增益頻率的頻率。至少一個已放大的信號與輸出驅(qū)動器的至少一個輸入端的復數(shù)阻抗相隔。本發(fā)明對于具有低復數(shù)阻抗的負載有利地提供寬的帶寬和穩(wěn)定的工作。利用本發(fā)明，現(xiàn)有技術對于低復數(shù)阻抗負載所引起的低帶寬和不穩(wěn)定工作的問題實際上得到了解決。
雖然參考圖解的實施例說明了本發(fā)明，但本發(fā)明不希望被限制在這些具體的實施例中。熟悉本領域的人員將會認識到，如在附加的權利要求書中所說明的那樣，在不偏離本發(fā)明的精神和范圍的條件下，可以進行更改和修正。
權利要求
1.在驅(qū)動一個復數(shù)阻抗負載的運算放大器中，其中復阻抗負載是從很寬的數(shù)值范圍中選出的，其中，運算放大器有一個開環(huán)單位增益頻率，其中跨導級至少有一個輸入端來接收至少一個輸入信號，還至少有一個輸出端工作的產(chǎn)生至少一個已放大的信號，其中輸出驅(qū)動器至少接有一個輸入端來接收至少一個已緩沖的放大信號，還至少有一個輸出端工作的產(chǎn)生一個輸出信號來驅(qū)動負載，用于運算放大器頻率補償?shù)难b置包括一個互阻抗電路，它至少接有一個輸入端來接收至少一個已放大的信號，還至少有一個輸出端工作地產(chǎn)生至少一個已緩沖的放大信號，其中互阻抗電路有一個傳遞函數(shù)，它用至少一個已緩沖放大的信號的電壓除以至少一個已放大的電流來表示，并且在頻率實際上接近開環(huán)單位增益頻率時，傳遞函數(shù)有一零點，在那里，至少一個已放大的信號與輸出驅(qū)動器的至少一個輸入端的復數(shù)阻抗相隔離。
2.根據(jù)權利要求1的裝置，其中互阻抗電路還包括一個緩沖放大器，它接有互阻抗電路的至少一個輸入端來接收至少一個已放大的信號，還有互阻抗電路的至少一個輸出端工作的產(chǎn)生至少一個已緩沖放大的信號；以及一個補償網(wǎng)絡，它接有互阻抗電路的至少一個輸入端來接收至少一個已放大的信號，并對至少一個已放大的信號進行頻率補償。
3.根據(jù)權利要求2的裝置，那里補償網(wǎng)絡還包括至少一個電阻；以及至少一個電容，以串聯(lián)形式連接到至少一個電阻。
4.根據(jù)權利要求1的裝置，其中互阻抗電路還包括一個反饋放大器，它接有互阻抗電路的至少一個輸入端來接收至少一個已放大的信號，還有互阻抗電路的至少一個輸出端工作的產(chǎn)生至少一個已緩沖的放大信號；以及一個補償網(wǎng)絡，它連接在互阻抗電路的至少一個輸入端和互阻抗電路的至少一個輸出端之間，并對應于至少一個已緩沖的放大信號來對至少一個已放大的信號進行頻率補償。
5.根據(jù)權利要求4的裝置，其中補償網(wǎng)絡還包括至少一個電阻；以及至少一個電容，以串聯(lián)的形式連接到至少一個電阻。
6.在驅(qū)動一個復數(shù)阻抗負載的運算放大器中，該復數(shù)阻抗負載的值是從很寬的數(shù)值范圍中選出的，其中運算放大器有一個開環(huán)單位增益頻率，其中至少一個輸入信號得到放大來產(chǎn)生至少一個已放大的信號，其中對應于至少一個已緩沖的放大信號產(chǎn)生一個輸出信號來驅(qū)動負載，用于運算放大器頻率補償?shù)姆椒ò韵虏襟E對至少一個已放大的信號進行頻率補償；和對至少一個已放大的信號進行緩沖來產(chǎn)生至少一個已緩沖的放大信號；以及其中進行頻率補償和緩沖的步驟產(chǎn)生一個傳遞函數(shù)，它用至少一個緩沖的已放大信號的電壓除以至少一個已放大信號的電流來表示，其中在頻率實際上接近開環(huán)單位增益頻率時，傳遞函數(shù)有一零點。
全文摘要
一個互阻抗電路(201)和對運算放大器進行頻率補償?shù)姆椒??；プ杩闺娐方佑幸粋€輸入端來接收已放大的信號，還有一個工作的輸出端來產(chǎn)生已緩沖放大的信號?；プ杩闺娐返妮斎攵嗽陬l率實際上接近運算放大器的開環(huán)單位增益頻率處，對已放大的信號提供一個電阻性的輸入阻抗。已放大的信號與輸出驅(qū)動器的一個輸入端的復數(shù)阻抗相隔離。本發(fā)明對于有低復數(shù)阻抗的負載能有利地提供寬的帶寬和穩(wěn)定的工作。
文檔編號H03F1/08GK1116463SQ94190896
公開日1996年2月7日 申請日期1994年10月11日 優(yōu)先權日1993年11月9日
發(fā)明者史蒂文·弗雷德里克·吉利格 申請人:摩托羅拉公司