专利名称：整合运算放大器与补偿整合运算放大器的方法
技术领域：
本发明是关于一种运算放大器，特别是关于一种具有主动RC滤波器的运 算放大器。
背景技术：
在集成电路上实现低频滤波器的一个常用的方式就是使用具有回授网络 (feedback network)的运算放大器，其中回授网络是由电阻与电容所组成。 这些型式的滤波器通常被认为是主动RC滤波器。在理想状态下，滤波器的响 应只会与电阻值与电容值有关，而且运算放大器的增益足够大，与滤波器的 运算频率无关，且在滤波器的频率响应上会有一个无关紧要的影响。
相比之下，要使运算放大器拥有足够大的增益值以及足够大的频宽，使 得滤波器的频率响应上具有一个无关紧要的影响，这是比较容易的。而这种 无关紧要的影响一般都是在于功率消耗的费用上。功率消耗也会造成过量的 热能产生，而且在以电池供电的手持式装置上，如移动电话，过大的电流消 耗会降低到下次充电时的可使用的时间。当单位增益频宽(unity gain bandwidth)下降，会导致实际的频率响应比理想的频率响应发生更多的突波 (peak)以及涟波(ripple)。
发明内容
本发明的一个目的为提供一种整合运算放大器(integrated amplifier),包 过一第一增益级(gain stage),具有一补偿电容，用以驱动一输出级，该输出 级为一RC负载，且该第一增益级的一互导值(transconductance)与该RC负载中的电阻的电阻值成反向变化，该补偿电容的电容值与该RC负载中的电容
的电容值成等比例变化。
本发明的另一个目的为提供一种用以补偿一整合运算放大器的方法，用 以抵抗工艺与温度变化，如此所述运算放大器被可适用于一主动滤波器，所
述方法包括提供所述运算放大器，所述运算放大器包括一第一级与一输出 级，其中所述输出级驱动一RC负载，且包括一补偿电容，所述补偿电容位于
所述第一级的一输出端，所述补偿电容的电容值与所述RC负载中的电容的电 容值成正比，且所述第一级的一互导值为所述RC负载中的电阻的电阻值的函数。 因此便可以提供一个运算放大器，且该运算放大器的单位增益频宽可以 被降低且不会从一个所希望的滤波器的频率响应上产生显著的误差。滤波器 的效能可以因而被改善，通过控制单位增益频宽至接近一个常数值，或是至 少可以追踪其他元件的变化。因此，便可显著的降低运算放大器消耗的电流。 运算放大器的特征通常在于在什么频率时，增益值会变为1 (unity)也就 是所谓的单位增益频宽。运算放大器的单位增益频宽通常会根据晶体管与其 他用以设计该运算放大器的元件的特征而变化。就其本身而言，单位增益频 宽会因为温度以及工艺的变化而有所变化。 一个主动RC滤波器的RC元件值 可以被修改，用以补偿放大器在频率响应的单位增益值的有限值(finite value)。然而这样的补偿技术的假设前提是单位增益值与RC元件值是常数， 或是可以互相被追踪。但在巨大集成电路(monolithic integrated circuits)内都 不是主要问题。通常在集成电路制造时的工艺变化可能会导致最后在不同批 (batch)元件之间的元件值有10~30%的差异。此外，在一个集成电路内的元 件值通常会受到温度的影响，且RC元件对温度的依赖程度以及单位增益值对 温度的依赖程度逋常是完全不同的。这也造成定义具有足够精确度的RC滤波 器元件的元件值来补偿运算放大器降低的单位增益值变得更为困难。
本发明避免了上述问题，因为发明人了解到集成电路内相近元件之间的 匹配可以降低运算放大器的单位增益频宽，因为补偿电容的电容值可以被设计为追踪负载电容的变化，而且第一增益级的互导值的变化可以被用来补偿
负载上电阻值的变化，如此一来，放大器的单位增益频宽便可追踪由RC元件
所组成的滤波器的频宽。在滤波器响应的被降低的运算放大器单位增益频宽 的影响可以通过调整滤波器的电阻且域滤波器的电容的大小来得到补偿，这 也使得运算放大器的电流需求可以被显著的降低，对于延长以电池为供电的 装置的使用时间是非常有帮助的。
图1为一集成电路中的一双二阶滤波器的一实施例的示意图。
图2为一双级(twostage)的运算放大器的电路示意图。 图3是互导值与漏极电流变化曲线示意图。 图4为一电流镜的电路图。 附图标号-
rO 第一运算放大器；12 第二运算放大器；14~第一电阻;16~电容；18~ 电阻；20 电容；22 反相放大器；30 输入级；31 第一P型晶体管；32~第二
P型晶体管；34 电流源；36 主动负载；38 主动负载；40~输出级；50-N型 晶体管；52~电流源；54 输出端节点；80~晶体管；82 晶体管；84~晶体管； 86 晶体管；88 电阻；90 正向电源分配导轨；95~电容；100 晶体管；102~ 晶体管；U0 晶体管；
具体实施例方式
图1为一集成电路中的一双二阶滤波器(biquadratic filter,简称bi-quad filter)的一实施例的示意图。在本实施例中，滤波器的设计不需要非常精准。 但是，要注意的是滤波器元件被选择是一单位电容大小与一单位电阻大小的 整数倍，如此一来滤波器响应即使工艺的变化与温度的改变之下也可以保持 固定常数，滤波器响应为用以实现该滤波器的单位电容值(unit capacitance)与单位电阻值(unitresistance)的函数。
由图上可以发现第一运算放大器10与第二运算放大器12的反相输入端 耦接于地，因此第一运算放大器10与第二运算放大器12的反相输入端的动 作为虚接地(virtual earth)。因此可以发现，从第一运算放大器10的输出端来 看，第一运算放大器10有效的通过第一电阻14接地。且因为第一电阻14与 电容16的其中一端都耦接到虚接地，因此第一电阻14有效的并联电容16。 同理，从第二运算放大器12的输出端来看，可以看到输出端包含了一个并联 的电阻18与电容20，而且都同样的耦接到虚接地，也就是第二运算放大器 12的反相输入端。这样的表示方式会在说明书后面会使用到。要注意的是， 在如图l的双二阶电路中， 一个反相放大器22是被使用的。当第一运算放大 器io与第二运算放大器12被当成是差动输出运算放大器时，反相放大器22 是可以被忽略的，这是因为由反相放大器22跨接(cross coupling)第二运算 放大器12的输出端的原因。
图2为一双级(two stage)的运算放大器的电路示意图。运算放大器包括 一输入级30，包括第一P型晶体管31与第二P型晶体管32，耦接一长尾对 结构(long tail pair configuration)。第一 P型晶体管31与第二 P型晶体管32 接收来自可控制电流源34的一偏压电流。
第一 P型晶体管31与第二 P型晶体管32的漏极通过一负载接地，其中 该负载可能为一电阻，但较佳为一主动负载36与38，分别耦接第一 P型晶体 管31与第二P型晶体管32。
一般来说，对晶体管31与32形成的差动结构来说，会有一输出级40耦 接在每一晶体管31与32的漏极与对应的主动负载之间。为了简单说明，在 本实施例中，仅以晶体管32的输出级说明，而且本领域技术人员当可轻易了 解类似的结构也可以耦接于晶体管31。输出级40包括一N型晶体管50，用 以接收来自电流源52的电流。晶体管50的连接方式为将其漏极接收来自电 流源52的电流，晶体管50亦耦接到运算放大器的输出端节点54，其中放大器包括一个负载，包括并联的一电阻与一电容。为了提高稳定性，因此采用
一补偿电容Cc，耦接在第二放大器的输入级30。补偿电容Cc的一端可以直 接接地，但是通常会采用米勒效应(Miller effect)的优点来减少补偿电容Cc 的实体大小，也因此补偿电容Cc的两端分别耦接在晶体管50的栅极与漏极。
本发明也注意到运算放大器的单位增益频宽，在传统的设计之下可能会 被降低。传统的设计是针对在滤波器响应的有限运算放大器单位频宽最显著 的那一点。但是有一些手段已经被试图使用来使得运算放大器的单位增益频 宽大致上在温度与工艺的影响下保持不变，因此在滤波器响应的被降低的运 算放大器单位增益频宽的影响可以通过调整滤波器的电阻且/或滤波器的电容 的大小来得到补偿。这也使得运算放大器的电流需求(currentdrawn)可以被 显著的降低，这对于延长以电池为供电的装置的使用时间是非常有帮助的。
可以知道运算放大器的单位增益频宽(DO是与第一增益级的互导值 (transconductance) gml成比例，第一增益级的互导值是由补偿电容的电容 值Cc中分离出来的(divided)。
我们也了解到，我们想要调整滤波器的特征，在经过调整后，负载的RC 乘积值是为常数。在前面提到，电阻的电阻值与电容的电容值必须是一个单 位值(unityvalue)的整数倍，假设电阻的电阻值与电容的电容值的单位值分 别是C0与R0，因此负载的，电阻的电阻值与电容的电容值分别为mC0与nR0。 因此，我们可以得到下列两个方程式
式l
m * C0 * " *及0 = 式2
其中o)o是运算放大器的单位增益频宽，gml是第一增益级的互导值，Cc 是补偿电容的电容值，al为一常数，ox)是RC滤波器的特征频宽，C0是电容 的单位电容值，RO是电阻的单位电阻值，m与n为系数。
由上文可得知，单位增益频宽可以维持与特征调整频宽(characteristic
8tuned bandwidth)成一定比例，其中特征调整频宽是与RC元件的值有关，而 且会因此受到工艺的变化而有变化。 一般来说调整滤波器的方式通常是调整 电阻值、电容值或两者一起。如果gml是与单位电阻的电阻值成反向比例且 补偿电容的电容值是与单位电容的电容值成正比，单位增益频宽可以维持为 常数。
要使得补偿电容的电容值与单位电容的电容值成正比，是相对比较简单， 因为工艺的变化会相同地影响这些电容。因此，假设
g4 式3 Cc = or3*C0 式4
通过式1到式4，可以得到
cr， 1 or'fl^fl), c fy0=ai*~2>*-= 1 2 1 式5
常数al是运算放大器设计的一个函数。对一第一阶近似值(first order approximation)来说，是与输出级40的电压增益成比例的。然而，我们可以 控制常数a2与a3。追踪工艺与温度变化的匹配(matching)与敏感度 (sensitivity)并加以考虑，可以知道常数a2与a3较佳为整数。
为了变化第一级的互导值，必须要调整输入到第一级的偏压电流值。图3 是互导值与漏极电流变化曲线示意图。可以看得出来，互导值的增加与漏极 电流的增加是非线性的。必然地，如果电阻的单位电阻值RO是因为工艺或温 度变化而增加，互导值应该被通过降低输入至输入级30的偏压电流来降低。 实际上，在"The Art of Electronics", Horowitz与Hill 2nd Edition,第132页 中就有简单的概算(approximation),其结果为gm与漏极电流的平方根成变化。
图4所示的电路用以产生一电流，可用以产生如图2的电流源34产生的
电流，该电流与成丄比例。
图4所示的电路包含两个电流镜。晶体管80与晶体管82形成第一电流镜，用以确保流经电流镜的两个分支(branch)的电流相同，其中晶体管80 与晶体管84为其中一个分支，晶体管82与晶体管86为另一个分支。
晶体管84与晶体管86亦形成一电流镜，但晶体管84是严重的退化 (degenerated),因为电阻88耦接在晶体管84与正向电源分配导轨90 (power mil)。因此晶体管84的gm值大致上与电阻88的电阻值成反向变化。
因为电流镜的运作，上述的电流流经晶体管86，且也流经晶体管82，这 是因为晶体管82与晶体管86是以串联方式连接。晶体管82的栅极电压用以 提供并导通电流散布晶体管100、晶体管102与晶体管110。
通过调整电流镜中晶体管的大小，便可用来改变电路的特征。因此，如 果晶体管84的大小被设计为大于晶体管86的大小的K倍，接着对平方律 (square law)场效应晶体管，如长通道装置(long channel device)，通过晶体 管86产生的电流就会被复制在晶体管100、 102与110，如下方程式所示
其中R88为电阻88的电阻值。
为了稳定性，电容95被使用，耦接在晶体管82、晶体管100、晶体管102 与晶体管110的栅极与地电位之间。
从电流散布晶体管100、 102与110来的电流可以被提供为所知的电流镜 结构，用作电流源，如图2的电流源34。
图2的放大器是适合使用在主动滤波器中。滤波器设计者为了整合主动 滤波器，设计者必须考虑到实际与工艺变化与温度改变会造成集成电路内的 实际电阻的电阻值与电容的电容值改变，因此设计者必须找到一个平衡点。 设计者会去补偿这个改变的值，通过选择电阻的电阻值与电容的电容值为单 位电阻值与单位电容值的整数倍来达成。如此一来，滤波器的一部分内的温 度与工艺的影响就可以被逋过另一部分内的对应且匹配的温度与工艺的影响 来消除。通过延伸这个概念去包括具有一低单位增益频宽特征的一运算放大器内的影响。当制造时工艺的变化与温度的变化造成相同的电阻的电阻值与 电容的电容值改变，运算放大器的特征仍可被准确的追踪。因此滤波器的设 计者可以去产生一个主动率波器，其特征是可信赖的，而且是可以通过降低 的单位增益频宽来显著的降低所需的电流。
虽然本发明己以具体实施例揭露如上，然其仅为了易于说明本发明的技 术内容，而并非将本发明狭义地限定于该实施例，任何本领域技术人员，在 不脱离本发明的精神和范围内，当可作些许的更动与润饰，因此本发明的保 护范围当以权利要求所界定的为准。
权利要求
1.一种整合运算放大器，其特征在于，所述整合运算放大器包括一第一增益级，具有一补偿电容，用以驱动一输出级，所述输出级为一RC负载，且所述第一增益级的一互导值与所述RC负载中的电阻的电阻值成反向变化，所述补偿电容的电容值与所述RC负载中的电容的的电容值成等比例变化。
2. 如权利要求1所述的整合运算放大器，其特征在于，所述补偿电容的电 容值与所述RC负载中的电容的的电容值的变化比例是预定的。
3. 如权利要求1所述的整合运算放大器，其特征在于，所述整合运算放大 器耦接一整合RC负载。
4. 如权利要求1所述的整合运算放大器，其特征在于，所述整合运算放大 器还包括一电路，用以控制所述第一增益级的互导值。
5. 如权利要求4所述的整合运算放大器，其特征在于，所述第一增益级包 括在一长尾对结构内的一对晶体管，以及一电流源，用以提供一偏压电流至 所述长尾对结构内的所述这些晶体管，其中所述偏压电流是可控制的，因此 可以调整第一增益级的互导值。
6. 如权利要求5所述的整合运算放大器，其特征在于，所述整合运算放大 器包括一电阻，其电阻值与RC负载中的电阻的电阻值匹配，用以控制输入第 一增益级的一电流。
7.如权利要求5所述的整合运算放大器，其特征在于，所述整合运算放大 器包括一电阻，用以定义流经一电流偏压电路的电流，所述电流偏压电路被 用以设定流入第一增益级的一电流。
8. 如权利荽求1项所述的整合运算放大器，其特征在于，所述功率放大器 还连接电阻的与电容的元件，用以定义滤波器的特征。
9. 一种用以补偿一整合运算放大器的方法，用以抵抗工艺与温度变化，所 述运算放大器被可适用于一主动滤波器，其特征在于，所述方法包括提供所述运算放大器，所述运算放大器包括一第一级与一输出级，其中所述输出级驱动一RC负载，且包括一补偿电容，所述补偿电容位于所述第一 级的一输出端，所述补偿电容的电容值与所述RC负载中的电容的的电容值成 正比，且所述第一级的一互导值为所述RC负载中的电阻的电阻值的函数。
全文摘要
本发明提供一种整合运算放大器与补偿整合运算放大器的方法，用以抵抗工艺与温度变化，如此该运算放大器被可适用于一主动滤波器，该方法包括提供该运算放大器，该运算放大器包括一第一级与一输出级，其中该输出级驱动一RC负载，且包括一补偿电容，该补偿电容位于该第一级的一输出端，该补偿电容的电容值与该RC负载中的电容的电容值成正比，且该第一级的一互导值为该RC负载中的电阻的电阻值的函数。在滤波器响应的被降低的运算放大器单位增益频宽的影响可以通过调整滤波器的电阻且/或滤波器的电容的大小来得到补偿，这也使得运算放大器的电流需求可以被显著的降低，对于延长以电池为供电的装置的使用时间是非常有帮助的。
文档编号H03F3/45GK101309072SQ20081009656
公开日2008年11月19日 申请日期2008年5月16日 优先权日2007年5月18日
发明者伯纳德·坦布鲁克 申请人:联发科技股份有限公司