基于多模运算放大器的电路的制作方法
【专利摘要】本发明实施例提供一种基于多模运算放大器的电路，该电路包括运算放大器，包括输入放大级，用于放大一对输入差分信号以产生一对中间差分信号；输出放大级，用于放大该对中间差分信号以产生一对输出差分信号；以及补偿单元，包含：第一电容器，设置于该输出放大级的第一负反馈回路中；第二电容器，设置于该输出放大级的第二负反馈回路中；第三电容器，依据控制信号选择性的设置于该输出放大级的第一正反馈回路中或者与该第一电容器并联；以及第四电容器，依据该控制信号选择性的设置于该输出放大级的第二正反馈回路中或者与该第二电容器并联。本发明实施例的差模开环带宽和稳定性可以于各种操作模式下得到优化，而无需改变共模开环的稳定性。
【专利说明】基于多模运算放大器的电路
【【技术领域】】
[0001]本发明实施例是有关于一种运算放大器(0ΡΑΜΡ)，尤其是关于一种基于多模运算放大器的电路。
【【背景技术】】
[0002]运动放大器已被广泛地应用至电子设备及电气领域，例如反相放大器、积分器、以及过滤器电路等。随着在CMOS工艺中的快速缩放，近几年VLSL的电源电压得到显著的降低。作为大多数模拟系统的一个基本模块，运算放大器是必需的，从而以实现高增益、大带宽以及低电压应用。由于传统的共射-共基放大器会因为晶体管的堆积而引起增益的增加，从而由于电压摆幅过小而不适合应用于低电压设计中，因此更多的电路设计人员会了解多级放大器的重要性，该多级放大器能够通过平行地增加增益级的数目而提高整体增益。然而，所有的多级放大器均因小信号转移函数的多极点性质而存在闭环稳定性的问题，因此，许多频率补偿拓扑结构已被提出，以确保多级放大器的稳定性。一般来说，应用于传统的驱动器芯片中的运算放大器通常是一个两级放大器，它具有用于提高增益的第一级放大电路及用于驱动电容性或电阻性负载的第二级的输出电路。多级运算放大器也越来越受到欢迎。[0003]与放大器电路最相关的特性通常是增益和带宽，但是放大器的增益和带宽之间往往存在一种相反的关系。一般情况下，具有较高的增益值的放大器电路通常具有较低的带宽，而具有较低的增益值的放大器电路则通常具有较高的带宽。各种已知的补偿技术，例如米勒补偿(Miller compensation)或阿胡加补偿(Ahuja compensation),通常用于调整放大器的各极点的频率。米勒补偿采用一个反馈电容跨接在第二放大级的输入和输出之间，而阿胡加补偿则在第二放大级的反馈回路中增加一电流增益装置。
【
【发明内容】
】
[0004]本发明的目的之一在于提供一种基于多模运算放大器的电路。
[0005]根据本发明的一实施例，提供一种基于多模运算放大器的电路，包含运算放大器，该运算放大器包含:输入放大级，用于放大一对输入差分信号以产生一对中间差分信号；输出放大级，用于放大该对中间差分信号以产生一对输出差分信号；以及补偿单元；该补偿单元包含:第一电容器，设置于该输出放大级的第一负反馈回路中；第二电容器，设置于该输出放大级的第二负反馈回路中；第三电容器，依据控制信号选择性的设置于该输出放大级的第一正反馈回路中或者与该第一电容器并联；以及第四电容器，依据该控制信号选择性的设置于该输出放大级的第二正反馈回路中或者与该第二电容器并联。
[0006]根据本发明的另一实施例，提供一种基于多模运算放大器的电路，包含运算放大器，该运算放大器包含:输入放大级，用于放大一对输入差分信号以产生一对中间差分信号；输出放大级，用于放大该对中间差分信号以产生一对输出差分信号；以及补偿单元；该补偿单元进一步包含:第一可编程电容单元，耦接至该输出放大级的非反相输入端；以及第二可编程电容单元，耦接至该输出放大级的反相输入端；其中该第一可编程电容单元与第二可编程电容单元的每一个在共模模式下均提供一固定电容值，以及该第一可编程电容单元与第二可编程电容单元的每一个在差模模式下均依据一控制信号提供一可调电容值。
[0007]根据本发明的又一实施例，提供一种基于多模运算放大器的电路，包含运算放大器，该运算放大器包含:输入放大级，用于放大一对输入差分信号以产生一对中间差分信号；输出放大级，用于放大该对中间差分信号以产生一对输出差分信号；以及补偿单元；该补偿单元进一步包含:第一可编程电容单元，耦接至该输出放大级的非反相输入端；以及第二可编程电容单元，耦接至该输出放大级的反相输入端；其中该第一可编程电容单元与第二可编程电容单元的每一个在差模模式下均依据一控制信号提供一可调电容值，从而当该运算放大器的开环增益降低时，该运算放大器的开环增益的主极点频率得到增加。
[0008]本发明实施例的基于多模运算放大器的电路，能够具有一较宽的回路带宽以及较小的反馈增益，其差模开环带宽和稳定性可以于各种操作模式下得到优化，而无需改变共模开环的稳定性，从而提高了基于多模运算放大器的电路在闭环状态下的特性。
【【专利附图】
【附图说明】】
[0009]图1所示为依据本发明一实施例的两级运算放大器100的结构示意图；
[0010]图2所示为依据本发明一实施例的基于多模运算放大器的电路200的结构示意图；
[0011]图3所示为根据本 发明另一实施例的基于多模运算放大器的电路300的结构示意图；
[0012]图4所示为根据本发明再一实施例的基于多模运算放大器的电路400的结构示意图；
[0013]图5A所示为图3所示的输出放大级330在差模模式(DM)下的分析示意图；
[0014]图5B所示为图3所示的输出放大级330在共模模式(CM)下的分析示意图；
[0015]图6所示为依据本发明实施例的开环增益Ανβ与各种操作模式之间的频率响应曲线示意图。
[0016]图7所示为根据本发明又一个实施例的基于多模运算放大器的电路600的结构示意图；
[0017]图8所示为根据本发明还一实施例的基于多模运算放大器的电路700的结构示意图；
[0018]图9所示为根据本发明另一实施例的基于多模运算放大器的电路800的结构示意图。
【【具体实施方式】】
[0019]在说明书及后续的权利要求当中使用了某些词汇来指称特定的元件。本领域技术人员应可理解，制造商可能会用不同的名词来称呼同样的元件。本说明书及后续的权利要求并不以名称的差异来作为区分元件的方式，而是以元件在功能上的差异来作为区分的准贝U。在通篇说明书及后续的权利要求项当中所提及的「包含」为一开放式的用语，故应解释成「包含但不限定于」。另外，「耦接」一词在本文中应解释为包含任何直接及间接的电气连接手段。因此，若文中描述第一装置耦接于第二装置，则代表该第一装置可直接电气连接于该第二装置，或通过其他装置或连接手段间接地电气连接至该第二装置。
[0020]以下描述的是实施本发明的最佳的实现方式。此说明的目的示出了本发明的一般原则，不应被视为具有限制意义。本发明实施例的保护范围，应当通过所附的权利要求书而确定。
[0021]图1所示为依据本发明一实施例的两级运算放大器100的结构示意图。该两级运算放大器100包括两个放大级110、120及一个共模反馈级(common mode feedback stage,CMFB) 130。放大级110具有一非反相输入端，用于接收输入信号VIP,以及一反相输入端，用于接收输入信号VIN,其中该输入信号VIP和VIN是一对差分信号。放大级110放大该差分信号对VIP和VIN，以产生差分信号对VSP和VSN，并提供至放大级120。如图1所示，放大级110的反相输出端和非反相输出端分别耦接至放大级120的反相输入端和非反相输入端。放大级120放大该差分信号对VSP和VSN以输出差分信号对VOP和V0N。共模反馈级130与放大级120并联，其中该放大级120的反相输出端和非反相输出端分别耦接至共模反馈级130的第一输入端和第二输入端，以及共模反馈级130的第一输出端和第二输出端分别耦接至放大级120的反相输入端和非反相输入端。此外，运算放大器100进一步包含补偿电容器CCl和CC2,以用于达到极点分离(pole splitting)的效果,从而确保差模回路和共模回路均具有充分的稳定性。补偿电容器CCl设置在放大级120的非反相输入端的负反馈回路中，以及补偿电容器CC2设置在放大级120的反相输入端的负反馈回路中。
[0022]但是当上述两级运算放大器100应用于多模运算放大器基底电路中时，例如应用于可编程增益放大器(PGA)，过滤器，跨阻抗放大器等电路中时，其通常会遇到一些问题。请参见图2，图2所示为依据本发明一实施例基于多模运算放大器的电路200的结构示意图。该基于多模运算放大器的电路200可以是PGA，过滤器或者Λ Σ模数转换器(Δ ZADC)0该基于多模运算放大器的电路200包括一个多级运算放大器100，两个输入阻抗210和220，以及两个反馈阻抗230和240，其中该输入阻抗210和220相同，反馈阻抗230和240也相同。此外，阻抗210，220，230和240为可变阻抗。在该基于多模运算放大器的电路200的等效差模模型250中，Av表示多级运算放大器100的电压增益，以及反馈增益β可根据下述的公式得到:
【权利要求】
1.一种基于多模运算放大器的电路，其特征在于，包含: 运算放大器，包含: 输入放大级，用于放大一对输入差分信号以产生一对中间差分信号； 输出放大级，用于放大该对中间差分信号以产生一对输出差分信号；以及 补偿单元，包含: 第一电容器，设置于该输出放大级的第一负反馈回路中； 第二电容器，设置于该输出放大级的第二负反馈回路中； 第三电容器，依据控制信号选择性的设置于该输出放大级的第一正反馈回路中或者与该第一电容器并联；以及 第四电容器，依据该控制信号选择性的设置于该输出放大级的第二正反馈回路中或者与该第二电容器并联。
2.如权利要求1所述的基于多模运算放大器的电路，其特征在于，该第一电容器和该第二电容器的电容值相等，以及该第三电容器和该第四电容器的电容值相等。
3.如权利要求1所述的基于多模运算放大器的电路，其特征在于，该第一负反馈回路形成于该输出放大级的反相输出端和非反相输入端之间，以及该第二负反馈回路形成于该输出放大级的非反相输出端与反相输入端之间。
4.如权利要求1所述的基于多模运算放大器的电路，其特征在于，该补偿单元还包含: 第一选择器，依据该控制信号选择性的将该第三电容器耦接至该输出放大级的反相输·出端或非反相输出端；以及 第二选择器，依据该控制信号选择性的将该第四电容器耦接至该输出放大级的非反相输出端或反相输出端； 其中该第一正反馈回路形成于该输出放大级的非反相输出端与非反相输入端之间，以及该第二正反馈回路形成于该输出放大级的反相输出端与反相输入端之间。
5.如权利要求3所述的基于多模运算放大器的电路，其特征在于，该补偿单元还包含: 第一选择器，依据该控制信号选择性的将该第三电容器耦接至该输出放大级的非反相输入端或反相输入端；以及 第二选择器，依据该控制信号选择性的将该第四电容器耦接至该输出放大级的反相输入端或非反相输入端； 其中该第一正反馈回路形成于该输出放大级的反相输出端与反相输入端之间，以及该第二正反馈回路形成于该输出放大级的非反相输出端与非反相输入端之间。
6.如权利要求1所述的基于多模运算放大器的电路，其特征在于，该电路还包含: 第一阻抗，耦接至该输入放大级的非反相输入端，用于接收该对输入差分信号中的其中一个； 第二阻抗，耦接至该输入放大级的反相输入端，用于接收该对输入差分信号中的另外一个； 第三阻抗，耦接于该输入放大级的非反相输入端与该输出放大级的反相输出端之间；以及 第四阻抗，耦接于该输入放大级的反相输入端与该输出放大级的非反相输出端之间； 其中该第一阻抗与第二阻抗的阻抗值是相等且是可变的，以及该第三阻抗与第四阻抗的阻抗值也是相等且是可变的。
7.如权利要求1所述的基于多模运算放大器的电路，其特征在于，当该控制信号控制该第四电容器并联至该第二电容器时同时控制该第三电容器并联至该第一电容器，以及当该控制信号控制该第四电容器设置于该第二正反馈回路中时同时控制该第三电容器设置于第一正反馈回路中。
8.如权利要求1所述的基于多模运算放大器的电路，其特征在于，该补偿单元还包含: 第一电阻，与该第一电容器串联； 第二电阻，与该第二电容器串联； 第三电阻，与该第三电容器串联；以及 第四电阻，与该第四电容器串联。
9.一种基于多模运算放大器的电路，其特征在于，包含: 运算放大器，包含: 输入放大级，用于放大一对输入差分信号以产生一对中间差分信号； 输出放大级，用于放大该对中间差分信号以产生一对输出差分信号；以及 补偿单元，包含: 第一可编程电容单元，耦接至该输出放大级的非反相输入端；以及 第二可编程电容单元，耦接至该输出放大级的反相输入端； 其中该第一可编程电容单元与第二可编程电容单元的每一个在共模模式下均提供一固定电容值，以及该第一可编程电容单元与`第二可编程电容单元的每一个在差模模式下均依据一控制信号提供一可调电容值。
10.如权利要求9所述的基于多模运算放大器的电路，其特征在于: 该第一可编程电容单元包含: 第一电容器，I禹接在该输出放大级的非反相输入端与反相输出端之间，具有第一电容值；以及 第二电容器，依据该控制信号选择性的设置于该输出放大级的第一正反馈回路中或者与该第一电容器并联，具有第二电容值； 该第二可编程电容单元包含: 第三电容器，I禹接在该输出放大级的反相输入端与非反相输出端之间，具有该第一电容值；以及 第四电容器，依据该控制信号选择性的设置于该输出放大级的第二正反馈回路中或者与该第二电容器并联，具有该第二电容值； 其中该第一正反馈回路形成于该输出放大级的非反相输入端和非反相输出端之间，以及该第二正反馈回路形成于该输出放大级的反相输入端与反相输出端之间，或者，该第一正反馈回路形成于该输出放大级的反相输入端和反相输出端之间，以及该第二正反馈回路形成于该输出放大级的非反相输入端与非反相输出端之间。
11.如权利要求?ο所述的基于多模运算放大器的电路，其特征在于，该固定电容值与该第一电容值与第二电容值的总和相等，以及当该第二电容器与该第一电容器并联，且当该第四电容器与该第二电容器并联时，该可调电容值与该第一电容值与第二电容值的总和相等，而当该第二电容器设置于该输出放大级的第一正反馈回路中，且当该第四电容器设置于该输出放大级的第二正反馈回路中时，该可调电容值与该第一电容值与第二电容值之间的差值相等。
12.如权利要求10所述的基于多模运算放大器的电路，其特征在于，该补偿单元还包含: 第一电阻，与该第一电容器串联； 第二电阻，与该第二电容器串联； 第三电阻，与该第三电容器串联；以及 第四电阻，与该第四电容器串联。
13.如权利要求9所述的基于多模运算放大器的电路，其特征在于，该电路还包含: 第一阻抗，耦接至该输入放大级的非反相输入端，用于接收该对输入差分信号中的其中一个； 第二阻抗，耦接至该输入放大级的反相输入端，用于接收该对输入差分信号中的另外一个； 第三阻抗，耦接于该输入放大级的非反相输入端与该输出放大级的反相输出端之间；以及 第四阻抗，耦接于该输入放大级的反相输入端与该输出放大级的非反相输出端之间；其中该第一阻抗与第二阻抗的阻抗值是相等且可变的，以及该第三阻抗与第四阻抗的阻抗值也是相等且 可变的。
14.一种基于多模运算放大器的电路，其特征在于，包含: 运算放大器，包含: 输入放大级，用于放大一对输入差分信号以产生一对中间差分信号； 输出放大级，用于放大该对中间差分信号以产生一对输出差分信号；以及 补偿单元，包含: 第一可编程电容单元，耦接至该输出放大级的非反相输入端；以及 第二可编程电容单元，耦接至该输出放大级的反相输入端； 其中该第一可编程电容单元与第二可编程电容单元的每一个在差模模式下均依据一控制信号提供一可调电容值，从而当该运算放大器的开环增益降低时，该运算放大器的开环增益的主极点频率得到增加。
15.如权利要求14所述的基于多模运算放大器的电路，其特征在于: 该第一可编程电容单元包含: 第一电容器，I禹接在该输出放大级的非反相输入端与反相输出端之间，具有第一电容值；以及 第二电容器，依据该控制信号选择性的耦接在在输出放大级的非反相输入端与反相输出端之间或者耦接在该输出放大级的非反相输入端与非反相输出端之间，具有第二电容值； 该第二可编程电容单元包含: 第三电容器，I禹接在该输出放大级的反相输入端与非反相输出端之间，具有该第一电容值；以及 第四电容器，依据该控制信号选择性的耦接在在输出放大级的反相输入端与非反相输出端之间或者耦接在该输出放大级的反相输入端与反相输出端之间，具有该第二电容值。
16.如权利要求15所述的基于多模运算放大器的电路，其特征在于，该第一可编程电容单元和第二可编程电容单元的每一个在共模模式下均提供一固定电容值，该固定电容值与该第一电容值与第二电容值的总和相等，以及当该第二电容器耦接在该输出放大级的非反相输入端与非反相输出端之间，且当该第四电容器耦接在该输出放大级的反相输入端与反相输出端之间时，该可调电容值与该第一电容值与第二电容值之间的差值相等，从而使该运算放大器的开环增益的单元增益频率接近于该运算放大器的最大开环增益的单元增益频率。
17.如权利要求15所述的基于多模运算放大器的电路，其特征在于，该补偿单元还包含: 第一电阻，与该第一电容器串联； 第二电阻，与该第二电容器串联； 第三电阻，与该第三电容器串联；以及 第四电阻，与该第四电容器串联。
18.如权利要求14所述的基于多模运算放大器的电路，其特征在于: 该第一可编程电容单元包含: 第一电容器，I禹接在该输出放大级的非反相输入端与反相输出端之间，具有第一电容值；以及 第二电容器，依据·该控制信号选择性的耦接在在输出放大级的非反相输入端与反相输出端之间或者耦接在该输出放大级的反相输入端与反相输出端之间，具有第二电容值；该第二可编程电容单元包含: 第三电容器，I禹接在该输出放大级的反相输入端与非反相输出端之间，具有该第一电容值；以及第四电容器，依据该控制信号选择性的耦接在在输出放大级的反相输入端与非反相输出端之间或者耦接在该输出放大级的非反相输入端与非反相输出端之间，具有该第二电容值。
19.如权利要求18所述的基于多模运算放大器的电路，其特征在于，该第一可编程电容单元和第二可编程电容单元的每一个在共模模式下均提供一固定电容值，该固定电容值与该第一电容值与第二电容值的总和相等，以及当该第二电容器耦接在该输出放大级的反相输入端与反相输出端之间，且当该第四电容器耦接在该输出放大级的非反相输入端与非反相输出端之间时，该可调电容值与该第一电容值与第二电容值之间的差值相等，从而使该运算放大器的开环增益的单元增益频率接近于该运算放大器的最大开环增益的单元增益频率。
20.如权利要求19所述的基于多模运算放大器的电路，其特征在于，该补偿单元还包含: 第一电阻，与该第一电容器串联； 第二电阻，与该第二电容器串联； 第三电阻，与该第三电容器串联；以及 第四电阻，与该第四电容器串联。
21.如权利要求14所述的基于多模运算放大器的电路，其特征在于，该电路还包含: 第一阻抗，耦接至该输入放大级的非反相输入端，用于接收该对输入差分信号中的其中一个； 第二阻抗，耦接至该输入放大级的反相输入端，用于接收该对输入差分信号中的另外一个； 第三阻抗，耦接于该输入放大级的非反相输入端与该输出放大级的反相输出端之间；以及 第四阻抗，耦接于该输入放大级的反相输入端与该输出放大级的非反相输出端之间；其中该第一阻抗与第二阻抗的阻抗值是相等且可变的，以及该第三阻抗与第四阻抗的阻抗值也是相等且可变的。
22.一种基于多模运算放大器的电路，其特征在于，包含: 运算放大器，包含: 输入放大级，用于放大一对输入差分信号以产生中间差分信号对； 至少一个中间放大级，依次连接在该输入放大级与一输出放大级之间，每个该中间放大级用于放大前一放大级所产生的中间差分信号对以产生新的中间差分信号对至后一放大级； 该输出放大级，用于放大该至少一个中间放大级中最后一级中间放大级所产生的中间差分信号对以产生一对输出差分信号；以及 多个补偿单元，每个该中间放大级与该输`出放大级的两端均设置有一个该补偿单元，每个该补偿单元包含: 第一电容器，设置于相应的放大级的第一负反馈回路中； 第二电容器，设置于该相应的放大级的第二负反馈回路中； 第三电容器，依据控制信号选择性的设置于该相应的放大级的第一正反馈回路中或者与该第一电容器并联；以及 第四电容器，依据该控制信号选择性的设置于该相应的放大级的第二正反馈回路中或者与该第二电容器并联。
23.如权利要求22所述的基于多模运算放大器的电路，其特征在于，该补偿单元还包含: 第一电阻，与该第一电容器串联； 第二电阻，与该第二电容器串联； 第三电阻，与该第三电容器串联；以及 第四电阻，与该第四电容器串联。
【文档编号】H03F3/45GK103856174SQ201310554938
【公开日】2014年6月11日 申请日期:2013年11月8日 优先权日:2012年11月14日
【发明者】王麒云, 楼志宏 申请人:联发科技股份有限公司