专利名称：用级连运算跨导放大器和运算放大器改善负载和线路调整的制作方法
技术领域：
本发明一般涉及运算放大器电路，尤其涉及高增益和高带宽运算放大器电路。
背景技术：
电子调整器环路，例如电压等，经常在反馈环路中使用由运算放大器控制的功率输出器件(参见图1)。为获得准确的输出值，环路中要求高增益和宽带宽。高增益改善输出线路例如电压调整率，而宽带宽改善对突然的负载变化的响应时间。但是，高增益和宽带宽运算放大器电路引起稳定性问题。获得具有好的调整率的稳定的高增益调整器的现有方法一直是使用增益升高(gain boosting)运算放大器电路和/或嵌套的运算放大器电路。增益升高运算放大器电路的稳定性依赖于外部负载特性。因为嵌套的运算放大器电路具有有限的带宽，所以它们是稳定的，因此产生差的负载调整率。
如锂离子的可再充电的高技术电池在电子设备中越来越多的使用已经提高了如下期望较低成本和较高性能电压调整器，以及控制环路中需要高增益和高带宽误差放大器的电池充电电路。电压变换器在它们的控制环路中也要求高性能电压调整器。
因此，需要的是电子放大器电路，它使线路和负载调整能够同时改善。最好，该电子放大器将获得好的稳定性，同时保持高增益(减小的环路误差)和宽带宽(对负载变化的快速响应)。
发明内容
通过提供一种具有高开环增益和高增益带宽同时在宽的工作参数范围中保持稳定的电子放大器电路，本发明克服了现有技术的上述问题以及其它缺点和不足。本发明的电子放大器电路可以有效地用在电池充电器、DC到DC转换器、低电压降输出(low drop out，LDO)电压调整器等中。本发明的电子放大器电路允许高度稳定和精确调整的输出电压。
本发明的电子放大器电路包含与运算放大器(OA)耦合的运算跨导放大器(OTA)，从而产生宽带宽、高增益放大器电路，该电路可以用在具有宽带宽和高增益的闭环电压调整器中，并且在所有工作条件稳定。OA可以是，例如，两个OTA的级连(两级OTA)、三级放大器等。OA具有高增益但是带宽有限。OTA具有大(宽)的带宽但是增益有限。因此，OTA提供高带宽同时OA提供高开环增益。
图2说明OTA 100和OA 200，它们耦合到一起以获得高带宽和高开环增益。OTA 100具有高带宽并且在主信号路径中。但是，OTA 100具有低增益，因此它可以感应闭环配置中显著的静态误差。OA 200可以用于监视作为输入节点114和116之间的差分电压的函数的高带宽OTA 100的偏移。可以以这样的方式连接OA 200，使得OTA 100的偏移在闭环配置中基本被消除。低频静态误差被认为是OA 200的偏移，因此被消除或减小到很低水平。
本发明的技术优势是快速变化的负载特性以及宽的负载变化范围上好的稳定性。另一个技术优势是对改善的工作特性减小了功耗。另一个技术优势是增大的增益带宽。
从下面各实施例的说明，本发明的特征和优势将是明显的，各实施例为了公开的目的给出并且与附图相结合。
通过参考结合附图的下面的说明，可以得到本公开及其优势的更完整的理解，附图中图1说明电子电压调整器的现有技术方块图，该电压调整器在反馈环路中包含由运算放大器控制的输出功率器件；图2说明根据示范性实施例的高增益、宽带宽运算放大器的示意方块图；图3说明运算跨导放大器(OTA)的示范性实施例的示意图；图4说明两级低带宽运算放大器的示范性实施例的示意方块图；图5说明两级运算放大器的示范性实施例的示意图；以及图6说明根据示范性实施例的高增益、宽带宽运算放大器的示意图。
虽然本发明易受各种修改和可供选择的形式的影响，但其特定的示范性实施例已经通过附图中的例子显示，并且在这里详细说明。但是，应该理解的是这里特定实施例的说明不打算限制本发明为公开的特定形式，而是相反，本发明要覆盖所有落在由权利要求定义的本发明的精神和范围内的修改、等效和替代。
具体实施例方式
现在参考附图从原理上说明本发明的示范性实施例的细节。附图中相同的元件将由相同的号码表示，并且类似的元件将由带有不同小写字母下标的相同的号码表示。
参考图2，说明的是根据示范性实施例的高增益、宽带宽运算放大器的示意方块图，并且由号码300概括表示。高增益、宽带宽运算放大器300包含耦合到一起的运算跨导放大器(OTA)100和两级运算放大器200(放大器200也可以是三级放大器等)，如以下更完整地说明的(见图3、4、5和6)。放大器300在宽的范围以及负载阻抗320的性质上是稳定的，并且最好在从大约1皮法到大约10纳法的负载电容上，最好具有至少70度的相位容限。
参考图3，说明的是可以用于图2中说明的OTA 100的运算跨导放大器(OTA)的示范性实施例的示意图。OTA 100具有由输入114和116之间的差分输入电压控制的电流输出112。输出电流与差分输入114和116之间的电压差和OTA 100的跨导(gM)成比例。
输入114和116分别耦合到晶体管106和108的栅极，并且适合接收差分电压输入。晶体管102是晶体管104的电流镜像。晶体管108的漏极连接到由晶体管102和104构成的电流镜像的输入118。晶体管104和106的漏极构成电流输出112。电流源130连接在晶体管106和108以及公共点或地110之间。晶体管102和104也连接到正电源电压VDD120。OTA 100的特征在于具有有限增益但宽(大)带宽。电流源130也可以是恒流源。
参考图4，说明的是可以用于图2中说明的两级运算放大器200的两级运算放大器的示范性实施例的示意方块图。两级运算放大器200包含级连的OTA 201和OTA 202，以及补偿电容器203。补偿电容器203在高增益和低增益都提供相位稳定性。两级运算放大器200的特征可以是具有高增益但有限带宽。在本发明的范围内并且期望的是两级运算放大器200也可以包含三级放大器等(未显示)。
参考图5，说明的是可以用于图4中显示的两级运算放大器200的两级运算放大器的示范性实施例的示意图。为改善1/f噪声性能，P型差分输入对可以用于第一OTA 201(晶体管216、218、212和214)，同时OTA 202(晶体管222、224、226和228)可以类似于图3中显示的OTA 100。
第一OTA 201的输入114a和116a分别耦合到晶体管216和218的栅极，并且适合接收差分电压输入。电流源230连接在晶体管216和218以及正电源电压VDD120之间。晶体管212是晶体管214的电流镜像。晶体管218的漏极连接到由晶体管212和214构成的电流镜像的输入213。晶体管214和216的漏极构成第一OTA 201的电流输出211。晶体管212和214也连接到公共点或地110a。
节点211和213分别耦合到晶体管226和228的栅极，并且适合接收差分电压输入。电流源240连接在晶体管226和228以及公共点或地110a之间。晶体管222是晶体管224的电流镜像。晶体管228的漏极连接到由晶体管222和224构成的电流镜像的输入221。晶体管224和226的漏极构成第二OTA 202的电流输出118a。晶体管222和224也连接到正电源电压VDD120。补偿电容203连接在节点211和213之间。晶体管204可以用于箝位电压摆动。
参考图5，说明的是根据本发明的示范性实施例的高增益、宽带宽运算放大器的示意方块图。阻抗420与晶体管302的跨导以及jωCp的和的倒数成比例，其中Cp是如图5中的电容322说明的寄生电容。放大器300在负载阻抗320的性质和宽范围上稳定，并且最好在从大约1皮法到大约10纳法的负载电容上，最好具有至少70度的相位容限。
参考图6，说明的是根据图3、4和5中显示的电路的组合的、高增益、宽带宽运算放大器的示范性实施例的示意图。放大器300可以包含图3中显示的OTA 100结合图4和5中显示的两级运算放大器200(放大器200也可以是三级放大器等)。放大器300的输出112耦合到负载阻抗320，例如输出功率器件。输入114和116适合接收差分电压输入信号。输入114和116分别耦合到晶体管106和108的栅极，并且适合接收差分电压输入。晶体管102是晶体管104的电流镜像。晶体管104和106的连接点构成电流输出112。电流源130连接在晶体管106和108以及公共点或地110之间。晶体管102和104也连接到正电源电压VDD120。放大器200的输出118a耦合到晶体管302和304的栅极，而放大器200的输入114a和116a分别耦合到输入114和116。阻抗420(图2)与晶体管102的跨导以及jωCp的和的倒数成比例，其中Cp是如电容322说明的寄生电容。
或者，图5中说明的放大器200可以差分地耦合到节点118和112。但是，图5中说明的放大器200的各连接可以降低对放大器200输出的动态范围的要求。此外，它允许使用节点118作为额外的输入，该输入可以用于执行用这里公开的示范性实施例实现的电压调整器的电流限制和/或温度保护。
本发明的放大器300可以在集成电路(未显示)上制造。集成电路也可以包含其它模拟和/或数字电路，包括但不限于数字处理器。数字处理器可以是微处理器、微控制器、可编程逻辑阵列(PLA)、应用专用集成电路(ASIC)等。在本发明的范围内并且期望的是在电压和电流调整应用、电池充电器、电源管理、低电压降输出功率调整器、DC到DC转换器等中可以有利地使用放大器300。
在本发明的范围内并且期望的是电流源(例如，130、230和240)可以是恒流源、PTAT电流源、反PTAT电流源等。
因此，本发明很适合实现各目的并得到提到的各目的和优点以及其中固有的其它目的和优点。虽然本发明已经被描述、说明，并且由参考本发明的示范性实施例定义，但这样的参考不意味着对本发明的限制，并且不要推断出这样的限制。本发明在形式和功能上能够相当大的修改、变换和等效，如将对从这个公开获益的相关领域的普通技术人员所发生的。描述和说明的本发明的实施例只是示范性的，并不穷尽本发明的范围。因此，本发明旨在只由权利要求的精神和范围限制，从而在所有方面给出对各等效的完整认识。
权利要求
1.一种电子放大器，包含具有输入和输出的运算跨导放大器(OTA)；以及具有输入和输出的运算放大器(OA)，其中OA的输入并行地与OTA的输入耦合，并且OA的输出耦合到OTA。
2.根据权利要求1所述的电子放大器，其中OTA的输入是差分的。
3.根据权利要求1所述的电子放大器，其中OA的输入是差分的。
4.根据权利要求1所述的电子放大器，其中OTA的输入是差分的，OA的输入是差分的，并且OTA和OA的各差分输入耦合到一起。
5.根据权利要求1所述的电子放大器，其中OA是两级运算放大器。
6.根据权利要求5所述的电子放大器，其中两级运算放大器包含具有输入和输出的第一运算放大器；以及具有输入和输出的第一运算跨导放大器；其中第一运算放大器的输出耦合到第一运算跨导放大器的输入；由此第一运算放大器的输入是OA的输入，而第一运算跨导放大器的输出是OA的输出。
7.根据权利要求6所述的电子放大器，进一步包含耦合到第一运算放大器的输出和第一运算跨导放大器的输入的补偿电容。
8.根据权利要求7所述的电子放大器，其中补偿电容为两级运算放大器提供相位稳定性。
9.根据权利要求1所述的电子放大器，其中OTA包含第一晶体管，具有第一栅极、第一源极和第一漏极；第二晶体管，具有第二栅极、第二源极和第二漏极；第三晶体管，具有第三栅极、第三源极和第三漏极；第四晶体管，具有第四栅极、第四源极和第四漏极；以及第一电流源；其中第一电流源耦合在电压源以及第三和第四源极之间，第三和第四源极耦合到一起，第四漏极耦合到第一漏极以及第一和第二栅极，第二漏极耦合到第三漏极，第一和第二源极耦合到公共节点，第三栅极适合作为第一差分输入，第四栅极适合作为第二差分输入，以及第二和第三漏极适合作为电流输出。
10.根据权利要求9所述的电子放大器，进一步包含第一和第二栅极以及电压源之间的寄生电容。
11.根据权利要求9所述的电子放大器，进一步包含耦合到第一和第四漏极以及第一和第二栅极的电流限制控制输入。
12.根据权利要求9所述的电子放大器，进一步包含耦合到第一和第四漏极以及第一和第二栅极的温度保护控制输入。
13.根据权利要求9所述的电子放大器，其中OA的输出耦合到第一和第四漏极以及第一和第二栅极。
14.根据权利要求9所述的电子放大器，其中OA具有耦合到第三栅极的第一差分输入和耦合到第四栅极的第二差分输入。
15.根据权利要求7所述的电子放大器，其中OA包含第五晶体管，具有第五栅极、第五源极和第五漏极；第六晶体管，具有第六栅极、第六源极和第六漏极；第七晶体管，具有第七栅极、第七源极和第七漏极；第八晶体管，具有第八栅极、第八源极和第八漏极；以及第二电流源；其中第二电流源耦合在公共节点以及第五和第六漏极之间，第五和第六漏极耦合到一起，第五漏极耦合到第八漏极以及第七和第八栅极，第六漏极耦合到第七漏极，第七和第八源极耦合到电压源，第五栅耦合到第一和第四漏极，第六栅极耦合到第二和第三漏极，以及第六和第七漏极适合作为电流输出。
16.根据权利要求15所述的电子放大器，其中补偿电容包含耦合到第二和第三漏极以及第六栅极的第一端，以及耦合到第一和第四漏极以及第一、第二和第五栅极的第二端。
17.根据权利要求9所述的电子放大器，其中第一和第二晶体管是N沟道场效应晶体管，而第三和第四晶体管是P沟道场效应晶体管。
18.根据权利要求15所述的电子放大器，其中第五和第六晶体管是N沟道场效应晶体管，而第七和第八晶体管是P沟道场效应晶体管。
19.根据权利要求9所述的电子放大器，其中第一电流源从包含恒流源、PTAT电流源和反PTAT电流源的组中选择。
20.根据权利要求15所述的电子放大器，其中第二电流源从包含恒流源、PTAT电流源和反PTAT电流源的组中选择。
全文摘要
一种电子放大器电路，包含运算放大器电路，如与运算跨导放大器级连的两级运算放大器电路。该电子放大器电路具有高开环增益和高增益带宽，同时保持宽的操作参数范围上的稳定性。
文档编号H03F3/45GK1802788SQ200480015895
公开日2006年7月12日 申请日期2004年6月7日 优先权日2003年6月9日
发明者菲利普·德沃尔, 马厄·卡耶尔, 费比恩·沃彻 申请人:密克罗奇普技术公司