专利名称：频率补偿运算放大器的制作方法
技术领域：
本发明是关于Ahuja补偿方案，特别是关于可消除先前实施中固有的偏置 (bias)问题的Ahuja频率补偿运算放大器。
背景技术：
Ahuja频率补偿方案是一种公知的用于运算放大器的频率补偿方 案。Ahuja频率补偿是被发展以用于改善公知的米勒(Miller)补偿。图 1A为相关技术的米勒补偿方案100的示意图。米勒补偿是由跨接于运 算放大器A2的输入级与输出级的电容器Cc组成。Ahuja频率补偿则 是通过提供由补偿晶体管组成的第三级来耦接电容器Cc,来实现间接 地耦接于此电容器。
为了更清楚地说明Ahuja补偿，请参考图1B。图IB为相关技术 的Ahuja补偿方案200的示意图。从图IB中可以看出，Ahuja补偿方 案200中具有放大器Al,放大器A2。放大器Al具有两个信号输入端 In+以及In-，且电容器C!耦接于力文大器Al的输出端以及接地端之间， 放大器Al的跨导为gml。放大器A2具有一个输出端Out,且电容器 (32耦接于放大器A2的信号输出端Out以及接地端之间，放大器A2 的跨导为gm2。补偿晶体管MP3耦接于电容器Cc,并且耦接于偏置电 压VBIAS。补偿晶体管MP3上施加有偏置电流IBIAS。 Ahuja补偿优于 米勒补偿之处在于Ahuja补偿在处理高电阻以及电容负载时具有更 好的性能，可以减小电容器Cc的尺寸，并且具有更好的电源抑制比 (power supply rejection ratio ， 以下简称为PSRR)。
请参考图2。图2显示由相关技术中的两级运算放大器300实现 图IB中所示的Ahuja补偿方案200的示意图。运算放大器300包含耦 接于差动电流源的输入级，输入级包含晶体管MP5, MPla, MPlb, MNla以及MNlb。输入级耦接于包含晶体管MP2以及MN2的输出级，并且耦接于供应电压VoD以及接地端之间。晶体管MP5耦接于供应电压 Vj)d以及偏置电压vbp之间。补偿晶体管MP3耦接于偏置电压Vbp2以及
补偿电容器Cc。补偿晶体管MP3进一步耦接于晶体管MP4，晶体管
MP4耦接于供应电压VoD以及偏置电压VBiM之间，用于为补偿晶体管
MP3提供偏置电流IBIAS。运算放大器300进一步包含晶体管MN3以 及MN4,晶体管MN3以及MN4耦接于补偿晶体管MP3，晶体管MN2, 以及晶体管MNlb，并且晶体管MN3耦接于偏置电压VBN1,晶体管 MN4耦接于偏置电压VBN2。晶体管MN3以及MN4是用于为补偿晶体 管MP3以及晶体管MP4中的偏置电流ImAs提供一条到接地端的路径。 运算放大器300的缺点在于必须使用偏置电压VBN1以及Vbn2来 偏置晶体管MN3以及MN4,以承载分别由偏置电压VBP2以及VBP1偏 置的补偿晶体管MP3以及晶体管MP4内的偏置电流IBIAS。然而，事 实上不可能分别偏置一 p通道晶体管以及一 n通道晶体管，以承载相 同电流，所以以上目标从未达到过。结果就是运算放大器300的直流 偏置电压很高。
另外，如图1B所示的Ahuja补偿方案200在某些情况下(例如， 低电容负载时)不能取得预期的益处。因此，原始的Ahuja补偿方案200 以及Ahuja补偿运算放大器300都需要改进。
发明内容
为了解决以上技术方案中所存在的问题，本发明提供了一种频率 补偿运算放大器。
本发明提供了一种频率补偿运算放大器，包含输入级，用于接 收输入信号；输出级，耦接于输入级，用于根据输入级的输出产生输 出信号；第一电流源，用于提供第一偏置电流；第二电流源，用于提 供与第一偏置电流相同的第二偏置电流；以及Ahuja补偿电路，包含 匹配的晶体管对，耦接于第一电流源以及第二电流源；电容器，耦接 于匹配的晶体管对以及输出级之间；以及跨导增加电路，耦接于匹配 的晶体管对，用于增加匹配的晶体管对的跨导。
本发明另提供了 一种频率补偿运算放大器，包含输入级，用于 接收输入信号；输出级，耦接于输入级，用于根据输入级的输出产生输出信号；第一电流源，用于提供第一电流；第二电流源，用于提供 第二电流；以及Ahuja补偿电路，包含匹配的晶体管对，耦接于第 一电流源以及第二电流源；电容器，耦接于匹配的晶体管对以及输出 级之间；以及跨导增加电路，耦接于匹配的晶体管对，用于增加匹配 的晶体管对的跨导。
本发明提供的频率补偿运算放大器，通过间接地增加补偿晶体管 的跨导来达到增强补偿的效果，解决了与传统运算放大器实现Ahuja 补偿有关的偏置问题。
图1A为相关技术的米勒补偿方案的示意图。 图IB为相关技术的Ahuja补偿方案的示意图。 图2显示由相关技术中的两级运算放大器实现的Ahuja补偿方案 的示意图。
图3为依据本发明一实施例的改进的Ahuja补偿方案的示意图。 图4为依据本发明一实施例的运算放大器的示意图 图5为依据本发明另一实施例的运算放大器的示意图。
具体实施例方式
请参考图3。图3为依据本发明一实施例的改进的Ahuja补偿方 案400的示意图。Ahuja补偿方案400的目标在于，通过间接的倍增 补偿晶体管MP3的跨导来改进由原始Ahuja补偿方案200提供的补偿。 间接倍增的效果是将非主极点(non-dominant pole)以及非主零点 (non-dominant zero)移动至更高的频率，并且增加非主纟及点的阻尼 (damping)。
图3所示的改进的Ahuja补偿方案400提供了放大器Al,放大器 A2,以及放大器A。放大器Al具有两个信号输入端In+以及In-，且 电容器d耦接于放大器Al的输出端以及接地端之间。电容器<32耦接 于放大器A2的信号输出端Out以及接地端之间。放大器A具有耦接
于偏置电流IBIAS的第 一输入端，耦接于偏置电压VwAs的第二输入端，
以及耦接于补偿晶体管MP3的栅极的 一 输出端。因此，源极电压(source voltage)裙—放大，且接下来已i文大的源才及电压,皮施加至补偿晶 体管MP3的栅极。如果放大器A具有增益-^以及源极电压为Vs，则 栅极-源极电压(gate-source voltage)vgs等于-(l+J) Vs。因此，栅极-源 极电压vgs已经被乘以因子(l+^)。只要放大器A的增益足够大，补偿 晶体管MP3的源极电压将保持在偏置电压VBIAS。补偿晶体管MP3的 漏极电流为跨导与栅极-源极电压的一个影响因素，且源极电压保持为 偏置电压VwAs，放大器A通过因子(l+J)有效地增加了跨导。补偿晶 体管MP3的栅极-源极电容器C3也通过相同的因子(l+」)被增加。目前， 跨导是由装置的尺寸以及偏置电流所决定的。因此，本发明使用了间 接的增加补偿晶体管MP3的跨导的方法，而不需要改变其尺寸或偏置 电流。这在某种程度上节省了电源消耗以及硅面积。
以下将以图2所示的运算放大器300作为参考，来显示图3所示 的改进的Ahuja补偿方案400的增加的跨导的效果。图2所示的运算 放大器300的转移函数如式(l)所示
+ 1
為
51 ，
:+ ^——^ + l
化
化
2《
(1)
為=运算放大器的直流增益=LigM 2
Spl =主极点=
Sz =非主零点=
ml
一K8叫=运算放大器的单位增益频宽=Cc
W —
nd
其中，《以及为与非主极点Sp2以及Sp3相关的标准二阶参数(2
order parameter)。
图2所示的运算放大器300具有极点spl、 Sp2以及Sp3,其中，spl
为主极点且Sp2， Sp3为非主极点。对于米勒补偿来说，非主极点是实数
(real),但是对于Ahuja补偿来说，非主极点可能是实数也可能是复数 (complex)。 这决定于 二阶参数《。如果二阶参数《大于或等于1,则其 只寸应于阻尼步贞率响应(damped frequency response), 因jt匕，非主才及点是 实数；如果二阶参数《小于1，则非主极点是复数，意味着此处为欠阻 尼步贞率响应(under-damped frequency response)。
为取得良好的补偿，非主极点以及非主零点需要尽可能的远离单
位增益频宽
饥
频率响应也需要尽可能的是阻尼频率响应。实际上，
sz以及气的幅度需要尽可能的高， 2以及sp3的频率响应需要尽可能 是阻尼频率响应，因此，二阶参数《需要尽可能的高(至少大于1)，以 使有足够的频率阻尼。
如上所示，因为电容器C3以及跨导gm3已经通过因子(l + j)被增
加(J^0/匕^随的增力口)， sz也将通过因子十c^/增加，且当(l +
爿)>> /^时，二阶参数^以及w"将通过因子V /^增加。因此，图 3所示的改进的Ahuja补偿方案400通过增加补偿，改善了图1B所示
仏的相关技术的Ahuja补偿方案200。
请参考图4。图4为依据本发明一实施例的运算力文大器500的示 意图，其解决了图2所示的运算放大器300的偏置问题，并且实现了 图3所示的改进的Ahuja补偿方案400。图4所示的运算放大器500 与图2所示的运算放大器300相似，但是有一些重要的差异。运算放 大器300的单个的晶体管MP4被一对P通道晶体管MP4a以及MP4b 所取代，且晶体管MP4a以及MP4b都耦接于偏置电压VBP1以及供应 电压VDD，其中，P通道晶体管MP4a以及MP4b可以是P通道金属氧 化物半导体晶体管。因此，晶体管MP4a以及MP4b都提供偏置电流 Ibias。另外，运算放大器300的单个的补偿晶体管MP3也被一对补偿 晶体管MP3b以及MP3a所取代。电容器Cc耦接于补偿晶体管MP3b 以及信号输出端Out之间。可以看到，因为晶体管MP4a，补偿晶体管 MP3a,晶体管MP4b以及补偿晶体管MP3b都为P通道元件，且是由 共同的或匹配的偏置节点来偏置，所以晶体管MP4a，补偿晶体管MP3a 以及晶体管MP4b,补偿晶体管MP3b可承载相同的偏置电流IBIAS。 因此，由于补偿晶体管MP3a耦接于晶体管MPla以及MNla之间， 且补偿晶体管MP3b耦接于晶体管MPlb以及MNlb之间，上述改善 确保了偏置问题不再存在。图4的运算放大器500进一步显示了 Ahuja 补偿方案400包含第一放大器Ai以及第二放大器A2。因为运算放大 器500包含两个补偿晶体管(MP3a以及MP3b),此实施例中的第一放 大器Ai以及第二放大器A2是用于匹配或平衡。
于运算放大器500中改进的Ahuja补偿方案的效果如上文所描述， 通过间接增加补偿晶体管MP3a以及MP3b的跨导，非主极点以及非 主零点尽可能的远离Wo,因此，增强了补偿。解决相关技术中的偏置 问题，使得实施于运算放大器500中改进的Ahuja补偿方案可获得所 期望的结果。
请参考图5。图5为依据本发明另一实施例的于运算放大器600 中改进的Ahuja补偿方案实施的示意图，其解决了图2所示的运算方文 大器300中固有的偏置问题。由图5中可以看出，本发明的改进的Ahuja 补偿方案具有增加跨导，增强补偿的效果。图5所示的运算放大器600, 包括一个输入级，输入级包含晶体管MN4以及由晶体管MNla及MNlb组成的差动对，晶体管MN4耦接于偏置电压VBN，进一步包含一对 耦接于偏置电压VBP1的P通道晶体管MPla以及MPlb，晶体管MPla 以及MPlb分别耦接于一对补偿晶体管MP3a、 MP3b，补偿晶体管 MP3a、 MP3b依次地耦接于由晶体管MN3a、 MN3b形成的电流镜，并 且^争接于由晶体管MNla及MNlb组成的差动对。分别耦接于补偿晶 体管MP3a， MP3b的放大器Ap八2具有耦接于偏置电压VBP2的第一 输入端，以及分别耦接于晶体管MP3a、 MP3b的源极的第二输入端， 并且i欠大器A2也耦接于由晶体管MNla及MNlb组成的差动对。 再次说明，改进的Ahuja补偿方案，通过放大栅极-源极电压以间接地 增加补偿晶体管MP3a、 MP3b的跨导来增强补偿。
因此，本发明所提供的改进的Ahuja补偿方案，通过一个额外的 放大器增加了补偿晶体管的跨导，以此来确保良好的补偿，并且进一 步于运算放大器中实施改进的Ahuja补偿方案，其解决了与传统运算 放大器实现Ahuja补偿有关的偏置问题。另外，改进的Ahuja补偿也 可以实施于其它的传统运算it大器电路中，且仍然可以通过间接地增 加补偿晶体管的跨导来达到增强补偿的效杲。
改进的Ahuja补偿方案与相关技术相比，其优点在于可以提高电 源效率，增加空间使用效率，具有更好的PSRR,并且具有更好的处 理低电容负载的能力。
虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明， 任何所属技术领域中的技术人员，在不脱离本发明的范围内，可以做 一些改动，因此本发明的保护范围应与权利要求所界定的范围为准。
权利要求
1.一种频率补偿运算放大器，包含输入级，用于接收输入信号；输出级，耦接于所述输入级，用于根据所述输入级的输出产生输出信号；第一电流源，用于提供第一偏置电流；第二电流源，用于提供与所述第一偏置电流相同的第二偏置电流；以及Ahuja补偿电路，包含匹配的晶体管对，耦接于所述第一电流源以及所述第二电流源；电容器，耦接于所述匹配的晶体管对以及所述输出级之间；以及跨导增加电路，耦接于所述匹配的晶体管对，用于增加所述匹配的晶体管对的跨导。
2. 根据权利要求1所述的频率补偿运算放大器，其特征在于，所 述匹配的晶体管对包含第一晶体管，具有控制端，耦接于第一偏置电压，第一端，耦接 于所述第一电流源，以及第二端；以及第二晶体管，具有控制端耦接于所述第一偏置电压，第一端，耦 接于所述第二电流源，以及第二端，其中，所述第一晶体管的第二端 以及所述第二晶体管的第二端跨接于所述输入级。
3. 根据权利要求2所述的频率补偿运算放大器，其特征在于，所 述跨导增加电路包含第一放大器，具有输出端，耦接于所述第一晶体管的控制端，第 一输入端，耦接于所述第一晶体管的第一端，以及第二输入端，耦接 于第二偏置电压；以及第二放大器，具有输出端，耦接于所述第二晶体管的控制端，第 一输入端，耦接于所述第二晶体管的第一端，以及第二输入端，耦接于所述第二偏置电压。
4. 根据权利要求3所述的频率补偿运算放大器，其特征在于，所述第一电流源由p通道金属氧化物半导体晶体管来实现，所述第一电 流源具有控制端，耦接于第三偏置电压，第一端，耦接于供应电压，以及第二端，耦接于所述第一放大器的第一输入端；以及所述第二电 流源由P通道金属氧化物半导体晶体管来实现，所述第二电流源具有 控制端，耦接于所述第三偏置电压，第一端，耦接于所述供应电压， 以及第二端，耦接于所述第二放大器的第一输入端。
5. —种频率补偿运算放大器，包含 输入级，用于接收输入信号；输出级，耦接于所述输入级，用于根据所述输入级的输出产生输 出信号；第一电流源，用于提供第一电流； 第二电流源，用于提供第二电流；以及 Ahuja补偿电路，包含匹配的晶体管对，耦接于所述第 一 电流源以及所述第二电流源；电容器，耦接于所述匹配的晶体管对以及所述输出级之间；以及跨导增加电路，耦接于所述匹配的晶体管对，用于增加所述 匹配的晶体管对的跨导。
6. 根据权利要求5所述的频率补偿运算放大器，其特征在于，进 一步包含电流镜，耦接于所述输入级以及所述输出级之间，其中， 所述匹配的晶体管对包含第一晶体管，具有控制端，耦接于第一偏置电压，第一端，耦接 于第一偏置电流，以及第二端；以及第二晶体管，具有控制端，耦接于所述第一偏置电压，第一端， 耦接于第二偏置电流，以及第二端，其中，所述第一晶体管的第二端 以及所述第二晶体管的第二端耦接于所述电流镜。
7. 根据权利要求6所述的频率补偿运算放大器，其特征在于，所 述跨导增加电路包含第一放大器，具有输出端，耦接于所述第一晶体管的控制端，第 一输入端，耦接于所述第一晶体管的第一端以及所述第一电流源之间， 以及第二输入端，耦接于第二偏置电压；以及第二放大器，具有输出端，耦接于所述第二晶体管的控制端，第 一输入端，耦接于所述第二晶体管的第 一 端以及所述第二电流源之间， 以及第二输入端，耦接于所述第二偏置电压。
全文摘要
本发明是关于一种频率补偿运算放大器，包含输入级，用于接收输入信号；输出级，耦接于输入级，用于根据输入级的输出产生输出信号；第一电流源，用于提供第一偏置电流；第二电流源，用于提供与第一偏置电流相同的第二偏置电流；Ahuja补偿电路，包含匹配的晶体管对，耦接于第一电流源以及第二电流源；电容器，耦接于匹配的晶体管对以及输出级之间；以及跨导增加电路，耦接于匹配的晶体管对，用于增加匹配的晶体管对的跨导。本发明提供的频率补偿运算放大器，通过间接地增加补偿晶体管的跨导来达到增强补偿的效果，解决了与传统运算放大器实现Ahuja补偿有关的偏置问题。
文档编号H03F3/45GK101599741SQ20091014320
公开日2009年12月9日 申请日期2009年5月20日 优先权日2008年6月2日
发明者尤达·达思古帕塔 申请人:联发科技(新加坡)私人有限公司