一种有源前馈电路构成频率补偿的差分运算放大器的制造方法
【专利摘要】本实用新型涉及一种有源前馈电路构成频率补偿的差分运算放大器,主要解决现有密勒频率补偿方法由于引入密勒电容而引起的多级差分运算放大器零极点分离,进而限制了差分运算放大器单位增益带宽的技术问题,技术方案：所述差分运算放大器包括第一增益级、第二增益级以及有源前馈放大级；第一增益级和第二增益级均包含第一输入节点和第二输入节点；有源前馈放大级由电路A（一个控制节点耦合到第一输入节点以及一条控制路径耦合到第二输出节点）和电路B（一个控制节点耦合到第二输入节点以及一条控制路径耦合到第一输出节点）组成。本实用新型还包括共模负反馈电路，共模负反馈电路由高增益级和有源前馈放大级组成。本实用新型可有效提高全差分运算放大器的单位增益带宽性能和减小芯片实现面积。
【专利说明】一种有源前馈电路构成频率补偿的差分运算放大器
【技术领域】
[0001] 本实用新型涉及集成电路运算放大器（Integrated Circuit Operational Amplifier)领域，特别涉及一种不需要密勒补偿电容，提高全差分运算放大器单位增益带宽 性能和减小芯片实现面积的一种有源前馈电路构成频率补偿的差分运算放大器。
【背景技术】
[0002] 运算放大器是模拟集成电路和数模混合集成电路中最基本的单元电路之一。而全 差分运算放大器因为有相对大的输出摆幅和更好的对电源噪声以及共模漂移的抑制性能 而成为必须的选择。但是这也意味着电路复杂性的增加：全差分运算放大器一般都需要包 括共模负反馈（Common Mode FeedBaCk，CMFB)电路是输出级的共模电压稳定在参考电压 (VR)附近。
[0003] 在常用的模拟电路例如模数转换器，自动增益控制电路以及模拟滤波器中，高增 益，高速是对其中的全差分运算放大器模块的普遍要求。在电源电压限定的情况下，高增益 通常通过增加放大器的级数实现，但是同时这在放大器的传输函数上也引入了更多的极点 和负的相位位移。对多级放大器而言，为了保证放大器在闭环情况下的稳定性，必须进行频 率补偿。现有的频率补偿电路大部分是基于密勒补偿技术，它的基本原理是利用连接在增 益电路输入和输出端的电容的密勒效应，把放大器的主极点推向更低频率，次极点相应的 推向更高频率，从而实现频率补偿。显然这种补偿技术导致了比较低的单位增益带宽，而且 产生了一个右半平面的零点，一般需要另外的串联电阻进行零点消除。
[0004] 因为可能分别形成独立的反馈环路，全差分运算放大器的主放大器和共模负反 馈（CMFB)电路都需要进行频率补偿。多级电路中，共模负反馈电路因为会引入更多的极 点，导致频率补偿也会遇到更多的电路设计难点。
[0005] 采用密勒补偿技术的米勒偿电容限制了全差分放大器的单位增益带宽，增加了芯 片实现面积。在多级电路中，共模负反馈电路使频率补偿变得更加困难，使得全差分运算放 大器在一定的功耗限制下，很难同时达到高增益和大的单位增益带宽。
【发明内容】
[0006] 本实用新型的目的是提供一种简单易行、效果显著、可有效提高全差分运算放大 器的单位增益带宽性能和减小芯片实现面积的一种有源前馈电路构成频率补偿的差分运 算放大器。主要解决现有的密勒频率补偿方法由于引入密勒电容而引起的多级差分运算放 大器零极点分离，进而限制了差分运算放大器的单位增益带宽的技术问题。
[0007] 为解决上述技术问题，本实用新型思路是：完全不需要米勒补偿电容，而全部采用 有源前馈电路，有源前馈频率补偿技术同时应用在差分运算放大器的主差分增益级和共模 负反馈级。采用如下技术方案：
[0008] -种有源前馈电路构成频率补偿的差分运算放大器，其特征是：
[0009] 1)所述的差分运算放大器包括第一增益级，第二增益级以及有源前馈放大级。其 中，第一增益级是一级差分放大电路，包含第一输入节点和第二输入节点；第二增益级是 简单共源单管差分放大电路，包含第一输出节点和第二输出节点；有源前馈放大级由电路 A和电路B组成：电路A包括一个控制节点耦合到第一输入节点以及一条控制路径耦合到 第二输出节点；电路B包括一个控制节点耦合到第二输入节点以及一条控制路径耦合到第 一输出节点。输入信号通过第一输出节点和第二输入节点进入差分放大增益级，把差分增 益级的输出结果导入第二增益级，对应的产生第一输出结果和第二输出结果，利用有源前 馈电路进行频率补偿：通过第一输入节点信号控制第二输出结果，通过第二输入节点信号 控制弟一输出结果。
[0010] 2)电路A和电路B的两条控制路径的其中一端互相连接在一起，并且这个连在一 起节点的电压由共模负反馈电路决定。电路A和电路B的控制信号路径延伸连接到对应的 输出端和一个共同节点；这个共同节点分别通过受第一输出节点和第二输出节点控制的有 源晶体管接地。
[0011] 3)差分运算放大器的第一增益级由共源差分对管、电流源、负载对管组成。共源差 分对管源级通过电流源接地，共源差分对管的漏极通过负载对管接电源。共源差分对管和 负载对管是互补CMOS管(互补晶体管)。
[0012] 4)差分运算放大器的第二增益级由共源差分放大级组成，包括共源单管差分放大 电路，其共源端通过电源接地，漏极分别接差分运算放大器的第一输出节点和第二输出节 点。
[0013] 5 )差分运算放大器还包括共模负反馈电路，共模负反馈电路包括高增益级和有源 前馈放大级。共模负反馈电路一端输入连接到差分运算放大器的第一输出节点和第二输出 节点；共模负反馈电路的另一端输入连接参考电压节点；共模负反馈电路通过高增益级产 生第一反馈控制参数连接到差分放大器的第一增益级，以控制第一增益级和第二增益级的 输出共模电压；进一步，共模负反馈电路通过有源前馈电路产生第二反馈控制参数直接第 二增益级的输出共模电压。
[0014] 6)共模负反馈电路的高增益级的输入端一边连接到第一输出节点和第二输出节 点，另一边连接到参考电压节点。输入信号通过第一输出节点和第二输入节点进入差分放 大增益级，把差分增益级的输出结果导入第二增益级，对应的产生第一输出结果和第二输 出结果，利用第一输出结果和第二输出结果形成反馈控制参数，达到使得差分运算放大器 差分增益级的共模输出电压稳定在参考电压附近。高增益级的输出形成第一反馈控制参 数，用以控制差分运算放大器的第一增益级的共模输出电压。
[0015] 7)共模负反馈电路的高增益级包括两个共源差分对管，两个源级分别通过电流源 接地；漏极分别交叉对接，通过两个与差分对管互补的栅漏互接晶体管连接到电源。其中的 一个漏极，也就是第一反馈控制参数，连接到差分运算放大器的第一增益级，用来控制第一 输出节点和第二输出节点的共模电压。共源差分对管的第一个晶体管的栅极分别接到第一 输出节点和第二输出节点；共源差分对管的第一个晶体管的漏极连接在一起，并通过栅漏 相连的负载管接到电源；进一步，共源差分对管的第一个晶体管的相连的漏极形成第一反 馈控制参数；共源差分对管的另外一个晶体管的栅极共同连接到参考电压节点；对应的， 共源差分对管的另外一个晶体管的漏极连接在一起，也通过栅漏相连的负载管接到电源。
[0016] 8)共模负反馈电路的有源前馈级由共源差分对管组成，其输入端分别连接到差分 运算放大器的第一输出节点和第二输出节点。有源前馈级的共源差分对管共源端接地，漏 极连接在一起组成输出端。输出端也就是第二反馈控制参数，连接到差分运算放大器主放 大器的电路A和电路B的共源端，用来稳定差分运算放大器的第二增益级的输出共模电压。
[0017] 本实用新型的有益效果是：克服了现有的密勒频率补偿方法由于引入密勒电容 而引起的多级差分运算放大器零极点分离，进而限制了差分运算放大器的单位增益带宽问 题，提高了差分运算放大器的单位增益带宽；又因为完全不需要密勒补偿电容，发明同时 减小了运算放大器的芯片实现面积。进一步，本实用新型在全差分运算放大器的共模负反 馈回路中采用同样的有源前馈电路作为频率补偿，设计合适的有源前馈电路结构和设计参 数，从而使得共模负反馈电路和主放大电路的单位增益带宽性能相匹配，保证了全差分运 算放大器的闭环稳定性和可靠性。
【专利附图】
【附图说明】
[0018] 图1为本实用新型主差分放大电路结构示意图。
[0019] 图2为本实用新型有源前馈电路小信号分析电路示意图。
[0020] 图3为本实用新型共模负反馈电路结构示意图。
[0021] 图中：5_第一增益级第一输入节点；6-第一增益级第二输入节点；10-共模负反 馈端节点；11-第一增益级第一 NM0S晶体管；12-第一增益级第二NM0S晶体管；13-电流 源NM0S晶体管；15-第一增益级第一负载PM0S晶体管；16-第一增益级第二负载PM0S晶体 管；20-节点；21-第二增益级第一 PM0S晶体管；22-第二增益级第二PM0S晶体管；23-第 一前馈NM0S晶体管；24-第二前馈NM0S晶体管；25-有源前馈级第一 NM0S晶体管；26-有 源前馈级第二NM0S晶体管；31-第二增益级第一输出节点；32-第二增益级第二输出节点； 41-共模负反馈第一负载PM0S管；42-共模负反馈第二负载负载PM0S管；43-共模负反馈 第一 NM0S晶体管；44-共模负反馈第二NM0S晶体管；45-共模负反馈第三NM0S晶体管； 46-共模负反馈第四NM0S晶体管；47-共模负反馈第五NM0S晶体管；48-共模负反馈第六 NM0S晶体管。
【具体实施方式】
[0022] 下面结合附图对本实用新型的优选实施例进行详细介绍。
[0023] 参考图1，全差分放大器的第一增益级包括共源差分对管，第一增益级第一 NM0S 晶体管11，第一增益级第二NM0S晶体管12 ;第一增益级第一负载PM0S晶体管15,第一增 益级第二负载PM0S晶体管16 ;以及电流源NM0S晶体管13。其中第一增益级第一负载PM0S 晶体管15、第一增益级第二负载PM0S晶体管16源级接电源vdd ;电流源NM0S晶体管13源 级接地。第一增益级第一 NM0S晶体管11、第一增益级第二NM0S晶体管12的栅极分别接差 分运算放大器的第一增益级第一输入节点5和第一增益级第二输入节点6。第一增益级第 一负载PM0S晶体管15、第一增益级第二负载PM0S晶体管16的栅极共同接到共模负反馈端 节点10。
[0024] 第一增益级第一 NM0S晶体管11和第一增益级第一负载PM0S晶体管15的漏极互 连，并连接到第二增益级第一 PM0S晶体管21的栅极。类似的，第一增益级第二NM0S晶体 管12和第一增益级第二负载PM0S晶体管16的漏极互连，并连接到第二增益级第二PM0S 晶体管22的栅极。第二增益级第一 PMOS晶体管21、第二增益级第二PMOS晶体管22的源 级连接到电源vdd，漏极分别连接到第二增益级第一输出点节点31和第二增益级第二输出 节点32。
[0025] 第二增益级第一输出节点31和第二增益级第二输出节点32分别连接到第一前馈 NM0S晶体管23和第二前馈NM0S晶体管24的漏极。第一前馈NM0S晶体管23和第二前馈 NM0S晶体管24的栅极分别交叉耦合到差分运算放大器的第一增益级第一输入节点6和第 一增益级第二输入节点5。第一前馈NM0S晶体管23和第二前馈NM0S晶体管24的源级连 接在一起，接到节点20。进一步，节点20会连接到图3的共模负反馈的第二反馈参数。
[0026] 现有的差分运算放大器中会采用密勒电容连接在第二增益级第一 PM0S晶体管 21、第二增益级第二PM0S晶体管22的漏极和栅极实现频率补偿。本实用新型采用第一前 馈NM0S晶体管23和第二前馈NM0S晶体管24实现频率补偿，而无需密勒电容。
[0027] 为了便于理解，现以交流小信号分析对本实用新型做进一步的描述：图1可看做 两级放大器，它的小信号电路如图2所示，其中g mi(i=l，2，3)代表第一增益级第一 NM0S 晶体管11，第一增益级第二NM0S晶体管12,第二增益级第一 PM0S晶体管21、第二增益级第 二PM0S晶体管22,和第一前馈NM0S晶体管23和第二前馈NM0S晶体管24的跨导；ι· Μ、CQi 分别代表第一和第二增益级的输出节点的总共输出电导和电容值i(i=l，2)。两级主差分 放大电路的传输函数可以表示为：
[0028]
【权利要求】
1. 一种有源前馈电路构成频率补偿的差分运算放大器，其特征是包括第一增益级、第 二增益级以及有源前馈放大级；其中，第一增益级是一级差分放大电路，包含第一输入节 点和第二输入节点；第二增益级是简单共源单管差分放大电路，包含第一输出节点和第二 输出节点；有源前馈放大级由电路A和电路B组成：电路A包括一个控制节点耦合到第一输 入节点以及一条控制路径耦合到第二输出节点；电路B包括一个控制节点耦合到第二输入 节点以及一条控制路径耦合到第一输出节点；输入信号通过第一输出节点和第二输入节点 进入差分放大增益级，把差分增益级的输出结果导入第二增益级，对应的产生第一输出结 果和第二输出结果，利用有源前馈电路进行频率补偿：通过第一输入节点信号控制第二输 出结果，通过第二输入节点信号控制第一输出结果。
2. 根据权利要求1所述的差分运算放大器，其特征是还包含共模负反馈电路一端输入 连接到差分运算放大器的第一输出节点和第二输出节点；共模负反馈电路的另一端输入连 接参考电压节点；共模负反馈电路通过高增益级产生第一反馈控制参数连接到差分放大器 的第一增益级，以控制第一增益级和第二增益级的输出共模电压；进一步，共模负反馈电路 通过有源前馈电路产生第二反馈控制参数直接第二增益级的输出共模电压。
3. 根据权利要求1所述的差分运算放大器，其特征是第一增益级包括共源差分对管； 差分对管的共源端通过电流源接地；差分对管的漏极通过负载管接电源；负载管为差分对 管的互补晶体管。
4. 根据权利要求1所述的差分运算放大器，其特征是第二增益级包括共源单管差分放 大电路；其共源端接电源，漏极分别接差分运算放大器的第一输出节点和第二输出节点。
5. 根据权利要求1所述的差分运算放大器，其特征是所述电路A和电路B的控制信号 路径延伸连接到对应的输出端和一个共同节点；这个共同节点分别通过受第一输出节点和 第二输出节点控制的有源晶体管接地。
6. 根据权利要求2所述的差分运算放大器，其特征是所述的共模负反馈电路包括两对 共源差分对管；共源差分对管的第一个晶体管的栅极分别接到第一输出节点和第二输出节 点；共源差分对管的第一个晶体管的漏极连接在一起，并通过栅漏相连的负载管接到电源； 进一步，共源差分对管的第一个晶体管的相连的漏极形成第一反馈控制参数；共源差分对 管的另外一个晶体管的栅极共同连接到参考电压；对应的，共源差分对管的另外一个晶体 管的漏极连接在一起，也通过栅漏相连的负载管接到电源。
7. 根据权利要求2所述的差分运算放大器，其特征是所述的共模负反馈电路包括高 增益级，它的一端输入接到第一输出节点和第二输出节点，另一端输入接到参考节点；高增 益级的输出形成第一反馈控制参数，用以控制差分运算放大器的第一增益级的共模输出电 压。
8. 根据权利要求2或7所述的差分运算放大器，其特征是所述的共模负反馈电路包括 有源前馈级，它的输入连接到差分运算放大器的第一输出节点和第二输出节点；有源前馈 级的输出形成第二反馈控制参数，连接到差分运算放大器的有源前馈电路A和电路B的共 源端。
【文档编号】H03F3/45GK204103873SQ201420626360
【公开日】2015年1月14日 申请日期:2014年10月28日 优先权日:2014年10月28日
【发明者】李梦雄 申请人:李梦雄