CN101453195A - 使用接地电容增进共模回授稳定性的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种共模回授电路，藉由增加补偿单元来补偿具有共模回授电路的放大器，使放大器的频率响应具有两个极点与一个零点，不但不牺牲放大器的增益值，且改善了相位边际与增加电路的稳定性。

Description

使用接地电容增进共模回授稳定性的方法

技术领域

本发明涉及一种放大器，特别是涉及一种具有共模回授(common-modefeedback)电路的放大器。

背景技术

一般具有回授电路的全差动运算放大器(fully differential operationalamplifier)，其回授电路只能决定全差动运算放大器的差动输出电压(differential output voltage)大小，而不能影响其共模输出电压，因此，全差动运算放大器需要一个额外电路来控制共模输出电压，使该共模输出电压Vcmo趋近于一参考电压值(通常为二个工作电压的中间值)，请参考图1，图1为具有共模回授电路的全差动运算放大器100，其包含全差动运算放大器110，共模检测器120，以及共模回授放大器130。而共模检测器120，以及共模回授放大器130构成一共模回授电路，其详细操作原理，请参考Gray.etal，“Analysis and Design of Analog Integrated Circuits”4th Ed，2001，wiley.PP.816-835以及Razavi，“Design of Analog CMOS Integrated Circuits”2001，McGraw Hill.PP.314-324.。

由于具有共模回授电路的全差动运算放大器100必须做适当的补偿，否则，当共模输出电压V_cmo被参入噪声之后，易导致共模输出电压V_cmo产生震荡(oscillate)现象，以下介绍两种常见的共模回授电路的补偿方式，第一种补偿方式是采用源级退化(source degeneration)方式，通过在共模回授放大器130的二个输入端的两晶体管，增加一电阻，藉由降低共模回授放大器130的增益来增加其稳定性，第二种补偿方式是将全差动运算放大器110的控制电流的电流量减少为原来的1/N倍(N为正整数，N>>1)，来增加整体电路的稳定性，请参考图2，图2为利用此两种补偿方式的共模回授电路，补偿前与补偿后的放大器频率响应比较图，由图可知，此两种补偿方式会使得补偿后的频率响应牺牲增益，以换取整体电路的稳定性。

发明内容

有鉴于上述问题，本发明的主要目的之一在于提供一种共模回授电路的补偿装置，使补偿后的整体电路的频率响应，相较于补偿前的频率响应，增加了一个极点与一个零点，不但使增益值维持不变，并改善了相位边际以及增加电路的稳定性。

为实现上述的目的，本发明披露了一种放大器，包含一运算放大器，具有一第一输出端及一第二输出端，用来放大一输入讯号并输出一输出讯号；一共模检测器，耦接至该第一、第二输出端，用来检测该输出讯号的一共模输出电压；以及一共模回授放大器，包含：一第一晶体管，用来接收该共模输出电压；一第二晶体管，用来接收一参考电压；以及一第一补偿电容，用来补偿该放大器。

附图说明

图1为已知具有共模回授电路的的全差动运算放大器。

图2为已知共模回授电路的补偿前与补偿后，放大器的频率响应比较图。

图3为本发明共模回授电路的补偿前与补偿后，放大器的频率响应比较图。

图4为本发明第一实施例的放大器。

图5为本发明第二实施例的放大器。

图6为本发明第三实施例的放大器。

图7为本发明第四实施例的放大器。

图8为本发明第五实施例的放大器。

附图符号说明：

100、400、500、600、700、800放大器

120、420共模检测器

130、430、530、630、730、830共模回授放大器

440、540、640、740、840共模回授电路

431电流源

110全差动运算放大器

432、433PMOS晶体管

434、435NMOS晶体管

C₁、C₂、C₃电容

R、R₁、R₂、R₃电阻

Z₁、Z₂、Z₃、Z₄、Z₅补偿单元

具体实施方式

图3显示本发明共模回授电路的补偿前与补偿后的频率响应比较图，补偿前的频率响应曲线原本有两个极点P₁、P₂，若要共模回授电路的频率响应的增益值维持不变，可藉由增加一个极点P₃与一个零点N₁来改善相位边际以及增加电路的稳定性，如图3中补偿后频率响应曲线共具有两个极点P₁、P₃与一个零点N₁，而补偿前的极点P₂已被移动至更高频的部份。因此，本发明利用一个额外的补偿电路来达到产生极点P₃与零点N₁的目的，而实施该补偿电路是由电容、电阻组合而成，如以下的五个实施例。

请参考图4，图4为本发明第一实施例的放大器，放大器400包含一全差动运算放大器110，一共模检测器420，共模回授放大器430，以及一补偿单元Z₁，其中，共模检测器420，以及共模回授放大器430形成一共模回授电路440，全差动运算放大器110为两级式运算放大器(Two Stage OPAmplifier)，用来放大一输入讯号V_in以输出一差动讯号(V_on-V_op)，共模检测器420包含两相同电阻值的电阻R₁，两相同电容值的电容C₁，其用来检测全差动运算放大器110的两输出端V_on、V_op的共模输出电压(V_cmo＝(V_on+V_op)/2)，而共模回授放大器430，包含一电流源431，二个PMOS晶体管432、433、二个NMOS晶体管434、435。电流源431用来提供一电流至该共模回授放大器430，该共模回授放大器430藉由晶体管433接收一参考电压V_ref以及藉由晶体管432接收该共模输出电压V_cmo以产生一控制讯号(晶体管432漏极端的讯号)至该全差动运算放大器110，该控制讯号用来调整该共模输出电压V_cmo使得共模输出电压V_cmo等于该参考电压V_ref。而本发明的第一实施例，其补偿单元Z₁为一补偿电容C₂，耦接至晶体管432的栅极与工作电压V_ss之间，用来补偿该放大器400。共模回授放大器430在增加补偿电容C₂之后，所新产生的极点P₃与零点N₁，可由以下的转移函数(transfer function)来表示：

$T\left(s\right)=\frac{V_{\mathrm{cmo}}}{(V_{\mathrm{op}}+V_{\mathrm{on}})/2}=\frac{\frac{1}{{\mathrm{sC}}_2}}{R_1//C_1+\frac{1}{{\mathrm{sC}}_2}}=\frac{\frac{1}{{\mathrm{sC}}_2}}{\frac{R_1}{1+{\mathrm{sR}}_1{C}_1}+\frac{1}{{\mathrm{sC}}_2}}$

$=\frac{1+{\mathrm{sR}}_1{C}_1}{1+{\mathrm{sR}}_1(C_1+C_2)}$

其中，零点N₁频率 ${\mathrm{\ω}}_{N1}=\frac{1}{R_1{C}_1},$ 极点P₃频率 ${\mathrm{\ω}}_{p3}=\frac{1}{R_1(C_1+C_2)}.$

根据上述的转移函数T(s)可知，藉由调整补偿电容C₂的电容值，可以使得零点N₁频率ω_N1高于极点P₃频率ω_p3数倍，而补偿电容C₂的电容值越大，相位边际越佳，代表放大器400越稳定。另外，零点N₁频率ω_N1与极点P₃频率ω_p3的位置必须位于补偿前曲线的单一增益(unit gain)频率之前才有意义。

参考图5，图5为本发明第二实施例的放大器500，本实施例与第一实施例不同的地方在于，共模回授放大器530，在于二个节点E、F(晶体管432、433的漏极)之间增加了一补偿单元Z₂以补偿共模回授放大器530，而补偿单元Z₂包含二个补偿电容C₃与一个补偿电阻R₂。补偿前的共模回授放大器530的增益A_V1＝g_mr₀，其中，g_m、r₀分别为PMOS晶体管432的电导(conductance)与NMOS晶体管434输出电阻。而增加补偿单元Z₂之后的共模回授放大器530的增益

$A_{V2}=g_m(r_0//Z_2)=g_m(r_0//(\frac{1}{{\mathrm{sC}}_3}+R_2))=g_m\frac{{\mathrm{sR}}_2{C}_3{r}_0+r_0}{s(R_2{C}_3+r_0{C}_3)+1}$

其中，零点N₁频率 ${\mathrm{\ω}}_{N1}=\frac{1}{R_2{C}_3},$ 极点P₃频率 ${\mathrm{\ω}}_{p3}=\frac{1}{C_3(R_2+r_0)}.$

因此，在增加补偿单元Z₂之后，共模回授放大器530所产生的补偿后曲线不但与补偿前曲线维持了相同的增益值(如图3所示)，同时还增加了一个极点与一个零点，所以补偿后曲线的相位边际比补偿前曲线更理想。再根据上述的增益A_V2可知，藉由调整补偿电阻R₂及r₀的比例，可以使得零点N₁频率高于极点P₂频率数倍，而补偿电阻r₀的阻值越大，相位边际越佳，代表放大器500越稳定。

参考图6，图6为本发明第三实施例的放大器600。本实施例与前述的两实施例不同的地方，在于节点G与接地电压V_ss之间增加了一个补偿单元Z₃以补偿共模回授放大器630，而补偿单元Z₃包含一补偿电容C₃与一补偿电阻R₂，补偿电阻R₂分别耦接至补偿电容C₃及晶体管432的漏极，且补偿电容C₃的另一端耦接至工作电压V_ss。值得注意的是，在共模回授放大器530中是利用差动架构的补偿单元Z₂来达到增加极点P₃与零点N₁的目的，而在共模回授放大器630中则是利用单端(single ended)架构的补偿单元Z₃来达到此目的，至于共模回授放大器630与共模回授放大器530所推导出来的增益A_V2完全相同，在此不再多作叙述。

参考图7，图7为本发明第四实施例的放大器700。与前述的实施例比较，共模回授放大器730除了在二个节点T、S之间(晶体管432、433漏极)增加了一个补偿单元Z₄以补偿共模回授放大器730的外，NMOS晶体管434、435的连接方式也不同。补偿单元Z₄包含二个补偿电容C₃、一补偿电阻R₂与二个相同补偿电阻R₃，而二个补偿电阻R₃分别位于NMOS晶体管434的漏极与栅极之间，以及NMOS晶体管435的漏极与栅极之间。

由下列推导可计算出加入补偿单元Z₄之后的共模回授放大器730的增益

$A_{V3}=g_m(r_0//Z_4)=g_m(r_0//(\frac{1}{{\mathrm{sC}}_3}+R_2)//R_3),$ 假设R₃<<r₀

$A_{V3}=g_m\frac{{\mathrm{sR}}_2{C}_3{R}_3+R_3}{{\mathrm{sR}}_2{C}_3+{\mathrm{sR}}_3{C}_3+1}$

其中，零点N₁频率 ${\mathrm{\&omega;}}_{N1}=\frac{1}{R_2{C}_3},$ 极点P₃频率 ${\mathrm{\&omega;}}_{p3}=\frac{1}{C_3(R_2+R_3)}.$

由上述的增益A_V3可知，藉由调整补偿电阻R₂、R₃的比例，可以使得零点N₁频率高于极点P₃频率数倍，而补偿电阻R₃的阻值越大，相位边际越佳，代表放大器700越稳定。比较上述二个增益A_V2、A_V3，共模回授放大器430中的电阻r₀是必需藉由程序仿真才能知道的值，而非一个真正的电阻，至于共模回授放大器730中的补偿电阻R₃则是一个确切的值，若假设R₃<<r₀，所以加入补偿电阻R₃之后的共模回授放大器730，在推导增益A_V3时可以取代电阻r₀。

参考图8，图8为本发明第五实施例的放大器800。与前述实施例比较，共模回授放大器830在节点X、Y与接地电压V_ss之间增加了一个补偿单元Z₅以补偿共模回授放大器830，而补偿单元Z₅包含一补偿电容C₃、二个相同补偿电阻R₃与一补偿电阻R₂，其中，补偿电容C₃与补偿电阻R₂的连接方式与图6一样，二个补偿电阻R₃的连接方式与图7一样。至于共模回授放大器830与共模回授放大器730所推导出来的增益A_V3完全相同，在此不再多作叙述。

以上实施例虽以金属氧化物半导体场效晶体管(MOSFET)作为例子，但本发明不因此而受限，在实际应用时，共模回授放大器430、530、630、730、830中由PMOS晶体管432、433所组成的PMOS差动放大器，可利用二个PNP双载子接面晶体管(bipolar junction transistor，BJT)来替代，同时，二个NMOS晶体管434、435可利用二个NPN双载子接面晶体管来替代，若共模回授电路的晶体管是以双载流子结型晶体管来实施时，则全差动运算放大器110中的晶体管也必须配合以双载流子结型晶体管来实施，另外，由于共模回授电路440用来提供一参考电压，使得输出共模电压(各实施例中的A点)，实值上等于该参考电压，其参考电压的产生方法可利用一参考电压产生器或是电阻分压方式来产生，亦属本发明的范畴。

以上虽以实施例说明本发明，但并不因此限定本发明的范围，只要不脱离本发明的要旨，本领域的技术人员可进行各种变形或变更。

Claims (20)

1.一种放大器，包含：

一运算放大器，具有一第一输出端及一第二输出端，用来放大一输入讯号并输出一输出讯号；

一共模检测器，耦接至该第一、第二输出端，用来检测该输出讯号的一共模输出电压；以及

一共模回授放大器，用来依据一参考电压以产生一控制讯号至该运算放大器，包含：

一第一晶体管，用来接收该共模输出电压；

一第二晶体管，用来接收该参考电压；以及

一第一补偿电容，用来补偿该放大器。

2.如权利要求1所述的放大器，其中该共模检测器包含：

一第一电阻，耦接至该第一输出端；

一第二电阻，耦接至该第二输出端及该第一电阻；

一第一电容，耦接至该第一输出端；以及

一第二电容，耦接至该第二输出端及该第一电容；

其中，该第一、第二电阻的电阻值实质上相等，该第一、第二电容的电容值实质上相等。

3.如权利要求1所述的放大器，其中该第一补偿电容耦接至该第一晶体管的栅极及一工作电压。

4.如权利要求1所述的放大器，其中该回授放大器还包含：

一第一补偿电阻，用来补偿该放大器。

5.如权利要求4所述的放大器，其中该第一补偿电阻耦接至该第一晶体管的漏极，该第一补偿电容耦接至该第一补偿电阻及一工作电压。

6.如权利要求4所述的放大器，其中该回授放大器还包含：

一第二补偿电容，用来补偿该放大器；

其中，该第一补偿电阻，耦接至该第一、第二补偿电容；

该第一、第二补偿电容分别耦接至该第一、二晶体管的漏极；以及

该第一、第二补偿电容的电容值实质上相等。

7.如权利要求6所述的放大器，其中该回授放大器还包含：

一第二补偿电阻，耦接至该第一晶体管的漏极；以及

一第三补偿电阻，耦接至该第二晶体管的漏极及该第二补偿电阻；

其中，该第二、第三补偿电阻的电阻值实质上相等。

8.如权利要求5所述的放大器，其中该回授放大器还包含：

一第二补偿电阻，耦接至该第一晶体管的漏极；以及

一第三补偿电阻，耦接至该第二晶体管的漏极及该第二补偿电阻；

其中，该第二、第三补偿电阻的电阻值实质上相等。

9.如权利要求1所述的放大器，其中该回授放大器还包含：

一第一电流源，耦接至该第一、第二晶体管，用来提供一电流至该回授放大器。

10.如权利要求1所述的放大器，其中该共模输出电压实质上等于该参考电压。

11.一种放大器，包含：

一放大电路，具有一第一输出端及一第二输出端，用来放大一输入讯号并输出一输出讯号，其中该输出讯号具有一共模输出电压；

一共模检测器，偶接至该第一、第二输出端，用来检测该输出讯号的该共模输出电压；

一回授电路，用来接收该共模输出电压及一参考电压，以产生一控制讯号至该放大电路，其中该控制讯号用来调整该输出讯号的该共模输出电压；以及

一补偿单元，耦接至该共模回授电路，用以补偿该放大器，其中该补偿单元包含至少一电容。

12.如权利要求11所述的放大器，其中该共模检测器包含：

一第一电阻，耦接至该第一输出端；

一第二电阻，耦接至该第二输出端及该第一电阻；

一第一电容，耦接至该第一输出端；以及

一第二电容，耦接至该第二输出端及该第一电容；

其中，该第一、第二电阻的电阻值实质上相等，该第一、第二电容的电容值实质上相等。

13.如权利要求11所述的放大器，其中该补偿单元还包含至少一电阻，用来补偿该放大器。

14.如权利要求13所述的放大器，其中该电容耦接至该电阻及一工作电压。

15.如权利要求14所述的放大器，其中该补偿单元还包含：

一第二电容，用来补偿该放大器；

其中，该电阻，耦接至该电容及该第二电容；

该电容及该第二电容的电容值实质上相等。

16.如权利要求15所述的放大器，其中该补偿单元还包含：

一第二电阻，用来补偿该放大器；以及

一第三电阻，用来补偿该放大器；

其中，该第二、第三电阻分别耦接至该电容及该第二电容；

该第二、第三电阻的电阻值实质上相等。

17.如权利要求15所述的放大器，其中该补偿单元还包含：

一第二电阻，用来补偿该放大器；以及

一第三电阻，用来补偿该放大器；

其中，该第二电阻耦接至该第三电阻及该电阻；

该第二、第三电阻的电阻值实质上相等。

18.如权利要求11所述的放大器，其中该共模输出电压实质上等于该参考电压。

19.如权利要求11所述的放大器，其中该放大电路为一全差动运算放大器。

20.如权利要求11所述的放大器，其中该放大器的频率响应具有两极点及一零点。

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