CN104052412A - 一种改进型米勒补偿放大器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种改进型米勒补偿放大器，其包括跨导放大器、补偿电容、补偿电阻、NMOS晶体管和偏置电流源。跨导放大器的负相输入端与输入信号相连，其正相输入端与米勒补偿放大器的输出端相连，其输出端经补偿电阻与NMOS晶体管的栅极相连；偏置电流源连接于电源端和NMOS晶体管的漏极之间，其向NMOS晶体管的漏极注入电流；补偿电容的一端与NMOS晶体管的栅极相连，其另一端与NMOS晶体管的漏极相连，NMOS晶体管的源极与接地端相连；电流源与NMOS晶体管之间的连接节点与米勒补偿放大器的输出端相连。与现有技术相比，本发明在第一级放大级和第二级放大级之间串接补偿电阻，这样，在实现相同主极点位置的情况下，需要的补偿电容的电容值更小，从而可以减小补偿电容的面积。

Description

一种改进型米勒补偿放大器

【技术领域】

本发明涉及电路设计领域，特别涉及一种改进型米勒补偿(MillerCompensation)放大器。

【背景技术】

在集成电路中经常采用信号放大电器(或信号放大电路)，为了保证信号输出稳定，需进行环路稳定性补偿，一般常采用米勒补偿放大器，其优点之一为，可以大大减小补偿电容的面积。

请参考图1所示，其为现有技术中的一种米勒补偿的两级信号放大器，其中，跨导放大器GM形成第一级放大级，NMOS(N-Mental-Oxide-Semiconductor)晶体管MN和偏置电流源Ib形成第二级放大级，第一电阻R1和第二电阻R2分别代表第一级放大级和第二级放大级的寄生电阻，第一电容C1和第二电容C2分别代表第一级放大级和第二级放大级的寄生电容，Cx为补偿电容。该两级信号放大器产生的主极点P1＝1/(R1*A2*Cx)，次极点P2＝gm2/C2，右半平面零点Z1＝gm2/Cx，第二级增益A2＝gm2*R2，其中，R1为第一电阻R1的阻值，R2为第二电阻R2的阻值，gm1是第一级放大级(即跨导放大器GM)的跨导，gm2第二级放大级的跨导，C2为第二电容C2的电容值，Cx为补偿电容的电容值。由于受电路每级最大增益以及匹配性的限制，一般电路中的补偿电容Cx需要10pF～20pF以上(1pF＝1000fF)，即便如此，补偿电容Cx还是会占据很大的面积，并且补偿电容Cx增大一倍，补偿的主极点却只减小到之前的一半。

因此，有必要提供一种改进的技术方案来克服上述问题。

【发明内容】

本发明的目的在于提供一种改进型米勒补偿放大器，其可以减小补偿电容的面积。

为了解决上述问题，本发明提供一种改进型米勒补偿放大器，其包括跨导放大器、补偿电容、补偿电阻、NMOS晶体管和偏置电流源。所述跨导放大器的负相输入端与输入信号相连，其正相输入端与米勒补偿放大器的输出端相连，其输出端经补偿电阻与所述NMOS晶体管的栅极相连；偏置电流源连接于电源端和所述NMOS晶体管的漏极之间，其向所述NMOS晶体管的漏极注入电流；补偿电容的一端与所述NMOS晶体管的栅极相连，其另一端与所述NMOS晶体管的漏极相连，所述NMOS晶体管的源极与接地端相连；所述电流源与NMOS晶体管之间的连接节点与米勒补偿放大器的输出端相连。

进一步的，所述改进型米勒补偿放大器还包括零点移动电阻，该零点移动电阻连接于NMOS晶体管栅极与所述补偿电容未和所述NMOS晶体管漏极相连的一端之间。

进一步的，所述改进型米勒补偿放大器还包括连接于米勒补偿放大器的输出端和跨导放大器的负相输入端之间的反馈电路，所述反馈电路向所述负相输入端提供反映米勒补偿放大器的输出端电压的反馈电压。

进一步的，所述反馈电路包括依次串联于所述米勒补偿放大器的输出端和接地端之间的第一分压电阻和第二分压电阻，第一分压电阻和第二分压电阻之间的连接节点电压为所述反馈电压。

进一步的，所述跨导放大器的输出端形成有寄生电阻和寄生电容，米勒补偿放大器的输出端形成有寄生电阻和寄生电容或负载电容。

本发明提供另一种改进型米勒补偿放大器，其包括跨导放大器、补偿电容、补偿电阻、PMOS晶体管和偏置电流源。所述跨导放大器的负相输入端与输入信号相连，其正相输入端与米勒补偿放大器的输出端相连，其输出端经补偿电阻与所述PMOS晶体管的栅极相连；偏置电流源连接于接地端和所述PMOS晶体管的漏极之间，其从所述PMOS晶体管MP的漏极抽取电流；补偿电容的一端与所述PMOS晶体管的栅极相连，其另一端与所述PMOS晶体管的漏极相连，所述PMOS晶体管的源极与电源端相连；所述电流源与PMOS晶体管之间的连接节点与米勒补偿放大器的输出端相连。

进一步的，所述改进型米勒补偿放大器还包括零点移动电阻，该零点移动电阻连接于PMOS晶体管栅极与所述补偿电容未和所述PMOS晶体管漏极相连的一端之间。

进一步的，所述改进型米勒补偿放大器还包括连接于米勒补偿放大器的输出端和跨导放大器的负相输入端之间的反馈电路，所述反馈电路向所述负相输入端提供反映米勒补偿放大器的输出端电压的反馈电压。

进一步的，所述反馈电路包括依次串联于所述米勒补偿放大器的输出端和接地端之间的第一分压电阻和第二分压电阻，第一分压电阻和第二分压电阻之间的连接节点电压为所述反馈电压。

进一步的，所述跨导放大器的输出端形成有寄生电阻和寄生电容，米勒补偿放大器的输出端形成有寄生电阻和寄生电容或负载电容。

与现有技术相比，本发明在第一级放大级和第二级放大级之间串接补偿电阻，这样，在实现相同主极点位置的情况下，需要的补偿电容的电容值更小，从而可以减小补偿电容的面积，进而节省芯片成本。

【附图说明】

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。其中：

图1为现有技术中的一种米勒补偿的两级信号放大器的电路示意图；

图2为本发明在第一个实施例中的改进型米勒补偿放大器的电路示意图；

图3为本发明在第二个实施例中的改进型零点移动米勒补偿放大器的电路示意图；

图4为本发明在第三个实施例中的改进型米勒补偿放大器的电路示意图；

图5为本发明在第四个实施例中的改进型零点漂移米勒补偿放大器的电路示意图。

【具体实施方式】

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

此处所称的“一个实施例”或“实施例”是指可包含于本发明至少一个实现方式中的特定特征、结构或特性。在本说明书中不同地方出现的“在一个实施例中”并非均指同一个实施例，也不是单独的或选择性的与其他实施例互相排斥的实施例。除非特别说明，本文中的连接、相连、相接的表示电性连接的词均表示直接或间接电性相连。

由于在集成电路制造工艺中，20uM*20uM面积可以制造的电容大小大约为：PIP(Poly-Insulation-Poly)类型的300fF；MOS类型的800fF；MIM(Metal-Insulation-Metal)类型的800fF，而同样20uM*20uM的面积制造的高阻值电阻可达500K欧姆以上，因此，本发明在第一级放大级和第二级放大级之间串接补偿电阻，这样，在实现相同主极点位置的情况下，需要的补偿电容的电容值更小，从而可以减小补偿电容的面积，进而节省芯片成本。

请参考图2所示，其为本发明在第一个实施例中的改进型米勒补偿放大器的电路示意图。该改进型米勒补偿放大器为米勒补偿两级信号放大器，其包括跨导放大器GM、补偿电容Cxx、补偿电阻Ra、NMOS晶体管MN和偏置电流源Ib。所述跨导放大器GM的负相输入端与输入信号VI相连，其正相输入端与米勒补偿放大器的输出端VO相连，其输出端经补偿电阻Ra与所述NMOS晶体管MN的栅极相连；偏置电流源Ib连接于电源端VCC和所述NMOS晶体管MN的漏极之间，其向所述NMOS晶体管MN的漏极注入电流；补偿电容Cxx的一端与所述NMOS晶体管MN的栅极相连，其另一端与所述NMOS晶体管MN的漏极相连，所述NMOS晶体管MN的源极与接地端GND相连；所述电流源Ib与NMOS晶体管MN之间的连接节点与米勒补偿放大器的输出端VO相连。其中，跨导放大器GM形成第一级放大级，NMOS晶体管MN和偏置电流源Ib形成第二级放大级(即第二级放大级为NMOS型的共源极放大级)，第一电阻R1和第二电阻R2分别代表第一级放大级和第二级放大级的寄生电阻，第一电容C1代表第一级放大级的寄生电容，第二电容C2代表第二级放大级的寄生电容或负载电容。

图2所示的改进型米勒补偿放大器的开环传递函数为：H(s)＝-A(1-s*Cxx/gm2)/((1+s*R1*A2*(1+Ra/R1)*Cxx)*(1+s*C2/gm2))，

其中，A＝gm1*R1*gm2*R2,第二级增益A2＝gm2*R2，主极点P1_1＝1/(R1*A2*(1+Ra/R1)*Cxx)，次极点P2_2＝gm2/C2(与现有技术相同)，右半平面零点Z1＝gm2/Cxx，R1为第一寄生电阻R1的阻值，R2为第二寄生电阻R2的阻值，gm1是跨导放大器GM的跨导，gm2第二级放大级的跨导，C2为第二寄生或负载电容C2的电容值，Cxx为补偿电容Cxx的电容值。

如果本发明的主极点位置P1_1和图1中的米勒放大器的主极点位置P1相同，则需要的补偿电容Cxx＝(1/(1+Ra/R1))*Cx，即通过在第一级放大级和第二级放大级之间引入补偿电阻Ra可减小补偿电容的面积；同时，次极点和零点往高频挪动，更有利于环路稳定。此外，与现有技术相比，本发明中的补偿电容增大一倍，补偿的主极点减小的更多。

在一个具体示例中，假设gm1＝gm2＝40uS，R1＝R2＝2.5Mohm，图1所示的现有技术中的补偿电容Cx为10pF(面积为20uM*20uM的MOS电容12.5个)，如果补偿电阻Ra＝500Kohm(占据面积20uM*20uM，一个电容面积)，则本发明需要的补偿电容Cxx的电容面积为20uM*20uM的MOS电容10个，外加一个补偿电阻Ra，补偿电容Cxx和补偿电容Ra的总面积为11个20uM*20uM，较现有技术中的补偿电容Cx少1个MOS电容面积；如果现有技术的补偿电容Cx为20pF(面积为20uM*20uM的MOS电容25个)，补偿电阻Ra＝500Kohm，则采用本发明需要的补偿电容Cxx和补偿电阻Ra的总面积为22个20uM*20uM，如果补偿电阻Ra＝1Mohm，则需要的总共面积为20个20uM*20uM，可见，需要的补偿电容的电容值越大，则采用本发明越有益，与现有技术相比，补偿电容减小的面积更大。

请参考图3所示，其为本发明第二个实施例中的改进型零点移动米勒补偿放大器的电路示意图。其与图2的区别在于，其还包括零点移动电阻Rx，该零点移动电阻Rx连接于NMOS晶体管MN的栅极与所述补偿电容Cxx未和所述NMOS晶体管MN漏极相连的一端之间，通过零点移动电阻Rx可以将右半平面零点向高频或左半平面移动，即图3中的米勒补偿放大器的零点为Z2＝1/(Rx-1/gm2)*Cxx，当Rx-gm2>0时，该零点位于左半平面，其中Rx为零点移动电阻RX的电阻值。图3所示的改进型零点漂移米勒补偿放大器的主极点和次极点与图2中的相同。

请参考图4所示，其为本发明中在第三个实施例中的改进型米勒补偿放大器的电路示意图。图4中的改进型米勒补偿放大器包括跨导放大器GM、补偿电容Cxx、补偿电阻Ra、PMOS(P-Mental-Oxide-Semiconductor)晶体管MP和偏置电流源Ib。所述跨导放大器GM的负相输入端与输入信号VI相连，其正相输入端与米勒补偿放大器的输出端VO相连，其输出端经补偿电阻Ra与所述PMOS晶体管MP的栅极相连；偏置电流源Ib连接于接地端GND和所述PMOS晶体管MP的漏极之间，其从所述PMOS晶体管MP的漏极抽取电流；补偿电容Cxx的一端与所述PMOS晶体管MP的栅极相连，其另一端与所述PMOS晶体管MP的漏极相连，所述PMOS晶体管MP的源极与电源端VCC相连；所述电流源Ib与PMOS晶体管MP之间的连接节点与米勒补偿放大器的输出端VO相连。其中，跨导放大器GM形成第一级放大级，PMOS晶体管MP和偏置电流源Ib形成第二级放大级(即第二级放大级为PMOS型的共源极放大级)，第一电阻R1和第二电阻R2分别代表第一级放大级和第二级放大级的寄生电阻，第一电容C1代表第一级放大级的寄生电容，第二电容C2代表第二级放大级的寄生电容或负载电容。图4与图2的区别仅在于，图4中的第二级放大级为PMOS型的共源极放大级，图2中的第二级放大级为NMOS型的共源极放大级。图4中改进型米勒补偿放大器与图2中改进型米勒补偿放大器的主极点、次极点和右半平面零点的公式表示分别相同，具体请参考上述对图2的表述，在此不再赘述。

请参考图5所示，其为本发明在第四个实施例中的改进型零点漂移米勒补偿放大器的电路示意图。其与图4的区别在于，其还包括零点移动电阻Rx，该零点移动电阻Rx连接于PMOS晶体管MP的栅极与所述补偿电容Cxx未和所述PMOS晶体管MP的漏极相连的一端之间，通过零点移动电阻Rx可以将右半平面零点向高频或左半平面移动，即图5中的米勒补偿放大器的零点为Z2＝1/(Rx-1/gm2)*Cxx，当Rx-gm2>0时，该零点位于左半平面，其中Rx为零点移动电阻Rx的电阻值。图5所示的改进型零点漂移米勒补偿放大器的主极点和次极点与图4中的相同。

在此需要特别说明的是，图2-图5中，输出端VO和跨导放大器GM的负相输入端之间还可增设反馈电路，而不仅仅局限与图中输出端VO直接反馈到第一级放大级。所述反馈电路提供反映所述输出端V0电压的反馈电压，具体的，所述反馈电路包括依次串联于所述输出端VO和接地端GND之间的第一分压电阻和第二分压电阻，第一分压电阻和第二分压电阻之间的连接节点与所述跨导放大器GM的负相输入端相连，第一分压电阻和第二分压电阻的连接节点电压为所述反馈电压。

综上所述，本发明通过在第一级放大级和第二级放大级之间串接补偿电阻Ra，这样，在实现相同主极点位置的情况下，需要的补偿电容的电容值更小，从而可以减小补偿电容的面积，节约芯片成本，同时次极点和零点往高频挪动，更有利于环路稳定。

在本发明中，“连接”、相连、“连”、“接”等表示电性相连的词语，如无特别说明，则表示直接或间接的电性连接。

需要指出的是，熟悉该领域的技术人员对本发明的具体实施方式所做的任何改动均不脱离本发明的权利要求书的范围。相应地，本发明的权利要求的范围也并不仅仅局限于前述具体实施方式。

Claims (10)

1.一种改进型米勒补偿放大器，其特征在于，其包括跨导放大器、补偿电容、补偿电阻、NMOS晶体管和偏置电流源，

所述跨导放大器的负相输入端与输入信号相连，其正相输入端与米勒补偿放大器的输出端相连，其输出端经补偿电阻与所述NMOS晶体管的栅极相连；偏置电流源连接于电源端和所述NMOS晶体管的漏极之间，其向所述NMOS晶体管的漏极注入电流；补偿电容的一端与所述NMOS晶体管的栅极相连，其另一端与所述NMOS晶体管的漏极相连，所述NMOS晶体管的源极与接地端相连；所述电流源与NMOS晶体管之间的连接节点与米勒补偿放大器的输出端相连。

2.根据权利要求1所述的改进型米勒补偿放大器，其特征在于，其还包括零点移动电阻，该零点移动电阻连接于NMOS晶体管栅极与所述补偿电容未和所述NMOS晶体管漏极相连的一端之间。

3.根据权利要求1或者2所述的改进型米勒补偿放大器，其特征在于，其还包括连接于米勒补偿放大器的输出端和跨导放大器的负相输入端之间的反馈电路，所述反馈电路向所述负相输入端提供反映米勒补偿放大器的输出端电压的反馈电压。

4.根据权利要求3所述的改进型米勒补偿放大器，其特征在于，

所述反馈电路包括依次串联于所述米勒补偿放大器的输出端和接地端之间的第一分压电阻和第二分压电阻，第一分压电阻和第二分压电阻之间的连接节点电压为所述反馈电压。

5.根据权利要求3所述的改进型米勒补偿放大器，其特征在于，所述跨导放大器的输出端形成有寄生电阻和寄生电容，米勒补偿放大器的输出端形成有寄生电阻和寄生电容或负载电容。

6.一种改进型米勒补偿放大器，其特征在于，其包括跨导放大器、补偿电容、补偿电阻、PMOS晶体管和偏置电流源，

所述跨导放大器的负相输入端与输入信号相连，其正相输入端与米勒补偿放大器的输出端相连，其输出端经补偿电阻与所述PMOS晶体管的栅极相连；偏置电流源连接于接地端和所述PMOS晶体管的漏极之间，其从所述PMOS晶体管MP的漏极抽取电流；补偿电容的一端与所述PMOS晶体管的栅极相连，其另一端与所述PMOS晶体管的漏极相连，所述PMOS晶体管的源极与电源端相连；所述电流源与PMOS晶体管之间的连接节点与米勒补偿放大器的输出端相连。

7.根据权利要求6所述的改进型米勒补偿放大器，其特征在于，其还包括零点移动电阻，该零点移动电阻连接于PMOS晶体管栅极与所述补偿电容未和所述PMOS晶体管漏极相连的一端之间。

8.根据权利要求6或7所述的改进型米勒补偿放大器，其特征在于，其还包括连接于米勒补偿放大器的输出端和跨导放大器的负相输入端之间的反馈电路，所述反馈电路向所述负相输入端提供反映米勒补偿放大器的输出端电压的反馈电压。

9.根据权利要求8所述的改进型米勒补偿放大器，其特征在于，

所述反馈电路包括依次串联于所述米勒补偿放大器的输出端和接地端之间的第一分压电阻和第二分压电阻，第一分压电阻和第二分压电阻之间的连接节点电压为所述反馈电压。

10.根据权利要求6所述的改进型米勒补偿放大器，其特征在于，所述跨导放大器的输出端形成有寄生电阻和寄生电容，米勒补偿放大器的输出端形成有寄生电阻和寄生电容或负载电容。