CN104270107B - 一种有源前馈电路构成频率补偿的差分运算放大器 - Google Patents

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Abstract

本发明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。本发明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。本发明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。

Description

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
本发明涉及集成电路运算放大器设计(Integrated Circuit OperationalAmplifier)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
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。
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。
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。
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
本发明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。
为解决上述技术问题，本发明思路是：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：
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：
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入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）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。
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，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）。
4）差分运算放大器的第二增益级由共源差分放大级组成。其中共源级接地,漏极分别接第一输出节点和第二输出节点。
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。共模负反馈电路通过感应第一输出节点和第二输出节点的输出电压并取平均值,产生第一反馈控制参数和第二反馈控制参数,通过这两个控制参数最终达到稳定差分放大器的共模输出电压的目的。
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VR。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。
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。
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的共源节点，用来稳定差分运算放大器的第二增益级的输出共模电压。
本发明的有益效果是：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,该发明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。
附图说明
图1为本发明主差分放大电路结构示意图。
图2为本发明有源前馈电路小信号分析电路示意图。
图3为本发明共模负反馈电路结构示意图。
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NMOS晶体管；12-第一增益级第二NMOS晶体管；13-电流源NMOS晶体管；15-第一增益级第一负载PMOS晶体管；16-第一增益级第二负载PMOS晶体管；20-节点；21-第二增益级第一PMOS晶体管；22-第二增益级第二PMOS晶体管；23-第一前馈NMOS晶体管；24-第二前馈NMOS晶体管；25-有源前馈级第一NMOS晶体管；26-有源前馈级第二NMOS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PMOS管；42-共模负反馈第二负载负载PMOS管；43-共模负反馈第一NMOS晶体管；44-共模负反馈第二NMOS晶体管；45-共模负反馈第三NMOS晶体管；46-共模负反馈第四NMOS晶体管；47-共模负反馈第五NMOS晶体管；48-共模负反馈第六NMOS晶体管。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的优选实施例进行详细介绍。
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NMOS晶体管11， 第一增益级第二NMOS晶体管12, 第一增益级第一负载PMOS晶体管15, 第一增益级第二负载PMOS晶体管16，以及电流源NMOS晶体管13。其中第一增益级第一负载PMOS晶体管15、第一增益级第二负载PMOS晶体管16源级接电源vdd；电流源NMOS晶体管13源级接地。第一增益级第一NMOS晶体管11、第一增益级第二NMOS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PMOS晶体管15、第一增益级第二负载PMOS晶体管16的栅极共同接到共模负反馈端节点10。
第一增益级第一NMOS晶体管11和第一增益级第一负载PMOS晶体管15的漏极互连，并连接到第二增益级第一PMOS晶体管21的栅极。类似的，第一增益级第二NMOS晶体管12和第一增益级第二负载PMOS晶体管16的漏极互连，并连接到第二增益级第二PMOS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。
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NMOS晶体管23和第二前馈NMOS晶体管24的漏极。第一前馈NMOS晶体管23和第二前馈NMOS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NMOS晶体管23和第二前馈NMOS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。
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PMOS晶体管21、第二增益级第二PMOS晶体管22的漏极和栅极实现频率补偿。本发明方法采用第一前馈NMOS晶体管23和第二前馈NMOS晶体管24实现频率补偿，而无需密勒电容。
为了便于理解，现以交流小信号分析方法对本发明方法做进一步的描述：图1可看做两级放大器，它的小信号电路如图2所示，其中 gmi(i=1, 2, 3)代表第一增益级第一NMOS晶体管11，第一增益级第二NMOS晶体管12，第二增益级第一PMOS晶体管21、第二增益级第二PMOS晶体管22，和第一前馈NMOS晶体管23和第二前馈NMOS晶体管24的跨导；r0i、C0i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=1, 2)。两级主差分放大电路的传输函数可以表示为：
传输函数中有两个极点ωp1=1/ r01C01和ωp2=1/ r02C02，还有一个因为前馈回路产生的左平面的零点。直流增益可以表示为gm1 r01 gm2 r02+ gm3 r02，左平面零点的位置表示为：
如果上述传输函数的主极点在ωp1位置， 而第二极点ωp2和零点Z1的位置在更高频率位置，那么可以选取适当的设计参数让第二增益级和前馈级电路产生的负向相位位移和正向相位位移互相抵消。如果刚好ωp2和零点Z1在频率上相互重合，那么上述的两级放大器就有了一级放大器的频率响应。它的单位增益带宽可以表示为：
这种频率补偿方式可以使放大器同时有高增益和高速频率响应。单位增益带宽的提高是通过抵消放大器的次极点实现的,而不需要像密勒补偿方法一样把主极点推向低频率。和一般需要采用两三个密勒补偿电容的多级放大器进行比较，本发明采用的频率补偿方式还可以显著的降低电路的功耗以及芯片面积。
简单起见,假设差分预算放大器的第一增益级，第二增益级和前馈增益级的传输函数是一阶响应，如图2所示。从传输函数上分析，一般使有源前馈电路产生的左平面零点和放大器的第一增益级的阶数相同。在实际的电路设计上，一般倾向使放大器的第二增益级和有源前馈级都采用简单的单管放大电路，使得电路的次极点在整个放大器的单位增益带宽以外，使之产生的相位衰减可以忽略。
参考图3所示的共模负反馈电路实例,输入端包含两个共源差分对管，由共模负反馈第一NMOS晶体管43，共模负反馈第二NMOS晶体管44，共模负反馈第三NMOS晶体管45, 共模负反馈第四NMOS晶体管46组成，它们的共源节点并分别由共模负反馈第五NMOS晶体管47，共模负反馈第六NMOS晶体管48接地。共模负反馈第一NMOS晶体管43,共模负反馈第四NMOS晶体管46的栅极分别连接到图1中的差分放大器的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；共模负反馈第二NMOS晶体管44, 共模负反馈第三NMOS晶体管45的栅极连接在一起，接到共模输入电压VR。
共模负反馈第一NMOS晶体管43,共模负反馈第四NMOS晶体管46的漏极连接在一起,并且通过共模负反馈第一负载PMOS管41连接到电源vdd。而共模负反馈第一负载PMOS管41栅漏相连形成二极管负载。共模负反馈第一NMOS晶体管43,共模负反馈第四NMOS晶体管46的漏极同时形成共模负反馈端节点10，也就是第一反馈控制参数，它连接到图1差分放大器的第一增益级第一负载PMOS晶体管15, 第一增益级第二负载PMOS晶体管16的栅极，稳定第一增益级的输出共模电压。
类似的，共模负反馈第二NMOS晶体管44, 共模负反馈第三NMOS晶体管45的漏极连接在一起,并且通过共模负反馈第二负载负载PMOS管42连接到电源vdd。而共模负反馈第二负载负载PMOS管42栅漏相连形成二极管负载。
图3共模负反馈电路中的有源前馈级由有源前馈级第一NMOS晶体管25,有源前馈级第二NMOS晶体管26组成。有源前馈级第一NMOS晶体管25,有源前馈级第二NMOS晶体管26的栅极分别接到图1差分放大器的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。有源前馈级第一NMOS晶体管25,有源前馈级第二NMOS晶体管26的源级通过电流源，共模负反馈第五NMOS晶体管47, 共模负反馈第六NMOS晶体管48接地。有源前馈级第一NMOS晶体管25,有源前馈级第二NMOS晶体管26的漏极都连接在节点20上，进一步节点20连接到图1的差分放大器的第一前馈NMOS晶体管23和第二前馈NMOS晶体管24的共源端，也就是第二反馈控制参数，用以稳定差分放大器第二增益级的输出共模电压。
图3共模负反馈电路的工作原理如下：
1）图1差分放大器的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的输出共模电压通过共模负反馈第一NMOS晶体管43, 共模负反馈第二NMOS晶体管44, 共模负反馈第三NMOS晶体管45, 共模负反馈第四NMOS晶体管46感应并与参考电压VR比较；
2）1）的比较结果误差电压通过共模负反馈第一负载PMOS管41,第一增益级第一负载PMOS晶体管15、第一增益级第二负载PMOS晶体管16反馈回图1的差分放大器；
3）1），2）的闭环反馈结果是，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的输出共模电压稳定在参考电压VR。
在本发明实例中， 共模负反馈电路有三级放大，分别是第一级放大，共模负反馈第一NMOS晶体管43, 共模负反馈第二NMOS晶体管44, 共模负反馈第三NMOS晶体管45, 共模负反馈第四NMOS晶体管46；第二级放大，第一增益级第一负载PMOS晶体管15、第一增益级第二负载PMOS晶体管16；第三级放大，第二增益级第一PMOS晶体管21、第二增益级第二PMOS晶体管22；形成二极管负载的共模负反馈第一负载PMOS管41,共模负反馈第二负载负载PMOS管42使得共模负反馈端节点10成为相对低阻抗节点，以平衡共模负反馈电路的增益和带宽。共源的第一增益级第一负载PMOS晶体管15、第一增益级第二负载PMOS晶体管16以及第二增益级第一PMOS晶体管21、第二增益级第二PMOS晶体管22则保证了共模负反馈电路的足够增益。而且其中第一增益级第一负载PMOS晶体管15、第一增益级第二负载PMOS晶体管16的增益也是图1中差分放大器第一增益级的输出共模电压稳定性的基础。
图3发明实例中的共模负反馈高增益级也导致了设计难点：因为三级放大引入了更多的极点使得频率补偿变得困难。除了第二增益级第一PMOS晶体管21、第二增益级第二PMOS晶体管22的栅极电容和第一增益级第一负载PMOS晶体管15、第一增益级第二负载PMOS晶体管16,第一增益级第一NMOS晶体管11的高输出阻抗形成低频的极点之外，晶体管第一增益级第一负载PMOS晶体管15、第一增益级第二负载PMOS晶体管16和共模负反馈第一负载PMOS管41的栅极电容还产生了另外一个低频极点。虽然栅漏相接的共模负反馈第一负载PMOS管41形成了二极管负载，部分缓解了共模负反馈端节点10的节点阻抗，但是这样的高增益共模负反馈电路仍然很难实现大增益带宽下的稳定的频率补偿。例如，如果采用传统的密勒电容补偿或者是嵌套密勒电容补偿，跨接在第二增益级第一PMOS晶体管21、第二增益级第二PMOS晶体管22栅漏之间的补偿电容必须取很大的值才能实现稳定的频率补偿，这消耗了显著的芯片面积。与此同时，主差分放大器和共模负反馈电路的单位增益带宽都将因此而明显降低。
本发明实例所揭示的频率补偿技术的创新在于，通过有源前馈级第一NMOS晶体管25,有源前馈级第二NMOS晶体管26在共模负反馈电路也引进有源前馈补偿技术。
利用前面所述在主差分放大电路中的有源前馈电路技术，在共模负反馈电路中也存在两个并行信号传递路径：一个是高增益，低频的信号传递路径，由共源差分对管共模负反馈第一NMOS晶体管43, 共模负反馈第二NMOS晶体管44, 共模负反馈第三NMOS晶体管45,共模负反馈第四NMOS晶体管46，共模负反馈第一负载PMOS管41，共源增益级第一增益级第一负载PMOS晶体管15、第一增益级第二负载PMOS晶体管16以及第二增益级第一PMOS晶体管21、第二增益级第二PMOS晶体管22。而有源前馈级第一NMOS晶体管25,有源前馈级第二NMOS晶体管26组成高速，低增益级。得益于前馈电路产生的左平面零点，高增益，低速信号路径传递函数中的次极点得以消除。
从电路设计的角度考虑，图3中共模负反馈电路的输入级偏置电流需要合适的取值以期快速的频率响应，进而使得共模负反馈第一负载PMOS管41的栅极节点形成的极点在整个电路的单位增益带宽之外，不然有多个次极点在临近的频率导致难以取得理想的补偿相位裕量。电路设计中满足以下限制：
其中，gmi (i=25, 15, 21)代表有源前馈级第一NMOS晶体管25,有源前馈级第二NMOS晶体管26，第一增益级第一负载PMOS晶体管15、第一增益级第二负载PMOS晶体管16和第二增益级第一PMOS晶体管21、第二增益级第二PMOS晶体管22的跨导； CO和CP 分别代表输出节点和第二增益级第一PMOS晶体管21、第二增益级第二PMOS晶体管22的栅极节点的总共寄生电容值。ro第二增益级第一PMOS晶体管21、第二增益级第二PMOS晶体管22，第一前馈NMOS晶体管23和第二前馈NMOS晶体管24的并联输出阻抗。
需要指出的是，如果因为工艺的偏差导致前馈电路产生的左平面零点和次极点不能完全互相抵消，那么导致的零极点对偶可能会使差分运算放大器的频率补偿性能恶化。但是另外一方面，如果这种零极点对偶的频率在放大器的单位增益带宽之外，那么对放大器的稳定性影响则可以忽略。
以上对本发明实施例所提供的，一种无需电容，同时能够提高差分运算放大器的单位增益带宽和减小芯片的频率补偿方法进行了详细介绍，对于本领域的一般技术人员，依据本发明实施例的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制，凡依本发明设计思想所做的任何改变都在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

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入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控制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；差分对管的漏端通过负载管接电源；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，漏端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节点和一个共同节点；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；其中一对共源差分对管的第一个晶体管的栅极接到第一输出节点，另一对共源差分对管的第一个晶体管的栅极接到第二输出节点，两对共源差分对管的第一个晶体管的漏端连接在一起，并通过栅漏相连的负载管接到电源；进一步，两对共源差分对管的第一个晶体管的相连的漏端形成第一反馈控制参数；两对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，两对共源差分对管的另外一个晶体管的漏端连接在一起，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。
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