CN104393846B - 运算放大器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种运算放大器,包括:第一级放大电路,为单端输出差分放大电路,反相输出端作为第一级放大电路的输出端并输出第一级放大信号;第二级放大电路,输入端连接第一级放大信号输出端输出第二级放大信号;第二级放大电路的输入端和输出端之间连接第一电容;第二级放大电路包括第一MOS晶体管,第一MOS晶体管和第二级放大电路的输出端相连并为第二放大电路提供电流源负载;单端输出差分放大电路的反相输入端通过第二电容连接到第一MOS晶体管的栅极并形成前馈通路,第一MOS晶体管的跨导设置为大于第一级放大电路的跨导使运算放大器形成一个左半平面零点。本发明能提高稳定性。
Description
技术领域
本发明涉及一种半导体集成电路制造,特别是涉及一种运算放大器。
背景技术
如图1所示,是现有运算放大器电路图;由NMOS管MN1和NMOS管MN2组成差分放大电路的输入管,PMOS管MP1和NMOS管MN1的漏极连接并NMOS管MN1的有源负载,PMOS管MP2和NMOS管MN2的漏极连接并NMOS管MN2的有源负载,NMOS管MN4连接NMOS管MN1和MN2的源极并为NMOS管MN1和MN2提供电流源;电流源I1输入到NMOS管MN3,NMOS管MN3、MN4和MN5组成镜像电路。NMOS管MN2的漏极输入第一级放大信号。PMOS管MP3为第二级放大电路,PMOS管MP3的栅极连接NMOS管MN2的漏极,PMOS管MP3的漏极输出第二级放大信号即图1中的信号OUT。电容Cm连接在PMOS管MP3的栅极和漏极之间并形成密勒补偿通路。
如图2所示,是图1的电路框图,第一级放大电路101即为由NMOS管MN1、MN2和MN4以及PMOS管MP1和MP2组成的差分放大电路,输入信号Vin包括输入正相信号INP和输入反相信号INN,输入正相信号INP从NMOS管MN2的栅极输入,输入反相信号INN从NMOS管MN1的栅极输入,第一级放大信号从NMOS管MN2的漏极输出,故第一级放大电路101的增益-AV1为负值即输出信号为输入信号的放大信号且会反相;第二级放大电路102由PMOS管MP3形成,PMOS管MP3组成一共源放大器,第一级放大电路101的增益-AV2也为负值。输出信号Vout和地之间连接由负载电容CL。第一级放大电路101的跨导为gm1,第二级放大电路102的跨导为gmL。
如图1所示的现有运算放大器的传输函数为:
其中,Ro1表示第一级放大电路101的输出电阻,RL表示第二级放大电路102的输出电阻,Cm表示电容Cm的值,CL表示负载电容Cl的值。
可以看出二级放大器的结构引入了二个极点,电容Cm形成密勒补偿能够拉宽两极点的间距,但是电容Cm同时还会在第一级放大信号和第二级放大信号之间形成一个前馈通路,该前馈通路会带来一个右半平面零点,右半平面零点不仅会提高增益还会使相位降低,故增加了电路的不稳定性。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种运算放大器,能提高稳定性。
为解决上述技术问题,本发明提供的运算放大器包括:
第一级放大电路,为单端输出差分放大电路,所述单端输出差分放大电路的反相输出端作为所述第一级放大电路的输出端并输出第一级放大信号。
第二级放大电路,其输入端连接所述第一级放大信号,所述第二级放大电路的输出端输出第二级放大信号;所述第二级放大电路的输入端和输出端之间连接第一电容;所述第一电容在所述第二级放大电路的输入端和输出端形成密勒补偿通路。
所述第二级放大电路包括第一MOS晶体管,所述第一MOS晶体管和所述第二级放大电路的输出端相连并为所述第二放大电路提供电流源负载。
所述单端输出差分放大电路的反相输入端通过第二电容连接到所述第一MOS晶体管的栅极,通过所述第二电容和所述第一MOS晶体管在所述单端输出差分放大电路的反相输入端和所述第二级放大电路的输出端之间形成前馈通路,所述第一MOS晶体管对前馈通路信号放大且所述第一MOS晶体管的跨导设置为大于所述第一级放大电路的跨导使运算放大器形成一个左半平面零点。
进一步的改进是,由第二MOS晶体管和第三MOS晶体管组成所述单端输出差分放大电路的输入对管,所述第二MOS晶体管的栅极为所述单端输出差分放大电路的反相输入端,所述第三MOS晶体管的栅极为所述单端输出差分放大电路的正相输入端,所述第三MOS晶体管的漏极作为所述单端输出差分放大电路的反相输出端。
进一步的改进是,所述第二MOS晶体管和所述第三MOS晶体管都为NMOS管。
进一步的改进是,所述第二MOS晶体管的负载由第四PMOS管组成,所述第三MOS晶体管的负载由第五PMOS管组成,所述第四PMOS管的源极和所述第五PMOS管的源极都连接电源电压,所述第四PMOS管的栅极和漏极和所述第五PMOS管的栅极都连接所述第二MOS晶体管的漏极,所述第五PMOS管的漏极连接所述第三MOS晶体管的漏极。
进一步的改进是,所述第二MOS晶体管和所述第三MOS晶体管的源极都连接第一电流源。
进一步的改进是,所述第二级放大电路的放大部分由第六PMOS管组成,所述第一MOS晶体管为NMOS管,所述第六PMOS管的源极连接电源电压,所述第六PMOS管的栅极作为所述第二级放大电路的输入端,所述第六PMOS管的漏极连接所述第一MOS晶体管的漏极并作为所述第二级放大电路的输出端,所述第一MOS晶体管的源极接地。
进一步的改进是,所述运算放大器还包括第二电流源、第七NMOS管和第八NMOS管,所述第二电流源输入到所述第七NMOS管的漏极,所述第七NMOS管的漏极和栅极连接所述第八NMOS管的栅极,所述第七NMOS管和所述第八NMOS管的源极都接地,所述第八NMOS管为所述第七NMOS管的镜像路径并提供所述第一电流源。
进一步的改进是,所述运算放大器还包括第二电流源、第七NMOS管,所述第二电流源输入到所述第七NMOS管的漏极,所述第七NMOS管的漏极和栅极连接所述第一MOS晶体管的栅极,所述第七NMOS管的源极接地,所述第一MOS晶体管为所述第七NMOS管的镜像路径并提供所述电流源负载。
进一步的改进是,所述第七NMOS管的漏极和栅极通过一电阻连接所述第一MOS晶体管的栅极。
本发明的第一级放大电路采用单端输出差分放大电路,通过将漏极不作为输出端的第二MOS晶体管的栅极端输入信号连接到第二级放大器的电流源负载即第一MOS晶体管的栅极,能够在第二MOS晶体管的栅极和第二级放大电路的输出端之间形成前馈通路,同时通过将第一MOS晶体管的跨导设置为大于第一级放大电路的跨导,能够使得运算放大器的零点移到左平面,即本发明能将由于引入了密勒补偿通路的第一电容形成的右平面零点转化为左平面零点,左平面零点能够增加一个相位以及通过增加增益,相当于能抵消一个极点,所以本发明能提高电路的稳定性。
附图说明
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:
图1是现有运算放大器电路图;
图2是图1电路的框图;
图3是本发明较佳实施例运算放大器电路图;
图4是图3电路的框图;
图5本发明较佳实施例环路增益波特图和现有运算放大器的环路增益波特图的比较图。
具体实施方式
如图3所示,是本发明较佳实施例运算放大器电路图;图4是图3电路的框图;本发明实施例运算放大器包括:
第一级放大电路101,为单端输出差分放大电路,所述单端输出差分放大电路的反相输出端作为所述第一级放大电路101的输出端并输出第一级放大信号。
在图3所示的较佳实施例中,由第二MOS晶体管MN1和第三MOS晶体管MN2组成所述单端输出差分放大电路的输入对管,所述第二MOS晶体管MN1的栅极为所述单端输出差分放大电路的反相输入端INN,所述第三MOS晶体管MN2的栅极为所述单端输出差分放大电路的正相输入端INP,所述第三MOS晶体管MN2的漏极作为所述单端输出差分放大电路的反相输出端。所述第二MOS晶体管MN1和所述第三MOS晶体管MN2都为NMOS管。
所述第二MOS晶体管MN1的负载由第四PMOS管MP1组成,所述第三MOS晶体管MN2的负载由第五PMOS管MP2组成,所述第四PMOS管MP1的源极和所述第五PMOS管MP2的源极都连接电源电压Vdd,所述第四PMOS管MP1的栅极和漏极和所述第五PMOS管MP2的栅极都连接所述第二MOS晶体管MN1的漏极,所述第五PMOS管MP2的漏极连接所述第三MOS晶体管MN2的漏极。
所述第二MOS晶体管MN1和所述第三MOS晶体管MN2的源极都连接第一电流源。本发明较佳实施例中所述第一电流源通过如下镜像电路得到:
第二电流源I1、第七NMOS管MN3和第八NMOS管MN4,所述第二电流源I1输入到所述第七NMOS管MN3的漏极,所述第七NMOS管MN3的漏极和栅极连接所述第八NMOS管MN4的栅极,所述第七NMOS管MN3和所述第八NMOS管MN4的源极都接地,所述第八NMOS管MN4为所述第七NMOS管MN3的镜像路径并提供所述第一电流源。
在其它实施例中,所述第二MOS晶体管MN1和所述第三MOS晶体管MN2也能采用PMOS管,以及采用PNP晶体管或NPN晶体管作为所述单端输出差分放大电路的输入对管,对应的负载或尾电流源也能做相应的改变。
第二级放大电路102,其输入端连接所述第一级放大信号,所述第二级放大电路102的输出端OUT输出第二级放大信号;所述第二级放大电路102的输入端和输出端OUT之间连接第一电容Cm;所述第一电容Cm在所述第二级放大电路102的输入端和输出端形成密勒补偿通路。
所述第二级放大电路102包括第一MOS晶体管MN5,所述第一MOS晶体管MN5和所述第二级放大电路102的输出端相连并为所述第二放大电路提供电流源负载。
所述单端输出差分放大电路的反相输入端通过第二电容Cf连接到所述第一MOS晶体管MN5的栅极,通过所述第二电容Cf和所述第一MOS晶体管MN5在所述单端输出差分放大电路的反相输入端和所述第二级放大电路102的输出端之间形成前馈通路,所述第一MOS晶体管MN5对前馈通路信号放大且所述第一MOS晶体管MN5的跨导设置为大于所述第一级放大电路101的跨导使运算放大器形成一个左半平面零点。
在本发明较佳实施例中,所述第二级放大电路102的放大部分由第六PMOS管MP3组成,所述第一MOS晶体管MN5为NMOS管,所述第六PMOS管MP3的源极连接电源电压Vdd,所述第六PMOS管MP3的栅极作为所述第二级放大电路102的输入端,所述第六PMOS管MP3的漏极连接所述第一MOS晶体管MN5的漏极并作为所述第二级放大电路102的输出端,所述第一MOS晶体管MN5的源极接地。所述第七NMOS管MN3的漏极和栅极连接所述第一MOS晶体管MN5的栅极,所述第一MOS晶体管MN5为所述第七NMOS管MN3的镜像路径并提供所述电流源负载。较佳选择为,所述第七NMOS管MN3的漏极和栅极通过一电阻R1连接所述第一MOS晶体管MN5的栅极。
在其它实施中,所述第二级放大电路102的放大部分也能由NMOS管组成,此时第一MOS晶体管需采用PMOS管;或者所述第二级放大电路102的放大部分为NMOS管、PMOS管、PNP晶体管或NPN晶体管组合而成。
在如图3所示的较佳实施例中,所述第一电容Cm在形成密勒补偿通路的同时也会形成一个前馈通路,由所述第一电容Cm形成的前馈通路会带来一个右平面零点。所述第二电容Cf形成的前馈通路对零点位置的影响正好和所述第一电容Cm相反,如图4中所示可知,前馈通路中的所述第一MOS晶体管MN5会形成一个正相放大信号前馈到输出端,前馈通路的增益为AVf1、跨导为gmf1;而第一级放大电路101的增益为-Av1、跨导为gm1,第二级放大电路102的增益为-Av2、跨导为gmL。本发明较佳实施例通过将所述第一MOS晶体管MN5的跨导设置为大于所述第一级放大电路101的跨导使能使运算放大器零点移动到左平面,从而提高稳定性。
和图1所述的现有结构比较,图3所示的本发明的较佳实施例的传输函数为:
其中,Ro1表示第一级放大电路101的输出电阻,RL表示第二级放大电路102的输出电阻,Cm表示第一电容Cm的值,CL表示负载电容Cl的值。
可以看出,通过将gmf1即所述第一MOS晶体管MN5的跨导设置为大于gm1即所述第一级放大电路101的跨导,能使传输函数Av(s)的分子的S项为正,故能使运算放大器零点移动到左平面,从而提高稳定性。
如图5所示,本发明较佳实施例环路增益波特图和现有运算放大器的环路增益波特图的比较图。曲线201和202分别为本发明较佳实施例的相位曲线和增益曲线,横坐标都是频率;曲线203和204分别为现有电路的相位曲线和增益曲线;比较可知,在增益交点A1所对应的点A3的相位大于点A2的相位,故本发明较佳实施例能够提高相位裕度(PM),PM能从现有的45.534度提高到84.958度。
以上通过具体实施例对本发明进行了详细的说明,但这些并非构成对本发明的限制。在不脱离本发明原理的情况下,本领域的技术人员还可做出许多变形和改进,这些也应视为本发明的保护范围。
Claims (6)
1.一种运算放大器,其特征在于,包括:
第一级放大电路,为单端输出差分放大电路,所述单端输出差分放大电路的反相输出端作为所述第一级放大电路的输出端并输出第一级放大信号;
第二级放大电路,其输入端连接所述第一级放大信号,所述第二级放大电路的输出端输出第二级放大信号;所述第二级放大电路的输入端和输出端之间连接第一电容;所述第一电容在所述第二级放大电路的输入端和输出端形成密勒补偿通路;
所述第二级放大电路包括第一MOS晶体管,所述第一MOS晶体管和所述第二级放大电路的输出端相连并为所述第二级放大电路提供电流源负载;
所述单端输出差分放大电路的反相输入端通过第二电容连接到所述第一MOS晶体管的栅极,前馈通路形成在所述单端输出差分放大电路的反相输入端和所述第二级放大电路的输出端之间且由所述第二电容和所述第一MOS晶体管组成,所述第一MOS晶体管对前馈通路信号放大且所述第一MOS晶体管的跨导设置为大于所述第一级放大电路的跨导使运算放大器形成一个左半平面零点;
所述第二级放大电路的放大部分由第六PMOS管组成,所述第一MOS晶体管为NMOS管,所述第六PMOS管的源极连接电源电压,所述第六PMOS管的栅极作为所述第二级放大电路的输入端,所述第六PMOS管的漏极连接所述第一MOS晶体管的漏极并作为所述第二级放大电路的输出端,所述第一MOS晶体管的源极接地;
所述运算放大器还包括第二电流源、第七NMOS管,所述第二电流源输入到所述第七NMOS管的漏极,所述第七NMOS管的漏极和栅极连接所述第一MOS晶体管的栅极,所述第七NMOS管的源极接地,所述第一MOS晶体管为所述第七NMOS管的镜像路径并提供所述电流源负载;
所述第七NMOS管的漏极和栅极通过一电阻连接所述第一MOS晶体管的栅极。
2.如权利要求1所述的运算放大器,其特征在于:由第二MOS晶体管和第三MOS晶体管组成所述单端输出差分放大电路的输入对管,所述第二MOS晶体管的栅极为所述单端输出差分放大电路的反相输入端,所述第三MOS晶体管的栅极为所述单端输出差分放大电路的正相输入端,所述第三MOS晶体管的漏极作为所述单端输出差分放大电路的反相输出端。
3.如权利要求2所述的运算放大器,其特征在于:所述第二MOS晶体管和所述第三MOS晶体管都为NMOS管。
4.如权利要求3所述的运算放大器,其特征在于:所述第二MOS晶体管的负载由第四PMOS管组成,所述第三MOS晶体管的负载由第五PMOS管组成,所述第四PMOS管的源极和所述第五PMOS管的源极都连接电源电压,所述第四PMOS管的栅极和漏极和所述第五PMOS管的栅极都连接所述第二MOS晶体管的漏极,所述第五PMOS管的漏极连接所述第三MOS晶体管的漏极。
5.如权利要求3所述的运算放大器,其特征在于:所述第二MOS晶体管和所述第三MOS晶体管的源极都连接第一电流源。
6.如权利要求5所述的运算放大器,其特征在于:所述运算放大器还包括第二电流源、第七NMOS管和第八NMOS管,所述第二电流源输入到所述第七NMOS管的漏极,所述第七NMOS管的漏极和栅极连接所述第八NMOS管的栅极,所述第七NMOS管和所述第八NMOS管的源极都接地,所述第八NMOS管为所述第七NMOS管的镜像路径并提供所述第一电流源。
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