CN105932971A - 一种驱动宽范围容性负载的三级运算放大器 - Google Patents

一种驱动宽范围容性负载的三级运算放大器 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种驱动宽范围容性负载的三级运算放大器,包括偏置电路、第一级放大电路、第二级放大电路、第三级放大电路和频率补偿单元,所述第一级放大电路包括第一放大单元和第二放大单元,所述频率补偿单元包括第一补偿单元和第二补偿单元,所述第一补偿单元并联于第三级放大电路的输出端与第二级放大电路的输入端之间,所述第二补偿单元并联于第三级放大电路的输出端与第一放大单元的输出端之间。频率补偿单元在第一级放大电路和第三级放大电路之间插入了第二补偿电容Cm2,能驱动更大的容性负载,同时当容性负载较小时,本发明的运算放大器仍能保持稳定,即能驱动宽范围的容性负载。

Description

一种驱动宽范围容性负载的三级运算放大器

技术领域

[0001] 本发明涉及电子电路技术,具体的说是涉及模拟集成电路中的运算放大器的频率 补偿技术。

背景技术

[0002] 运算放大器作为模拟电路中最重要的单元电路,广泛的应用于模拟-数字转换器、 滤波器和电源管理电路之中。在一些应用中,如液晶显示面板驱动、模拟滤波器需要运算放 大器能驱动宽范围的容性负载。随着CMOS工艺特征尺寸和电源电压的逐渐降低,三级运算 放大器因为其高增益和电容驱动能力而得到了广泛的应用。然而三级运算放大器因为有多 个低频极点而不易稳定,需对其进行频率补偿。

[0003] 传统的嵌套式米勒补偿的三级运算放大器,通过嵌套式米勒补偿方案来稳定三级 运算放大器,但是当负载电容增加时,需要消耗很大的功耗和面积。交叉前馈共源共栅补偿 的三级运算放大器采用共源共栅补偿和前馈技术,能以更小的功耗驱动更大的容性负载, 其拓扑结构如图1所示,但当负载电容很小时,该运算放大器会趋于不稳定,因此该运算放 大器不适合用于驱动宽范围的容性负载。

发明内容

[0004] 鉴于此,本发明的目的是提供一种驱动宽范围容性负载的三级运算放大器。

[0005] 为达到上述目的,本发明提供如下技术方案:一种驱动宽范围容性负载的三级运 算放大器,包括依次连接的偏置电路、第一级放大电路、第二级放大电路、第三级放大电路 和频率补偿单元,所述频率补偿单元连接于第一级放大电路与第三级放大电路之间;所述 第一级放大电路包括第一放大单元和第二放大单元,第一放大单元输出端连接第一电流 源,第二放大单元输出端连接第二电流源,第一电流源的输出端与第二电流源的输出端连 接后与第二级放大电路的输入端连接;所述频率补偿单元包括第一补偿单元和第二补偿单 元,所述第一补偿单元并联于第三级放大电路的输出端与第二级放大电路的输入端之间, 所述第二补偿单元并联于第三级放大电路的输出端与第一放大单元的输出端之间。

[0006] 进一步,所述偏置电路包括第一 PM0S管Mpl和电流源Ib,所述第一 PM0S管Mpl的源 极接电源VDD,第一PM0S管Mp 1的的漏极与电流源Ib的一端连接,电流源Ib的另一端接地,第 一 PM0S管Mp 1的栅极分别与第一 PM0S管Mp 1的漏极、第一级放大电路、第二极放大电路连接。

[0007] 进一步,所述第一放大单元包括第三PM0S管Mp3,所述第二放大单元包括第四PM0S 管Mp4,所述第一电流源包括第一匪0S管Μη 1和第四匪0S管Mn4,所述第二电流源包括第二 NM0S管Mn2和第三匪0S管Mn3,所述第一级放大电路还包括第二PM0S管Mp2、第五PM0S管Mp5 和第六PM0S管Mp6,所述第二PM0S管Mp2的源极、第五PM0S管Mp5的源极、第六PM0S管Mp6的源 极接电源VDD,第二PM0S管Mp2的栅极与第一 PM0S管Mpl的栅极连接,第二PM0S管MP2的漏极 分别与第三PM0S管Mp3的源极、第四PM0S管Mp4的源极连接,第三PM0S管Mp3的栅极、第四 PM0S管Mp4的栅极分别接输入电源,第三PM0S管Mp3的漏极分别与第一 NM0S管Μη 1的漏极、第 一 NMOS管Mnl的栅极、第四NMOS管Mn4的栅极连接,第四PMOS管Mp4的漏极分别与第二NMOS管 Mn2的漏极、第二NM0S管Mn2的栅极、第三NM0S管Mn3的栅极连接,第五PM0S管Mp5的栅极分别 与第五PM0S管Mp5的漏极、第六PM0S管Mp6的栅极、第三NMOS管Mn3的漏极连接,第六PM0S管 Mp6的漏极分别与第二极放大电路、第四W0S管Mn4的漏极连接,第一匪0S管Mnl的源极、第 二NMOS管Mn2的源极、第三NMOS管Mn3的源极、第四NMOS管Mn4的源极分别接地。

[0008] 进一步,所述第二级放大电路包括第七PM0S管Mp7、第八PM0S管Mp8、第五匪0S管 Mn5、第六匪0S管Mn6 ;所述第七PM0S管Mp7的源极、第八PM0S管Mp8的源极接电源VDD,第七 PM0S管Mp7的栅极与第六PM0S管Mp6的漏极连接,第七PM0S管Mp7的漏极分别与第五匪0S管 Mn5的漏极、第五NM0S管Mn5的栅极、第六NM0S管Mn6的栅极连接,所述第八PM0S管Mp8的栅极 与第一 PM0S管Mpl的栅极连接,第八PM0S管Mp8的漏极分别与第三级放大电路、第六匪0S管 Mn6的漏极连接,所述第五NM0S管Mn5的源极、第六NM0S管Mn6的源极分别接地。

[0009] 进一步,所述第三级放大电路包括第九PM0S管Mp9、第七NM0S管Mn7、负载电容CL; 所述第一补偿单元包括第一补偿电容Cml,第二补偿单元包括第二补偿电容Cm2;所述第九 PM0S管Mp9的源极接电源VDD,所述第一补偿电容Cml并联于第九PM0S管Mp9的栅极与漏极之 间,且第一补偿电容Cml与第七PM0S管Mp7的栅极连接,所述第九PM0S管Mp9的漏极分别与第 七匪0S管Mn7的漏极、第二补偿电容Cm2的一端连接,第七匪0S管Mn7的栅极与第六匪0S管 Mn6的漏极连接,第二补偿电容Cm2的另一端与第二NM0S管Mn2的栅极连接,所述第七NM0S管 Mn7的源极接地,负载电容CL并联于第七NM0S管Mn7的源极与漏极之间。

[0010] 由于采用了以上技术方案,本发明具有以下有益技术效果:

[0011] 频率补偿单元在第一级放大电路和第三级放大电路之间插入了第二补偿电容 Cm2,能驱动更大的容性负载,同时当容性负载较小时,本发明的运算放大器仍能保持稳定, 即能驱动宽范围的容性负载。

附图说明

[0012] 为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚,下面将结合附图对本发明作进 一步的详细描述,其中:

[0013] 图1为交叉前馈共源共栅三级运算放大器逻辑结构示意图;

[0014] 图2为本发明的三级运算放大器逻辑结构示意图;

[0015]图3为本发明的三级运算放大器的电路结构示意图。

具体实施方式

[0016] 以下将结合附图,对本发明的优选实施例进行详细的描述;应当理解,优选实施例 仅为了说明本发明,而不是为了限制本发明的保护范围。

[0017] 如图2所示,为本发明的三级运算放大器的逻辑结构示意图,包括第一级放大电 路、第二级放大电路、第三级放大电路和频率补偿单元。第一级跨导为gml,输出阻抗为R1, 输出电容为C1。第二级跨导为gm2,输出阻抗为R2,输出电容为C2。第三级跨导为gm3,输出阻 抗为R3,负载电容为CL Xml和Cm2为补偿电容。电流控制电流源XI、X2的转移电流比为k,输 入端电阻为1/gma,则本发明的运算放大器的小信号传输函数为:

[0018]

Figure CN105932971AD00061

[0019] 其中:Cme为等效米勒电容,其值为Cml+kCm2,a为Cml占等效米勒电容的比例,其值 为:Cml/Cme,Adc和p-3db分别为本发明运算放大器的增益和主极点频率。

[0020] Adc = kgmlgm2gm3RlR2R3 (2)

[0021]

Figure CN105932971AD00062

[0022] 当负载电容很大时,本发明的运算放大器传输函数可简化为:

[0023] l -i: - ja/3 j z

Figure CN105932971AD00063

[0024] 为了维持稳定性,本发明的运算放大器驱动的最大容性负载为:

[0025]

Figure CN105932971AD00064

[0026] 从公式(5)可以得出,和传统的嵌套式米勒补偿的三级运算放大器相比,本发明的 运算放大器驱动的容性负载的能力提升2.67gm 2R2/( Ι-a)倍。

[0027] 当负载电容很小时,本发明的运算放大器的闭环传输函数可简单表示为:

[00781

Figure CN105932971AD00065

[0029] 本发明的运算放大器保持稳定的充要条件可表示为:

[0030]

Figure CN105932971AD00066

[0031] 因此,设计时只需满足公式(7),即使当负载电容很小时,本发明的运算放大器也 能保持稳定。总之,本发明的运算放大器能驱动更大的容性负载,同时当容性负载很小时, 也能保持稳定工作,即本发明的运算放大器能驱动宽范围的容性负载。

[0032] 如图3所示,为本发明的具体的电路图,一种驱动宽范围容性负载的三级运算放大 器,包括依次连接的偏置电路、第一级放大电路、第二级放大电路、第三级放大电路和频率 补偿单元,所述频率补偿单元连接于第一级放大电路与第三级放大电路之间;所述第一级 放大电路包括第一放大单元和第二放大单元,第一放大单元输出端连接第一电流源,第二 放大单元输出端连接第二电流源,第一电流源的输出端与第二电流源的输出端连接后与第 二级放大电路的输入端连接;所述频率补偿单元包括第一补偿单元和第二补偿单元,所述 第一补偿单元并联于第三级放大电路的输出端与第二级放大电路的输入端之间,所述第二 补偿单元并联于第三级放大电路的输出端与第一放大单元的输出端之间。

[0033] 偏置电路包括第一 PM0S管Mpl和电流源Ib;

[0034] 所述第一级放大电路包括第二PM0S管Mp2、第三PM0S管Mp3、第四PM0S管Mp4、第五 PM0S管Mp5、第六PM0S管Mp6、第一 NM0S管Μη 1、第二NM0S管Mn2、第三NM0S管Mn3和第四NM0S管 Mn4;

[0035] 所述第二级放大电路包括第七PM0S管Mp7、第八PM0S管Mp8、第五NM0S管Mn5、第六 NM0S管Mn6;

[0036] 所述第三级放大电路包括第九PM0S管Mp9、第七NM0S管Mn7、负载电容CL;

[0037] 所述频率补偿单元包括第一补偿电容Cml和第二补偿电容Cm2;

[0038] 第一 PM0S管Mpl的源极、第二PM0S管Mp2的源极、第三PM0S管Mp3的源极、第四PM0S 管Mp4的源极、第五PM0S管Mp5的源极、第六PM0S管Mp6的源极、第七PM0S管Mp7的源极、第八 PM0S管Mp8的源极、第九PM0S管Mp9的源极均接电源VDD;

[0039] 第一 PM0S管Mpl的栅极和漏极、第二PM0S管Mp2的栅极、第八PM0S管Mp8的栅极与电 流源的正向端连接;

[0040] 第二PM0S管Mp2的漏极与第三PM0S管Mp3的源极和第四PM0S管Mp4的源极连接,第 三PM0S管Mp3的栅极为运算放大器的反向输入端,第四PM0S管Mp4的栅极为运算放大器的正 向输入端;

[0041 ] 第一匪0S管Mnl的栅极和漏极、第三PM0S管Mp3的漏极与第四匪0S管Mn4的栅极连 接;第二匪0S管Mn2的栅极和漏极、第四PM0S管Mp4的漏极、第三NM0S管Mn3的栅极与第二补 偿电容Cm2的一端相连;

[0042] 第三匪0S管Mn3的漏极、第五PM0S管Mp5的栅极和漏极、与第六PM0S管Mp6的栅极相 连;

[0043] 第六PM0S管Mp6的漏极、第四匪0S管Mn4的漏极、第七PM0S管Mp7的栅极、第九PM0S 管Mp9的栅极与第一补偿电容的一端相连;

[0044] 第七PM0S管Mp7的漏极、第五匪0S管Mn5的栅极和漏极、第六匪0S管Mn6的栅极相 连;

[0045] 第六NM0S管Mn6的漏极、第八PM0S管Mp8的漏极、第七NM0S管Mn7的栅极相连;

[0046] 第九PM0S管Mp9的漏极、第七匪0S管Mn7的漏极、第一补偿电容Cml的另一端、第二 补偿电容Cm2的另一端、负载电容CL的一端相连;

[0047] 电流源的反向端、第一NM0S管Mnl的源极、第二NM0S管Mn2的源极、第三NM0S管Mn3 的源极、第四NM0S管Mn4的源极、第五NM0S管Mn5的源极、第六NM0S管Mn6的源极、第七NM0S管 Mn7的源极与负载电容CL的另一端均接地GND。

[0048]下面对本发明运算放大器的驱动能力进行验证,在SMIC 0.13μπι标准CMOS下,本发 明的运算放大器外接不同容值的负载时,根据验证结果,本发明的运算放大器外接OpF到 2nF的容性负载时,相位裕度均大于60度,能保持稳定工作,因此本发明的运算放大器能驱 动宽范围容性负载。

[0049]以上所述仅为本发明的优选实施例,并不用于限制本发明,显然,本领域的技术人 员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样,倘若本发明的 这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内,则本发明也意图包含这些 改动和变型在内。

Claims (5)

1. 一种驱动宽范围容性负载的三级运算放大器,其特征在于:包括依次连接的偏置电 路、第一级放大电路、第二级放大电路、第三级放大电路和频率补偿单元,所述频率补偿单 元连接于第一级放大电路与第三级放大电路之间;所述第一级放大电路包括第一放大单元 和第二放大单元,第一放大单元输出端连接第一电流源,第二放大单元输出端连接第二电 流源,第一电流源的输出端与第二电流源的输出端连接后与第二级放大电路的输入端连 接;所述频率补偿单元包括第一补偿单元和第二补偿单元,所述第一补偿单元并联于第三 级放大电路的输出端与第二级放大电路的输入端之间,所述第二补偿单元并联于第三级放 大电路的输出端与第一放大单元的输出端之间。
2. 根据权利要求1所述的驱动宽范围容性负载的三级运算放大器,其特征在于:所述偏 置电路包括第一 PMOS管Mpl和电流源Ib,所述第一 PMOS管Mpl的源极接电源VDD,第一 PMOS管 Mpl的的漏极与电流源Ib的一端连接,电流源Ib的另一端接地,第一 PMOS管Mpl的栅极分别与 第一 PMOS管Mp 1的漏极、第一级放大电路、第二极放大电路连接。
3. 根据权利要求2所述的驱动宽范围容性负载的三级运算放大器,其特征在于:所述第 一放大单元包括第三PMOS管Mp3,所述第二放大单元包括第四PMOS管Mp4,所述第一电流源 包括第一匪OS管Mn 1和第四匪OS管Mn4,所述第二电流源包括第二匪OS管Mn2和第三匪OS管 Mn3,所述第一级放大电路还包括第二PMOS管Mp2、第五PMOS管Mp5和第六PMOS管Mp6,所述第 二PMOS管Mp2的源极、第五PMOS管Mp5的源极、第六PMOS管Mp6的源极接电源VDD,第二PMOS管 Mp2的栅极与第一 PMOS管Mpl的栅极连接,第二PMOS管MP2的漏极分别与第三PMOS管Mp3的源 极、第四PMOS管Mp4的源极连接,第三PMOS管Mp3的栅极、第四PMOS管Mp4的栅极分别接输入 电源,第三PMOS管Mp3的漏极分别与第一匪OS管Mn 1的漏极、第一匪OS管Mn 1的栅极、第四 匪OS管Mn4的栅极连接,第四PMOS管Mp4的漏极分别与第二匪OS管Mn2的漏极、第二匪OS管 Mn2的栅极、第三匪OS管Mn3的栅极连接,第五PMOS管Mp5的栅极分别与第五PMOS管Mp5的漏 极、第六PMOS管Mp6的栅极、第三匪OS管Mn3的漏极连接,第六PMOS管Mp6的漏极分别与第二 极放大电路、第四NMOS管Mn4的漏极连接,第一NMOS管Mn 1的源极、第二NMOS管Mn2的源极、第 三NMOS管Mn3的源极、第四NMOS管Mn4的源极分别接地。
4. 根据权利要求3所述的驱动宽范围容性负载的三级运算放大器,其特征在于:所述第 二级放大电路包括第七PMOS管Mp7、第八PMOS管Mp8、第五NMOS管Mn5、第六NMOS管Mn6;所述 第七PMOS管Mp7的源极、第八PMOS管Mp8的源极接电源VDD,第七PMOS管Mp7的栅极与第六 PMOS管Mp6的漏极连接,第七PMOS管Mp7的漏极分别与第五匪OS管Mn5的漏极、第五匪OS管 Mn5的栅极、第六匪OS管Mn6的栅极连接,所述第八PMOS管Mp8的栅极与第一 PMOS管Mpl的栅 极连接,第八PMOS管Mp8的漏极分别与第三级放大电路、第六NMOS管Mn6的漏极连接,所述第 五NMOS管Mn5的源极、第六NMOS管Mn6的源极分别接地。
5. 根据权利要求4所述的驱动宽范围容性负载的三级运算放大器,其特征在于:所述第 三级放大电路包括第九PMOS管Mp9、第七NMOS管Mn7、负载电容CL;所述第一补偿单元包括第 一补偿电容Cml,第二补偿单元包括第二补偿电容Cm2;所述第九PMOS管Mp9的源极接电源 VDD,所述第一补偿电容Cml并联于第九PMOS管Mp9的栅极与漏极之间,且第一补偿电容Cml 与第七PMOS管Mp7的栅极连接,所述第九PMOS管Mp9的漏极分别与第七NMOS管Mn7的漏极、第 二补偿电容Cm2的一端连接,第七NMOS管Mn7的栅极与第六匪OS管Mn6的漏极连接,第二补偿 电容Cm2的另一端与第二NMOS管Mn2的栅极连接,所述第七匪OS管Mn7的源极接地,负载电容 CL并联于第七NMOS管Mn7的源极与漏极之间。
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