CN109309481B - 基于阻尼因子频率补偿和直流失调消除的三级运算放大器 - Google Patents

基于阻尼因子频率补偿和直流失调消除的三级运算放大器 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于阻尼因子频率补偿和直流失调消除的三级运算放大器，包括：第一放大器、第二放大器、第三放大器、阻尼因子控制模块、第一补偿电容和第四放大器。本发明提供的基于阻尼因子频率补偿和直流失调消除的三级运算放大器通过增加第一补偿电容Cm1和阻尼因子控制模块，有效地抑制出现在单位增益带宽附近的尖峰效应并可以减小第一补偿电容Cm1的值，增加放大器的单位增益带宽。同时，通过在该三级运算放大器的第三放大器AMP3中加入亚阈值反馈运放，有效地抑制了运放的直流失调。

Description

基于阻尼因子频率补偿和直流失调消除的三级运算放大器
技术领域
本发明属于集成电路设计领域，具体涉及一种基于阻尼因子频率补偿和直流失调消除的三级运算放大器
背景技术
运算放大器(简称：运放)是具有很高放大倍数的电路单元。在实际电路中，通常结合反馈网络共同组成某种功能模块。它是一种带有特殊耦合电路及反馈的放大器。其输出信号可以是输入信号加、减或微分、积分等数学运算的结果。由于早期应用于模拟计算机中，用以实现数学运算，故得名“运算放大器”。运放是一个从功能的角度命名的电路单元，可以由分立的器件实现，也可以实现在半导体芯片当中。随着半导体技术的发展，大部分的运放是以单芯片的形式存在。运放的种类繁多，广泛应用于电子行业当中。
实际中，为了得到足够大的放大倍数或考虑到输入电阻、输出电阻等特殊要求，放大器往往由多级电路组成，把信号经过多次放大，从而得到所需的放大倍数。现如今，随着集成电路的电源电压的快速下降，越来越多的电路设计者注意到了低压多级放大器的重要性。然而相较于单级放大器，多级放大器的带宽变低了。因此很多的频率补偿技术被提出来，用于提高放大器的带宽。相较于简单的密勒补偿和嵌套密勒补偿(NMC)，一些先进的补偿技术虽然能提高带宽，但都不明显。另外，一般的多级放大器由于输入信号的偏移或输入差分管的不匹配会在输入端产生直流失调，从而信号经过放大后在输出端也产生一个直流失调，并且在一个小的偏移内会使放大器的直流增益快速下降，恶化电路性能。因此，如何有效增大多级放大器的带宽和消除直流失调成为集成电路设计的一个重要内容。
发明内容
为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种基于阻尼因子频率补偿和直流失调消除的三级运算放大器。本发明要解决的技术问题通过以下技术方案实现：
本发明实施例提供了一种基于阻尼因子频率补偿和直流失调消除的三级运算放大器，包括：第一放大器、第二放大器、第三放大器、阻尼因子控制模块、第一补偿电容和第四放大器；其中，
所述第一放大器的输出端连接所述第二放大器的输入端，用于增益放大；
所述第二放大器的输出端连接所述第三放大器的输入端，用于增益放大；
所述第三放大器用于提高增益并消除直流失调；
所述第一补偿电容连接在所述第一放大器的输出端与第三放大器的输出端之间，用于提高相位裕度；
所述阻尼因子控制模块连接所述第二放大器的输出端，用于提高运放的带宽和抑制尖峰效应；
所述第四放大器连接在所述第一放大器的输入端与第三放大器的输出端之间，用于消除RHP零点的影响。
在本发明的一个实施例中，所述阻尼因子控制模块包括：第二补偿电容和共源级放大器；其中，
所述第二补偿电容连接在所述共源级放大器的输入端和输出端之间，且所述第二补偿电容与所述共源级放大器输入端连接的节点处连接所述第二比较器的输出端。
在本发明的一个实施例中，共源级放大器包括：第一MOS管、第二MOS管和第二补偿电容；其中，
所述第二MOS管的源极连接电源电压；
所述第二MOS管的漏极连接所述第一MOS管的漏极；
所述第二MOS管的栅极连接偏置电压；
所述第二补偿电容连接在所述第一MOS管的漏极与栅极之间；
所述第一MOS管的源极连接地电压；
所述第一MOS管的栅极连接所述第二放大器的输出端。
在本发明的一个实施例中，所述第一放大器为电流源做负载的共源级差分放大器；
所述第二放大器为电流镜做负载的共源级差分放大器；
所述第四放大器电流源做负载的共源级差分放大器。
在本发明的一个实施例中，所述第三放大器包括：第一运放、第二运放、第三MOS管、第四MOS管、第五MOS管、第六MOS管和电流沉Iss；其中，
所述第一运放的同相输入端、所述第二运放同相输入端、所述第三MOS管的漏极、所述第四MOS管的漏极、所述第五MOS管的漏极和所述第六MOS管的漏极均连接所述第三放大器的输出端；
所述第一运放的反相输入端和所述第二运放的反相输入端均连接共模电压；
所述第一运放的输出端连接所述第五MOS管的栅极；
所述第二运放的输出端连接所述第六MOS管的栅极；
所述第五MOS管的源极和所述第六MOS管的源极均连接电源电压；
所述第三MOS管的源极和所述第四MOS管的源极均连接所述电流沉Iss的一端；
所述电流沉Iss的另一端连接地电压。
在本发明的一个实施例中，所述第三MOS管和所述第四MOS管为NMOS管；
所述第五MOS管和所述第六MOS管为PMOS管。
在本发明的一个实施例中，第一运放、第二运放均为亚阈值反馈运放，用于消除直流失调。
在本发明的一个实施例中，所述亚阈值反馈运放包括：第七MOS管、第八MOS管、第九MOS管、第十MOS管、第十一MOS管、第十二MOS管、第三补偿电容、电流沉I0、电流沉I1和电流沉I2；其中，
所述第九MOS管的源极和所述第十MOS管的源极连接电源电压；
所述第九MOS管的栅极连接所述第九MOS管的漏极和所述第十MOS管的栅极；
所述第七MOS管的漏极连接所述第九MOS管的漏极；
所述第七MOS管的栅极连接共模电压；
所述第八MOS管的漏极连接所述第十MOS管的漏极；
所述第八MOS管的栅极连接所述第三放大器的输出端；
所述第七MOS管的源极和所述第八MOS管的源极连接所述电流沉I0的一端；
所述电流沉I0的另一端连接地电压；
所述第十二MOS管的栅极连接所述第十MOS管的漏极；
所述第三补偿电容连接在所述第十MOS管的漏极与所述第十一MOS管的源极之间；
所述第十一MOS管的漏极连接电源电压；
所述第十一MOS管的源极连接所述电流沉I1一端；
所述电流沉I1另一端连接地电压端；
所述第十一MOS管的栅极连接所述第十二MOS管的漏极；
所述第十二MOS管的源极连接电源电压；
所述第十二MOS管的漏极连接所述亚阈值反馈运放的输出端和所述电流沉I2的一端；
所述电流沉I2的另一端连接地电压。
在本发明的一个实施例中，所述第七MOS管和所述第八MOS管为NMOS管；
所述第九MOS管、所述第十MOS管和所述第十二MOS管为PMOS管；
所述第十一MOS管为源极跟随器。
与现有技术相比，本发明的有益效果：
1)本发明提供的基于阻尼因子频率补偿和直流失调消除的三级运算放大器通过增加第一补偿电容Cm1和阻尼因子控制模块，有效地抑制出现在单位增益带宽附近的尖峰效应并减小第一补偿电容Cm1的值，增加放大器的单位增益带宽。与一般的密勒补偿相比，它的带宽可以提高3倍左右；
2)本发明提供的基于阻尼因子频率补偿和直流失调消除的三级运算放大器通过在该三级运算放大器的第三放大器中加入亚阈值反馈运放，有效地抑制了运放的直流失调。
附图说明
图1为本发明提供的一种基于阻尼因子频率补偿和直流失调消除的三级运算放大器的结构示意图；
图2为本发明提供的阻尼因子控制模块的电路结构示意图；
图3为本发明提供的第三放大器的电路结构示意图；
图4为本发明提供的亚阈值反馈运放的电路结构示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明做进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
实施例一
请参见图1至图4，图1为本发明提供的一种基于阻尼因子频率补偿和直流失调消除的三级运算放大器的结构示意图；图2为本发明提供的阻尼因子控制模块的电路结构示意图；图3为本发明提供的第三放大器的电路结构示意图；图4为本发明提供的亚阈值反馈运放的电路结构示意图。
一种基于阻尼因子频率补偿和直流失调消除的三级运算放大器，包括：第一放大器AMP1、第二放大器AMP2、第三放大器AMP3、阻尼因子控制模块、第一补偿电容Cm1和第四放大器AMP4；其中，
第一放大器AMP1的输出端连接第二放大器AMP2的输入端，用于增益放大；
第二放大器AMP2的输出端连接第三放大器AMP3的输入端，用于增益放大；
第三放大器AMP3用于提高增益并消除直流失调；
第一补偿电容Cm1连接在第一放大器AMP1的输出端与第三放大器AMP3的输出端之间，用于提高相位裕度；
阻尼因子控制模块连接第二放大器AMP2的输出端，用于提高运放的带宽和抑制尖峰效应；
第四放大器AMP4连接在第一放大器AMP1的输入端与第三放大器AMP3的输出端之间，用于消除RHP零点的影响。
具体地，第一放大器AMP1的输出端记为Vout1；第二放大器AMP2的输出端记为Vout2；第三放大器AMP3的输出端记为Vout3。
优选地，第一放大器AMP1为电流源做负载的共源级差分放大器，其结构及功能采用现有技术，属于已公开的的技术，此处不再赘述。
优选地，第二放大器AMP2为电流镜做负载的共源级差分放大器，其结构及功能采用现有技术，属于已公开的的技术，此处不再赘述。
优选地，第四放大器AMP4电流源做负载的共源级差分放大器。
具体地，第四放大器AMP4为前馈跨导级放大器，用于消除RHP零点的影响，其结构及功能采用现有的前馈跨导级放大器，属于已公开的的技术，此处不再赘述。
具体地，在第一放大器AMP1的输出端与第三放大器AMP3的输出端增加了第一补偿电容Cm1。
具体地，在第二放大器AMP2的输出端增加的阻尼因子控制模块，可以有效的增加电路的带宽和消除尖峰效应。
进一步地，阻尼因子控制模块包括：第二补偿电容Cm2和共源级放大器AMP5；其中，
第二补偿电容Cm2接在共源级放大器AMP5的输入端和输出端之间，且第二补偿电容Cm2与共源级放大器AMP5输入端连接的节点处连接第二比较器AMP2的输出端Vout2。
进一步地，如图2所示，共源级放大器AMP5包括：第一MOS管M1、第二MOS管M2和第二补偿电容Cm2；其中，
第二MOS管M2的源极连接电源电压VDD；
第二MOS管M2的漏极连接第一MOS管M1的漏极；
第二MOS管M2的栅极连接偏置电压Vbias；
第二补偿电容Cm2连接在第一MOS管M1的漏极与栅极之间；
第一MOS管M1的源极连接地电压GND；
第一MOS管M1的栅极连接第二放大器AMP2的输出端。
具体地，阻尼因子控制模块采用第二补偿电容Cm2的共源级放大器AMP5实现，阻尼因子和复极点的位置可由该共源级放大器AMP5的跨导gm5控制，通过跨导gm5将该共源级放大器AMP5的阻尼因子控制在
Figure BDA0001813762410000081
则可以有效地抑制出现在单位增益带宽附近的尖峰效应和并减小第一补偿电容Cm1的值，增加本实施例提供的三级放大器的单位增益带宽。与一般的密勒补偿相比，它的带宽可以提高3倍左右。
进一步地，如图3所示，第三放大器AMP3包括：第一运放A1、第二运放A2、第三MOS管M3、第四MOS管M4、第五MOS管M5、第六MOS管M6和电流沉Iss；其中，
第一运放A1的同相输入端、第二运放A2同相输入端、第三MOS管M3的漏极、第四MOS管M4的漏极、第五MOS管M5的漏极和第六MOS管M6的漏极均连接第三放大器AMP3的输出端Vout3；
第一运放A1的反相输入端和第二运放A2的反相输入端均连接共模电压VCM；
第一运放A1的输出端连接第五MOS管M5的栅极；
第二运放A2的输出端连接第六MOS管M6的栅极；
第五MOS管M5的源极和第六MOS管M6的源极均连接电源电压VDD；
第三MOS管M3的源极和第四MOS管M4的源极均连接电流沉Iss的一端；
电流沉Iss的另一端连接地电压GND。
具体地，第三MOS管M3和第四MOS管M4为NMOS管；第五MOS管M5和第六MOS管M6为PMOS管。
进一步地，第一运放A1、第二运放A2均为亚阈值反馈运放，用于消除直流失调。
具体地，第一运放A1和第二运放A2的正向输入端接第三放大器AMP3的输出端Vout3的输出电平，其反向输入端接共模电平VCM，输出端作为第三放大器AMP3的负载的偏置，以此来将该三级运算放大器的输出电平固定在VCM。由于第一运放A1和第二运放A2的工作速度很慢，时间常数很大＞1s，因此，此反馈只会在直流和低频的情况下建立。这使得该三级运算放大器工作起来就像一个高通滤波器，只表现出交流增益而没有直流增益，由此也不会产生直流失调。
进一步地，亚阈值反馈运放包括：第七MOS管M7、第八MOS管M8、第九MOS管M9、第十MOS管M10、第十一MOS管M11、第十二MOS管M12、第三补偿电容Cm3、电流沉I0、电流沉I1和电流沉I2；其中，
第九MOS管M9的源极和第十MOS管M10的源极连接电源电压VDD；
第九MOS管M9的栅极连接第九MOS管M9的漏极和第十MOS管M10的栅极；
第七MOS管M7的漏极连接第九MOS管M9的漏极；
第七MOS管M7的栅极连接共模电压VCM；
第八MOS管M8的漏极连接第十MOS管M10的漏极；
第八MOS管M8的栅极连接第三放大器AMP3的输出端Vout3；
第七MOS管M7的源极和第八MOS管M8的源极连接电流沉I0的一端；
电流沉I0的另一端连接地电压GND；
第十二MOS管M12的栅极连接第十MOS管M10的漏极；
第三补偿电容Cm3连接在第十MOS管M10的漏极与第十一MOS管M11的源极之间；
第十一MOS管M11的漏极连接电源电压VDD；
第十一MOS管M11的源极连接电流沉I1一端；
电流沉I1另一端连接地电压端GND；
第十一MOS管M11的栅极连接第十二MOS管M12的漏极；
第十二MOS管M12的源极连接电源电压VDD；
第十二MOS管M12的漏极连接亚阈值反馈运放的输出端和电流沉I2的一端；
电流沉I2的另一端连接地电压GND。
进一步地，第七MOS管M7和第八MOS管M8为NMOS管；
第九MOS管M9、第十MOS管M10和第十二MOS管M12为PMOS管；
第十一MOS管M11为源极跟随器。
具体地，采用亚阈值反馈运放消除了直流失调，第三补偿电容Cm3和第十一MOS管M11串行连接，消除了零点影响。优选地，该亚阈值反馈运放工作在亚阈值饱和状态下时，电流沉I0的电流为0.5nA，电流沉I1和电流沉I2的电流为10uA。
本实施例提供的基于阻尼因子频率补偿和直流失调消除的三级运算放大器通过增加第一补偿电容Cm1和阻尼因子控制模块，有效地抑制出现在单位增益带宽附近的尖峰效应并可以减小第一补偿电容Cm1的值，增加放大器的单位增益带宽。与一般的密勒补偿相比，它的带宽可以提高3倍左右。同时，通过在该三级运算放大器的第三放大器AMP3中加入亚阈值反馈运放，可以有效地抑制运放的直流失调。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种基于阻尼因子频率补偿和直流失调消除的三级运算放大器，其特征在于，包括：第一放大器(AMP1)、第二放大器(AMP2)、第三放大器(AMP3)、阻尼因子控制模块、第一补偿电容(Cm1)和第四放大器(AMP4)；其中，
所述第一放大器(AMP1)的输出端连接所述第二放大器(AMP2)的输入端；
所述第二放大器(AMP2)的输出端连接所述第三放大器(AMP3)的输入端；
所述第一补偿电容(Cm1)连接在所述第一放大器(AMP1)的输出端与第三放大器(AMP3)的输出端之间；
所述阻尼因子控制模块连接所述第二放大器(AMP2)的输出端；
所述第四放大器(AMP4)连接在所述第一放大器(AMP1)的输入端与第三放大器(AMP3)的输出端之间，其中，
所述第三放大器(AMP3)包括：第一运放(A1)、第二运放(A2)、第三MOS管(M3)、第四MOS管(M4)、第五MOS管(M5)、第六MOS管(M6)和电流沉Iss，其中，
所述第一运放(A1)的同相输入端、所述第二运放(A2)同相输入端、所述第三MOS管(M3)的漏极、所述第四MOS管(M4)的漏极、所述第五MOS管(M5)的漏极和所述第六MOS管(M6)的漏极均连接所述第三放大器(AMP3)的输出端；
所述第一运放(A1)的反相输入端和所述第二运放(A2)的反相输入端均连接共模电压(VCM)；
所述第一运放(A1)的输出端连接所述第五MOS管(M5)的栅极；
所述第二运放(A2)的输出端连接所述第六MOS管(M6)的栅极；
所述第五MOS管(M5)的源极和所述第六MOS管(M6)的源极均连接电源电压(VDD)；
所述第三MOS管(M3)的源极和所述第四MOS管(M4)的源极均连接所述电流沉Iss的一端；
所述电流沉Iss的另一端连接地电压(GND)。
2.根据权利要求1所述的三级运算放大器，其特征在于，所述阻尼因子控制模块包括：第二补偿电容(Cm2)和共源级放大器(AMP5)；其中，
所述第二补偿电容(Cm2)连接在所述共源级放大器(AMP5)的输入端和输出端之间，且所述第二补偿电容(Cm2)与所述共源级放大器(AMP5)输入端连接的节点处连接所述第二放大器(AMP2)的输出端。
3.根据权利要求2所述的三级运算放大器，其特征在于，共源级放大器(AMP5)包括：第一MOS管(M1)、第二MOS管(M2)和第二补偿电容(Cm2)；其中，
所述第二MOS管(M2)的源极连接电源电压(VDD)；
所述第二MOS管(M2)的漏极连接所述第一MOS管(M1)的漏极；
所述第二MOS管(M2)的栅极连接偏置电压(Vbias)；
所述第二补偿电容(Cm2)连接在所述第一MOS管(M1)的漏极与栅极之间；
所述第一MOS管(M1)的源极连接地电压(GND)；
所述第一MOS管(M1)的栅极连接所述第二放大器(AMP2)的输出端。
4.根据权利要求1所述的三级运算放大器，其特征在于，所述第一放大器(AMP1)为电流源做负载的共源级差分放大器；
所述第二放大器(AMP2)为电流镜做负载的共源级差分放大器；
所述第四放大器(AMP4)电流源做负载的共源级差分放大器。
5.根据权利要求1所述的三级运算放大器，其特征在于，所述第三MOS管(M3)和所述第四MOS管(M4)为NMOS管；
所述第五MOS管(M5)和所述第六MOS管(M6)为PMOS管。
6.根据权利要求1所述的三级运算放大器，其特征在于，第一运放(A1)、第二运放(A2)均为亚阈值反馈运放，用于消除直流失调。
7.根据权利要求6所述的三级运算放大器，其特征在于，所述亚阈值反馈运放包括：第七MOS管(M7)、第八MOS管(M8)、第九MOS管(M9)、第十MOS管(M10)、第十一MOS管(M11)、第十二MOS管(M12)、第三补偿电容(Cm3)、电流沉I0、电流沉I1和电流沉I2；其中，
所述第九MOS管(M9)的源极和所述第十MOS管(M10)的源极连接电源电压(VDD)；
所述第九MOS管(M9)的栅极连接所述第九MOS管(M9)的漏极和所述第十MOS管(M10)的栅极；
所述第七MOS管(M7)的漏极连接所述第九MOS管(M9)的漏极；
所述第七MOS管(M7)的栅极连接共模电压(VCM)；
所述第八MOS管(M8)的漏极连接所述第十MOS管(M10)的漏极；
所述第八MOS管(M8)的栅极连接所述第三放大器(AMP3)的输出端；
所述第七MOS管(M7)的源极和所述第八MOS管(M8)的源极连接所述电流沉I0的一端；
所述电流沉I0的另一端连接地电压(GND)；
所述第十二MOS管(M12)的栅极连接所述第十MOS管(M10)的漏极；
所述第三补偿电容(Cm3)连接在所述第十MOS管(M10)的漏极与所述第十一MOS管(M11)的源极之间；
所述第十一MOS管(M11)的漏极连接电源电压(VDD)；
所述第十一MOS管(M11)的源极连接所述电流沉I1一端；
所述电流沉I1另一端连接地电压端(GND)；
所述第十一MOS管(M11)的栅极连接所述第十二MOS管(M12)的漏极；
所述第十二MOS管(M12)的源极连接电源电压(VDD)；
所述第十二MOS管(M12)的漏极连接所述亚阈值反馈运放的输出端和所述电流沉I2的一端；
所述电流沉I2的另一端连接地电压(GND)。
8.根据权利要求7所述的三级运算放大器，其特征在于，所述第七MOS管(M7)和所述第八MOS管(M8)为NMOS管；
所述第九MOS管(M9)、所述第十MOS管(M10)和所述第十二MOS管(M12)为PMOS管；
所述第十一MOS管(M11)为源极跟随器。
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