CN109462376A - 一种频率补偿三阶放大器 - Google Patents

Abstract

本发明公开的一种频率补偿三阶放大器，包括负载电容，还包括负载电容感应补偿电路，该负载电容感应补偿电路用于控制负载电容在较大范围内变化时，减小对系统频率响应的影响，避免系统进入欠阻尼状态。本发明在阻尼因子控制频率补偿架构基础上加入阻尼网络，消除了负载电容对电路品质因数的影响，在电路增益带宽积较大的基础上，使得电路的品质因子数独立于负载电容，因而可应用于负载电容可大范围变化的放大器系统中。

Description

一种频率补偿三阶放大器

技术领域

本发明属于放大器技术领域，具体涉及一种频率补偿三阶放大器。

背景技术

随着集成电路科技的日益发展，运算放大器作为集成电路领域的一个重要组成部分与研究方向，得到了广泛的应用，例如在补偿器，传感电路，模拟计算机等领域都发挥着关键作用。在现代社会，人们对电子产品的需求与性能要求都大幅度上升，单阶运放电路已经难以同时满足低功耗，高增益等特性，必须采用更高阶数的放大电路。而由其带来的极点增加，从而导致相位裕度减小，时间响应性能与稳定性变差的问题则必须使用补偿来解决。

标准密勒补偿(Standard Miller Compensation,SMC)是一种常见的为通用二阶运算放大器应用设计的补偿方式，然而系统的电压增益可以通过增加放大器阶数来进一步提升，因此嵌套密勒补偿(Nested Miller Compensation,NMC)作为标准密勒补偿的延伸而出现了。理论上来说嵌套密勒补偿可以被扩展到无数阶，不过在实际设计中，由于随着阶数增加放大器的带宽将会降低，应用嵌套密勒补偿的放大器阶数一般小于或等于四节，通过对嵌套密勒补偿传递函数的计算可以发现，当放大器阶数较高或者补偿方案较复杂时，应用基尔霍夫定律直接计算将会非常复杂，计算量将非常大，容易出错，同时，所得公式系数的项数也将非常多，不利于进一步的分析，若追求较大的增益带宽积则会同时带来较高的功耗，而当嵌套密勒补偿的阶数越高时这一点越明显。

由此产生了针对较大容性负载的三阶放大器的补偿方案，也就是阻尼因子控制频率补偿(Multipath Nested Miller Compensation,MNMC)。如1(a)所示为一个三阶放大器的等效电路图，其在第一阶具有一个主导极点。gm1为第一阶放大器的跨导，A2为第二阶放大器的增益，A3为第三阶放大器的增益。容易看出，当A2、A3与C_m1协同工作时其效果类似于一个RC积分器，电流源由gm1担任。在默认高输出阻抗的前提下，C_m1为gm1提供单位反馈，因此电路可等效为如图1(b)所示的一个积分器与A2*A3在单位反馈下的级联，并可进一步化为如图1(c)所示的一个积分器与一个二阶滤波器的级联。这种方式将能够避开对三阶放大器分析时复杂的代数运算，通过对二阶滤波器部分的分析即可在很大程度上推知整个放大器的特性。

图2为使用DFCFC架构的放大器中二阶滤波器的结构图，gm2与gmL分别为第二、三阶放大器的跨导，C_p3为第三阶输入极点的寄生电容，gmD为阻尼电阻的跨导，C_B为确保此阻尼电阻在低频时不会降低放大器增益的阻塞电容，当输入信号的频率远大于时其可被忽略，由此得到系统的传递函数为：

与NMC相似的，它需要被设计为满足巴特沃斯频率响应，因此综合考虑整个放大器可得其所需条件为：

其中ω_CL为闭环极点幅度，由式(2)和(3)可得此运算放大器电路的增益带宽积为：

其中

当此放大器用于驱动较大负载电容(即较大的C_L)时，可以看出，β也将增大，DFCFC的增益带宽积将比NMC的大β倍，而一旦β>4，它甚至将大于单阶放大器，因此，DFCFC架构的放大器特别适合用于驱动大负载电容。

发明内容

有鉴于此，本发明其中之一目的在于提供一种频率补偿三阶放大器，应用于负载电容可能大范围变化的情况，增强系统稳定性。

一种频率补偿三阶放大器，包括负载电容，还包括负载电容感应补偿电路；

所述负载电容感应补偿电路用于控制所述负载电容在较大范围内变化时，减小对系统频率响应的影响。

进一步的，所述负载电容感应补偿电路包括阻尼网络支路，所述阻尼网络支路包括第二补偿电容、补偿电阻和跨导级放大器。

进一步的，所述负载电容感应补偿电路还包括第三补偿电容，所述第三补偿电容一端耦接于第三级放大器输出端，另一端耦接于第二级放大器输出端，同时耦接于所述阻尼网络支路输出端。

进一步的，在所述阻尼网络支路中，所述第二补偿电容耦接于所述跨导级放大器的输入端和输出端；

所述补偿电阻一端耦接于第二电压输入端，另一端耦接于所述补偿电容和所述跨导级放大器的输入端。

进一步的，所述阻尼网络支路中的所述补偿电阻、所述第二补偿电容和所述跨导级放大器协同工作，用于在所述负载电容值较大时为所述负载电容提供足够的阻尼值。

进一步的，所述第三补偿，用于在所述负载电容值较小时为所述负载电容提供足够的阻尼值。

进一步的，所述第一补偿电容耦接于第一级放大器和所述第三级放大器输出端，形成一个前馈通路。

进一步的，所述第一阻尼电阻的阻值反比于所述跨导级放大器的跨导，所述第一阻塞电容正比于所述跨导放大器、所述第二补偿电容和所述补偿电阻。

进一步的，所述第二阻尼电阻正比于所述负载电容，反比于所述第三级放大器和所述第三补偿电容；

所述阻塞电容正比于所述负载电容和所述第三级放大器电导，反比于所述第三级放大器。

进一步的，所述第一阻尼电阻与所述第二阻尼电阻通过并联方式提供一个正比于所述负载电容的电阻。

本发明提供的一种频率补偿三阶放大器，在阻尼因子频率补偿的基础上增加了阻尼网络支路，包括第二补偿电容、补偿电阻和跨导级放大器，该阻尼网络支路用于消除所述负载电容对电路品质因数的响应。在电路增益带宽积较大的基础上，使得电路的品质因数独立于负载电容，可用于负载电容可能大范围变化的情况。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术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的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是背景技术中基本三阶放大器等效电路图；

图2是背景技术中阻尼因子频率补偿架构中放大器二阶滤波器结构图；

图3是本发明实施例提供的一种负载电容感应补偿三阶放大器结构图；

图4是本发明实施例提供的一种正比于负载电容平方根的电阻模拟图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明的技术方案进行详细的描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施方式，都属于本发明所保护的范围。

本发明公开了一种频率补偿三阶放大器，如图3所示，包括第一级放大器N1、第二级放大器N2、第三级放大器N3、第一补偿电容C_m和负载电容C_L，还包括负载电容感应补偿电路101。该负载电容感应补偿电路101用于控制负载电容C_L在较大范围变化时，减小对系统频率响应的影响。

本实施例提供的一种频率补偿三阶放大器，采用负载电容感应补偿电路对放大器系统进行补偿，使系统频率响应受负载电容的影响大大减小，提高系统稳定性。

基于上述一种频率补偿三阶放大器，本实施例提供一种可选的实现方式，负载电容感应补偿电路101包括阻尼网络支路102，阻尼网络支路102包括第二补偿电容C_D、补偿电阻R_B和跨导级放大器N4，该阻尼网络支路102用于消除所述负载电容对电路品质因数的响应。

作为上述频率补偿三阶放大器的一种可选实现方式，如图3所示，负载电容感应补偿电路101还包括第三补偿电容C_D2，该第三补偿电容C_D2一端耦接于第三级放大器N3输出端，另一端耦接于第二级放大器N2输出端，同时耦接于上述阻尼网络支路102输出端。该第三补偿电容C_D2用于在系统负载电容C_L较小时，为负载电容C_L提供足够的阻尼，防止运放系统进入欠阻尼状态，保证系统的稳定性。

作为上述频率补偿三阶放大器的一种可选实现方式，如图3所示，在阻尼网络支路102中，第二补偿电容C_D耦接于所述跨导级放大器N4的输入端和输出端；补偿电阻R_B一端耦接于第二电压V_B输入端，另一端耦接于第二补偿电容C_D和跨导级放大器N4的输入端。用于补偿运放系统在负载电容C_L在较大范围变化时，为负载电容C_L提供足够的阻尼，防止运放系统进入欠阻尼状态，保证系统的稳定性。

作为上述频率补偿三阶放大器的一种可选实现方式，如图3所示，在负载电容感应补偿电路的等效电路103中，阻尼网络支路102中的补偿电阻R_B、第二补偿电容C_D和跨导级放大器N4协同工作时可等效为第一阻尼电阻R₁和第一阻塞电容C_eq1的级联，用于在负载电容C_L值较大时为所述负载电容C_L提供足够的阻尼值，防止运放系统进入欠阻尼状态，保证系统的稳定性。

作为上述频率补偿三阶放大器的另一种可选实现方式，如图3所示，第三补偿电容C_D2可等效为第二阻尼电阻R₂和第二阻塞电容C_eq2的级联，用于在负载电容C_L值较小时为负载电容C_L提供足够的阻尼值，防止系统进入欠阻尼状态，保证系统的稳定性。

作为上述频率补偿三阶放大器的一种可选实现方式，如图3所示，第一补偿电容C_m跨接于第一级放大器N1和第三级放大器N3输出端，如图3所示，第一补偿电容C_m的一端与第一级放大器N1的输出端相连，另一端与第三级放大器N3的输出端相连，形成一个前馈通路，用于将主导极点与第二非主导极点分隔开来，以提高运放系统相位裕度，保证系统稳定性。

作为上述频率补偿三阶放大器的一种可选实现方式，如图3中等效支路103所示，在阻尼网络支路102等效电路中，第一阻尼电阻R₁反比于跨导级放大器N4的跨导，第一阻塞电容C_eq1正比于跨导放大器、第二补偿电容C_D和补偿电阻R_B。

具体的，跨导级放大器N4的跨导为gmD，因此，第一阻尼电阻的阻值

第一阻塞电容的容值C_eq1≈gmD·R_B·C_D。

作为上述频率补偿三阶放大器的一种可选实现方式，如图3中等效支路103所示，在第三补偿电容C_D2等效电路中，第二阻尼电阻R₂正比于负载电容C_L，反比于第三级放大器N3跨导和第三补偿电容C_D2；第二阻塞电容正比于所述负载电容C_L和所述第三级放大器N3电导，反比于第三级放大器N3跨导。

具体的，第三级放大器N3跨导为gmL，第三级放大器N3电导为go3。

因此，

在高频情况下，放大器系统的电路阻抗主要由阻塞电容决定，因此，在基于负载电容感应补偿架构的三级放大器系统中，其等效二阶滤波器的复极点品质因子Q为：

作为上述频率补偿三阶放大器的一种可选实现方式，第一阻尼电阻R₁与第二阻尼电阻R₂通过并联方式提供一个正比于所述负载电容的电阻R_D。

具体的，如图4所示，第一阻尼电阻R₁与第二阻尼电阻R₂(R₂正比于负载电容C_L)通过并联方式提供一个正比于的电阻R_D。对于负载电容C_L值较大时，跨导级放大器N4向负载电容C_L提供所需的阻尼，以防止放大器系统进入欠阻尼状态；对应负载电容C_L值较小时，第三补偿电容C_D2向负载电容C_L提供所需的阻尼，以防止放大器系统进入欠阻尼状态；对于负载电容C_L的瞬时值，第一阻尼电阻R₁与第二阻尼电阻R₂提供损耗。当负载电容C_L值在较大范围内变化时，放大器系统频率响应受负载电容C_L的影响大大减小，并且系统不会进入欠阻尼状态，保证了系统的稳定性。

本发明提供的一种频率补偿三阶放大器，包括第一级放大器、第二级放大器、第三级放大器、第一补偿电容和负载电容，还包括负载电容感应补偿电路，用于负载电容在较大范围变化时，避免系统进入欠阻尼状态。在阻尼因子频率控制补偿的基础上添加阻尼网络，消除负载电容对电路品质因数的响应，在电路增益带宽积较大的基础上，使得电路的品质因数独立于负载电容，可用于负载电容大范围变化的放大器系统。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种频率补偿三阶放大器，包括负载电容，其特征在于，还包括负载电容感应补偿电路；

所述负载电容感应补偿电路用于控制所述负载电容在较大范围内变化时，减小对系统频率响应的影响。

2.根据权利要求1所述的频率补偿三阶放大器，其特征在于，所述负载电容感应补偿电路包括阻尼网络支路，所述阻尼网络支路包括第二补偿电容、补偿电阻和跨导级放大器。

3.根据权利要求1所述的频率补偿三阶放大器，其特征在于，所述负载电容感应补偿电路还包括第三补偿电容，所述第三补偿电容一端耦接于第三级放大器输出端，另一端耦接于第二级放大器输出端同时耦接于所述阻尼网络支路输出端。

4.根据权利要求2所述的频率补偿三阶放大器，其特征在于，在所述阻尼网络支路中，所述第二补偿电容耦接于所述跨导级放大器的输入端和输出端；

所述补偿电阻一端耦接于第二电压输入端，另一端耦接于所述补偿电容和所述跨导级放大器的输入端。

5.根据权利要求4所述的频率补偿三阶放大器，其特征在于，所述阻尼网络支路中的所述补偿电阻、所述第二补偿电容和所述跨导级放大器协同工作，用于在所述负载电容值较大时为所述负载电容提供足够的阻尼值。

6.根据权利要求3所述的频率补偿三阶放大器，其特征在于，所述第三补偿电容，用于在所述负载电容值较小时为所述负载电容提供足够的阻尼值。

7.根据权利要求1所述的频率补偿三阶放大器，其特征在于，所述第一补偿电容耦接于第一级放大器和所述第三级放大器输出端，形成一个前馈通路。

8.根据权利要求5所述的频率补偿三阶放大器，其特征在于，

所述第一阻尼电阻反比于所述跨导级放大器的跨导，所述第一阻塞电容正比于所述跨导级放大器、所述第二补偿电容和所述补偿电阻。

9.根据权利要求6所述的频率补偿三阶放大器，其特征在于，

所述第二阻尼电阻正比于所述负载电容，反比于所述第三级放大器和所述第三补偿电容；

所述阻塞电容正比于所述负载电容和所述第三级放大器电导，反比于所述第三级放大器。

10.根据权利要求8-9任一项所述的频率补偿三阶放大器，其特征在于，所述第一阻尼电阻与所述第二阻尼电阻通过并联方式提供一个正比于所述负载电容的电阻。