CN109672418A - 一种采用前馈补偿的高增益运算放大器 - Google Patents
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Abstract
本发明公布了一种采用前馈补偿的高增益运算放大器，包络差分第一增益级、增益自举式折叠共源共栅第二增益级、差动对式的前馈补偿电路；差分第一增益级和增益自举式折叠共源共栅第二增益级串联，同时差分对式的前馈补偿电路与第一、第二增益级并联。其中前馈补偿电路采用差动对式补偿电路，结构简单易于实现，而且代替传统的补偿电容形式，可以节约芯片面积，易于集成，另一面代替传统极点分离密勒补偿技术，保证电路稳定性的也大大提高了系统的带宽；其中的第二增益级采用的是增益自举式折叠共源共栅结构的误差放大器，在满足高增益的同时，也能有比传统的差分式电路更好的电源抑制比，而且输出电阻的增大使得主极点原来次极点，电路更加稳定。
Description
技术领域
本发明涉及一种采用前馈补偿的高增益运算放大器。
背景技术
随着集成电路工艺技术的发展,集成度的不断提高,以及数模混合系统在电子信息系统领域的广泛使用,行业对模拟集成电路的设计提出了更高的要求:高性能,高集成度,低功耗等。而运算放大器作为模拟与数模混合系统中必不可少的模块单元,其性能的好坏直接关系整个系统性能的好坏。因此高性能运放的研究与设计具有重要的意义。而常用的两级运放里面一方面包含许多极点，容易导致相位偏移，也即是电路的幅频曲线的幅度下降到1之前，相频曲线已经下降到-180度了，这样的结果会对整个两级运放的稳定性造成很大的影响。另一方面常用的两级运放虽然有较大的输出摆幅，但是电源抑制比一般比较差，而且由于性能的限制增益一般不高，这样很难满足当下对高增益、高稳定性电路的需求。所以对两级运放的稳定性和频率补偿及对两级运放增益的改进具有很重要的意义。
随着当前集成电路的电源电压不断的下降以及各性能指标的不断提高，以往的频率补偿结构以及无法满足设计的需求了，同时常用的两级运放电路由于电源抑制比较差，增益不够大也难以满足当下设计的需要。同时还由于需要提高电路的信噪比、电源抑制比、增大带宽来获得高增益、高稳定的工作区域，在此基础上新的补偿技术和新的电路架构是这里的关键部分。传统的频率补偿是单电容密勒补偿技术，使两极点分离。而在此基础上新的补偿技术的新的补偿技术的不断涌现，如控制零点的密勒补偿，通过控制零点来补偿极点；增加源跟随器来消除零点等。另一方面传统的两级运放电路由于性能的现在增益不够大；同时由于无法控制电路中的高阶极点而引起的有限带宽；以及由于传统的密勒补偿而引起的电源抑制比的降低。
传统的运算放大器的密勒电容补偿电路如图1所示，其补偿的基本原理是在第一增益输出级与第二增益输出级之间并上一个密勒电容和电阻，使主次极点分离。由于密勒电容电路中包含一个右半平面零点削弱了系统的稳定性。通过密勒电容和电阻串联可以使右半平面的零点移动到左半平面，来改善系统的稳定性。
现在频率补偿的技术缺点是：（1）使用密勒电容补偿，计算零极点的分布情况,能够对主机点频率进行较准确的预测，但它不能有效的预测电路零点频率和次极点频率，也很难保证对零极点完全抵消。(2)由于引入电容，将大大增加了芯片的面积和功耗，同时由于电容将主极点推向更低，降低了单位增益带宽积。现有的两级运放的技术缺点是：（1）两级运放电路由于性能的现在增益不够大；（2）由于无法控制电路中的高阶极点而引起的有限带宽；（3）由于传统的密勒补偿而引起的电源抑制比的降低。
发明内容
为了解决现有技术的不足，本发明的目的是提供一个带前馈补偿的高增益、高稳定性的运算放大器。该运算放大器利用了一个差分对式的前馈补偿电路，能够产生一个左半平面的零点，该零点带来的正相移能够抵消差分第一增益级电路、增益自举式折叠共源共栅结构的第二增益级电路产生的极点而引起的负相移，同时并没有将主极点推向更低频，这样电路会有更高的单位增益带宽积。同时本实验的前馈补偿电路采用的差分对电路，具有较大的输入共模电压范围和较大的输出摆幅范围，同时第二增益级电路采用的增益自举式共源共栅结构的误差放大器，具有较大的增益，满足设计高增益电路的要求。
为了实现上述的实验目标，本发明采用的技术方案是:一种采用前馈补偿的高增益运算放大器，包络差分第一增益级、增益自举式折叠共源共栅第二增益级、差动对式的前馈补偿电路；差分第一增益级和增益自举式折叠共源共栅第二增益级串联，同时差分对式的前馈补偿电路与第一、第二增益级并联。
进一步，前馈补偿电路采用差动对式补偿电路，有差分对结构的Nmos管Ma1、Ma2、电流源负载的Pmos管Ma3、Ma4和提供尾电流源Ma5构成；所述的前馈补偿电路的Pmos管Ma3、Ma4的栅端连接在一起并且连接到第二增益级的自偏置电路上获得偏置电压；它们的源级连接到电源VDD上；漏极分别与Nmos管Ma1、Ma2的漏极连接在一起，同时它们的漏端分别与第二增益级的Vout1、Vout连接；所述的前馈补偿电路的Nmos管Ma1、Ma2的栅端分别与第一增益级的Vin+、Vin-连接在一起，它们的源端连接在尾电流源Ma5的漏端上。
进一步，增益自举式折叠共源共栅第二增益级，包括Nmos管M1-M3、M6、M13-M16；Pmos管M4、M5、M7-M12；及电阻Rb；其中所述的mos管M1-M3、M7、M8、M10、M11、M13-M15构成了第二增益级的共源共栅电路结构部分；所述的mos管M4-M6、电阻Rb构成了第二增益级的自偏置电路部分，为电路第二增益级的电路提高偏置电压，同时为前馈补偿电路的Pmos管Ma3、Ma4提高偏置电压；所述的mos管M9、M12、M16构成第二级增益级的增益自举电路，可以提高共源共栅电路的输出阻抗，进而进一步提高了第二级增益级的增益；同时所述的第二增益级的输出端Vout连接前馈补偿电路的Ma2、Ma4的漏端，另外一端Vout1连接前馈补偿电路的Ma1、Ma3的漏端；所述的第二增益级的mos管M1、M2的栅端输入端分别与第一增益的输出端Vo1、Vo2连接。
本发明专利的有益结果：首先采用差动对式的前馈补偿电路，来取代传统极点分离的密勒补偿技术，在保证电路稳定的同时，可以大大提高电路的带宽，同时电路没有使用电容，芯片面积也大大缩小，易于集成。其次，本设计的第二增益级电路采用的是增益自举式共源共栅结构的误差放大器，极大的提高了整个电路的增益，同时共源共栅结构的电路结构也具有较高的电源抑制比。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
图1为传统的采用密勒电容补偿的运算放大器示意图；
图2为本发明的结构示意图；
图3为图2所示的电路原理图。
具体实施方式
如图2所示本发明所设计的一种采用前馈补偿的高增益运算放大器，包含了差分第一增益级、增益自举式共源共栅结构的第二增益级和采用差动对式的前馈补偿电路。
所述的差分第一增益级的正向输入端和反向输入端输入所需的信号，另一方面，所述的差分第一增益的正向输入端和反向输入端分别连接到前馈补偿电路的两端输入端；所述的差分第一增益级的输出端分别与第二增益级的输入端连接。所述的第一增益级提高电路整体的一部分增益。
所述的增益自举式共源共栅结构的第二增益级，它的输入端分别是第一增益级的输出端连接；所述的第二增益级的输出端连接到电路的输出并且与前馈补偿电路的输出端的一端连接。所述的第二增益级通过增加增益自举电路，提高了输出的阻抗，极大的提高了第二级的增益，同时采用共源共栅结构可以有效的提高电源抑制比。
所述采用差动对式的前馈补偿电路，它的输入端与第一增益级的输入端分别连接；它的输出端一端连接到第二增益级的输出端，一端连接到第二增益的内部。所述的前馈补偿电路，一方面可以提高系统的稳定性同时也能提高整个电路大的单位增益带宽积，同时相比常规的采用电容来补偿，可以节省芯片面积利于集成。
下面结合实施电路图进行详细说明。
如图3所示，本发明所设计的一种采用前馈补偿的高增益运算放大器，包含了差分第一增益级301、增益自举式共源共栅结构的第二增益级303和采用差动对式的前馈补偿电路302。
所述的差分第一增益级301的正向输入端Vin+和反向输入端Vin-输入所需的信号，另一方面，所述的差分第一增益的正向输入端Vin+和反向输入端Vin-分别连接到前馈补偿电路的两端输入端；所述的差分第一增益级的输出端Vo1、Vo2分别与第二增益级的输入端Vo1、Vo2连接。
所述的增益自举式共源共栅结构的第二增益级303,包括Nmos管M1-M3、M6、M13-M16；Pmos管M4、M5、M7-M12；及电阻Rb。其中所述的mos管M1-M3、M7、M8、M10、M11、M13-M15构成了第二增益级303的共源共栅电路结构部分，该部分一方面可以提高较高的增益，另一方面采用共源共栅结构的电路具有较大的电源抑制比；所述的mos管M4-M6、电阻Rb构成了第二增益级303的自偏置电路部分，为电路第二增益级的电路提高偏置电压，同时为前馈补偿电路的Pmos管Ma3、Ma4提高偏置电压；所述的mos管M9、M12、M16构成第二级增益级的增益自举电路，可以提高共源共栅电路的输出阻抗，进而进一步提高了第二级增益级的增益，这样可以设计出高增益的放大器电路结构。同时所述的第二增益级303的输出端Vout连接前馈补偿电路的输出端的一端，另外一端Vout1与前馈补偿电路的另外一端输出端连接；所述的第二增益级303的输入端分别与第一增益301的输出端Vo1、Vo2连接。
所述采用差动对式的前馈补偿电路302，包含了Pmos管Ma3、Ma4,Nmos管Ma1、Ma2、Ma5；所述的mos管Ma3、Ma4的共同栅端与第二增益级303的自偏置电路连接起来而获得偏置电压；所述的前馈补偿电路302的输入端分别与第一增益级301的Vin+、Vin-连接起来。所述的差动对式前馈补偿电路302，一方面具有较大的输入共模范围和较大的输出摆幅，同时具有不错的增益，可以满足构成前馈补偿电路的需求；同时它能够产生一个左半平面的零点，该零点带来的正相移能够抵消差分第一增益级电路、增益自举式折叠共源共栅结构的第二增益级电路产生的极点而引起的负相移，同时并没有将主极点推向更低频，这样电路会有更高的单位增益带宽积，而且采用的是差动对的前馈补偿电路而不是补偿电容可以节省芯片面积，利于集成。
Claims (3)
1.一种采用前馈补偿的高增益运算放大器，包络差分第一增益级、增益自举式折叠共源共栅第二增益级、差动对式的前馈补偿电路；差分第一增益级和增益自举式折叠共源共栅第二增益级串联，同时差分对式的前馈补偿电路与第一、第二增益级并联。
2.根据权利要求1所述的一种采用前馈补偿的高增益运算放大器，其特征在于：前馈补偿电路采用差动对式补偿电路，有差分对结构的Nmos管Ma1、Ma2、电流源负载的Pmos管Ma3、Ma4和提供尾电流源Ma5构成；所述的前馈补偿电路的Pmos管Ma3、Ma4的栅端连接在一起并且连接到第二增益级的自偏置电路上获得偏置电压；它们的源级连接到电源VDD上；漏极分别与Nmos管Ma1、Ma2的漏极连接在一起，同时它们的漏端分别与第二增益级的Vout1、Vout连接；所述的前馈补偿电路的Nmos管Ma1、Ma2的栅端分别与第一增益级的Vin+、Vin-连接在一起，它们的源端连接在尾电流源Ma5的漏端上。
3.根据权利要求1所述的一种采用前馈补偿的高增益运算放大器，其特征在于：增益自举式折叠共源共栅第二增益级，包括Nmos管M1-M3、M6、M13-M16；Pmos管M4、M5、M7-M12；及电阻Rb；其中所述的mos管M1-M3、M7、M8、M10、M11、M13-M15构成了第二增益级的共源共栅电路结构部分；所述的mos管M4-M6、电阻Rb构成了第二增益级的自偏置电路部分，为电路第二增益级的电路提高偏置电压，同时为前馈补偿电路的Pmos管Ma3、Ma4提高偏置电压；所述的mos管M9、M12、M16构成第二级增益级的增益自举电路，可以提高共源共栅电路的输出阻抗，进而进一步提高了第二级增益级的增益；同时所述的第二增益级的输出端Vout连接前馈补偿电路的Ma2、Ma4的漏端，另外一端Vout1连接前馈补偿电路的Ma1、Ma3的漏端；所述的第二增益级的mos管M1、M2的栅端输入端分别与第一增益的输出端Vo1、Vo2连接。
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