TWI325223B - Amplifier with common-mode feedback circuit - Google Patents

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TWI325223B TW095121533A TW95121533A TWI325223B TW I325223 B TWI325223 B TW I325223B TW 095121533 A TW095121533 A TW 095121533A TW 95121533 A TW95121533 A TW 95121533A TW I325223 B TWI325223 B TW I325223B
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Chieh Min Feng
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Description

1325223 玖、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明有關於一種放大器’尤有關於一種具有共模回 授（common-mode feedback)電路之放大器。 【先前技術】 一般具有回授電路的全差動運算放大器（fuUy differential operational amplifier)，其回授電路只能決定全 差動運鼻放大器的差動輸出電塵（differential output voltage)大小，而不能影響其共模輸出電壓，因此，全差動 運算放大器需要一個額外電路來控制共模輸出電壓，使該 共模輸出電壓Vem。趨近於一參考電壓值（通常為二個工作 電麼的中間值）’請參考第1圖，第1圖為具有共模回授電 路的全差動運算放大器1〇〇，其包含全差動運算放大器 110’共模偵測器12〇’以及共模回授放大器13〇。而共模 债測器120，以及共模回授放大器13〇係構成一共模回授 電路，其詳細操作原理，請參考Gmy et吐“Analysis and
Design of Analog Integrated Circuits” 4th Ed,2001，wiley. PP.816-835 以及 Razavi，“ Design 〇f Anal〇g CM〇s
Integrated Circuits” 2001，McGraw Hill. PP.314-324.。 由於具有共模回授電路的全差動運算放大器丨〇〇必須 做適當的補償，否則，當共模輸出電壓Vcm。被參入雜訊之 後，易導致共模輸出電壓Vcm。產生震盪（〇sciUate)現象， 以下介紹兩種常見的共模回授電路的補償方式，第一種補 6 丄以5223 償方式是採用源級退化（source degeneration)方式，透過在 ， 共模回授放大器130的二個輸入端之兩電晶體，增加一電 阻，藉由降低共模回授放大器13〇的增益來增加其穩定 性’第二種補償方式是將全差動運算放大器11〇之控制電 * 流的電流量減少為原來的1/N倍（N為正整數，n>>1)，來 .增加整體電路之穩定性，請參考第2圖，第2圖為利用此 . 兩種補償方式之共模回授電路，補償前與補償後之放大器 φ 頻率響應比較圖，由圖可知，此兩種補償方式會使得補償 後之頻率響應犧牲增益，以換取整體電路之穩定性。 【發明内容】 有鑑於上述問題，本發明之主要目的之一在於提供一 種一杈回授電路之補償裝置，使補償後之整體電路的頻率 響應，相較於補償前的頻率響應，增加了一個極點與一個 零點，不但使增益值維持不變，並改善了相位邊際以及增 加電路的穩定性。 ’ 〜為達上述之目的，本發明揭露_種放大器，包含—運算放大 具有-第—輸出端及—第二輸出端，用來放大—輸人訊號並輸 "指輪出訊號；一共模積測器，輕接至該第一、第二輸出端，用來 =_輪出訊號之-共模輸出電壓；以及一共模回授放大器包 1 S —電晶體’用來接收該共模輸出電壓；一第二電晶體，用 '收參考電壓；以及一第一補償電容，用來補償該放大器。 【實施方式】 7 1325223
第3圖顯示本發明共模回授電路之補償前與補償後之 頻率響應比較圖，補償前的頻率響應曲線原本有兩個極點 Pi、P2’若要共模回授電路的頻率響應之增益值維持不變， 可藉由增加一個極點P3與一個零點Νι來改善相位邊際以 及增加電路的穩定性，如第3圖中補償後頻率響應曲線共 具有兩個極點Pi、1>3與一個零點Νι，而補償前之極點 已被移動至更高頻的部份。因此，本發明利用一個額外的 補償電路來達到產生極點P3與零點Νι的目的，而實施該 補乜電路是由電容、電阻組合而成，如以下的五個實施例。 請參考第4圖，第4圖為本發明第一實施例之放大器， 放大器400包含一全差動運算放大器11〇，一共模偵測器 420，共模回授放大器430 ’以及一補償單元Zl，其中，共 模偵測器420，以及共模回授放大器43〇係形成—共模回 授電路440,全差動運算放大器11〇係為兩級式運算放大 器（Two-Stage OP Amplifier)，用來放大一輸入訊號V n以 輸出一差動訊號（Von-Vop)，共模债測器420包含兩相同電 阻值之電阻R,，兩相同電容值之電容Ci，其用來偵測全 差動運算放大器110之兩輸出端V〇n、v〇p2共模輸出電壓 (Vcmo=(Von+Vop)/2)，而共模回授放大器43〇，包含一電流 源43 1 ’二個PMOS電晶體432、433、二個NMOS電晶體 434、435。電流源431用來提供一電流至該共模回授放大 器430 ’該共模回授放大器430係藉由電晶體433接收一 參考電壓Vref以及藉由電晶體432接收該共模輸出電壓 Vcm。以產生一控制訊號（電晶體432汲極端之訊號）至該全 8 1325223 差動運算放大器11 ο，該控制訊號係用來調整該共模輪出 電壓vcm。使得共模輸出電壓vcm。等於該參考電壓ν 土 V ref。而 本發明之第一實施例，其補償單元Zl係為一補償電容C， 耦接至電晶體432之閘極與工作電壓vss之間，係用來補 償該放大器400。共模回授放大器43〇在增加補償電容c 之後，所新產生的極點Pa與零點Ν!，可由以下的轉移函數2 (transfer function)來表示： 1
T(s)= vcmo K+Kj/2 sC2 sC2 V/Ci+去 l + sRlCl +
1 + sR^ (Cj + C*2) 其中，零點Nl頻率ωΝ1= +，極點pa頻率 1 〇 r'(c'+c2)。 根據上述的轉移函數T(s)可知，藉由調整補償電容q 的電容值，可以使得零點Nl頻率ωΝι高於極點p3頻率 數倍，而補償電容C2的電容值越大，相位邊際越佳，代表 放大器400越穩定。另外，零點Νι頻率ωΝΐ與極點Ρ3頻 率toy的位置必須位於補償前曲線的單一增益（unh 頻率之前才有意義。 參考第5圖’第5圖為本發明第二實施例之放大器 500，本實施例與第—實施例不同的地方在於，共模回授 放大器530，在於二個節點E、F(電晶體432、433的汲極） 之間增加了一補償單元以補償共模回授放大器53〇，而 9 補償單元Z2包含一個補償電容Cs與—個補償電阻R2。補 償前的共模回授放大器530之婵只Α _α 甘士 〈項皿Αν丨-gmr〇，其中，gm、 r〇分別為PMOS電晶體43? μ +借/
日 M 432 的電導（conductance)與 NMOS 電晶體434輸出雷ρ且。.卞执^口 别扣电阻而增加補償単元Z2之後的共模回授 放大器530之增益
Av2—gm(r0//Z2)= gm(r〇//(_l_ +奂))=^ sR2C3r0+r0 i(i?2C3 +r0C3) + l 其中，零點Ν,頻率 1 ° ^C3 極點 p3頻率 ωρ3: 此在增加補j員單元之後，共模回授放大器530 所產生的補償後曲線不但與補償前曲線維持了相同的增 -值(如第3圖所示），同時還增加了一個極點與一個零 點’所以補償後曲線的相位邊際比補償前曲線更理想。再 根據上述的增纟Av2可知，藉由調整補償電阻〜及『。的 可以使仔令點Nl頻率高於極點P2頻率數倍，而補 =阻r。的阻值越大，相位邊際越佳，代表放大器5〇〇越 穩疋。 參考第6圖，第 R〇n ^ 第6圖為本發明第三實施例之放大器 6 0 0。本貫施例與前述
^ ^ φ ^ v 貫施例不同的地方，在於節點G 與接地電壓Vss之間增加了一 。 授放大器㈣，而補償單元早元&以補償共模回 償電阻R2，補償電阻含一補償電容C3與一補 =之::且補償電容。3的另—端耗接至 體 值…、的是，在共模回授放大器53〇中是利用差動架構 10 並、、償單7L Z2來達到增加極點p3與零點Νι的目的，而在 铺=授放大n㈣中則是利用單端（singieended)架構的 描早（Z3來達到此目的’至於共模回授放大器63〇與共 、回授放大器530所推導出來的增益AV2完全相同，在此 不再多作敘述。 參考第7 ®，第7圖為本發明第四實施例之放大器 7。〇。與前述之實施例比較，共模回授放大器—除了在 二個節點T、S之間（電晶體432、433沒極）增加了 一個補 償單元Z4以補償共模回授放大器730之外，NM〇S電晶體 43二、435的連接方式也不同。補償單元&包含二個補償 電合C3、一補償電阻I與二個相同補償電阻R3，而二個 補償電阻R3分別位於NM0S電晶體434的汲極與閘極之 間，以及NMOS電晶體435的汲極與閘極之間。 由下列推導可計算出加入補償單纟Z4之後的共模回 授放大器730之增益 AV3=gm〇V/Z4)= gm(lV/(^^2)// R3)，假設 R3< aV3= sR2C, +sR,C3 +1 其中，零點Ni頻率ωΝι: 1 &C3 極點 p3頻率 ωρ3~ζ(Λ2+7?3) 由上述的增盈A”可知，藉由調整補償電阻、& 的比例，可以使得零點N，頻率高於極點PS頻率數倍而 補償電阻R3的阻值越大，相位邊際越佳，代表放大器7〇〇 越穩定。比較上述二個増益Av2、Av3，共模回授放大器 ㈣中的電阻以必需藉由程式模擬才能知道的值，而非 個真正的電阻’至於共模回授放大器中的補償電阻 R3則是-個確切的值’若假設R3<<r。，所以加入補償電 阻R;之後的共模回授放大器73〇,在推導增益a”時可以 取代電阻rQ。
參考第8圖，第8圖為本發明第五實施例之放大器 8〇〇。與前述實施例比較，共模回授放大器83〇在節點X、 Y與接地電壓vss之間增加了 —個補償單元Z5以補償共模 回授放大器830,而補償單元Zs包含一補償電容c3、二個 相同補償電阻&與一補償電阻，其中，補償電容C3與 補償電阻R2的連接方式與第6圖一樣，二個補償電阻R3 的連接方式與第7圖一樣。至於共模回授放大器83〇與共 模回授放大器730所推導出來的增益Av3完全相同，在此 不再多作敘述。 以上實施例雖以金氧半場效電晶體（M〇SFET)作為例 子’但本發明不因此而受限，在實際應用時，共模回授放 大器 430、530、630、730、830 中由 PMOS 電晶體 432、 433所組成的pm〇S差動放大器，可利用二個pnp雙載子 接面電晶體（bipolar junction transistor，BJT)來替代，同 時’ 一個NMOS電晶體434、435可利用二個NPN雙載子 接面電晶體來替代’若共模回授電路的電晶體係以雙載子 接面電晶體來實施時，則全差動運算放大器1丨〇中的電晶 體也必須配合以雙載子接面電晶體來實施，另外，由於共 12 丄 模回授電路440係用爽A . 射久w 參考電壓，使得輸出共模電 壓（各貫鈿例中的A點），實信 I值上荨於該參考電壓，其袁考 電壓的產生方法可利田_么^ ^ 用一參考電壓產生器或是電阻分壓 式來產生，亦屬本發明之範轉。 以上雖以實施例說明本發明，但並不因此限定本發明 之範圍’只要残離本發明之要旨，該行#者可進行各種 變形或變更。 【圖式簡單說明】 第1圖為習知具有共模回授電路之的全差動運算放大 器。 第2圖為習知共模回授電路之補償前與補償後，放大 器之頻率響應比較圖。 第3圖為本發明共模回授電路之補償前與補償後，放 大器之頻率響應比較圖。 第4圖為本發明第一實施例之放大器。 第5圖為本發明第二實施例之放大器。 第6圖為本發明第三實施例之放大器。 第7圖為本發明第四實施例之放大器。 第8圖為本發明第五實施例之放大器。 圖號說明： 100、400、500、6〇〇、700、800 放大器 120、420共模偵測器 130、430、530、630、730、830 共模回授放大器 440、540、640、740、840 共模回授電路 13 1325223 431電流源 110全差動運算放大器 432、433 PMOS 電晶體 434、435 NMOS 電晶體 C1 、 C2 、 C3 電容 R、R!、R2、R3 電阻
Zi、z2、z3、z4、z5 補償單元
14

Claims (1)

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拾、申請專利範圍： 1. 一種放大器，包含： 一運算放大器，具有一第一輸出端及一第二輸出端，用來放大 一輸入訊號並輸出一輸出訊號； 一共模偵測器，耦接至該第一、第二輸出端，用來偵測該輸出 訊號之一共模輸出電壓；以及 一共模回授放大器，用來依據一參考電壓以產生一控制訊號至 該運算放大器，包含： ® 一第一電晶體，用來接收該共模輸出電壓； 一第二電晶體，用來接收該參考電壓； 一第一補償電容，用來補償該放大器； 一第一補償電阻，用來補償該放大器；以及 一第二補償電容，用來補償該放大器； 其中，該第一補償電阻，其一端耦接至該第一補償電容，另一 端耦接至該第二補償電容； 該第一、第二補償電容分別耦接至該第一、二電晶體之 # 汲極；以及 該第一、第二補償電容之電容值實質上相等。 2. 如申請專利範圍第1項之放大器，其中該共模偵測器包含： 一第一電阻，耦接至該第一輸出端； 一第二電阻，其一端耦接至該第二輸出端，另一端耦接至該 第一電阻； 一第一電容，耦接至該第一輸出端；以及 15 1325223 ‘ γ^γ^ττ^τΓΓ 年頁曰修正替挺頁 一第二電容，其一端耦接至該第二輸出端，另一端耦接至該第 一電容； 其中，該第一、第二電阻之電阻值實質上相等，該第一、第二 電容之電容值實質上相等。 3. 如申請專利範圍第1項之放大器，其中該回授放大器更包含： 一第二補償電阻，其一端耦接至該第一電晶體之汲極；以及 • 一第三補償電阻，其一端耦接至該第二電晶體之汲極，另一端 耦接至該第二補償電阻之另一端； ® 其中，該第二、第三補償電阻之電阻值實質上相等。 4. 如申請專利範圍第1項之放大器，其中該回授放大器更包含： 一第一電流源，耦接至該第一、第二電晶體，用來提供一電流 至該回授放大器。 5. 如申請專利範圍第1項之放大器，其中該共模輸出電壓係實質上 等於該參考電壓。 6. 如申請專利範圍第1項之放大器，其中該運算放大器係為一全差 動運算放大器。 • 7.如申請專利範圍第1項之放大器，其中該輸出訊號係為一差動訊 號。 8. 如申請專利範圍第1項之放大器，其中該第一、第二電晶體係為 一 MOS電晶體。 9. 如申請專利範圍第1項之放大器，其中該第一、第二電晶體係為 一 BJT電晶體。 10. 如申請專利範圍第1項之放大器，其中該參考電壓係由一參考 電壓產生器所產生。 16 年月日修正替換頁 11. 如申請專利範圍第1項之放大器，其中該參考電壓係由電阻分 壓所產生。 12. 如申請專利範圍第1項之放大器，其中該放大器之頻率響應係 具有兩極點及一零點。 13. —種放大器，包含： 一放大電路，具有一第一輸出端及一第二輸出端，用來放大一 輸入訊號並輸出一輸出訊號，其中該輸出訊號具有一共模 輸出電壓； 一共模偵測器，偶接至該第一、第二輸出端，用來偵測該輸出 訊號之該共模輸出電壓； 一共模回授電路，用來接收該共模輸出電壓及一參考電壓，以 產生一控制訊號至該放大電路，其中該控制訊號係用來調 整該輸出訊號之該共模輸出電壓；以及 一補償單元，耦接至該共模回授電路，用以補償該放大器，其 中該補償單元係包含： 至少一電容； 至少一電阻，用來補償該放大器； 一第二電容，用來補償該放大器； 其中，該電阻之一端耦接至該電容，另一端耦接至該第二電 容；以及 該電容及該第二電容之電容值實質上相等。 14.如申請專利範圍第13項之放大器，其中該共模偵測器包含： 一第一電阻，耦接至該第一輸出端； 1325223 一第二電阻，其一端耦接至該第二輸出端，另一端耦接至該第 一電阻； 一第三電容，耦接至該第一輸出端；以及 一第四電容，其一端耦接至該第二輸出端，另一端耦接至該第 三電容； 其中，該第一、第二電阻之電阻值實質上相等，該第三、第四 電容之電容值實質上相等。 15. 如申請專利範圍第13項之放大器，其中該補償單元更包含： ® 一第二電阻，用來補償該放大器；以及 一第三電阻，用來補償該放大器； 其中，該第二、第三電阻分別耦接至該電容及該第二電容； 該第二、第三電阻之電阻值實質上相等。 16. 如申請專利範圍第13項之放大器，其中該共模輸出電壓係實質 上等於該參考電壓。 17. 如申請專利範圍第13項之放大器，其中該放大電路係為一全差 動運算放大器。 • 18.如申請專利範圍第13項之放大器，其中該輸出訊號係為一差動 訊號。 19. 如申請專利範圍第13項之放大器，其中該參考電壓係由一參考 電壓產生器所產生。 20. 如申請專利範圍第13項之放大器，其中該參考電壓係由電阻分 壓所產生。 21. 如申請專利範圍第13項之放大器，其中該放大器之頻率響應係 具有兩極點及一零點。 1325223 98. 6〇 1 6 年月日修正替换頁 22. —種放大器，包含： 一運算放大器，具有一第一輸出端及一第二輸出端，用來放大 一輸入訊號並輸出一輸出訊號； 一共模偵測器，耦接至該第一、第二輸出端，用來偵測該輸出 訊號之一共模輸出電壓；以及 一共模回授放大器，用來依據一參考電壓以產生一控制訊號至 ' 該運算放大器，包含： 一第一電晶體，用來接收該共模輸出電壓； # 一第二電晶體，用來接收該參考電壓； 一第一補償電容，用來補償該放大器； 一第一補償電阻，用來補償該放大器； 一第二補償電阻，其一端耦接至該第一電晶體之汲極；以 及 一第三補償電阻，其一端耦接至該第二電晶體之汲極，另 一端耦接至該第二補償電阻之另一端； 其中，該第一補償電阻耦接至該第一電晶體之汲極； # 該第一補償電容之一端耦接至該第一補償電阻，另一 端耦接至一工作電壓；以及 該第二、第三補償電阻之電阻值實質上相等。 23. 如申請專利範圍第22項之放大器，其中該共模偵測器包含： 一第一電阻，耦接至該第一輸出端； 一第二電阻，其一端耦接至該第二輸出端，另一端耦接至該 第一電阻； 一第一電容，耦接至該第一輸出端；以及 19 1325223 月日修正替换頁 一第二電容，其一端耦接至該第二輸出端，另一端耦接至該第 一電容； 其中，該第一、第二電阻之電阻值實質上相等，該第一、第二 電容之電容值實質上相等。 24. 如申請專利範圍第22項之放大器，其中該回授放大器更包含： 一第一電流源，耦接至該第一、第二電晶體，用來提供一電流 至該回授放大器。 25. 如申請專利範圍第22項之放大器，其中該共模輸出電壓係實質 上等於該參考電壓。 26. 如申請專利範圍第22項之放大器，其中該運算放大器係為一全 差動運算放大器。 27. 如申請專利範圍第22項之放大器，其中該輸出訊號係為一差動 訊號。 28. 如申請專利範圍第22項之放大器，其中該第一、第二電晶體係 為一 MOS電晶體。 29. 如申請專利範圍第22項之放大器，其中該第一、第二電晶體係 為一 BJT電晶體。 30. 如申請專利範圍第22項之放大器，其中該參考電壓係由一參考 電壓產生器所產生。 31. 如申請專利範圍第22項之放大器，其中該參考電壓係由電阻分 壓所產生。 32. 如申請專利範圍第22項之放大器，其中該放大器之頻率響應係 具有兩極點及一零點。 33. —種放大器，包含： 20 1325223 fete替換頁 一放大電路，具有一第一輸出端及一第二輸出端，用來放大一 輸入訊號並輸出一輸出訊號，其中該輸出訊號具有一共模 輸出電壓； 一共模偵測器，偶接至該第一、第二輸出端，用來偵測該輸出 訊號之該共模輸出電壓；
一共模回授電路，用來接收該共模輸出電壓及一參考電壓，以 產生一控制訊號至該放大電路，其中該控制訊號係用來調 整該輸出訊號之該共模輸出電壓；以及 一補償單元，耦接至該共模回授電路，用以補償該放大器，其 中該補償單元係包含： 至少一電容； 至少一電阻，用來補償該放大器； 一第二電阻，用來補償該放大器；以及 一第三電阻，用來補償該放大器； 其中，該電容之一端耦接至該電阻之一端，另一端耦接至一工 作電壓；
9聲 該第二電阻之一端耦接至該第三電阻，另一端耦接至該電 阻之另一端；以及 該第二、第三電阻之電阻值實質上相等。 34.如申請專利範圍第33項之放大器，其中該共模偵測器包含： 一第四電阻，耦接至該第一輸出端； 一第五電阻，其一端耦接至該第二輸出端，另一端耦接至該第 四電阻； 一第一電容，耦接至該第一輸出端；以及 21 1325223
一第二電容，其一端耦接至該第二輸出端，另一端耦接至該第 一電容； 其中，該第四、第五電阻之電阻值實質上相等，該第一、第二 電容之電容值實質上相等。 ^ 35.如申請專利範圍第33項之放大器，其中該共模輸出電壓係實質 上等於該參考電壓。 36.如申請專利範圍第33項之放大器，其中該放大電路係為一全差 動運算放大器。 ® 37.如申請專利範圍第33項之放大器，其中該輸出訊號係為一差動 訊號。 38. 如申請專利範圍第33項之放大器，其中該參考電壓係由一參考 電壓產生器所產生。 39. 如申請專利範圍第33項之放大器，其中該參考電壓係由電阻分 壓所產生。 40. 如申請專利範圍第33項之放大器，其中該放大器之頻率響應係 具有兩極點及一零點。 22
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