專利名稱：兩級運算放大器的寬帶共模反饋環路頻率補償方法
技術領域：
本發明屬于模擬集成電路設計領域，特別涉及兩級運算放大器的寬帶共模反 饋環路頻率補償方法。
背景技術：
集成放大器一般采用全差分結構，該結構能夠抑制共模干擾及噪聲。然而差 分放大器的共模輸出電平由于制造工藝、工作電壓及溫度等因素的影響會偏離設 計值，因此需要共模反饋電路確定輸出直流電平。在設計共模反饋電路時需要慮環路的穩定性。
集成運算放大器是常用的電路單元。為了實現高增益和大輸出信號范圍，一 般采用兩級結構。為了保證由運算放大器構成的反饋電路能夠穩定工作，通常采 用密勒補償的方法提高運算放大器的相位裕度。圖1是采用密勒補償的兩級運算
放大器的結構圖，圖2是運算放大器的開環頻率響應波特圖。在適當的密勒補償 下，運算放大器的UGB之內只有一個主極點，且運算放大器具有較大的相位裕度。
對于兩級運算放大器，第一級和第二級的輸出節點均為"高阻"節點，其直 流電平容易受到影響而偏離設計值，因此需要共模反饋電路同時穩定每一級的的 直流電平。如圖3的兩級運算放大器，需要兩個共模反饋環路，從而增加了電路 的制造成本和功耗。
發明內容
本發明的目的是提供一種兩級運算放大器的寬帶共模反饋環路頻率補償方 法，其特征在于，在帶有密勒補償的兩級運算放大器中使用一個寬帶反饋放大 器作為共模反饋環路，以減少共模反饋電路的面積和功耗；兩級運算放大器在 單位增益帶寬內只有一個主極點，采用全差分輸入輸出結構，差分輸出端用來 對共模輸出電平取樣；其第一級運算放大器電路存在可控偏置電路，共模反饋 的控制信號通過該可控偏置電路同時控制運算放大器第一級和第二級的共模輸 出電平。
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如圖4，所述運算放大器的開環傳輸函數為Hi(s)^v。ut(s)/vin(s)，單位增益 帶寬為UGB,，相位裕度為PM1;該運算放大器在共模反饋環路中的傳輸函數為 H2(S)=V。ut(S)/V。 fb(s)，單位增益帶寬為UGB2，相位裕度為PM2;寬帶反饋放大器 的傳輸函數為F(S)=V。 fb(S)/V。ut(S);則共模反饋環路總體的傳輸函數是CML(s) =H2(s)F(s)，單位增益帶寬為UGB3，相位裕度為PM3。
所述寬帶反饋放大器的主極點頻率在設計為遠高于UGBi和UGB2條件下，其 主極點對共模反饋環路相位裕度的影響較小，H"s)的UGB,和H2(s)的UGB2滿足 UGB^UGB2， PM^PM2，因此CML (s)的相位裕度滿足PM^PM^PM^使共模反饋環路 的相位裕度和運算放大器自身的相位裕度近似相等，滿足環路穩定性的要求。
本發明的有益效果為寬帶反饋放大器的主極點頻率遠高于運算放大器的單 位增益帶寬，因此共模環路的相位裕度基本等于運算放大器自身的相位裕度，從 而構成了穩定的反饋環路。因而共模反饋電路元件更少、更低的共模反饋電路功 耗、更簡便的電路設計。
圖1是釆用密勒補償的兩級運算放大器結構圖。 圖2是圖1運算放大器的頻響曲線示意圖。 圖3是使用兩個共模反饋環路的運算放大器結構圖， 圖4是使用一個共模反饋環路的運算放大器結構圖。 圖5是本發明提出的寬帶共模反饋環路頻率補償方案的一個示例性電路。
具體實施例方式
下面結合附圖對本發明予以說明。
圖4中，設運算放大器的開環傳輸函數為H"s):^v。"(s)/v"s)，單位增益帶 寬為UGB^相位裕度為PM1;該運算放大器在共模反饋環路中的傳輸函數為 H2(S)=V。,,t(S)/V』(s)，單位增益帶寬為UGB2，相位裕度為PM2;寬帶反饋放大器 的傳輸函數為F(S)=vMfb(S)/V。ut(S);則共模反饋環路總體的傳輸函數是CML(s) =H2(s)F(s)，單位增益帶寬為UGB3，相位裕度為PM3。在適當的設計下，H"s)的UGB,和H2(s)的UGB2滿足UGB^UGB2， PM^PM"由 于寬帶反饋放大器的主極點頻率遠高于UGB,和UGB2，因此寬帶反饋放大器主極點 對共模反饋環路相位裕度的影響較小，CML(s)的相位裕度滿足PM3sPM^PM,。這樣 共模反饋環路的相位裕度和運算放大器自身的相位裕度近似相等，滿足環路穩定 性的要求。
圖5描述了一個帶有寬帶共模反饋電路的兩級運算放大器電路。左邊是帶有
密勒補償的兩級運算放大器，其中Vm和Vi『是運算放大器的差分輸入端，V。ut + 和V。ut-是運算放大器的差分輸出端。運算放大器的第一級電路的差分輸入對管為
設其跨導為gm,。第一級電路的差分負載對管為M2，設其跨導為g^。第二級電 路的輸入管為M3，設其跨導為&。運算放大器的負載電容為Cl，密勒補償電容為Cc。
右邊是共模反饋環路中的寬帶反饋放大器。V。ut+和V。ut—加在對管M4的柵極，
實現共模輸出電平的取樣功能，設M4管的跨導為g 4。寬帶反饋放大器在節點①
輸出控制電壓V。^，該電壓加在運算放大器差分負載對管M2的柵極。運算放大器
和寬帶反饋放大器從而構成閉合的共模反饋環路。
當運算放大器工作在開環差分模式下時，輸入信號為Vw和Vin-，輸出信號 為V^+和V。ut-，采用電容Q;密勒補償后，其單位增益帶寬(UGBJ是
一
其非主極點頻率(角頻率)是:<formula>formula see original document page 5</formula>
運算放大器在差分模式下的相位裕度是<formula>formula see original document page 5</formula>
當考慮整個電路的共模環路增益時，該環路包括運算放大器和寬帶反饋放大
器兩部分。其中運算放大器的輸入信號為v。 fb，輸出信號為V。w和V。ut—(此時V。ut
+=V。ut_)，其單位增益帶寬(UGB2)是<formula>formula see original document page 6</formula>
運算放大器部分的非主極點頻率(角頻率)是:
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在共模反饋環路中運算放大器部分的相位裕度是:
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在電路設計中， 一般有&2 <- gmi ， 因it匕f/G^ > C/G32 ， 尸M, <= PM2 。
對于寬帶反饋放大器，設節點①對應的放大器主極點角頻率為C^，其遠大于 運算放大器的UGB,，那么有
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則整個共模反饋環路的相位裕度是: PM3 =90°-0啤
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則包含共模反饋電路的兩級運算放大器，其共模環路的相位裕度近似等于運 算放大器開環差模下的相位裕度，環路是穩定的。
權利要求
1.一種兩級運算放大器的寬帶共模反饋環路頻率補償方法，其特征在于，在帶有密勒補償的兩級運算放大器中使用一個寬帶反饋放大器作為共模反饋環路，以減少共模反饋電路的面積和功耗；兩級運算放大器在單位增益帶寬內只有一個主極點，采用全差分輸入輸出結構，差分輸出端用來對共模輸出電平取樣；其第一級運算放大器電路存在可控偏置電路，共模反饋的控制信號通過該可控偏置電路同時控制運算放大器第一級和第二級的共模輸出電平。
2. 根據權利要求1所述兩級運算放大器的寬帶共模反饋環路頻率補償方法， 其特征在于，所述運算放大器的開環傳輸函數為K(s)二v。"(s)/v"s)，單位增益 帶寬為UGB,，相位裕度為PM1;該運算放大器在共模反饋環路中的傳輸函數為 H2(S)=V。llt(S)/V。rfb(S)，單位增益帶寬為UGB2，相位裕度為PM2;寬帶反饋放大器 兩級運算放大器的傳輸函數為F(S)=vMfb(S)/V。ut(S);則共模反饋環路總體的傳輸 函數是CML(s)二H2(s)F(s)，單位增益帶寬為UGB3，相位裕度為PM3。
3.根據權利要求1所述兩級運算放大器的寬帶共模反饋環路頻率補償方 法，其特征在于，所述寬帶反饋放大器的主極點頻率為遠高于UGB,和UGB2條件下， 其主極點對共模反饋環路相位裕度的影響較小，H"s)的UGB,和H2(s)的UGB2滿 足UGB^UGB2， PM^PM2，因此CML(s)的相位裕度滿足PM^PM^PM"使共模反饋環 路的相位裕度和運算放大器自身的相位裕度近似相等，滿足環路穩定性的要求。
全文摘要
本發明公開了屬于模擬集成電路設計領域的一種兩級運算放大器的寬帶共模反饋環路頻率補償方法。在帶有密勒補償的兩級運算放大器中使用一個寬帶反饋放大器作為共模反饋環路，以減少共模反饋電路的面積和功耗；兩級運算放大器在單位增益帶寬內只有一個主極點，采用全差分輸入輸出結構，差分輸出端用來對共模輸出電平取樣；共模反饋的控制信號通過該可控偏置電路同時控制運算放大器第一級和第二級的共模輸出電平。由于寬帶反饋放大器的主極點頻率遠高于運算放大器的單位增益帶寬，因此共模環路的相位裕度基本等于運算放大器自身的相位裕度，從而構成了穩定的反饋環路。優點包括更少的共模反饋電路元件、更低的共模反饋電路功耗、更簡便的電路設計。
文檔編號H03F3/45GK101355346SQ20081022236
公開日2009年1月28日 申請日期2008年9月17日 優先權日2008年9月17日
發明者春 張, 王志華, 王自強 申請人:清華大學