專利名稱：三級頻率補償運算放大器的制作方法
技術領域：
本發明涉及運算放大器，更具體的，是關于三級頻率補償運算放大器。
背景技術：
運算放大器已經廣泛應用于電子設備和電子學領域，在此僅舉數例例如 反相器放大器(inverter amplifier),積分器、濾波器電路。近年來，隨著CMOS 工藝尺度的快速微縮(scaling)，超大規模集成電路(VLSI)的供電電壓急劇降低。 運算放大器作為大多數模擬系統的 一個基本區塊，也需要在低壓應用中同時達 到高增益和高帶寬。傳統級聯(cascode)放大器是通過堆疊晶體管來提高增益，但 由于電壓擺幅(swing)較小而不適用于低壓設計；而多級(multi-stage)放大器是通 過橫向(horizontally)增加增益級的數目來提高增益，因此越來越多的電路設計者 注意到多級放大器的重要性。但由于多級放大器在小信號傳輸函數中具有多重 極點(multiple-pole)的特性，所有多級;故大器均存在閉環(close-loop)不穩定的問 題。因此研究人員提出了多種頻率補償布局結構(topology),以保證多級放大器 的穩定性。 一般而言，傳統驅動器芯片中應用的運算放大器通常是兩^i文大器， 傳統兩級放大器具有用于提升增益的第一級放大電路、以及用于驅動電容性或 電阻性負載的第二級輸出電路。但當前三級運算放大器也越來越受歡迎。
通常，放大器電路最重要的特性參數是增益和帶寬。而放大器的增益和帶 寬具有相反關系。 一般而言，較高增益值關聯較低的帶寬，而較低增益值關聯 較高的帶寬。運算放大器的性能特性在于傳輸函數，而傳輸函數可通過應用小 信號分析來獲得。圖l是示例兩^^文大器的傳輸函數的示意圖。參考圖1，從直 流(DC,頻率為零)到第一主極點cow的頻率期間，放大器的增益大致為常數； 當頻率上升至大于第一主極點o^的頻率時，放大器增益開始急劇下降。放大器 的最大可用帶寬與第二非主極點(non-dominantpole)o)p2有關。在不同應用中，可 能希望調整極點COjm和0Jp2的頻率。本領域已知許多用于調整放大器極點頻率的 補償技術，例如米勒(Miller)補償或Ahuja補償。米勒補償采用 一個反饋電容，該電g接在第二放大器級的輸入和輸出之間。Ahuja補償則在第二放大器級的 反饋回路中添加了 一個電流增益裝置。
圖2是背景技術中兩級米勒補償(MC)放大器10的區塊示意圖。參考圖2， 兩級MC放大器10包括第一級放大器ll、第二級放大器12和補償電容Cm。第 一增益級的跨導(transconductance)、輸出電阻和集總輸出寄生電阻(lumped output parasitic resistance)分另'J標示為gmi 、 r ol 和Cpp在第二增益級中相應參數分別標
示為gm2、 r。2和C^。補償電容Cm耦接于第二級放大器12的輸入端和輸出端之 間。通過引入補償電容Cm，從第二級放大器12輸入端觀察到第二級放大器12 的電容就大得多，由此，第一主極點C0P1將向較低頻率移動、第二非主極點"P2 將向較高頻率移動。
但是，高頻時電容Cm具有短路路徑的功能，且電容Cm與第二級放大器12 的組合形成了連接成二極管形式的晶體管。這樣一來，來自參考電勢的任何噪
聲都會傳遞至第二級放大器12。另外，兩級MC放大器IO在高頻運作時電源抑 制比(Power Supply Rejection Ratio,以下簡稱為PSRR)較差。因此，若要求較好 的PSRR,則兩級MC放大器10不足以達到運作要求。
圖3是背景技術中三級巢狀米勒補償(Nested Miller Compensation, NMC)放 大器20的區塊示意圖。參考圖3，三級NMC放大器20包括第一級放大器21、 第二級放大器22、第三級放大器23以及補償電容Qm和Q^。第一增益級的跨 導、輸出電阻和集總輸出寄生電阻分別標示為gml、 r。i和CV,第二增益級中相 應參數分別標示為g^、 r。2和Cp2，第三增益級中相應參數分別標示為gm3、 r。3 和CL。補償電容C^耦接于第二級^:大器22的輸入端和第三級放大器23的輸 出端之間。補償電容CM耦接于第三級放大器23的輸入端和輸出端之間。在假
設(1)Q^、 C^、 CL CP1、 CP2,以及假設(2)g^》gmi、 g^的條件下，三級NMC
放大器20的特性在于小信號傳輸函數ANMC(s), Anmc(s)表示如下
<formula>formula see original document page 8</formula>
其中Adc表示DC增益，DC增益等于gmigm2gm3r。ir。2r。3, a^表示主極點，
主極點等于(Cmigm2gm3r。ir。2r。3 )"。
為使NMC放大器20穩定，應遵守以下尺度條件(dimension condition):<formula>formula see original document page 9</formula>(2)
<formula>formula see original document page 9</formula>(3)
在NMC放大器20中，通過引入補償電容Cml、 Cw，也可實現極點分離 (pole-splitting)。但是，如(l)、 (3)式所示，非主極點依賴于C^，并因此依賴于 負載電容Ct。驅動較大電容性負載時要求Cn^較大，以使非主極點移動至較低 的頻率。因此，NMC放大器20的頻寬較小。此夕卜，由于之前提出的假設gm3〉〉gmi、 gm2可能不再有效，所以NMC放大器20不適用于低功率設計。
Ahuja頻率補償方案是另一種廣為人知的用于運算放大器的頻率補償方案。 圖4是背景技術中兩級Ahuja補償放大器30的區塊示意圖。參考圖4，兩級Ahuja 補償;故大器30包括第一級》文大器31、第二級放大器32、補償電容Cm和電流增 益裝置Ig。第一增益級的跨導、輸出電阻和集總輸出寄生電阻分別標示為gml、 r。i和Cpn第二增益級中相應參數分別標示為gmi、 r。2和CL。兩級Ahuja補償
放大器30的特性在于小信號傳輸函數A酬a(S), A剩a(S)表示為
<formula>formula see original document page 9</formula>
其中，ADc為DC增益，等于 為主極點，等于(Cmg^r。J。2 )";
OJn為固有頻率
c^為非主零點，等于^ f為阻尼系數，等于備,
1 +丘
(natural frequency), 等于.
在兩級Ahuja補償放大器30中，補償電容Cm和電流增益裝置Ig串聯耦接 于第二^i史大器32的輸入端和輸出端之間。通過引入電流增益裝置Ig，第二級 放大器32運作于高頻時不再成為連接成二極管形式的晶體管。因此，兩級Ahuja 補償放大器30在高頻段能達到較佳的PSRR。但是，兩級Ahuja補償放大器30 在某些情況下不能實現較好的補償功能。
發明內容
有鑒于此，本發明其中之一目的在于提供一種三級頻率補償運算放大器， 以在放大器低壓應用中對高增益和高帶寬作更好的平衡。
本發明提供一種三級頻率補償運算放大器，用于驅動大電容性負載，包含 第一級電路，用于通過放大輸入信號產生第一輸出信號，該第一級電路包含 輸入端，用于接收該輸入信號；以及輸出端，用于輸出該第一輸出信號；第二 級電路，用于選擇性地在該第一輸出信號處于第一頻率時以第一增益放大該第 一輸出信號，以及在該第一輸出信號處于第二頻率時以第二增益^:大該第一輸 出信號，以產生第二輸出信號，該第二級電路包含輸入端，耦接至該第一級 電路的該輸出端，用于接收該第一輸出信號；輸出端，用于輸出該第二輸出信 號；以及第一補償電路，用于在該第二頻率時將該第一增益調節至該第二增益； 第三級電路，用于通過放大該第二輸出信號產生第三輸出信號，該第三級電路 包含輸入端，用于接收該第二輸出信號；以及輸出端，用于輸出該第三輸出 信號；以及第二補償電路，用于調節該第二級電路和該第三級電路的頻率特性， 該第二補償電路包含第一補償電容，耦接至該第三級電路的該輸出端；以及 電流源，耦接在該補償電容和該第二級電路的該輸入端之間。
本發明另提供一種三級頻率補償運算放大器，用于驅動大電容性負載，包 含第一級電路，用于通過放大輸入信號產生第一輸出信號，該第一級電路包 含輸入端，用于接收該輸入信號；低阻抗端；以及輸出端，用于輸出該第一 輸出信號；第二級電路，用于選擇性地在該第一輸出信號處于第一頻率時以第 一增益放大該第一輸出信號，以及在該第一輸出信號處于第二頻率時以第二增 益放大該第一輸出信號，以產生一第二輸出信號，該第二級電路包含輸入端， 耦接至該第一級電路的該輸出端，用于接收該第一輸出信號；輸出端，用于輸 出該第二輸出信號；以及第一補償電路，用于在該第二頻率時將該第一增益調 節至該第二增益；第三級電路，用于通過放大該第二輸出信號產生第三輸出信 號，該第三級電路包含輸入端，用于接收該第二輸出信號；以及輸出端，用 于輸出該第三輸出信號；以及第一補償電容，耦接在該第一級電路的該低阻抗 端和該第三級電路的該輸出端之間，用于調節該第二級電路和該第三級電路的 頻率特性。說明書第5/10頁本發明提供的三級頻率補償運算放大器可在較低功耗下驅動很大的電容性 或電阻性負載。
圖l是示例兩級放大器的傳輸函數的示意圖。圖2是背景技術中兩級米勒補償放大器IO的區塊示意圖。 圖3是背景技術中三級巢狀米勒補償放大器20的區塊示意圖。 圖4是背景技術中兩級Ahuja補償放大器30的區塊示意圖。 圖5是根據本發明一個實施例的三級運算放大器的區塊示意圖。 圖6是根據本發明第一實施例的三級運算放大器100的示意圖。 圖7是根據本發明第二實施例的三級運算放大器200的示意圖。 圖8是根據本發明第三實施例的三級運算放大器300的示意圖。 圖9是根據本發明第四實施例的三級運算放大器400的示意圖。
具體實施方式
在說明書及后續的權利要求當中使用了某些詞匯來指稱特定元件。所屬領 域中具有通常知識者應可理解，制造商可能會用不同的名詞來稱呼同一個元件。 本說明書及后續的權利要求并不以名稱的差異來作為區分元件的方式，而是以 元件在功能上的差異來作為區分的準則。在通篇說明書及后續的請求項當中所 提及的"包括，，和"包含，，為一開放式的用語，故應解釋成"包含但不限定于"。以夕卜， "耦接"一詞在此包含任何直接及間接的電性連接手段。間接的電性連接手段包括 通過其它裝置進行連接。圖5是才艮據本發明一個實施例的三級運算;^大器的區塊示意圖。圖5所示 的運算放大器包括第一級電路110、第二級電路120、第三級電路130、 Ahuja 補償電路140和主補償電路150。 Ahuja補償電路140耦接在第二級電路120的 輸入端與第三級電路130的輸出端之間。主補償電路150可并入第二級電路120 內部。為驅動由電容CL和電阻RL代表的外部負載160,圖5中的運算方文大器 可通過DC增益ADc增強輸入信號Vin,以產生輸出信號Vout。圖6是根據本發明第一實施例的三級運算放大器100的示意圖。參考圖6, 在三級運算》免大器100中，第一級電路U0包括晶體管MP1-MP3、MN1和MN2。11-MP7、以及第一補償 電容(如補償電容Cc)和Ce。晶體管MP4-MP7可構成電流源，該電流源耦接 在補償電容Cc和第二級電路120的輸入端之間。電壓源VoD、 VBP、 Vbn、 VBP1 和V抓2均是用于運作運算放大器100的偏置電壓(bias voltage)。同時，晶體管 MP1和MP2所貢獻的第一級電路110的跨導表示為gml;第一晶體管(如晶體 管MN3 )所貢獻的第二級電路120的跨導表示為晶體管MN3所貢獻的第 二級電路120的跨導表示為第一增益(如g 2);晶體管MN4所貢獻的第二級電 路120的跨導表示為第三增益(如gm21);晶體管MP10所貢獻的第三級電路130 的跨導表示為gm3;晶體管MP6、 MP7所貢獻的Ahuja補償電路140的跨導表示 為gme。在此實施例中，晶體管MP1-MP10可以是P溝道金屬氧化物半導體場效 應晶體管(MOSFET)，晶體管MN1-MN5可以是N溝道MOSFET。但在本發明 的其它實施例中，也可使用提供類似功能的其它類型的晶體管。在第一級電路110中，四個晶體管MP1、 MP2、 MN1和MN2形成一個差 分放大器(differential amplifier),晶體管MP3作為運作差分放大器的電流源，該 電流源可用于與差分放大器通信。差分輸入電壓In.和^+分別提供至晶體管MP1 和MP2的控制端(控制端可以是晶體管的柵極)。因此，差分輸入電壓In.和IN+ 之間的電壓差AV可以增益g^放大，然后在第一級電路110的輸出端(晶體管 MN2的漏極)輸出。第一補償電路(如主補償電路150 )包括電阻Ro和電容CD。電阻Ro耦接 于晶體管MN4的柵極。電容CD耦接于晶體管MN4的柵極和漏極之間。在低頻 運作時，第二級放大器120的輸入端(晶體管MN3的柵極)所接收的電壓可以 增益g^放大，然后在第二I5^欠大器120的輸出端(晶體管MN4的柵極)輸出。 在高頻運作時，由于存在主補償電路150，晶體管MN4(為第二級放大器120的 負載晶體管)起到漏極-柵極相連的晶體管的功能。換言之，第二級放大器120的 負載阻抗降低，由此第二級放大器120在高頻運作中簡化為具有第二增益(即低增益)的寬頻帶電路，低增益等于g^/gma。例如，在高頻時可以相當于將第二晶體管(如晶體管MN4)的柵極與漏極之間短路。這實質上意味著第二級電路120的極點移至高頻，而三級運算放大器100整體上只有兩個主極點，兩個主極點分別由第一級電路110和第三級電路130貢獻，由此實現了更佳的穩定 性。但是，對DC增益Aoc，三級運算放大器100的每一級仍然都有貢獻，ADC 表示為gmigm2gm3r。ir。2RL,其中rcl是第一級電路110的輸出電阻，r。2是第二級電 路120的輸出電阻。另外，第二級電路120的第三晶體管、第四晶體管可以是 晶體管MP8、 MP9,用于提供偏置電流。主補償電路150中的電阻RD和電容CD與第二級電路120的晶體管MN4 — 起形成了一個等效電路，該電路耦接于晶體管MN4的漏極與接地電壓之間。上述等效電路包括串聯耦接的電容Ceq和電阻Req，其中 Ceq^gm2lRcCD Req=l/gm21在運算放大器100的均一增益(unity-gain)頻率coo，要求電容Ceq的阻抗遠低于電阻Req的阻抗。若滿足_^ 叫則可以實現電容Ceq的阻抗遠低于電阻Req的阻抗。采用小信號分析，運算放大器100以具有4個極點的傳輸函數為特性。當外部負載電容Ct較小時，主極點copl (最低頻率)和均一增益頻率coo可表示為 I i<formula>formula see original document page 13</formula>但當外部負載電容CL較大時，主極點"pl由輸出級決定。在此情況下，主極點copl和均一增益頻率coc可表示為 1位于最高頻率的非主極點0)p4可表示為gm2l/C2，其中C2是第二級電路120輸出處的凈電容(net capacitance)。非主才及點co^的影響通常可以忽略。余下的非主極點對(pole-pair)o)p2和cop3決定補償的有效性。非主極點對gjp2和top3的阻尼系數f和固有頻率wn可表示為C<formula>formula see original document page 13</formula>其中Q是第一級電路110輸出處的凈電容。阻尼系數t指示放大器抵抗其輸出信號變化的能力。較高的阻尼系數意味著較好的穩定性界限(margin)。較高的固有頻率c^意味著驅動較高電容性負載的能 力。通過比較本發明第一實施例的三級運算放大器100與傳統兩級Ahuja補償 運算放大器30的阻尼系數及固有頻率，可以估計補償的有效性。通過比較(4) 式和(6)式、(5)式和(7)式可觀察到，由于本發明第一實施例的三級運算放大器100引入了例如g^和gm21的額外參數，三級運算放大器100在調節非主極點對(Op2、 Wp3的阻尼系數^、固有頻率COn時有更大的靈活性。例如，通過設定gn^與gW 比值可支持較高的阻尼系數t，通過設定gm3與gn^比值可支持較高的固有頻率 "n。在小信號分析中，若時間常數RDCD和RtCL與1A^相比較小，則三級運算 放大器100的傳輸函數只有一個由OJz產g^/Ce確定的零點。(^通常是非主零點，因此不會明顯影響補償。另一方面，若RdCd校小而RlCl校大(例如RlCl與 l/wpl同量級或是更大)，則三級運算放大器100的傳輸函數還具有另一個由0^= 1/RDQ)確定的零點。當驅動很大的電容性負載時，Wz2可提高穩定性，具有突出的伊G點。根據本發明第一實施例的三級運算放大器IOO在Q值較小時，對于很寬范 圍的d值都能良好運作。如(6)、 (7)式所示，對于較大的C]^和較小的Ce，非主極點對Wp2、 Wp3的阻尼系數t符合期望，f值較高。但是，對于較小的Q和較 小的Cc,阻尼系數t則不合期望，t值較低，可能導致不穩定。因此，本發明實施例的Ahuja補償電路140進一步包括可增大d的補償電容CE，其中Q是第 一級電路IIO輸出處的總體凈電容。由(6)式可知，阻尼系數t也可相應地增大。 圖7是根據本發明第二實施例的三級運算放大器200的示意圖。參考圖7, 運算放大器200包括與圖6所示具有類似結構的第一級電路110和第三級電路 130。第二實施例與第一實施例的差別在于運算放大器200包括第二級電路122 和Ahuja補償電路142。 Ahuja補償電路142包括NMOS晶體管MN6-MN7、PMOS 晶體管MP4-MP5以及補償電容Cc和CE。補償電容Cc耦接至第一級電路110 的一個低阻抗節點(Nl,即低阻抗端)。第二級電路122包括NMOS晶體管MN3、14MN4, PMOS晶體管MP8、 MP9，還包括具有電容C。和電阻RD的主補償電路 350。電阻Ro耦接至晶體管MP9的柵極，電容CD則耦接在晶體管MP9的柵極 與漏極之間。圖8是根據本發明第三實施例的三級運算放大器300的示意圖。參考圖8， 三級運算放大器300包括與圖6所示具有相似結構的第一級電路110、第三級電 路130以及Ahuja補償電路140。第三實施例與第一實施例的差別在于相比于 三級運算放大器100,三級運算放大器300包括的第二級電路122進一步采用了 AB類(class AB)輸出級配置。第二級電路122包括NMOS晶體管MN3、 MN4A、 MN4B、 MN6A、 MN6B、 MN7和畫8， PMOS晶體管MP8、 MP9A、 MP9B、 MP11A、 MP11B、 MP12A、 MP12B和MP13-15,以及第一主補償電路251和第二主補償電路252。第一主 補償電路251包括電阻Rda和屯容CDA。電阻RoA耦接在晶體管MN4A的柵極 和MN6A的柵極之間，電容CoA耦接在晶體管MN4A的柵極和漏極之間。第二 主補償電路252包括電阻RoB和電容CDB。電阻RoB耦接在晶體管MN4B的柵 極和MN6B的柵極之間，電容Cra耦接在晶體管MN4B的柵極和漏極之間。在 低頻運作時，第二級電路122的跨導用gm2表示，此實施例中的g^是第一實施例中gm2的兩倍。其它主要參數，例如gw、 gmc、 Cc和RdCd,與第一實施例中的同名參數具有相似的值。因為輸出級的第 一分支"推，，或者說作為源頭使電流流向負載，而輸出級的第二分支"挽"或者說是從負載接收電流，因此AB類配置有時稱為"推挽，，配置。AB 類放大器總是在開啟一個輸出分支的同時實質上關閉另一輸出分支，因此減少 了A類放大器過高的功耗。雖然AB類放大器的一個分支實質上關閉，但也會 有少量電流流過該分支。少量的殘余電流(residual current)避免了在B類放大器 開啟關閉時可能產生的交越失真(crossover distortion)。通過采用AB類輸出級方 案，才艮據本發明第三實施例的三級運算^:大器300在驅動^f艮大電阻性負載時能 達到更佳的功率效率。圖9是根據本發明第四實施例的三級運算;^文大器400的示意圖。參考圖9， 運算放大器400包括與圖6所示具有相似結構的第一級電路110、第三級電路 130、以及Ahuja補償電路140。第四實施例與第一實施例的差別在于相比于三級運算放大器100，三級運算放大器400包括的第二級電路124進一步提高了 整體的VDD-PSRR。第二級電路124包含NMOS晶體管MN3、MN7-MN9， PMOS 晶體管MP8、 MP9，以及具有電阻RD和電容CD的主補償電路350。電阻Ro耦 接至晶體管MN9的柵極，電容CD則耦接在晶體管MN9的柵極與漏極之間。PSRR用于測量運算放大器在供電電壓變化的情況下維持恒定輸出的能力。 PSRR值取決于所考慮的供電電壓，因此較高供電電壓下的PSRR不同于較低供 電電壓下的PSRR。對于圖6所示的本發明第一實施例，單獨考慮第二級電路 120的PSRRVDD1和PSRRgND1可分別表示如下PSRRo腦^f^........................(9)#。3其中r。3是晶體管MN3的小信號漏極電阻；r。4是晶體管MN4的小信號漏極 電阻；以及A2是第二級電路120的DC增益。類似的，對于圖9所示的本發明第四實施例，單獨考慮第二級電路124的PSRRvdd4和PSRRgnd4可分別表示如下PSRRVDD4=義。"。》、。5 .....................(10)PSRRq薩( 仲59) 9 .....................(1 0其中r。s是晶體管MP8的小信號漏極電阻；r。9是晶體管MP9的小信號漏極 電阻；r。s是并聯晶體管MN8和MN9的小信號漏極電阻；以及A2是第二級電 路124的DC增益。由(8) 、 (10)式可知，當流經晶體管MP9的擾亂(disturbance)電流(在晶體管 MN7進行電流鏡并反轉相位之后)匹配流經晶體管MP8的擾亂電流(在晶體管 MN8進行電流鏡并反轉相位之后)時，(IO)式中PSRRvoD4的分子可調節至零， 因此第二級電路124可具有更佳(更低)的Vdd-PSRR。相應的，本發明的實施例提供一種三級運算it大器，其功能在高頻可視為 兩級運算放大器，也可在較低功耗下驅動很大的電容性負載。任何熟習此項技術者，在不脫離本發明的精神和范圍內，當可做些許的更 動與潤飾，因此本發明的保護范圍當視所附的權利要求所界定者為準。
權利要求
1.一種三級頻率補償運算放大器，用于驅動大電容性負載，包含第一級電路，用于通過放大輸入信號產生第一輸出信號，該第一級電路包含輸入端，用于接收該輸入信號；以及輸出端，用于輸出該第一輸出信號；第二級電路，用于選擇性地放大該第一輸出信號，以產生第二輸出信號，該第二級電路在該第一輸出信號處于第一頻率時以第一增益放大該第一輸出信號，以及在該第一輸出信號處于第二頻率時以第二增益放大該第一輸出信號，該第二級電路包含輸入端，耦接至該第一級電路的該輸出端，用于接收該第一輸出信號；輸出端，用于輸出該第二輸出信號；以及第一補償電路，用于在該第二頻率時將該第一增益調節至該第二增益；第三級電路，用于通過放大該第二輸出信號產生第三輸出信號，該第三級電路包含輸入端，用于接收該第二輸出信號；以及輸出端，用于輸出該第三輸出信號；以及第二補償電路，用于調節該第二級電路和該第三級電路的頻率特性，該第二補償電路包含第一補償電容，耦接至該第三級電路的該輸出端；以及電流源，耦接在該補償電容和該第二級電路的該輸入端之間。
2. 如權利要求1所述的三級頻率補償運算放大器，其特征在于，該第一級電路包括差分放大器，該差分放大器具有第一晶體管、第二晶體管、第三晶體管和第四晶體管。
3. 如權利要求2所述的三級頻率補償運算放大器，更包含電流源，用于與該差分》t大器通信。
4. 如權利要求1所述的三級頻率補償運算放大器，其特征在于該第二級電路更包含第一晶體管和第二晶體管，其中，該第一晶體管提供該第一增益，且該第一晶體管包括控制端，耦接至該第二級電路的該輸入端；第一端；以及第二端；該第二晶體管提供第三增益，且該第二晶體管包括控制端；第一端，耦接至該第一晶體管的該第一端；以及第二端，耦接至該第二級電路的該輸出端；以及該第一補償電路包含補償電阻，耦接至該第二晶體管的該控制端；以及補償電容，耦接在該第二晶體管的該控制端與該第二端之間，用于在高頻時將該第二晶體管的該控制端與該第二端之間短路，以提供等于該第一增益除以該第三增益的該第二增益。
5. 如權利要求4所述的三級頻率補償運算放大器，其特征在于，該第二級電路更包含第三晶體管，耦接至該第一晶體管的該第二端，以提供偏置電流；以及第四晶體管，耦接至該第二晶體管的該第二端，以提供偏置電流。
6. 如權利要求1所述的三級頻率補償運算放大器，其特征在于該第二級電路更包含第一晶體管、第二晶體管、第三晶體管和第四晶體管，其中，該第一晶體管提供該第一增益，且該第一晶體管包括第一端、第二端和耦接至該第二級電路的該輸入端的控制端；該第二晶體管提供第三增益，且該第二晶體管包括控制端、耦接至該第一晶體管的該第一端的第一端、以及耦接至該第二級電路的該輸出端的第二端；該第三晶體管包括耦接至該第一晶體管的該第二端的控制端，耦接至該第一晶體管的該第一端的第一端，以及耦接至該第一晶體管的該第二端的第二端；以及該第四晶體管包括耦接至該第一晶體管的該第二端的控制端，耦接至該第一晶體管的該第一端的第一端，以及耦接至該第二級電路的該輸出端的第二端；以及該第一補償電路包含補償電阻，耦接至該第二晶體管的該控制端；以及補償電容，耦接在該第二晶體管的該控制端與該第二端之間，用于在高頻時將該第二晶體管的該控制端與該第二端之間短路，以提供等于該第一增益除以該第三增益的該第二增益。
7. 如權利要求6所述的三級頻率補償運算放大器，其特征在于，該第二級電路更包含第五晶體管，耦接至該第一晶體管的該第二端，以提供偏置電流；以及第六晶體管，耦接至該第二晶體管的該第二端，以提供偏置電流。
8. 如權利要求1所述的三級頻率補償運算放大器，其特征在于該第二級電路更包含第一晶體管、第二晶體管、第三晶體管和AB類配置電路，其中，該第一晶體管包括第一端、第二端和耦接至該第二級電路的該輸入端的控制端；該第二晶體管包括控制端、耦接至該第一晶體管的該第一端的第一端、以及耦接至該第二晶體管的該控制端的第二端；該第三晶體管包括控制端、耦接至該第一晶體管的該第一端的第一端、以及耦接至該第三晶體管的該控制端的第二端；該AB類配置電路包括第四晶體管、第五晶體管、第六晶體管和第七晶體管，其中，該第四晶體管包括控制端、耦接至該第一晶體管的該第一端的第一端、以及第二端，該第五晶體管包括控制端、耦接至該第一晶體管的該第一端的第一端、以及耦接至該第五晶體管的該控制端的第二端，該第六晶體管包括控制端、耦接至該第一晶體管的該第一端的第一端、以及耦接至該第二級電路的該輸出端的第二端，該第七晶體管包括控制端、耦接至該第一晶體管的該第一端的第 一端、以及耦接至該第七晶體管的該控制端的第二端；以及該第一補償電路包含第一補償電阻、第二補償電阻、第一補償電容和第二補償電容，其中，該第一補償電阻耦接在該第四晶體管的該控制端和該第五晶體管的該控制端之間；該第二補償電阻耦接在該第六晶體管的該控制端和該第七晶體管的該控制端之間；該第一補償電容耦接在該第四晶體管的該控制端和該第二端之間；該第二補償電容耦接在該第六晶體管的該控制端和該第二端之間。
9. 如權利要求8所述的三級頻率補償運算放大器，其中，該第二級電路更包含多個第八晶體管，每個第八晶體管耦接至相應的第一至第七晶體管，以提供偏置電流。
10. 如權利要求1所述的三級頻率補償運算放大器，其特征在于，該第三級電路更包含第一晶體管，包括第一端、耦接至該第三級電路的該輸入端的控制端、以及耦接至該第三級電路的該輸出端的第二端；以及第二晶體管，包括控制端、第一端以及耦接至該第三級電路的該輸出端的第二端。
11. 如權利要求1所述的三級頻率補償運算放大器，其特征在于，該第二補償電路更包含第二補償電容，該第二補償電容耦接至該第二級電路的該輸入端。
12. 如權利要求1所述的三級頻率補償運算放大器，更包含多個電壓源，以提供多個偏置電壓。
13. —種三級頻率補償運算放大器，用于驅動大電容性負載，包含第一級電路，用于通過放大輸入信號產生第一輸出信號，該第一級電路包含輸入端，用于接收該輸入信號；低阻抗端；以及輸出端，用于輸出該第一輸出信號；第二級電路，用于選擇性地在該第一輸出信號處于第一頻率時以第一增益放大該第一輸出信號，以及在該第一輸出信號處于第二頻率時以第二增益放大該第一輸出信號，以產生第二輸出信號，該第二級電路包含輸入端，耦接至該第一級電路的該輸出端，用于接收該第一輸出信號；輸出端，用于輸出該第二輸出信號；以及第一補償電路，用于在該第二頻率時將該第一增益調節至該第二增益；第三級電路，用于通過放大該第二輸出信號產生第三輸出信號，該第三級電5各包含輸入端，用于接收該第二輸出信號；以及輸出端，用于輸出該第三輸出信號；以及第一補償電容，耦接在該第一級電路的該低阻抗端和該第三級電路的該輸出端之間，用于調節該第二級電路和該第三級電路的頻率特性。
14. 如權利要求13所述的三級頻率補償運算放大器，其特征在于，該第一級電路包括差分放大器，該差分放大器具有第一晶體管、第二晶體管、第三晶體管和第四晶體管。
15. 如權利要求13所述的三級頻率補償運算放大器，更包含電流源，用于與該差分放大器通信。
16. 如權利要求13所述的三級頻率補償運算放大器，其特征在于該第二級電路更包含第一晶體管和第二晶體管，其中，該第一晶體管提供該第一增益，且該第一晶體管包括控制端，耦接至該第二級電路的該輸入端；第一端；以及第二端；該第二晶體管提供第三增益，且該第二晶體管包括控制端；第一端，耦接至該第一晶體管的該第一端；以及第二端，耦接至該第二級電路的該輸出端；以及該第一補償電路包含補償電阻，耦接至該第二晶體管的該控制端；以及補償電容，耦接在該第二晶體管的該控制端與該第二端之間，用于在高頻時將該第二晶體管的該控制端與該第二端之間短路，以提供等于該第一增益除以該第三增益的該第二增益。
17. 如權利要求16所述的三級頻率補償運算放大器，其特征在于，該第二級電路更包含第三晶體管，耦接至該第一晶體管的該第二端，以提供偏置電流；以及第四晶體管，耦接至該第二晶體管的該第二端，以提供偏置電流。
18. 如權利要求13所述的三級頻率補償運算放大器，其特征在于，該第三級電路更包含第一晶體管，包括耦接至該第三級電路的該輸入端的控制端、第一端、以及耦接至該第三級電路的該輸出端的第二端；以及第二晶體管，包括控制端、第一端以及耦接至該第三級電路的該輸出端的第二端。
19. 如權利要求13所述的三級頻率補償運算放大器，更包含第二補償電容，該第二補償電容耦接至該第二級電路的該輸入端。
20. 如權利要求13所述的三級頻率補償運算放大器，更包含多個電壓源，以提供多個偏置電壓。
全文摘要
一種三級頻率補償運算放大器。其中三級頻率補償運算放大器用于驅動大電容性負載，包含第一級電路；第二級電路在該第一輸出信號處于第一頻率時以第一增益放大該第一輸出信號，在該第一輸出信號處于第二頻率時以第二增益放大該第一輸出信號，以產生第二輸出信號；第三級電路用于通過放大該第二輸出信號產生第三輸出信號包含輸入端用于接收該第二輸出信號；以及輸出端用于輸出該第三輸出信號；以及第一補償電容，耦接在該第一級電路的該低阻抗端和該第三級電路的該輸出端之間。本發明提供的三級頻率補償運算放大器可在較低功耗下驅動很大的電容性或電阻性負載。
文檔編號H03F1/08GK101677230SQ20091016963
公開日2010年3月24日 申請日期2009年8月27日 優先權日2008年9月15日
發明者尤達·達思古帕塔 申請人:聯發科技(新加坡)私人有限公司