一種優化運算放大器轉換速度的頻率補償技術的制作方法
【專利摘要】本發明公開了一種優化運算放大器轉換速度的頻率補償技術，其特征在于，在第一級放大器和第二級放大器之間增加一個補償放大器；該補償放大器的輸入端連接第一級放大器的輸出端，補償放大器的輸出端連接一個補償電容的一端；該補償電容的另一端與調零電阻的一端相連，且該公共連接點連接第二級運算放大器的輸入端，而調零電阻的另一端與米勒電容的一端相連，米勒電容的另一端連接至第二級運算放大器的輸出端。本發明通過在兩級運算放大器之間加入一個額外頻率補償級電路，可以通過較小的補償電容產生一個左半平面零點，以抵消運算放大器傳輸函數中的次級點，從而使運算放大器獲得較大的相位裕度，提高穩定性。同時，由于采用的補償電容和米勒電容值減小，可以使運算放大器得到更快的轉換速率，從而達到速度與穩定性之間更好的折衷效果。
【專利說明】
-種優化運算放大器轉換速度的頻率補償技術
技術領域
[0001] 本發明設及模擬集成電路設計領域，尤其設及一種運算放大器頻率補償技術。
【背景技術】
[0002] 運算放大器是模擬電路中最基礎、最重要的模塊之一，被廣泛應用于電源管理1C、 顯示驅動IC、ADC(模數轉換器）/ DAC(數模轉換器)等各種集成電路中。因此，設計高性能 的運算放大器對提高整個模擬電路的性能有重要意義。
[0003] 運算放大器的性能參數包括開環增益、單位增益帶寬、建立時間、轉換速率W及相 位裕度等。為了獲得高開環增益和高單位增益單寬，一般將運算放大器設計為兩級，包括輸 入高增益級W及輸出緩沖級。而為了獲得更小的建立時間W及更快的轉換速率，往往要犧 牲放大器的穩定性，即相位裕度。
[0004] 為了改善運算放大器的穩定性，補償技術是關鍵之一。常用的頻率補償技術是采 用米勒補償，其原理圖如圖1所示。其中Ri、Ci和R2、C2為調零電阻和米勒電容，它們可W改變 運算放大器傳輸函數中零極點的位置，即產生極點分裂的作用，從而使運算放大器的帶寬 增加，相位裕度增加，穩定性變好。但是，當對運算放大器穩定性要求很高時，就需要采用容 值較大的米勒電容，運會影響運算放大器的建立時間和轉換速率，使其速度變慢。因此，傳 統的米勒補償技術就需要在運算放大器的速度和穩定性之間進行折衷考慮。
【發明內容】
[0005] 為了解決上述技術所存在的問題，本發明提供了一種優化運算放大器轉換速度的 頻率補償技術，W實現運算放大器在速度和穩定性之間更優的折衷。
[0006] 本發明提供的一種優化運算放大器轉換速度的頻率補償技術，其特征在于，在第 一級放大器和第二級放大器之間增加一個補償放大器;該補償放大器的輸入端連接第一級 放大器的輸出端，補償放大器的輸出端連接一個補償電容的一端;該補償電容的另一端與 調零電阻的一端相連，且該公共連接點連接第二級運算放大器的輸入端，而調零電阻的另 一端與米勒電容的一端相連，米勒電容的另一端連接至第二級運算放大器的輸出端。
[0007] 本發明的有益效果，通過在兩級運算放大器之間加入一個額外頻率補償級電路， 可W通過較小的補償電容產生一個左半平面零點，W抵消運算放大器傳輸函數中的次級 點，從而使運算放大器獲得較大的相位裕度，提高穩定性。同時，由于采用的補償電容和米 勒電容值減小，可W使運算放大器得到更快的轉換速率，從而達到速度與穩定性之間更好 的折衷效果。
【附圖說明】
[000引圖1為運算放大器采用米勒補償技術的電路原理圖。
[0009] 圖2為運算放大器采用本發明頻率補償技術的電路原理圖。
[0010] 圖3為運算放大器采用本發明頻率補償技術的具體實現電路圖。
[0011] 圖4為運算放大器采用本發明頻率補償技術的小信號等效電路圖。
【具體實施方式】
[0012] 為了使本發明所要解決的技術問題、技術方案和改進效果更加清楚明白，W下結 合附圖，對本發明進行進一步的詳細說明。
[0013] 圖2為運算放大器采用本發明頻率補償方法的電路原理圖，為了說明本發明的有 益效果，采用的差分輸入單端輸出的兩級運算放大器。除了采用米勒補償技術外，還增加了 補償放大器和補償電容，且跨接在第一級運算放大器和第二級運算放大器之間。
[0014] 圖3為運算放大器采用本發明頻率補償技術的具體實現電路圖，第一級放大器為 高增益級，可W采用任何形式的差分輸入放大器結構。而M7和M8構成第二級運算放大器結 構，該結構為推挽結構，已獲得高輸出驅動能力。Ml、M2、M3 W及M4、M5、M6分別構成補償放大 器結構。Cl、化、C2W及C3、R2、C4分別為補償電容、調零電阻和米勒電容。Masl和bias2分別為 M3和M6的柵極偏置電壓。
[0015] 為了進一步闡述本發明補償技術對運算放大器傳輸函數中零、極點位置的影響， 將圖3中電路等效為小信號電路，如圖4所示。其中，Gml、Gm2分別為第一級運算放大器、第二 級運算放大器的小信號跨導，GmA為補償放大器的小信號跨導;Rl、Cl分別為第一級運算放大 器的輸出電阻W及輸出節點電容;Ra為頻率補償級電路的輸出電阻;R2、Cl分別為第二級運 算放大器的輸出電阻W及輸出負載電容;Ca為頻率補償電容，Cc為米勒補償電容，I?c為米勒 補償電阻。整個運算放大器的的傳輸函數為：
[0017]糧據傳輸函數，可W得出零點W及主極點、次級點、第；極點位置分別為：[001 (--) (1 )
[0016]
[001 ( 3 ) (4) (5 ) 從式(2)可知，該零點為左半平面零點，該零點位置有兩種設置方法，一是將其設置在 P2極點附近，W抵消次極點P2。由于P3極點為高頻極點，可W忽略P3極點的影響。那么整個運 放就可W成為單級點系統，達到90°的相位裕量。另一種方法是將Zl零點的頻率設置在P2極 點與單位增益帶寬GB之間，且將零點Zi的位置靠近次極點P2。 考慮到工藝波動性，零點Zi很難在各種工藝角下完全抵消次極點P2,所W采取將零點Zi 設置在P2極點與單位增益帶寬GB之間，且零點Zi盡量靠近次極點P2的方法，即IP21《I Zi I < GB。根據公式(2)、（4)可知， (6 ) E，需要保證相位裕度大于60°，則 (7)
件很容易達到，則由式(6)、（7)可W推 得女 (8 ) ，即 (9 ) 若化=Re,且Ra=IO化，該假設為合理假設范圍，容易在設計中實現。那么可W得出 0.03Cl《Ca+Cc《0.16Cl (10) 只要滿足公式（10)所示的條件，那么運算放大器的相位裕度就可達到60°~90°，且保 持穩定。 為了進一步闡述本發明的改進效果，將本發明頻率補償技術與傳統米勒補償技術進行 性能比較，詳見表1所示。 表1本發明頻率補償技術與傳統米勒補償技術主要參數對比
由于補償電容減小，運算放大器的性能可W在W下=個方面進行提升： (1) 單位增益帶寬GB:由表1中單位增益帶寬GB優化度可知，只要合理調整Gm2、GmA、Rl、 R2、RC、RA等值，運算放大器的帶寬即可W得到極大的提升； (2) 轉換速率SR:由擺率公式可知：
由于補償電容減小，運算放大器的擺率 得到提升，同時也減小了運放的建立時間，即使優化了運算放大器的速度；
(3) 電源抑制比PSRR+:根據二級運算放大器的電源抑制比公式 補 J 償電容CC越小，PSRR+就越大。因此，受益于本發明頻率補償技術，運算放大器的電源抑制比 PSRR+也得到改進。 W上所述僅為本發明的較佳實施例而已，凡是本發明的精神和原則之內所作的任何修 改、等同替換和改進等，均應包含在本發明的保護范圍之內。
【主權項】
1. 一種優化運算放大器轉換速度的頻率補償技術，其特征在于，在第一級放大器和第 二級放大器之間增加一個補償放大器;該補償放大器的輸入端連接第一級放大器的輸出 端，補償放大器的輸出端連接一個補償電容的一端;該補償電容的另一端與調零電阻的一 端相連，且該公共連接點連接第二級運算放大器的輸入端，而調零電阻的另一端與米勒電 容的一端相連，米勒電容的另一端連接至第二級運算放大器的輸出端。
【文檔編號】H03F3/45GK105978496SQ201510710914
【公開日】2016年9月28日
【申請日】2015年10月28日
【發明人】程維維, 張世峰, 魏可情, 李偉銘, 吳泉鑫, 朱佳, 甘露, 林云斌, 張成洲, 唐雪梅
【申請人】溫州墨熵微電子有限公司