專利名稱：使用接地電容增進(jìn)共模回授穩(wěn)定性的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種放大器，特別是涉及一種具有共模回授(common-mode feedback)電路的放大器。
背景技術(shù)：
一般具有回授電路的全差動(dòng)運(yùn)算放大器(fully differential operational amplifier),其回授電路只能決定全差動(dòng)運(yùn)算放大器的差動(dòng)輸出電壓 (differential output voltage)大小，而不能影響其共模輸出電壓，因此，全差 動(dòng)運(yùn)算放大器需要一個(gè)額外電路來(lái)控制共模輸出電壓，使該共模輸出電壓
Vcm。趨近于一參考電壓值(通常為二個(gè)工作電壓的中間值)，請(qǐng)參考圖1，圖 1為具有共?；厥陔娐返娜顒?dòng)運(yùn)算放大器100,其包含全差動(dòng)運(yùn)算放大器
110，共模檢測(cè)器120，以及共?；厥诜糯笃?30。而共模檢測(cè)器120，以及 共?；厥诜糯笃?30構(gòu)成一共?；厥陔娐?，其詳細(xì)操作原理，請(qǐng)參考Gray.et al， "Analysis and Design of Analog Integrated Circuits" 4th Ed,2001,wiley. PP.816-835以及Razavi, "Design of Analog CMOS Integrated Circuits" 2001，McG匿Hill. PR314-324.。
由于具有共?；厥陔娐返娜顒?dòng)運(yùn)算放大器100必須做適當(dāng)?shù)难a(bǔ)償，
否則，當(dāng)共模輸出電壓Vem。被參入噪聲之后，易導(dǎo)致共模輸出電壓V畫產(chǎn)
生震蕩(oscillate)現(xiàn)象，以下介紹兩種常見的共模回授電路的補(bǔ)償方式，第 一種補(bǔ)償方式是采用源級(jí)退化(source degeneration)方式，通過在共?；厥诜?大器130的二個(gè)輸入端的兩晶體管，增加一電阻，藉由降低共模回授放大 器130的增益來(lái)增加其穩(wěn)定性，第二種補(bǔ)償方式是將全差動(dòng)運(yùn)算放大器110 的控制電流的電流量減少為原來(lái)的1/N倍(N為正整數(shù)，N>>1)，來(lái)增加整體 電路的穩(wěn)定性，請(qǐng)參考圖2，圖2為利用此兩種補(bǔ)償方式的共?；厥陔娐?， 補(bǔ)償前與補(bǔ)償后的放大器頻率響應(yīng)比較圖，由圖可知，此兩種補(bǔ)償方式會(huì)
使得補(bǔ)償后的頻率響應(yīng)犧牲增益，以換取整體電路的穩(wěn)定性。

發(fā)明內(nèi)容
有鑒于上述問題，本發(fā)明的主要目的之一在于提供一種共?；厥陔娐?的補(bǔ)償裝置，使補(bǔ)償后的整體電路的頻率響應(yīng)，相較于補(bǔ)償前的頻率響應(yīng)， 增加了一個(gè)極點(diǎn)與一個(gè)零點(diǎn)，不但使增益值維持不變，并改善了相位邊際 以及增加電路的穩(wěn)定性。
為實(shí)現(xiàn)上述的目的，本發(fā)明披露了一種放大器，包含一運(yùn)算放大器， 具有 一 第 一輸出端及一 第二輸出端，用來(lái)放大一輸入訊號(hào)并輸出 一輸出訊
號(hào)； 一共模檢測(cè)器，耦接至該第一、第二輸出端，用來(lái)檢測(cè)該輸出訊號(hào)的 一共模輸出電壓；以及一共模回授放大器，包含 一第一晶體管，用來(lái)接 收該共模輸出電壓； 一第二晶體管，用來(lái)接收一參考電壓；以及一第一補(bǔ) 償電容，用來(lái)補(bǔ)償該放大器。


圖1為已知具有共?；厥陔娐返牡娜顒?dòng)運(yùn)算放大器。
圖2為已知共模回授電路的補(bǔ)償前與補(bǔ)償后，放大器的頻率響應(yīng)比較圖。
圖3為本發(fā)明共?；厥陔娐返难a(bǔ)償前與補(bǔ)償后，放大器的頻率響應(yīng)比 較圖。
圖4為本發(fā)明第一實(shí)施例的放大器。 圖5為本發(fā)明第二實(shí)施例的放大器。 圖6為本發(fā)明第三實(shí)施例的放大器。 圖7為本發(fā)明第四實(shí)施例的放大器。 圖8為本發(fā)明第五實(shí)施例的放大器。
附圖符號(hào)說(shuō)明
100、 400、 500、 600、 700、 800》文大器 120、 420共模檢測(cè)器
130、 430、 530、 630、 730、 830共才莫回4受方文大器 440、 540、 640、 740、 840共?；厥陔娐?431電流源
110全差動(dòng)運(yùn)算放大器432、 433 PMOS晶體管
434、 435 NMOS晶體管
d、 C2、 C3電容
R、 R,、 R2、 113電阻
Z,、 Z2、 Z3、 Z4、 Z5補(bǔ)償單元
具體實(shí)施例方式
圖3顯示本發(fā)明共?；厥陔娐返难a(bǔ)償前與補(bǔ)償后的頻率響應(yīng)比較圖， 補(bǔ)償前的頻率響應(yīng)曲線原本有兩個(gè)極點(diǎn)P,、 P2,若要共?；厥陔娐返念l率 響應(yīng)的增益值維持不變，可藉由增加一個(gè)極點(diǎn)P3與一個(gè)零點(diǎn)N,來(lái)改善相位 邊際以及增加電路的穩(wěn)定性，如圖3中補(bǔ)償后頻率響應(yīng)曲線共具有兩個(gè)極 點(diǎn)P,、 P3與一個(gè)零點(diǎn)NP而補(bǔ)償前的極點(diǎn)P2已被移動(dòng)至更高頻的部份。因 此，本發(fā)明利用一個(gè)額外的補(bǔ)償電路來(lái)達(dá)到產(chǎn)生極點(diǎn)P3與零點(diǎn)N,的目的， 而實(shí)施該補(bǔ)償電路是由電容、電阻組合而成，如以下的五個(gè)實(shí)施例。
請(qǐng)參考圖4，圖4為本發(fā)明第一實(shí)施例的放大器，放大器400包含一全 差動(dòng)運(yùn)算放大器110, —共模檢測(cè)器420，共?；厥诜糯笃?30,以及一補(bǔ) 償單元Z,，其中，共模檢測(cè)器420,以及共?；厥诜糯笃?30形成一共模回 授電路440,全差動(dòng)運(yùn)算放大器110為兩級(jí)式運(yùn)算放大器(Two Stage OP Amplifier),用來(lái)放大一輸入訊號(hào)Vin以輸出 一差動(dòng)訊號(hào)(V。n-V。p),共模檢測(cè) 器420包含兩相同電阻值的電阻R。兩相同電容值的電容Cp其用來(lái)檢測(cè) 全差動(dòng)運(yùn)算放大器110的兩輸出端V。n、 V。p的共模輸出電壓(V,= (V。n+V叩)/2),而共?；厥诜糯笃?30,包含一電流源431, 二個(gè)PMOS晶體 管432、 433、 二個(gè)NMOS晶體管434、 435。電流源431用來(lái)提供一電流至 該共模回授放大器430，該共模回授放大器430藉由晶體管433接收一參考
電壓Vref以及藉由晶體管432接收該共模輸出電壓Vc以產(chǎn)生一控制訊號(hào)
(晶體管432漏極端的訊號(hào))至該全差動(dòng)運(yùn)算放大器110，該控制訊號(hào)用來(lái)調(diào)
整該共模輸出電壓Vcm。使得共模輸出電壓V加。等于該參考電壓Vref。而本
發(fā)明的第一實(shí)施例，其補(bǔ)償單元Zi為一補(bǔ)償電容C2，耦接至晶體管432的 柵極與工作電壓Vss之間，用來(lái)補(bǔ)償該放大器400。共?；厥诜糯笃?30在 增加補(bǔ)償電容C2之后，所新產(chǎn)生的極點(diǎn)&與零點(diǎn)Ni,可由以下的轉(zhuǎn)移函 數(shù)(tmnsfer function沐表示
7<formula>formula see original document page 8</formula>其中，零點(diǎn)N,頻率CONf」—，極點(diǎn)P3頻率COp產(chǎn)
根據(jù)上述的轉(zhuǎn)移函數(shù)T(s)可知，藉由調(diào)整補(bǔ)償電容C2的電容值，可以
使得零點(diǎn)N,頻率C0N1高于極點(diǎn)P3頻率(Op3數(shù)倍，而補(bǔ)償電容C2的電容值越
大，相位邊際越佳，代表放大器400越穩(wěn)定。另外，零點(diǎn)Nt頻率co^與極 點(diǎn)P3頻率C0p3的位置必須位于補(bǔ)償前曲線的單一增益(unit gain)頻率之前才 有意義。
參考圖5，圖5為本發(fā)明第二實(shí)施例的放大器500,本實(shí)施例與第一實(shí) 施例不同的地方在于，共?；厥诜糯笃?30,在于二個(gè)節(jié)點(diǎn)E、F(晶體管432、 433的漏極)之間增加了一補(bǔ)償單元Z2以補(bǔ)償共?；厥诜糯笃?30，而補(bǔ)償 單元Z2包含二個(gè)補(bǔ)償電容C3與一個(gè)補(bǔ)償電阻R2。補(bǔ)償前的共模回授放大 器530的增益Avl=gmrQ,其中，gm、 r。分別為PMOS晶體管432的電導(dǎo) (conductance)與NMOS晶體管434輸出電阻。而增加補(bǔ)償單元Z〗之后的共 ?；厥诜糯笃?30的增益
<formula>formula see original document page 8</formula>其中，零點(diǎn)頻率coN1=」_ ,極點(diǎn)？3頻率。153=-<formula>formula see original document page 8</formula>因此，在增加補(bǔ)償單元Z2之后，共?；厥诜糯笃?30所產(chǎn)生的補(bǔ)償后 曲線不但與補(bǔ)償前曲線維持了相同的增益值(如圖3所示)，同時(shí)還增加了一 個(gè)極點(diǎn)與一個(gè)零點(diǎn)，所以補(bǔ)償后曲線的相位邊際比補(bǔ)償前曲線更理想。再 根據(jù)上述的增益Av2可知，藉由調(diào)整補(bǔ)償電阻112及ro的比例，可以使得零 點(diǎn)N,頻率高于極點(diǎn)P2頻率數(shù)倍，而補(bǔ)償電阻ro的阻值越大，相位邊際越佳， 代表放大器500越穩(wěn)定。
參考圖6,圖6為本發(fā)明第三實(shí)施例的放大器600。本實(shí)施例與前述的 兩實(shí)施例不同的地方，在于節(jié)點(diǎn)G與接地電壓Vss之間增加了 一個(gè)補(bǔ)償單元 Z3以補(bǔ)償共模回授放大器630,而補(bǔ)償單元Z3包含一補(bǔ)償電容C3與一補(bǔ)償 電阻R2，補(bǔ)償電阻R2分別耦接至補(bǔ)償電容C3及晶體管432的漏極，且補(bǔ)償電容C3的另一端耦接至工作電壓Vss。值得注意的是，在共?；厥诜糯笃?br> 530中是利用差動(dòng)架構(gòu)的補(bǔ)償單元Z2來(lái)達(dá)到增加極點(diǎn)P3與零點(diǎn)Ni的目的， 而在共?；厥诜糯笃?30中則是利用單端(single ended)架構(gòu)的補(bǔ)償單元Z3 來(lái)達(dá)到此目的，至于共模回授放大器630與共?；厥诜糯笃?30所推導(dǎo)出 來(lái)的增益Av2完全相同，在此不再多作敘述。
參考圖7，圖7為本發(fā)明第四實(shí)施例的放大器700。與前述的實(shí)施例比 較，共?；厥诜糯笃?30除了在二個(gè)節(jié)點(diǎn)T、 S之間(晶體管432、 433漏極) 增加了一個(gè)補(bǔ)償單元Z4以補(bǔ)償共?；厥诜糯笃?30的外，NMOS晶體管 434、 435的連接方式也不同。補(bǔ)償單元Z4包含二個(gè)補(bǔ)償電容Q、 一補(bǔ)償電 阻R2與二個(gè)相同補(bǔ)償電阻R3，而二個(gè)補(bǔ)償電阻R3分別位于NMOS晶體管 434的漏極與柵極之間，以及NMOS晶體管435的漏極與柵極之間。
由下列推導(dǎo)可計(jì)算出加入補(bǔ)償單元Z4之后的共?；厥诜糯笃?30的增
益
AV3=gm(r0//Z4)=gm(r0〃d"2)//R3),假設(shè)R3 < <r0
其中，零點(diǎn)N,頻率CONf"^，極點(diǎn)P3頻率C0pf————。
由上述的增益Av3可知，藉由調(diào)整補(bǔ)償電阻R2、 R3的比例，可以使得 零點(diǎn)N,頻率高于極點(diǎn)P3頻率數(shù)倍，而補(bǔ)償電阻R3的阻值越大，相位邊際
越佳，代表放大器700越穩(wěn)定。比較上述二個(gè)增益Av2、 AV3,共?；厥诜?大器430中的電阻ro是必需藉由程序仿真才能知道的值，而非一個(gè)真正的 電阻，至于共?；厥诜糯笃?30中的補(bǔ)償電阻R3則是一個(gè)確切的值，若假 設(shè)R3< <r。，所以加入補(bǔ)償電阻R3之后的共?；厥诜糯笃?30，在推導(dǎo)增 益Av3時(shí)可以取代電阻ro。
參考圖8，圖8為本發(fā)明第五實(shí)施例的放大器800。與前述實(shí)施例比較， 共模回授放大器830在節(jié)點(diǎn)X、 Y與接地電壓V^之間增加了一個(gè)補(bǔ)償單元 Z5以補(bǔ)償共?；厥诜糯笃?30，而補(bǔ)償單元Z5包含一補(bǔ)償電容C3、 二個(gè)相
同補(bǔ)償電阻R3與一補(bǔ)償電阻R2,其中，補(bǔ)償電容C3與補(bǔ)償電阻R2的連接
方式與圖6—樣，二個(gè)補(bǔ)償電阻R3的連接方式與圖7—樣。至于共?；厥?放大器830與共模回授放大器730所推導(dǎo)出來(lái)的增益AV3完全相同，在此不再多作敘述。
以上實(shí)施例雖以金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效晶體管(MOSFET)作為例子，但 本發(fā)明不因此而受限，在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，共?；厥诜糯笃?30、 530、 630、 730、 830中由PMOS晶體管432、 433所組成的PMOS差動(dòng);故大器，可利用二個(gè) PNP雙載子接面晶體管(bipolar junction transistor, BJT)來(lái)替代，同時(shí)，二個(gè) NMOS晶體管434、 435可利用二個(gè)NPN雙載子接面晶體管來(lái)替代，若共 ?；厥陔娐返木w管是以雙載流子結(jié)型晶體管來(lái)實(shí)施時(shí)，則全差動(dòng)運(yùn)算放 大器110中的晶體管也必須配合以雙載流子結(jié)型晶體管來(lái)實(shí)施，另外，由 于共?；厥陔娐?40用來(lái)提供一參考電壓，使得輸出共模電壓(各實(shí)施例中 的A點(diǎn))，實(shí)值上等于該參考電壓，其參考電壓的產(chǎn)生方法可利用一參考電 壓產(chǎn)生器或是電阻分壓方式來(lái)產(chǎn)生，亦屬本發(fā)明的范疇。
以上雖以實(shí)施例說(shuō)明本發(fā)明，但并不因此限定本發(fā)明的范圍，只要不 脫離本發(fā)明的要旨，本領(lǐng)域的技術(shù)人員可進(jìn)行各種變形或變更。
權(quán)利要求
1. 一種放大器，包含一運(yùn)算放大器，具有一第一輸出端及一第二輸出端，用來(lái)放大一輸入訊號(hào)并輸出一輸出訊號(hào)；一共模檢測(cè)器，耦接至該第一、第二輸出端，用來(lái)檢測(cè)該輸出訊號(hào)的一共模輸出電壓；以及一共?；厥诜糯笃鳎脕?lái)依據(jù)一參考電壓以產(chǎn)生一控制訊號(hào)至該運(yùn)算放大器，包含一第一晶體管，用來(lái)接收該共模輸出電壓；一第二晶體管，用來(lái)接收該參考電壓；以及一第一補(bǔ)償電容，用來(lái)補(bǔ)償該放大器。
2. 如權(quán)利要求1所述的放大器，其中該共模檢測(cè)器包含 一第一電阻，耦接至該第一輸出端；一第二電阻，耦接至該第二輸出端及該第一電阻； 一第一電容，耦接至該第一輸出端；以及 一第二電容，耦接至該第二輸出端及該第一電容；其中，該第一、第二電阻的電阻值實(shí)質(zhì)上相等，該第一、第二電容的 電容值實(shí)質(zhì)上相等。
3. 如權(quán)利要求1所述的放大器，其中該第一補(bǔ)償電容耦接至該第一晶 體管的柵極及一工作電壓。
4. 如權(quán)利要求1所述的放大器，其中該回授放大器還包含 一第一補(bǔ)償電阻，用來(lái)補(bǔ)償該放大器。
5. 如權(quán)利要求4所述的放大器，其中該第一補(bǔ)償電阻耦接至該第一晶 體管的漏極，該第一補(bǔ)償電容耦接至該第一補(bǔ)償電阻及一工作電壓。
6. 如權(quán)利要求4所述的放大器，其中該回授放大器還包含 一第二補(bǔ)償電容，用來(lái)補(bǔ)償該放大器；其中，該第一補(bǔ)償電阻，耦接至該第一、第二補(bǔ)償電容；該第一、第二補(bǔ)償電容分別耦接至該第一、二晶體管的漏極；以及該第一、第二補(bǔ)償電容的電容值實(shí)質(zhì)上相等。
7. 如權(quán)利要求6所述的放大器，其中該回授放大器還包含一第二補(bǔ)償電阻，耦接至該第一晶體管的漏極；以及一第三補(bǔ)償電阻，耦接至該第二晶體管的漏極及該第二補(bǔ)償電阻；其中，該第二、第三補(bǔ)償電阻的電阻值實(shí)質(zhì)上相等。
8. 如權(quán)利要求5所述的放大器，其中該回授放大器還包含 一第二補(bǔ)償電阻，耦接至該第一晶體管的漏極；以及一第三補(bǔ)償電阻，耦接至該第二晶體管的漏極及該第二補(bǔ)償電阻； 其中，該第二、第三補(bǔ)償電阻的電阻值實(shí)質(zhì)上相等。
9. 如權(quán)利要求1所述的放大器，其中該回授放大器還包含 一第一電流源，耦接至該第一、第二晶體管，用來(lái)提供一電流至該回授放大器。
10. 如權(quán)利要求1所述的放大器，其中該共模輸出電壓實(shí)質(zhì)上等于該參 考電壓。
11. 一種放大器，包含一放大電路，具有一第一輸出端及一第二輸出端，用來(lái)放大一輸入訊 號(hào)并輸出一輸出訊號(hào)，其中該輸出訊號(hào)具有一共模輸出電壓；一共模檢測(cè)器，偶接至該第一、第二輸出端，用來(lái)檢測(cè)該輸出訊號(hào)的該共模輸出電壓；一回授電路，用來(lái)接收該共模輸出電壓及一參考電壓，以產(chǎn)生一控制 訊號(hào)至該放大電路，其中該控制訊號(hào)用來(lái)調(diào)整該輸出訊號(hào)的該共模輸出電 壓；以及一補(bǔ)償單元，耦接至該共?；厥陔娐?，用以補(bǔ)償該放大器，其中該補(bǔ) 償單元包含至少一電容。
12. 如權(quán)利要求11所述的放大器，其中該共模檢測(cè)器包含 一第一電阻，耦接至該第一輸出端；一第二電阻，耦接至該第二輸出端及該第一電阻； 一第一電容，耦接至該第一輸出端；以及 一第二電容，耦接至該第二輸出端及該第一電容； 其中，該第一、第二電阻的電阻值實(shí)質(zhì)上相等，該第一、第二電容的 電容值實(shí)質(zhì)上相等。
13. 如權(quán)利要求11所述的放大器，其中該補(bǔ)償單元還包含至少一電阻， 用來(lái)補(bǔ)償該放大器。
14. 如權(quán)利要求13所述的放大器，其中該電容耦接至該電阻及一工作電壓。
15. 如權(quán)利要求14所述的放大器，其中該補(bǔ)償單元還包含 一第二電容，用來(lái)補(bǔ)償該放大器；其中，該電阻，耦接至該電容及該第二電容； 該電容及該第二電容的電容值實(shí)質(zhì)上相等。
16. 如權(quán)利要求15所述的放大器，其中該補(bǔ)償單元還包含 一第二電阻，用來(lái)補(bǔ)償該放大器；以及一第三電阻，用來(lái)補(bǔ)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、第三電阻的電阻值實(shí)質(zhì)上相等。
17. 如權(quán)利要求15所述的放大器，其中該補(bǔ)償單元還包含 一第二電阻，用來(lái)補(bǔ)償該放大器；以及一第三電阻，用來(lái)補(bǔ)償該放大器；其中，該第二電阻耦接至該第三電阻及該電阻；該第二、第三電阻的電阻值實(shí)質(zhì)上相等。
18. 如權(quán)利要求11所述的放大器，其中該共模輸出電壓實(shí)質(zhì)上等于該參 考電壓。
19. 如權(quán)利要求11所述的放大器，其中該放大電路為一全差動(dòng)運(yùn)算放大器。
20. 如權(quán)利要求11所述的放大器，其中該放大器的頻率響應(yīng)具有兩極點(diǎn) 及一零點(diǎn)。
全文摘要
本發(fā)明提供一種共模回授電路，藉由增加補(bǔ)償單元來(lái)補(bǔ)償具有共?；厥陔娐返姆糯笃?，使放大器的頻率響應(yīng)具有兩個(gè)極點(diǎn)與一個(gè)零點(diǎn)，不但不犧牲放大器的增益值，且改善了相位邊際與增加電路的穩(wěn)定性。
文檔編號(hào)H03F3/45GK101453195SQ20071019629
公開日2009年6月10日 申請(qǐng)日期2007年12月7日 優(yōu)先權(quán)日2007年12月7日
發(fā)明者馮介民, 李朝政 申請(qǐng)人:瑞昱半導(dǎo)體股份有限公司