两级运算放大器的宽带共模反馈环路频率补偿方法

摘要

本发明公开了属于模拟集成电路设计领域的一种两级运算放大器的宽带共模反馈环路频率补偿方法。在带有密勒补偿的两级运算放大器中使用一个宽带反馈放大器作为共模反馈环路，以减少共模反馈电路的面积和功耗；两级运算放大器在单位增益带宽内只有一个主极点，采用全差分输入输出结构，差分输出端用来对共模输出电平取样；共模反馈的控制信号通过该可控偏置电路同时控制运算放大器第一级和第二级的共模输出电平。由于宽带反馈放大器的主极点频率远高于运算放大器的单位增益带宽，因此共模环路的相位裕度基本等于运算放大器自身的相位裕度，从而构成了稳定的反馈环路。优点包括更少的共模反馈电路元件、更低的共模反馈电路功耗、更简便的电路设计。

说明书

技术领域

本发明属于模拟集成电路设计领域，特别涉及两级运算放大器的宽带共模反馈环路频率补偿方法。

背景技术

集成放大器一般采用全差分结构，该结构能够抑制共模干扰及噪声。然而差分放大器的共模输出电平由于制造工艺、工作电压及温度等因素的影响会偏离设计值，因此需要共模反馈电路确定输出直流电平。在设计共模反馈电路时需要考虑环路的稳定性。

集成运算放大器是常用的电路单元。为了实现高增益和大输出信号范围，一般采用两级结构。为了保证由运算放大器构成的反馈电路能够稳定工作，通常采用密勒补偿的方法提高运算放大器的相位裕度。图1是采用密勒补偿的两级运算放大器的结构图，图2是运算放大器的开环频率响应波特图。在适当的密勒补偿下，运算放大器的UGB之内只有一个主极点，且运算放大器具有较大的相位裕度。

对于两级运算放大器，第一级和第二级的输出节点均为“高阻”节点，其直流电平容易受到影响而偏离设计值，因此需要共模反馈电路同时稳定每一级的的直流电平。如图3的两级运算放大器，需要两个共模反馈环路，从而增加了电路的制造成本和功耗。

发明内容

本发明的目的是提供一种两级运算放大器的宽带共模反馈环路频率补偿方法，其特征在于，在带有密勒补偿的两级运算放大器中使用一个宽带反馈放大器作为共模反馈环路，以减少共模反馈电路的面积和功耗；两级运算放大器在单位增益带宽内只有一个主极点，采用全差分输入输出结构，差分输出端用来对共模输出电平取样；其第一级运算放大器电路存在可控偏置电路，共模反馈的控制信号通过该可控偏置电路同时控制运算放大器第一级和第二级的共模输出电平。

如图4，所述运算放大器的开环传输函数为H₁(s)＝v_out(s)/v_in(s)，单位增益带宽为UGB₁，相位裕度为PM₁；该运算放大器在共模反馈环路中的传输函数为H₂(s)＝v_out(s)/v_cmfb(s)，单位增益带宽为UGB₂，相位裕度为PM₂；宽带反馈放大器的传输函数为F(s)＝v_cmfb(s)/v_out(s)；则共模反馈环路总体的传输函数是CML(s)＝H₂(s)F(s)，单位增益带宽为UGB₃，相位裕度为PM₃。

所述宽带反馈放大器的主极点频率在设计为远高于UGB₁和UGB₂条件下，其主极点对共模反馈环路相位裕度的影响较小，H₁(s)的UGB₁和H₂(s)的UGB₂满足UGB₁≈UGB₂，PM₁≈PM₂，因此CML(s)的相位裕度满足PM₃≈PM₂≈PM₁，使共模反馈环路的相位裕度和运算放大器自身的相位裕度近似相等，满足环路稳定性的要求。

本发明的有益效果为宽带反馈放大器的主极点频率远高于运算放大器的单位增益带宽，因此共模环路的相位裕度基本等于运算放大器自身的相位裕度，从而构成了稳定的反馈环路。因而共模反馈电路元件更少、更低的共模反馈电路功耗、更简便的电路设计。

附图说明

图1是采用密勒补偿的两级运算放大器结构图。

图2是图1运算放大器的频响曲线示意图。

图3是使用两个共模反馈环路的运算放大器结构图。

图4是使用一个共模反馈环路的运算放大器结构图。

图5是本发明提出的宽带共模反馈环路频率补偿方案的一个示例性电路。

具体实施方式

下面结合附图对本发明予以说明。

图4中，设运算放大器的开环传输函数为H₁(s)＝v_out(s)/v_in(s)，单位增益带宽为UGB₁，相位裕度为PM₁；该运算放大器在共模反馈环路中的传输函数为H₂(s)＝v_out(s)/v_cmfb(s)，单位增益带宽为UGB₂，相位裕度为PM₂；宽带反馈放大器的传输函数为F(s)＝v_cmfb(s)/v_out(s)；则共模反馈环路总体的传输函数是CML(s)＝H₂(s)F(s)，单位增益带宽为UGB₃，相位裕度为PM₃。

在适当的设计下，H₁(s)的UGB₁和H₂(s)的UGB₂满足UGB₁≈UGB₂，PM₁≈PM₂。由于宽带反馈放大器的主极点频率远高于UGB₁和UGB₂，因此宽带反馈放大器主极点对共模反馈环路相位裕度的影响较小，CML(s)的相位裕度满足PM₃≈PM₂≈PM₁。这样共模反馈环路的相位裕度和运算放大器自身的相位裕度近似相等，满足环路稳定性的要求。

图5描述了一个带有宽带共模反馈电路的两级运算放大器电路。左边是带有密勒补偿的两级运算放大器，其中V_in+和V_in-是运算放大器的差分输入端，V_out+和V_out-是运算放大器的差分输出端。运算放大器的第一级电路的差分输入对管为M₁，设其跨导为g_m1。第一级电路的差分负载对管为M₂，设其跨导为g_m2。第二级电路的输入管为M₃，设其跨导为g_m3。运算放大器的负载电容为C_L，密勒补偿电容为C_C。

右边是共模反馈环路中的宽带反馈放大器。V_out+和V_out-加在对管M₄的栅极，实现共模输出电平的取样功能，设M₄管的跨导为g_m4。宽带反馈放大器在节点①输出控制电压V_cmfb，该电压加在运算放大器差分负载对管M₂的栅极。运算放大器和宽带反馈放大器从而构成闭合的共模反馈环路。

当运算放大器工作在开环差分模式下时，输入信号为V_in+和V_in-，输出信号为V_out+和V_out-，采用电容C_C密勒补偿后，其单位增益带宽(UGB₁)是：

${\mathrm{UGB}}_1=\frac{g_{m1}}{C_C}$

其非主极点频率(角频率)是：

${\omega }_{n1}=\frac{g_{m3}}{C_L}$

运算放大器在差分模式下的相位裕度是：

当考虑整个电路的共模环路增益时，该环路包括运算放大器和宽带反馈放大器两部分。其中运算放大器的输入信号为V_cmfb，输出信号为V_out+和V_out-(此时V_out+＝V_out-)，其单位增益带宽(UGB₂)是：

${\mathrm{UGB}}_2=\frac{g_{m2}}{C_C}$

运算放大器部分的非主极点频率(角频率)是：

${\omega }_{n2}=\frac{g_{m3}}{C_L}$

在共模反馈环路中运算放大器部分的相位裕度是：

在电路设计中，一般有g_m2＜＝g_m1，因此UGB₁＞UGB₂，PM₁＜＝PM₂。

对于宽带反馈放大器，设节点①对应的放大器主极点角频率为ω_n3，其远大于运算放大器的UGB₁，那么有：

$\mathrm{arctg}\left(\frac{{\mathrm{UGB}}_1}{{\omega }_{n3}}\right)\approx 0$

则整个共模反馈环路的相位裕度是：

则包含共模反馈电路的两级运算放大器，其共模环路的相位裕度近似等于运算放大器开环差模下的相位裕度，环路是稳定的。