專利名稱：使用接地電容增進共?；厥诜€(wěn)定性的方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種放大器，特別是涉及一種具有共?；厥?common-mode feedback)電路的放大器。
背景技術：
一般具有回授電路的全差動運算放大器(fully differential operational amplifier),其回授電路只能決定全差動運算放大器的差動輸出電壓 (differential output voltage)大小，而不能影響其共模輸出電壓，因此，全差 動運算放大器需要一個額外電路來控制共模輸出電壓，使該共模輸出電壓
Vcm。趨近于一參考電壓值(通常為二個工作電壓的中間值)，請參考圖1，圖 1為具有共?；厥陔娐返娜顒舆\算放大器100,其包含全差動運算放大器
110，共模檢測器120，以及共模回授放大器130。而共模檢測器120，以及 共?；厥诜糯笃?30構成一共模回授電路，其詳細操作原理，請參考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顒舆\算放大器100必須做適當?shù)难a償，
否則，當共模輸出電壓Vem。被參入噪聲之后，易導致共模輸出電壓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償方式，第 一種補償方式是采用源級退化(source degeneration)方式，通過在共?；厥诜?大器130的二個輸入端的兩晶體管，增加一電阻，藉由降低共?；厥诜糯?器130的增益來增加其穩(wěn)定性，第二種補償方式是將全差動運算放大器110 的控制電流的電流量減少為原來的1/N倍(N為正整數(shù)，N>>1)，來增加整體 電路的穩(wěn)定性，請參考圖2，圖2為利用此兩種補償方式的共?；厥陔娐?， 補償前與補償后的放大器頻率響應比較圖，由圖可知，此兩種補償方式會
使得補償后的頻率響應犧牲增益，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?的補償裝置，使補償后的整體電路的頻率響應，相較于補償前的頻率響應， 增加了一個極點與一個零點，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。
為實現(xiàn)上述的目的，本發(fā)明披露了一種放大器，包含一運算放大器， 具有 一 第 一輸出端及一 第二輸出端，用來放大一輸入訊號并輸出 一輸出訊
號； 一共模檢測器，耦接至該第一、第二輸出端，用來檢測該輸出訊號的 一共模輸出電壓；以及一共?；厥诜糯笃鳎?一第一晶體管，用來接 收該共模輸出電壓； 一第二晶體管，用來接收一參考電壓；以及一第一補 償電容，用來補償該放大器。


圖1為已知具有共?；厥陔娐返牡娜顒舆\算放大器。
圖2為已知共?；厥陔娐返难a償前與補償后，放大器的頻率響應比較圖。
圖3為本發(fā)明共?；厥陔娐返难a償前與補償后，放大器的頻率響應比 較圖。
圖4為本發(fā)明第一實施例的放大器。 圖5為本發(fā)明第二實施例的放大器。 圖6為本發(fā)明第三實施例的放大器。 圖7為本發(fā)明第四實施例的放大器。 圖8為本發(fā)明第五實施例的放大器。
附圖符號說明
100、 400、 500、 600、 700、 800》文大器 120、 420共模檢測器
130、 430、 530、 630、 730、 830共才莫回4受方文大器 440、 540、 640、 740、 840共模回授電路 431電流源
110全差動運算放大器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補償單元
具體實施例方式
圖3顯示本發(fā)明共?；厥陔娐返难a償前與補償后的頻率響應比較圖， 補償前的頻率響應曲線原本有兩個極點P,、 P2,若要共?；厥陔娐返念l率 響應的增益值維持不變，可藉由增加一個極點P3與一個零點N,來改善相位 邊際以及增加電路的穩(wěn)定性，如圖3中補償后頻率響應曲線共具有兩個極 點P,、 P3與一個零點NP而補償前的極點P2已被移動至更高頻的部份。因 此，本發(fā)明利用一個額外的補償電路來達到產(chǎn)生極點P3與零點N,的目的， 而實施該補償電路是由電容、電阻組合而成，如以下的五個實施例。
請參考圖4，圖4為本發(fā)明第一實施例的放大器，放大器400包含一全 差動運算放大器110, —共模檢測器420，共模回授放大器430,以及一補 償單元Z,，其中，共模檢測器420,以及共?；厥诜糯笃?30形成一共?；?授電路440,全差動運算放大器110為兩級式運算放大器(Two Stage OP Amplifier),用來放大一輸入訊號Vin以輸出 一差動訊號(V。n-V。p),共模檢測 器420包含兩相同電阻值的電阻R。兩相同電容值的電容Cp其用來檢測 全差動運算放大器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PMOS晶體 管432、 433、 二個NMOS晶體管434、 435。電流源431用來提供一電流至 該共?；厥诜糯笃?30，該共?；厥诜糯笃?30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
(晶體管432漏極端的訊號)至該全差動運算放大器110，該控制訊號用來調
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)明的第一實施例，其補償單元Zi為一補償電容C2，耦接至晶體管432的 柵極與工作電壓Vss之間，用來補償該放大器400。共?；厥诜糯笃?30在 增加補償電容C2之后，所新產(chǎn)生的極點&與零點Ni,可由以下的轉移函 數(shù)(tmnsfer function沐表示
7<formula>formula see original document page 8</formula>其中，零點N,頻率CONf」—，極點P3頻率COp產(chǎn)
根據(jù)上述的轉移函數(shù)T(s)可知，藉由調整補償電容C2的電容值，可以
使得零點N,頻率C0N1高于極點P3頻率(Op3數(shù)倍，而補償電容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Nt頻率co^與極 點P3頻率C0p3的位置必須位于補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)明第二實施例的放大器500,本實施例與第一實 施例不同的地方在于，共?；厥诜糯笃?30,在于二個節(jié)點E、F(晶體管432、 433的漏極)之間增加了一補償單元Z2以補償共?；厥诜糯笃?30，而補償 單元Z2包含二個補償電容C3與一個補償電阻R2。補償前的共?；厥诜糯?器530的增益Avl=gmrQ,其中，gm、 r。分別為PMOS晶體管432的電導 (conductance)與NMOS晶體管434輸出電阻。而增加補償單元Z〗之后的共 ?；厥诜糯笃?30的增益
<formula>formula see original document page 8</formula>其中，零點頻率coN1=」_ ,極點？3頻率。153=-<formula>formula see original document page 8</formula>因此，在增加補償單元Z2之后，共?；厥诜糯笃?30所產(chǎn)生的補償后 曲線不但與補償前曲線維持了相同的增益值(如圖3所示)，同時還增加了一 個極點與一個零點，所以補償后曲線的相位邊際比補償前曲線更理想。再 根據(jù)上述的增益Av2可知，藉由調整補償電阻112及ro的比例，可以使得零 點N,頻率高于極點P2頻率數(shù)倍，而補償電阻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)明第三實施例的放大器600。本實施例與前述的 兩實施例不同的地方，在于節(jié)點G與接地電壓Vss之間增加了 一個補償單元 Z3以補償共?；厥诜糯笃?30,而補償單元Z3包含一補償電容C3與一補償 電阻R2，補償電阻R2分別耦接至補償電容C3及晶體管432的漏極，且補償電容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中是利用差動架構的補償單元Z2來達到增加極點P3與零點Ni的目的， 而在共?；厥诜糯笃?30中則是利用單端(single ended)架構的補償單元Z3 來達到此目的，至于共?；厥诜糯笃?30與共?；厥诜糯笃?30所推導出 來的增益Av2完全相同，在此不再多作敘述。
參考圖7，圖7為本發(fā)明第四實施例的放大器700。與前述的實施例比 較，共模回授放大器730除了在二個節(jié)點T、 S之間(晶體管432、 433漏極) 增加了一個補償單元Z4以補償共?；厥诜糯笃?30的外，NMOS晶體管 434、 435的連接方式也不同。補償單元Z4包含二個補償電容Q、 一補償電 阻R2與二個相同補償電阻R3，而二個補償電阻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。
由下列推導可計算出加入補償單元Z4之后的共?；厥诜糯笃?30的增
益
AV3=gm(r0//Z4)=gm(r0〃d"2)//R3),假設R3 < <r0
其中，零點N,頻率CONf"^，極點P3頻率C0pf————。
由上述的增益Av3可知，藉由調整補償電阻R2、 R3的比例，可以使得 零點N,頻率高于極點P3頻率數(shù)倍，而補償電阻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，而非一個真正的 電阻，至于共?；厥诜糯笃?30中的補償電阻R3則是一個確切的值，若假 設R3< <r。，所以加入補償電阻R3之后的共?；厥诜糯笃?30，在推導增 益Av3時可以取代電阻ro。
參考圖8，圖8為本發(fā)明第五實施例的放大器800。與前述實施例比較， 共?；厥诜糯笃?30在節(jié)點X、 Y與接地電壓V^之間增加了一個補償單元 Z5以補償共?；厥诜糯笃?30，而補償單元Z5包含一補償電容C3、 二個相
同補償電阻R3與一補償電阻R2,其中，補償電容C3與補償電阻R2的連接
方式與圖6—樣，二個補償電阻R3的連接方式與圖7—樣。至于共?；厥?放大器830與共?；厥诜糯笃?30所推導出來的增益AV3完全相同，在此不再多作敘述。
以上實施例雖以金屬氧化物半導體場效晶體管(MOSFET)作為例子，但 本發(fā)明不因此而受限，在實際應用時，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;故大器，可利用二個 PNP雙載子接面晶體管(bipolar junction transistor, BJT)來替代，同時，二個 NMOS晶體管434、 435可利用二個NPN雙載子接面晶體管來替代，若共 ?；厥陔娐返木w管是以雙載流子結型晶體管來實施時，則全差動運算放 大器110中的晶體管也必須配合以雙載流子結型晶體管來實施，另外，由 于共?；厥陔娐?40用來提供一參考電壓，使得輸出共模電壓(各實施例中 的A點)，實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產(chǎn)生，亦屬本發(fā)明的范疇。
以上雖以實施例說明本發(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，本領域的技術人員可進行各種變形或變更。
權利要求
1. 一種放大器，包含一運算放大器，具有一第一輸出端及一第二輸出端，用來放大一輸入訊號并輸出一輸出訊號；一共模檢測器，耦接至該第一、第二輸出端，用來檢測該輸出訊號的一共模輸出電壓；以及一共?；厥诜糯笃?，用來依據(jù)一參考電壓以產(chǎn)生一控制訊號至該運算放大器，包含一第一晶體管，用來接收該共模輸出電壓；一第二晶體管，用來接收該參考電壓；以及一第一補償電容，用來補償該放大器。
2. 如權利要求1所述的放大器，其中該共模檢測器包含 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質上相等，該第一、第二電容的 電容值實質上相等。
3. 如權利要求1所述的放大器，其中該第一補償電容耦接至該第一晶 體管的柵極及一工作電壓。
4. 如權利要求1所述的放大器，其中該回授放大器還包含 一第一補償電阻，用來補償該放大器。
5. 如權利要求4所述的放大器，其中該第一補償電阻耦接至該第一晶 體管的漏極，該第一補償電容耦接至該第一補償電阻及一工作電壓。
6. 如權利要求4所述的放大器，其中該回授放大器還包含 一第二補償電容，用來補償該放大器；其中，該第一補償電阻，耦接至該第一、第二補償電容；該第一、第二補償電容分別耦接至該第一、二晶體管的漏極；以及該第一、第二補償電容的電容值實質上相等。
7. 如權利要求6所述的放大器，其中該回授放大器還包含一第二補償電阻，耦接至該第一晶體管的漏極；以及一第三補償電阻，耦接至該第二晶體管的漏極及該第二補償電阻；其中，該第二、第三補償電阻的電阻值實質上相等。
8. 如權利要求5所述的放大器，其中該回授放大器還包含 一第二補償電阻，耦接至該第一晶體管的漏極；以及一第三補償電阻，耦接至該第二晶體管的漏極及該第二補償電阻； 其中，該第二、第三補償電阻的電阻值實質上相等。
9. 如權利要求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，用來提供一電流至該回授放大器。
10. 如權利要求1所述的放大器，其中該共模輸出電壓實質上等于該參 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，用來放大一輸入訊 號并輸出一輸出訊號，其中該輸出訊號具有一共模輸出電壓；一共模檢測器，偶接至該第一、第二輸出端，用來檢測該輸出訊號的該共模輸出電壓；一回授電路，用來接收該共模輸出電壓及一參考電壓，以產(chǎn)生一控制 訊號至該放大電路，其中該控制訊號用來調整該輸出訊號的該共模輸出電 壓；以及一補償單元，耦接至該共?；厥陔娐?，用以補償該放大器，其中該補 償單元包含至少一電容。
12. 如權利要求11所述的放大器，其中該共模檢測器包含 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質上相等，該第一、第二電容的 電容值實質上相等。
13. 如權利要求11所述的放大器，其中該補償單元還包含至少一電阻， 用來補償該放大器。
14. 如權利要求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. 如權利要求14所述的放大器，其中該補償單元還包含 一第二電容，用來補償該放大器；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質上相等。
16. 如權利要求15所述的放大器，其中該補償單元還包含 一第二電阻，用來補償該放大器；以及一第三電阻，用來補償該放大器；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質上相等。
17. 如權利要求15所述的放大器，其中該補償單元還包含 一第二電阻，用來補償該放大器；以及一第三電阻，用來補償該放大器；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質上相等。
18. 如權利要求11所述的放大器，其中該共模輸出電壓實質上等于該參 考電壓。
19. 如權利要求11所述的放大器，其中該放大電路為一全差動運算放大器。
20. 如權利要求11所述的放大器，其中該放大器的頻率響應具有兩極點 及一零點。
全文摘要
本發(fā)明提供一種共模回授電路，藉由增加補償單元來補償具有共模回授電路的放大器，使放大器的頻率響應具有兩個極點與一個零點，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H03F3/45GK101453195SQ20071019629
公開日2009年6月10日 申請日期2007年12月7日 優(yōu)先權日2007年12月7日
發(fā)明者馮介民, 李朝政 申請人:瑞昱半導體股份有限公司