專利名稱：基于反相器輸入結(jié)構(gòu)的分裂補(bǔ)償兩級(jí)運(yùn)算放大器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于電子技術(shù)領(lǐng)域，涉及模擬集成電路中的運(yùn)算放大器的頻率補(bǔ)償技術(shù)。
背景技術(shù)：
半導(dǎo)體和通信工業(yè)需求日益增加，加快了模擬集成電路的發(fā)展。運(yùn)算放大器作為模擬集成電路中一個(gè)重要的模塊廣泛應(yīng)用于帶隙基準(zhǔn)、DC-DC變換器和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器中。常用的運(yùn)算放大器包括單級(jí)放大器、兩級(jí)運(yùn)算放大器、三級(jí)運(yùn)算放大器。兩級(jí)運(yùn)算放大器因?yàn)槠漭^高的增益和較寬的輸出擺幅而得到了廣泛的應(yīng)用。然而由于兩級(jí)運(yùn)算放大器具有兩個(gè)相近的低頻極點(diǎn)，因此需要對(duì)其進(jìn)行頻率補(bǔ)償，將兩個(gè)相近的低頻極點(diǎn)推開(kāi)。兩級(jí)運(yùn)算放大器常用的頻率補(bǔ)償技術(shù)是米勒補(bǔ)償，其電路結(jié)構(gòu)如圖1所示，它通過(guò)極點(diǎn)分裂來(lái)使得運(yùn)算放大器穩(wěn)定輸出。然而傳統(tǒng)的米勒補(bǔ)償因?yàn)槊桌针娙軨m的雙向通路會(huì)產(chǎn)生一個(gè)右半平面零點(diǎn)，從而減小運(yùn)算放大器的單位增益帶寬(GBW)。為了消除傳統(tǒng)米勒補(bǔ)償兩級(jí)運(yùn)算放大器的右半平面零點(diǎn)，現(xiàn)有技術(shù)中給出了不同的解決方案:1)如圖2所示，在米勒電容(；上串聯(lián)一個(gè)電阻R以消除右半平面零點(diǎn)，但是需要的電阻阻值較大，這需要消耗更多的芯片面積；2)如圖3所示，在米勒電容上串聯(lián)一個(gè)電壓(或電流)緩沖器以破壞其雙向通路從而消除右半平面零點(diǎn)，但這需要額外的偏置電流，使得電路結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜；3)共源共柵補(bǔ)償(如圖4所示)，利用電流緩沖器的原理可以將運(yùn)算放大器的非主極點(diǎn)推向更高頻率的位置，且不需要額外的偏置電流，但是其性能參數(shù)與第一級(jí)輸出的寄生電容相關(guān)，可靠性較低。現(xiàn)有檢索資料利用傳統(tǒng)米勒補(bǔ)償，也有檢索資料利用共源共柵補(bǔ)償來(lái)提高運(yùn)算放大器的性能。但目前能提高運(yùn)算放大器的性能，且具有強(qiáng)的魯棒性的頻率補(bǔ)償報(bào)道尚未查實(shí)。

發(fā)明內(nèi)容
為了消除基于米勒補(bǔ)償?shù)膬杉?jí)運(yùn)算放大器固有的右半平面零點(diǎn)，本發(fā)明提供一種分裂補(bǔ)償?shù)膬杉?jí)運(yùn)算放大器。該運(yùn)算放大器采用反相器輸入結(jié)構(gòu)，在消除兩級(jí)運(yùn)算放大器固有的右半平面零點(diǎn)的基礎(chǔ)上提高了運(yùn)算放大器小信號(hào)和大信號(hào)性能，具有強(qiáng)的魯棒性。本發(fā)明詳細(xì)技術(shù)方案如下:基于反相器輸入結(jié)構(gòu)的分裂補(bǔ)償兩級(jí)運(yùn)算放大器，如圖5、6所示，包括兩級(jí)運(yùn)放，第一級(jí)運(yùn)放由NMOS管M1N、M2N、M3、M4和PMOS管M1P、M2P、MQ組成，第二級(jí)運(yùn)放由PMOS管M5p和NMOS管M5n組成。第一級(jí)運(yùn)放中，PMOS管M0的源極接電源VDD，PMOS管M0的柵極接NMOS管M3和M4的柵極以及NMOS管Min和PMOS管Mip的漏極，PMOS管M0的漏極PMOS管Mip和M2p的源極；PMOS管Mip和NMOS管Min的柵極互連并作為整個(gè)兩級(jí)運(yùn)算放大器的反向輸入端，PMOS管M2p和NMOS管M2n的柵極互連并作為整個(gè)兩級(jí)運(yùn)算放大器的正向輸入端；PM0S管Mip和NMOS管Min的漏極互連，PMOS管M2p和NMOS管M2n的漏極互連并作為第一級(jí)運(yùn)放的輸出端；NM0S管Min的源極接NMOS管M3的漏極，NMOS管M2n的源極接NMOS管M4的漏極，NMOS管M3和M4的源極接地。
第二級(jí)運(yùn)放中，PMOS管M5p的源極接電源VDD，PMOS管M5p和NMOS管M5n的柵極互連并接第一級(jí)運(yùn)放的輸出端，PMOS管M5p和NMOS管M5n的漏極互連并作為整個(gè)兩級(jí)運(yùn)算放大器的輸出端， OS管M5n的源極接地。
在第一級(jí)運(yùn)放的輸出端和整個(gè)兩級(jí)運(yùn)算放大器的輸出端之間連接有第一頻率補(bǔ)償電容Cnil ;在第一級(jí)運(yùn)放中NMOS管M2n的源極和NMOS管M4的漏極連接點(diǎn)與整個(gè)兩級(jí)運(yùn)算放大器的輸出端之間連接有第二頻率補(bǔ)償電容Cm2。
本發(fā)明將傳統(tǒng)的米勒電容Cm分裂為Cml和Cm2兩部分，以此來(lái)完成運(yùn)放大器的頻率補(bǔ)償。第一級(jí)運(yùn)放的差分對(duì)由反相器Min和Mip組成。電流源由工作在線性區(qū)和臨界飽和區(qū)的Mtl組成。MO，M3, M4的柵極和Min和Mip的漏極相連，組成自偏置電路。第二級(jí)運(yùn)放由PMOS管M5p和NMOS管M5n組成反相器輸入結(jié)構(gòu)。
本發(fā)明具有以下特點(diǎn):
1、Cm2和A點(diǎn)的電阻可以形成一個(gè)左半平面零點(diǎn)來(lái)補(bǔ)償非主極點(diǎn)產(chǎn)生的負(fù)相移。
2、本發(fā)明的運(yùn)算放大器采用自偏置技術(shù)，不需要額外的偏置電路。自偏置電路可以抑制電路的PVT (process, voltage, temperature)的影響。例如，如果VDD增加，貝U Vestl增加，偏置電流I1增加，則B點(diǎn)電壓增加，同時(shí)Vestl減小，以此來(lái)抵消VDD增加給電路帶來(lái)的影響。
3、本發(fā)明的運(yùn)算放大器次極點(diǎn)與寄生電容無(wú)關(guān)，具有較強(qiáng)的魯棒性。
4、電流源M0工作在線性區(qū)，在大信號(hào)轉(zhuǎn)換過(guò)程中，可以提供較大電流，提高電路的擺率。
5、本發(fā)明的運(yùn)算放大器的兩級(jí)輸入均采用反相器輸入結(jié)構(gòu)，可以增加運(yùn)算放大器的跨導(dǎo)，能提高運(yùn)算放大器的增益和單位增益帶寬。


圖1為現(xiàn)有技術(shù)中米勒補(bǔ)償兩級(jí)運(yùn)算放大器電路結(jié)構(gòu)示意。
圖2為現(xiàn)有技術(shù)中米勒補(bǔ)償加串聯(lián)電阻的兩級(jí)運(yùn)算放大器電路結(jié)構(gòu)示意。
圖3為現(xiàn)有技術(shù)中米勒補(bǔ)償加串聯(lián)電壓緩沖器的兩級(jí)運(yùn)算放大器電路結(jié)構(gòu)示意。
圖4為現(xiàn)有技術(shù)中折疊共源共柵補(bǔ)償?shù)膬杉?jí)運(yùn)算放大器電路結(jié)構(gòu)示意。
圖5為本發(fā)明提供的分裂補(bǔ)償?shù)膬杉?jí)運(yùn)算放大器電路結(jié)構(gòu)示意。
圖6為本發(fā)明提供的基于反相器輸入結(jié)構(gòu)的分裂補(bǔ)償兩級(jí)運(yùn)算放大器具體電路圖。
圖7為本發(fā)明提供的基于反相器輸入結(jié)構(gòu)的分裂補(bǔ)償兩級(jí)運(yùn)算放大器小信號(hào)等效電路。
具體實(shí)施方式
基于反相器輸入結(jié)構(gòu)的分裂補(bǔ)償兩級(jí)運(yùn)算放大器，如圖5、6所示，包括兩級(jí)運(yùn)放，第一級(jí)運(yùn)放由NMOS管M1N、M2N、M3、M4和PMOS管M1P、M2P、MQ組成，第二級(jí)運(yùn)放由PMOS管M5p和NMOS管M5n組成。
第一級(jí)運(yùn)放中，PMOS管Mtl的源極接電源VDD，PMOS管Mtl的柵極接NMOS管M3和M4的柵極以及NMOS管Min和PMOS管Mip的漏極，PMOS管M0的漏極PMOS管Mip和M2p的源極；PMOS管Mip和NMOS管Min的柵極互連并作為整個(gè)兩級(jí)運(yùn)算放大器的反向輸入端，PMOS管M2p和NMOS管M2n的柵極互連并作為整個(gè)兩級(jí)運(yùn)算放大器的正向輸入端；PM0S管Mip和NMOS管Min的漏極互連，PMOS管M2p和NMOS管M2n的漏極互連并作為第一級(jí)運(yùn)放的輸出端；NM0S管Min的源極接NMOS管M3的漏極，NMOS管M2n的源極接NMOS管M4的漏極，NMOS管M3和M4的源極接地。第二級(jí)運(yùn)放中，PMOS管M5p的源極接電源VDD，PMOS管M5p和NMOS管M5n的柵極互連并接第一級(jí)運(yùn)放的輸出端，PMOS管M5p和NMOS管M5n的漏極互連并作為整個(gè)兩級(jí)運(yùn)算放大器的輸出端， OS管M5n的源極接地。在第一級(jí)運(yùn)放的輸出端和整個(gè)兩級(jí)運(yùn)算放大器的輸出端之間連接有第一頻率補(bǔ)償電容Cnil ;在第一級(jí)運(yùn)放中NMOS管M2n的源極和NMOS管M4的漏極連接點(diǎn)與整個(gè)兩級(jí)運(yùn)算放大器的輸出端之間連接有第二頻率補(bǔ)償電容Cm2。本發(fā)明將傳統(tǒng)的米勒電容Cm分裂為Cml和Cm2兩部分，以此來(lái)完成運(yùn)放大器的頻率補(bǔ)償。第一級(jí)運(yùn)放的差分對(duì)由反相器Min和Mip組成。電流源由工作在線性區(qū)和臨界飽和區(qū)的Mtl組成。MO，M3, M4的柵極和Min和Mip的漏極相連，組成自偏置電路。第二級(jí)運(yùn)放由PMOS管M5p和NMOS管M5n組成反相器輸入結(jié)構(gòu)。本發(fā)明的運(yùn)算放大器的小信號(hào)等效電路如圖7所示。分析其等效電路，小信號(hào)傳輸函數(shù)為:
權(quán)利要求
1.基于反相器輸入結(jié)構(gòu)的分裂補(bǔ)償兩級(jí)運(yùn)算放大器，包括兩級(jí)運(yùn)放，第一級(jí)運(yùn)放由NMOS 管 M1N、M2N、M3、M4 和 PMOS 管 M1P、M2P、MQ 組成，第二級(jí)運(yùn)放由 PMOS 管 M5p 和 NMOS 管 M5n 組成； 第一級(jí)運(yùn)放中，PMOS管M0的源極接電源VDD，PMOS管M0的柵極接NMOS管M3和M4的柵極以及NMOS管Min和PMOS管Mip的漏極，PMOS管M0的漏極PMOS管Mip和M2p的源極；PM0S管Mip和NMOS管Min的柵極互連并作為整個(gè)兩級(jí)運(yùn)算放大器的反向輸入端，PMOS管M2p和NMOS管M2n的柵極互連并作為整個(gè)兩級(jí)運(yùn)算放大器的正向輸入端；PM0S管Mip和NMOS管Min的漏極互連，PMOS管M2p和NMOS管M2n的漏極互連并作為第一級(jí)運(yùn)放的輸出端；NM0S管Min的源極接NMOS管M3的漏極，NMOS管M2n的源極接NMOS管M4的漏極，NMOS管M3和M4的源極接地； 第二級(jí)運(yùn)放中，PMOS管M5p的源極接電源VDD，PMOS管M5p和NMOS管M5n的柵極互連并接第一級(jí)運(yùn)放的輸出端，PMOS管M5p和NMOS管M5n的漏極互連并作為整個(gè)兩級(jí)運(yùn)算放大器的輸出端，NMOS管M5n的源極接地； 在第一級(jí)運(yùn)放的輸出端和整個(gè)兩級(jí)運(yùn)算放大器的輸出端之間連接有第一頻率補(bǔ)償電容Cnil ;在第一級(jí)運(yùn)放中NMOS管M2n的源極和NMOS管M4的漏極連接點(diǎn)與整個(gè)兩級(jí)運(yùn)算放大器的輸出端之間連接有第二頻率補(bǔ)償電容Cm2。
全文摘要
本發(fā)明屬于電子技術(shù)領(lǐng)域，涉及模擬集成電路中運(yùn)算放大器的頻率補(bǔ)償技術(shù)。包括兩級(jí)運(yùn)放，第一級(jí)運(yùn)放由NMOS管M1N、M2N、M3、M4和PMOS管M1P、M2P、M0組成，第二級(jí)運(yùn)放由PMOS管M5P和NMOS管M5N組成。本發(fā)明將傳統(tǒng)的米勒電容Cm分裂為Cm1和Cm2兩部分，以此來(lái)完成運(yùn)算放大器的頻率補(bǔ)償；其中第一頻率補(bǔ)償電容Cm1連接于第一級(jí)運(yùn)放的輸出端和整個(gè)兩級(jí)運(yùn)算放大器的輸出端之間，第二頻率補(bǔ)償電容Cm2連接于第一級(jí)運(yùn)放中NMOS管M2N的源極和NMOS管M4的漏極連接點(diǎn)與整個(gè)兩級(jí)運(yùn)算放大器的輸出端之間。本發(fā)明非主極點(diǎn)與寄生參數(shù)無(wú)關(guān)，具有較強(qiáng)的魯棒性，同時(shí)具有更高的單位增益帶寬和輸出擺率。
文檔編號(hào)H03F3/45GK103199807SQ20131009979
公開(kāi)日2013年7月10日 申請(qǐng)日期2013年3月26日 優(yōu)先權(quán)日2013年3月26日
發(fā)明者羅萍, 廖鵬飛, 楊云, 甄少偉 申請(qǐng)人:電子科技大學(xué)