CN104283516B - 基于双重反馈结构的ab类输出级的运算放大器 - Google Patents

基于双重反馈结构的ab类输出级的运算放大器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于双重反馈结构的AB类输出级的运算放大器，包括输入级电路、输出级电路、共模反馈电路和双重反馈结构。采用反馈结构和前馈结构组合的方法，实现了运算放大器带宽的扩展，同时保证了足够的相位裕度；采用AB类输出级，提高了运算放大器的驱动能力。该运算放大器可以工作在较低电源电压（1.2V）下，具有高带宽，低功耗和强驱动能力的特点。

Description

基于双重反馈结构的AB类输出级的运算放大器
技术领域
本发明涉及运算放大器领域，特别涉及基于双重反馈结构的AB类输出级的运算放大器领域。
背景技术
随着半导体工艺技术的不断更新，CMOS工艺下的电源电压越来越低，作为模拟集成电路设计的基本模块，运算放大器的设计面临着越来越大的挑战。运算放大器是模拟电路设计的关键部件，被大量运用于滤波器、可变增益放大器和模拟---数字转换器等电路中。
随着沟道长度的减小，运算放大器的直流增益不断减小，传统提高增益的方法如堆叠结构和自举结构不再适合于低电源电压的领域。采用多级放大器结构可以比较容易达到较高增益，但是单纯增加放大器的级数会存在稳定性问题，因为多级放大器中存在较多的零极点，需要有较好的相位补偿结构才能保证多级运算放大器的稳定性。
通常采用的多级放大器频率补偿技术有调零电阻米勒（Miller）补偿技术，其基本原理是将米勒电容倍增后作为主极点，调零电阻引入一个左半平面的零点与一个左半平面的极点相互抵消，提高相位裕度。但是这种方法会降低运算放大器的带宽特性，基于前馈电容补偿的运算放大器结构，可以实现带宽的扩展，但是其频响特性曲线中会存在一个相位最差的频点，在某些情况下，运算放大器会存在稳定性问题。本发明针对此问题，提出了一种基于双重反馈结构的运算放大器，在单位增益频率以内保持较高的相位裕度。
运算放大器由内部增益级和输出级组成，其中输出级主要是为了驱动负载而设计的。为了在小的负载电阻上取得较大的输出电压摆幅，就要求输出级能够输出很大的电流。而一个大负载电容也要求很大的输出电流来提供所需要的充放电电流，才能满足瞬态响应的要求。
目前运算放大器较常使用的输出级结构包括：A类输出级和AB类输出级。由于A类输出级的输出电流受静态电流所限制，因此在低功耗设计中很难实现较高的驱动能力。使用本发明的输出级设计实现了AB类输出特性，提高了驱动后级电路的能力。
发明内容
（一）要解决的技术问题
本发明的目的在于解决放大器在低电源电压下，带宽不够，驱动能力不强的问题。
（二）技术方案
本发明采用以下技术方案：
一种基于双重反馈结构的AB类输出级的运算放大器，包括：
输入级电路，用于输入电压信号；
AB类输出级电路，电压信号经输入级电路输出至AB类输出级电路，提供运算放大器的输出电压信号；
共模反馈电路，所述输出电压信号经共模反馈电路反馈至输入级电路；
双重反馈结构，所述输出电压信号经双重反馈结构反馈至输入级电路和AB类输出级电路。
优选的，输入级电路，由场效应管M5、M1a、M1b，M3a和M3b组成：
其中，场效应管M5为输入级电路提供偏置电流，其栅极电压为VB，其源极连接电源VDD，其漏极连接场效应管M1a和M1b的源极；
其中，场效应管M1a和M1b为运算放大器的输入场效应管，其栅极电压分别为Vin和Vip，其源极共同连接场效应管M5的漏极，场效应管M1a的漏极连接场效应管M3a的漏极，场效应管M1b的漏极连接场效应管M3b的漏极；
其中，场效应管M3a和M3b为输入级电路的负载，同时作为共模反馈电路的一部分，其栅极共同连接OPA的输出端，场效应管M3a的漏极连接场效应管M1a的漏极，场效应管M3b的漏极连接场效应管M1b的漏极，其源极共同连接至地VSS。
优选的，输出级电路，由场效应管M4a、M4b、M2a、M2b、电阻REa、电容CEa、电阻REb和电容CEb组成：
其中，场效应管M2a的栅极连接至场效应管M3a的漏极，M2b的栅极连接至场效应管M3b的漏极，其源极共同连接至地VSS，场效应管M2a漏极连接至场效应管M4a的漏极，效应管M3a的漏极连接至场效应管M4b的漏极；
其中，场效应管M4a的栅极连接至电阻REa与电容CEa的公共连接点，M4b的栅极连接至电阻REb与电容CEb的公共连接点，其源极共同连接至电源VDD，场效应管M4a漏极连接至场效应管M2a的漏极，效应管M4b的漏极连接至场效应管M2b的漏极；
其中，电阻REa的一端连接至直流偏置电压VB，另一端连接至电容CEa；
其中，电容CEa的一端连接至场效应管M3a的漏极，另一端连接至电阻REa；
其中，电阻REb的一端连接至直流偏置电压VB，另一端连接至电容CEb；
其中，电容CEb的一端连接至场效应管M3b的漏极，另一端连接至电阻REb。
优选的，场效应管M3a/b漏极传输过来的信号通过电容CEa/b传输到场效应管M4a/b的栅极，电阻REa/b将直流偏置电压VB赋给M4a/b的栅极，同时阻止从CEa/b传输过来的信号，
当M3a/b漏极电压降低时，M2a/b的栅极电压降低，M4a/b的栅极电压降低，使得输出端对外灌电流输出；
当M3a/b漏极电压升高时，M2a/b的栅极电压升高，M4a/b的栅极电压升高，使得输出端对外拉电流输出；
具有提高驱动后级电路的作用。
优选的，电阻REa和REb用工作在截止区的MOS管替代。
优选的，共模反馈电路，由电阻RMa和RMb，电容CMa和CMb与OPA组成，
其中，电阻RMa和电容CMa并联连接，并联后一端连接至输出级电路输出电压极VOP，另一端连接至OPA的负向端；
其中，电阻RMb和电容CMb并联连接，并联后一端连接至输出级电路输出电压极VON，另一端连接至OPA的负向端；
其中，OPA的负向端连接电阻RMa、RMb，电容CMa、CMb，OPA正向端连接参考电压VCM，OPA输出端连接场效应管M3a和M3b的栅极。
优选的，OPA，当其增益无穷大时，正向输入电压等于负向输入电压。
优选的，双重反馈结构具有扩展带宽的作用，双重反馈结构由电阻RCa、RFa、RCb、RFb，电容CCa、CFa、CCb、CFb组成：电阻RCa、电容CCa、电阻RCb、电容CCb组成负反馈结构；电阻RFa，电容CFa，电阻RFb，电容CFb组成正反馈结构；
其中，电阻RCa的一端连接场效应管M3a的漏极，另一端连接电容CCa，电阻RCb的一端连接场效应管M3b的漏极，另一端连接电容CCb；
其中，电容CCa的一端连接场效应管M2a的漏极，另一端连接电阻RCa，电容CCb的一端连接场效应管M2b的漏极，另一端连接电阻RCb；
其中，电阻RFa的一端连接场效应管M1b的漏极，另一端连接电容CFa，电阻RFb的一端连接场效应管M1a的漏极，另一端连接电容CFb；
其中，电容CFa的一端连接场效应管M4a的漏极，另一端连接电阻RFa，电容CFb的一端连接场效应管M4b的漏极，另一端连接电阻RFb。
（三）有益效果
本发明解决了放大器在低电源电压下，带宽不够，驱动能力不强的问题。
附图说明
图1是本发明的双重反馈结构的AB类输出级的运算放大器的结构图；
图2是本发明的用于验证有效性的小信号结构图；
图3是本发明的仿真结果。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式做进一步描述。以下实施例仅用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
如图1所示的一种双重反馈结构的AB类输出级的运算放大器的结构图，本发明采用图1结构。
实施例1
一种双重反馈结构的AB类输出级的运算放大器，如图1所示，是一种在较低电源电压（1.2V）下，具有高带宽，低功耗和强驱动能力的双重反馈补偿结构的运算放大器，包括：输入级电路，提供放大器的输入电压信号；AB类输出级电路，信号经输入级电路输出至AB类输出级电路，提供输出放大器的输出电压信号；共模反馈电路，放大器的输出电压信号经共模反馈电路反馈至输入级电路，提供共模反馈信号至输入电路；双重反馈结构，放大器的输出电压信经双重反馈结构反馈至输入级电路和AB类输出级电路，提供双重反馈信号至输入级电路和AB类输出级电路。
输入级电路，由场效应管M5，M1a，M1b，M3a，M3b组成。其中，场效应管M5为输入级电路提供偏置电流，其栅极电压为VB，其源极连接电源VDD，其漏极连接场效应管M1a和M1b的源极；其中，场效应管M1a和M1b为运算放大器的输入场效应管，其栅极电压分别为Vin和Vip，其源极共同连接场效应管M5的漏极，场效应管M1a的漏极连接场效应管M3a的漏极，场效应管M1b的漏极连接场效应管M3b的漏极；其中，场效应管M3a和M3b为输入级电路的负载，同时作为共模反馈电路的一部分，其栅极共同连接运算放大器（Operational Amplifier，简称OPA）的输出端，漏接分别连接场效应管M1a和M1b的漏极，效应管M3a和M3b的源极共同连接至地VSS。
输出级电路，由场效应管M4a，M4b，M2a，M2b，电阻REa，电容CEa，电阻REb，电容CEb组成，具有AB类输出的特点。其中，场效应管M2a和M2b的栅极分别连接至场效应管M3a和M3b的漏极，源极共同连接至地VSS，漏极分别连接至场效应管M4a和M4b的漏极；其中，场效应管M4a和M4b的栅极分别连接至电阻REa与电容CEa和电阻REb与电容CEb的公共连接点，源极共同连接至电源VDD，漏极分别连接至场效应管M2a和M2b的漏极；其中，电阻REa的一端连接至VB电压，另一端连接至电容CEa；其中，电容CEa的一端连接至场效应管M3a的漏极，另一端连接至电阻REa；其中，电阻REb的一端连接至VB电压，另一端连接至电容CEb；其中，电容CEb的一端连接至场效应管M3b的漏极，另一端连接至电阻REb；
共模反馈电路，其特征在于，由电阻RMa、RMb，电容CMa、CMb和OPA组成。其中，电阻RMa和电容CMa并联连接，一端连接至VOP，另一端连接至OPA的负向端；其中，电阻RMb和电容CMb并联连接，一端连接至VON，另一端连接至OPA的负向端；其中，OPA的负向端连接电阻RMa、RMb、电容CMa，CMb，正向端连接VCM电压，输出端连接场效应管M3a和M3b的栅极。
双重反馈结构，其特征在于，由电阻RCa，电容CCa，电阻RFa，电容CFa，电阻RCb，电容CCb，电阻RFb，电容CFb组成。电阻RCa，电容CCa，电阻RCb，电容CCb组成负反馈结构，电阻RFa，电容CFa，电阻RFb，电阻CFb组成正反馈结构，负反馈和正反馈结构可以实现扩展带宽的能力。其中，电阻RCa的一端连接场效应管M3a的漏极，另一端连接电容CCa，电阻RCb的一端连接场效应管M3b的漏极，另一端连接电容CCb；其中，电容CCa的一端连接场效应管M2a的漏极，另一端连接电阻RCa，电容CCb的一端连接场效应管M2b的漏极，另一端连接电阻RCb；其中，电阻RFa的一端连接场效应管M1b的漏极，另一端连接电容CFa，电阻RFb的一端连接场效应管M1a的漏极，另一端连接电容CFb；其中，电容CFa的一端连接场效应管M4a的漏极，另一端连接电阻RFa，电容CFb的一端连接场效应管M4b的漏极，另一端连接电阻RFb。
AB类输出的特点，从场效应管M3a/b漏极传输过来的信号可以通过电容CEa/b传输到场效应管M4a/b的栅极，电阻REa/b将直流偏置电压VB赋给场效应管M4a/b的栅极，同时阻止从电容CEa/b传输过来的信号。电阻REa/b也可以采用其它形式实现，例如工作在截止区的MOS管。当场效应管M3a/b漏极电压降低时，场效应管M2a/b的栅极电压降低，场效应管M4a/b的栅极电压降低，使得输出端向外灌电流；当场效应管M3a/b漏极电压升高时，场效应管M2a/b的栅极电压升高，场效应管M4a/b的栅极电压升高，使得输出端向外拉电流。这样的输出级实现了AB类输出特性，提高了驱动后级电路的能力。OPA其特征在于，当其增益无穷大时，正向输入电压等于负向输入电压。
为了验证本发明的有效性，可采用其小信号结构进行验证，如图2所示，假设：gm1R1>>1，gm2R2>>1，CC,CF,CL,CE>>C1，RE□R1,R2,RC,RF化简后得到的零极点表达式：
根据公式（1）和（4）可知，这一对零极点位置较低，当CF=CC时，零点的位置低于极点，因此运算放大器的低频增益会出现上翘现象，其带来的好处就是运算放大器带宽提高。
由于第一零点和第一极点的位置较低，并可以相互抵消，运算放大器的带宽由公式（5）决定，可以发现，当CF=CC时，带宽可以获得很大提升。
根据公式（2）和（3）可知，增加电阻RF可以降低第二和第三零点的位置，提高运算放大器的相位裕度。
图3为本发明所提出的一种基于双重反馈结构的AB类输出级的运算放大器仿真结果，可以发现：运算放大器的低频增益有所提升，导致带宽增益，同时单位增益频率内的相位裕度较高，不存在相位裕度最差的频点，保证了运算放大器的稳定性。
以上实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此所有等同的技术方案也属于本发明的保护范畴。

Claims (6)

1.一种基于双重反馈结构的AB类输出级的运算放大器，其特征在于，包括：
输入级电路，用于输入电压信号；
AB类输出级电路，电压信号经输入级电路输出至AB类输出级电路，提供运算放大器的输出电压信号；
共模反馈电路，所述输出电压信号经共模反馈电路反馈至输入级电路；
双重反馈结构，所述输出电压信号经双重反馈结构反馈至输入级电路和AB类输出级电路；
所述的输入级电路，由场效应管M5、M1a、M1b、M3a和M3b组成：
其中，场效应管M5为输入级电路提供偏置电流，场效应管M5的栅极电压为VB，场效应管M5的源极连接电源VDD，场效应管M5的漏极连接场效应管M1a和M1b的源极；
其中，场效应管M1a和M1b为运算放大器的输入场效应管，场效应管M1a和M1b的栅极电压分别为Vin和Vip，场效应管M1a和M1b的源极共同连接场效应管M5的漏极，场效应管M1a的漏极连接场效应管M3a的漏极，场效应管M1b的漏极连接场效应管M3b的漏极；
其中，场效应管M3a和M3b为输入级电路的负载，同时作为共模反馈电路的一部分，场效应管M3a和M3b的栅极共同连接OPA的输出端，场效应管M3a的漏极连接场效应管M1a的漏极，场效应管M3b的漏极连接场效应管M1b的漏极，场效应管M3a和M3b的源极共同连接至地VSS；
所述的输出级电路，由场效应管M4a、M4b、M2a、M2b、电阻REa、电容CEa、电阻REb和电容CEb组成：
其中，场效应管M2a的栅极连接至场效应管M3a的漏极，M2b的栅极连接至场效应管M3b的漏极，场效应管M2a和M2b的源极共同连接至地VSS，场效应管M2a漏极连接至场效应管M4a的漏极，效应管M3a的漏极连接至场效应管M4b的漏极；
其中，场效应管M4a的栅极连接至电阻REa与电容CEa的公共连接点，M4b的栅极连接至电阻REb与电容CEb的公共连接点，场效应管M4a和M4b的源极共同连接至电源VDD，场效应管M4a漏极连接至场效应管M2a的漏极，场效应管M4b的漏极连接至场效应管M2b的漏极；
其中，电阻REa的一端连接至直流偏置电压VB，另一端连接至电容CEa；
其中，电容CEa的一端连接至场效应管M3a的漏极，另一端连接至电阻REa；
其中，电阻REb的一端连接至直流偏置电压VB，另一端连接至电容CEb；
其中，电容CEb的一端连接至场效应管M3b的漏极，另一端连接至电阻REb。
2.根据权利要求1所述的基于双重反馈结构的AB类输出级的运算放大器，其特征在于，场效应管M3a漏极传输过来的信号通过电容CEa传输到场效应管M4a的栅极，场效应管M3b漏极传输过来的信号通过电容CEb传输到场效应管M4b的栅极，电阻REa将直流偏置电压VB赋给M4a的栅极，同时阻止从CEa传输过来的信号，电阻REb将直流偏置电压VB赋给M4b的栅极，同时阻止从CEb传输过来的信号；
当M3a漏极电压降低时，M2a的栅极电压降低，M4a的栅极电压降低，使得输出端对外灌电流输出，当M3b漏极电压降低时，M2b的栅极电压降低，M4b的栅极电压降低，使得输出端对外灌电流输出；
当M3a漏极电压升高时，M2a的栅极电压升高，M4a的栅极电压升高，使得输出端对外拉电流输出，当M3b漏极电压升高时，M2b的栅极电压升高，M4b的栅极电压升高，使得输出端对外拉电流输出；
具有提高驱动后级电路的作用。
3.根据权利要求2所述的基于双重反馈结构的AB类输出级的运算放大器，其特征在于，所述的电阻REa和REb用工作在截止区的MOS管替代。
4.根据权利要求1所述的基于双重反馈结构的AB类输出级的运算放大器，其特征在于，所述的共模反馈电路，由电阻RMa和RMb，电容CMa和CMb与OPA组成，
其中，电阻RMa和电容CMa并联连接，并联后一端连接至输出级电路输出电压极VOP，另一端连接至OPA的负向端；
其中，电阻RMb和电容CMb并联连接，并联后一端连接至输出级电路输出电压极VON，另一端连接至OPA的负向端；
其中，OPA的负向端连接电阻RMa、RMb，电容CMa、CMb，OPA正向端连接参考电压VCM，OPA输出端连接场效应管M3a和M3b的栅极。
5.根据权利要求4所述的基于双重反馈结构的AB类输出级的运算放大器，其特征在于，所述的OPA，当其增益无穷大时，正向输入电压等于负向输入电压。
6.根据权利要求1所述的基于双重反馈结构的AB类输出级的运算放大器，其特征在于，所述的双重反馈结构具有扩展带宽的作用，双重反馈结构由电阻RCa、RFa、RCb、RFb，电容CCa、CFa、CCb、CFb组成：电阻RCa、电容CCa、电阻RCb、电容CCb组成负反馈结构；电阻RFa，电容CFa，电阻RFb，电容CFb组成正反馈结构；
其中，电阻RCa的一端连接场效应管M3a的漏极，另一端连接电容CCa，电阻RCb的一端连接场效应管M3b的漏极，另一端连接电容CCb；
其中，电容CCa的一端连接场效应管M2a的漏极，另一端连接电阻RCa，电容CCb的一端连接场效应管M2b的漏极，另一端连接电阻RCb；
其中，电阻RFa的一端连接场效应管M1b的漏极，另一端连接电容CFa，电阻RFb的一端连接场效应管M1a的漏极，另一端连接电容CFb；
其中，电容CFa的一端连接场效应管M4a的漏极，另一端连接电阻RFa，电容CFb的一端连接场效应管M4b的漏极，另一端连接电阻RFb。
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