CN1055810C

CN1055810C - 具有高电源抑制性能的反馈放大器

Info

Publication number: CN1055810C
Application number: CN94114817A
Authority: CN
Inventors: 托德·L·布鲁克斯
Original assignee: Motorola Inc
Current assignee: NXP USA Inc
Priority date: 1993-08-02
Filing date: 1994-07-25
Publication date: 2000-08-23
Anticipated expiration: 2014-07-25
Also published as: US5365199A; CN1103215A

Abstract

AB类放大器包括放大器、电容器和输出级。输出级包括源极跟随晶体管和反馈电路。源极跟随晶体管接收放大器的模拟信号并提供相应的输出信号给负载。反馈电路提供电流反馈以保持源极跟随晶体管中漏极电流的相对恒定。具有反馈电路的AB类放大器以低静态功耗，高电源电压抑制性能、高电压增益和稳定的工作保证大电流驱动能力，却没有使用米勒补偿电容器。

Description

具有高电源抑制性能的反馈放大器

本发明大体涉及放大器，具体地说是涉及一种具有高电源抑制性能的反馈放大器。

放大器可包括作为第一级的跨导放大器和输出级，其中输出级提供驱动低阻抗负载的单位电压增益。输出级可以包括一源极跟随晶体管。具有源极跟随输出级的放大器的重要指标包括宽带宽、大电流驱动能力、低静态功耗、高电源抑制性能和稳定的工作。

图1以原理图的形式说明通常所采用的AB类放大器10。AB类放大器10包括放大器11和输出级12。输出级12包括P沟道晶体管13、14和15，电流源16和电容器17。P沟道晶体管14被连接成源极跟晶体管，用以提供标以Vout的输出信号。放大器11是一普通的单级跨导型放大器，用来接收标以“+V_IN”的非反相输入信号和标以“-V_IN”的反相输入信号，并提供一单端输出信号。

先有技术的AB类放大器10以相对较低的静态功耗提供低阻抗输出驱动和强电流驱动能力。但是，由于输出级12的电压增益高和频率极点低，所以需要米勒补偿电容器17来稳定放大器10。采用米勒补偿却带来了输出级12的电源抑制性能退化的问题。为使电源变化时输出级12的驱动电流保持恒定，晶体管13的栅源电压应保持不变。为此，晶体管的栅电压应跟踪电源电压。然而，这会使得米勒补偿电容器17的电压随电源电压变化，并在电容器17中产生引起放大器电源抑制能退化的随电源变化的电流。

输出级12的另一个问题是，当要求驱动阻抗足够小的负载(未给出)上的高电压时，P沟道晶体管15的漏极电流变得比电流源16提供的电流还要大。这使得源极跟随晶体管14的栅极电压上升。源极跟随晶体管14中的电流随栅电压的升高减小到接近零，源极跟随晶体管14实际上变得不导通。这样便有效地切断了输出级12在P沟道晶体管15和输出级12输出端间的增益通路，输出级12的电压增益减小为与输出负载相连的简单共源晶体管(P沟道晶体管13)的增益。

因此，本发明提出一种具有高电源抑制性能反馈的CMOS放大器，其特征为：放大级，其具有第一和第二输入端及一输出端；稳定电容器，其第一板电极与放大级的输出端耦合，第二板电极与模拟接地端耦合；源极跟随晶体管，其具有接收输入信号的栅极、提供输出信号的源极和一有漏极电流漏极；负反馈电路，其耦合在源极跟随晶体管的源极和漏极之间，其用来检测由负载电流变化引起的源极跟随晶体管漏极电流的变化，并根据检测的漏极电流的变化，提供负电流反馈给源极跟随晶体管的源极以限制漏极电流的变化。

从下面结合附图的详细描述中，将能更加清楚地了解这些以及其它特征和优点。

图1用原理图的形式说明一先有技术的AB类放大器。

图2用原理图的形式说明根据本发明所述的A类放大器。

图3用原理图的形式说明根据本发明另一实施例所述的A类放大器。

图4用原理图的形式说明根据本发明又一实施例所述的AB类放大器。

图5用原理图的形式说明本发明再一个实施例所述的AB类放大器。

图2用原理图的形式说明根据本发明所述的A类放大器20。A类放大器20采用CMOS技术实现，包括放大器21、电容器22和输出级23。在最佳实施例中，放大器21是一普通的单级跨导型放大器，用以提供差分信号并相应地提供一单端输出信号。然而，在其它的实施例中，放大器21可能是运算放大器、差分放大器、或任意类型的可将一个或多个输入信号耦合到一个或多个放大器输出级的输入放大器。注意，在其它实施例中，可使用不带放大器21的输出级23，并可用输出级23代替任何要求高跨导、低失真源极跟随器件的电路中的源极跟随晶体管。

放大器21有用于接收标以“+V_IN”的第一输入信号的非反相输入端、用于接收标以“-V_IN”的第二输入信号的反相输入端和输出端。电容器22耦合在放大器21的输出端和标以“V_AG”的模拟地端之间，并按需限制放大器21的带宽以便在A类放大器中保持足够的相位余量。

输出级23包括源极跟随晶体管24和反馈电路25。反馈电路25包括电流源26，N沟道晶体管28、电流源30、电容器32和P沟道晶体管34。源极跟随晶体管24具有与放大器21的输出端相连的栅极、与用以提供标为“VouT₁”的输出信号的输出端相连的源极和一漏极。电流源26的第一端与源极跟随晶体管24的漏极相连，第二端与标以“Vss”的电源电压端相连。N沟道晶体管28的漏极与节点101相连，栅极用来接收标以“V_BIAS”的偏置电压，源极与源极跟随晶体管24的漏极相连。电流源30的第一端与标以“V_DD”的电源电压端相连，第二端与N沟道晶体管28连接于节点101。电容器32的第一板极与电流源30在节点101相连，第二板极与电源电压端V_DD相连。P沟道晶体管34的源板与电源电压端V_DD相连，栅极与节点101相连，漏极与源极跟随晶体管24的源极相连。在最佳实施例中，电源电压端V_DD接收一大约为5V的正电源电压，电源电压端Vss与地电位相连。模拟地端V_AG接收正电源电压和地之间约一半处或约2.5V的电压。在其它实施例中，V_DD可以接收低至约2.0V的正电源电压，V_AG可以在V_DD或Vss的电位上，或在依赖输出信号V_ouTI参考电位的另一个中间电位上。

工作时，放大器21(图2)接收非反相输入信号+V_IN和反相输入信号-V_IN，并提供输出信号至输出级23的源极跟随晶体管24的栅极。输出级23起单位增益驱动电路的作用，包括由反馈电路25提供的负电流反馈。输出级23可以以恒定的增益和低静态功耗驱动一排阻抗相对较低的负载。电路不需要米勒补偿，从而提供高电源抑制性能。反馈电路25提供负反馈，通过调整P沟道晶体管34中的电流、补偿输出信号V_ouT1的负载电流的变化来保持源极跟随晶体管24中电流的相对恒定。源极跟随晶体管24的跨导被有效地增大至1+Ai倍，其中Ai代表反馈电路25的电流增益。

A类放大器20的带宽及稳定性与输出级23的相互依赖。A类放大器20与输出级23的相互依赖关系是与放大器20的输出端相连的负载阻抗的反函数。当电路与足够高的阻抗负载一起使用时，源极跟随晶体管24的栅源电压与流过P沟道晶体管34的电流弱相关(weak function)。因而，在这种情况下，A类放大器20的带宽及稳定性不严重依赖输出级23的带宽。如果由于输出级23有限的带宽而使反馈电路25在高频工作时失效，那么这样引起的放大器20稳定性的退化将很少。

电流源26和30提供相对恒定的电流。节点101是阻抗相对较高的节点，其为P沟道晶体管34的栅极提供偏置电压。如果流过源极跟随晶体管24的电流由于负载电流的变化而开始变化，流过N沟道晶体管28的电流就会变化。由于节点101的阻抗相对较高，流过节点101的电流很小的变化就能引起节点101电压的大变化。例如，如果负载电流开始增加，流过源极跟随晶体管24的电流就开始下降。由于电流源26提供相对恒定的电流，流过N沟道晶体管28的电流就增加。流过N沟通晶体管28的电流的很小的增加却在节点101引起大的电压下降，并使P沟道晶体管34的栅极偏置电压减小。P沟道晶体管34提供一可变的电流源。流过P沟道晶体管34的电流反比于节点101的电压，这样，当负载电流变化时可保持流过源极跟随晶体管24的电流相对恒定。通过保持流过源极跟随晶体管24的电流相对恒定，反馈电路25保证源极跟随晶体管24起具有相对恒定的栅源电压和相对较低的失真的单位增益缓冲器的作用。

电容器32提供使反馈电路25稳定的主极点。由于节点101的大输出阻抗使得101的频率极点很低，所以电容器32应足够大以促证该极点是主要的，从而使反馈电路的带宽低于输出级23输出端的极点。这不象先有技术的AB类放大器10的米勒补偿电容器17，电容器22或32都不会使A类放大器20的电源抑制性能退化。偏置电压V_BIAS被设置得足够高，可保持电流源26相对较高的阻抗，但又足够低，可使输出信号V_ouT1的电压摆幅不受影响。偏置电压V_BIAS应被设置为高于Vss约一至两个MOSFET的二极管压降。正如上面提到的，由于不需要用米勒补偿来稳定电路，因而就改善了电源抑制性能，同时仍保持于强电流驱动能力和低静态功耗。放大器20在要求低频时的高增益、高精度的应用中很有用。(注意，为便于讨论，低频定义为低于1MHz，而高频定义为大于1MHz。)应用包括，但不限于基准电压发生器，离片(off chip)驱动器和音频放大器。

图3用原理图的形式说明根据本发明另一实施例所述的A类放大器35。注意，不同实施例中相似的元件被赋予了同样的参考号。A类放大器35包括放大器21，电容器22和输出级36。输出级36包括源极跟随晶体管37和反馈电路39。反馈电路39包括电流源38、N沟道晶体管40及P沟道晶体管42和44。P沟道晶体管42和44相连，形成电流镜41。

输出级36中，源极跟随晶体管37有一与提供标以“V_ouT2”的输出信号的输出端相连的源极、与放大器21的输出端相连的栅极和一漏极。电流源38包括与源极跟随晶体管37的漏极相连的第一端和与Vss相连的第二端。N沟道晶体管40有与电流源38的第一端相连的源极、用于接收偏置电压“V_BIAS”的栅极和一漏极。P沟道晶体管42的源极与V_DD相连，栅极和漏极都与N沟道晶体管40的漏极相连。P沟道晶体管44的源极与V_DD相连，栅极与P沟道晶体管42的栅极相连，漏极与源极跟随晶体管44的源极相连。

反馈电路39起与图2的反馈电路25相似的作用。反馈电路39给源极跟随晶体管37的源极提供负电流反馈，以保证当输出负载电流变化时，流过源极跟随晶体管37的漏极电流相对恒定。然而，与输出级23(图2)的反馈电路25不同的是，反馈电路39没有高阻抗节点，因而输出极36的带宽可以很宽。带宽受输出级36输出端处的极点的限制，其中极点是负载阻抗的函数。反馈电路39保持流过源极跟随晶体管37的电流相对恒定以便低失真地、大体线性地工作。由于不需要米勒补偿，电源抑制性能相对采用米勒补偿的先有技术的输出级来说得到了改善。放大器35可用于需要宽带宽的应用中，包括(但不限于)宽带宽驱动器和视频放大器。

工作时，如果流过源极跟随晶体管37的电流由于输出信号V_ouT2的电流增加而开始下降，流过N沟道晶体管40的电流就会上升，因为电流源38提供的是相对恒定的电流源。电流镜41接收N沟道晶体管40的电流，根据其相应的电导率，P沟道晶体管44反映一部分流过接成二极管的P沟道晶体管42的电流。当流过P沟道晶体管42的电流增加时，提供给源极跟随晶体管37的电流也增加以补偿增加的负载电流。如果负载电流下降，反馈电路39就会探测到源极跟随晶体管37漏极电流的相应增加，并减小P沟道晶体管44提供的电流。在最佳实施例中，P沟道晶体管42的电导率相应地大于P沟道晶体管44的电导率，于是流过P沟道晶体管44的电流大于流过P沟道晶体管42的电流，并且电流镜41的增益大于1。

输出级23和36能产生比先有技术输出级12更大的负载电流。注意，图2和图3中实施例的电流吸收(sink)能力受电流源提供的电流量限制。A类放大器20能吸收的最大电流等于电流源26的电流减去电流源30的电流。A类放大器35能吸收的最大电流等于电流源38提供的电流。正如上面讨论的，图2的输出级23以较低的带宽为代价提供大电流增益。输出级36则相反，其以较高的带它提供较低的增僧。与输出级23(图2)相比，输出级36能驱动大的容性负载。象图2的实施例一样，输出级36不需要米勒补偿，从而保证了高电源抑制比。

图4用原理图的形式说明根据本发明又一实施例所述的AB类放大器50。AB类放大器50包括放大器21，电容器22和输出级51。输出级51包括源极跟随晶体管52和反馈电路53。反馈电路53包括电流镜56，电流源57，电容器62，N沟道晶体管64和电流镜55。电流镜56包括N沟道晶体管58和60。电流镜55包括P沟道晶体管66和68。

源极跟随晶体管52具有与输出级51的输出端相连的栅极、用来提供标 V_ouT3”的输出信号的源极和漏极。N沟道晶体管58的漏极和栅极都与源极跟随晶体管52的漏极相连。电流源57具有与V_DD相连的第一端和一个第二端。N沟道晶体管60的漏极与电流源57的第二端相连，栅极与N沟道晶体管58的栅极相连，源极与Vss相连。电容器62的第一板电极与N沟道晶体管60的漏极相连，第二板电极与Vss相连。N沟道晶体管64具有与N沟道晶体管60的漏极相连的栅极，一漏极和与Vss相连的源极。P沟道晶体管66的源极与V_DD相连，其栅极和漏极都与N沟道晶体管64的漏极相连。P沟道晶体管68的源极与V_DD相连，栅极与P沟道晶体管66的栅极相连，漏极与源极跟随晶体管52的源极相连。

象图2和图3的实施例一样，输出级51用作带负电流反馈的单位增益缓冲电路。

工作时，反馈电路53监视源极跟随晶体管52的漏极电流，并提供一反馈电流以控制流过P沟道晶体管68的电流，从而使漏极电流相对变化的负载电流保持恒定。源极跟随晶体管52的跨导增加到1+Ai倍，其中Ai代表反馈电路53的电流增益。Ai通常为100左右，可由共阴共栅(cascoding)的N沟道晶体管60进一步提高。与图2和图3中所示实施例一样，输出级51不采用米勒补偿进行稳定，从而避免不希望的电源增益，同时仍保持良好的电流驱动能力和低静态功耗。电容器62提供输出级51的主极点而没有影响电源抑制性能。

工作时，电流源57提供恒定的电流源。电流镜56接收源极跟随晶体管52的漏极电流并在电流源57的第二端提供一与源极跟随晶体管52的漏极电流成比例的电流。由于电流源57提供的电流相对恒定，N沟道晶体管64的栅极电压与源极跟晶体管52漏极电流的变化成比例。同样地，电流镜55接收N沟道晶体管64的电流，并反映P沟道晶体管68的电流。如果源极跟随晶体管52中的电流由于负载电流的增加而减小，反馈电路53就给源极跟随晶体管52的源极提供更多的电流。如果源极跟随晶体管52中的电流由于负载电流的减小而增加，反馈电路53便向源极跟随晶体管52的源极提供较少的电流。源极跟随晶体管52的栅源电压保持相对恒定。输出级51能够产生比先有技术的输出级21更大的负载电流，这是以输出级51的输出电压幅度在Vss方向有所减小为代价的。与输出级23和36相比，输出级51能够吸收大得多的负载电流。放大器50在需要低频时高增益、高精度的应用中很有用。

图5用原理图的形式说明根据本发明再一实施例所述的AB类放大器70。AB类放大器70包括放大器21、电容器22和输出级72。输出级72包括源极跟随晶体管74和反馈电路76。反馈电路76包括电流镜77、电流源80、N沟道晶体管84和86、以及电流镜87。电流镜77包括N沟道晶体管78和82，电流镜87包括P沟道晶体管88和90。N沟道晶体管84和86构成电流镜79。

源极跟随晶体管74具有与提供标以“V_ouT4”的输出信号的输出级72的输出端相连的源极、与放大器21的输出端相连的栅极、和一个漏极。N沟道晶体管78的栅极和漏极与源极跟随晶体管74的漏极相连，源极与Vss相连。电流源80具有与V_DD相连的第一端和一第二端。N沟道晶体管82的漏极与电流源80的第二端相连，栅极与N沟道晶体管78的栅极相连，源极与Vss相连。N沟道晶体管的漏极和栅极都与N沟道晶体管82的漏极相连，源极与Vss相连。N沟道晶体管86有一漏极，一与N沟道晶体管82的漏极相连的栅极，和一与Vss相连的源极。P沟道晶体管88的源极与V_DD相连，栅极和漏极都与N沟道晶体管86的漏极相连。P沟道晶体管90的源极与V_DD相连，栅极与P沟道晶体管88的栅极相连，漏极与源极跟随晶体管74的源极相连。

除了电容62(图4)被接为二极管的晶体管84(图5)代替以外，输出级72与图4的输出级51相似。输出级72的工作与输出级51的相似。电流源80提供一恒定的电流源。电流镜77接收源极跟随晶体管74漏极处的电流，并在电流源80的第二端提供与源极跟随晶体管74的漏极电流成比例的电流。由于电流源80所提供的电流相对恒定，N沟道晶体管86的栅电压便与源极跟随晶体管74漏电流的变化成比例。相似地，电流镜87从N沟道晶体管86接收电流并反映P沟道晶体管90中的电流。如果源极跟随晶体管74中的电流由于负载电流增大而减小，反馈电路76就提供更多的电流给源极跟随晶体管74的源极。如果源极跟随晶体管74中的电流由于负载电流的减上而增大，反馈电路76就会提供给源极跟随晶体管74较少的电流。

与输出级51不同的是，输出级72的主极点被置于输出级72的输出端，是与输出级72输出端相连的输出阻抗的函数。与输出级51(图4)相比，输出级72能够驱动更大的容性负载。此外，其以减小电流反馈增益Ai和电流驱动能力为代价，改善了输出级72的带宽。

当比较所说明的本发明实施例时，有各种作用和限制要考虑。与图2和图3的实施例相比，图4和图5的实施例是AB类放大器，因而能够吸收大得多的电流。图4和图5所示的实施例略微减小了Vss方向的电压幅度，因为源极跟随晶体管24(图4)和源极跟随晶体管37(图5)的漏极电压由Vss下降一个二极管压降。注意，图2和图3的实施例具有更好的频率响应，可以做得能以比图4和图5的实施例更宽的带宽工作。然而，与图3的实施例相比，图5的实施例由于有三个电流镜而具有更高的反馈电流增益。

当以最佳实施例的角度描述本发明时，本领域的那些技术人员会清楚地知道本发明可按大量方式进行修改，并可设想出许多与前面具体说明和描述的实施例不同的实施例。如，显而易见，上述的任何实施例都可用差分输出实现。在一全差分放大器结构中，与耦合到输出信号的电源噪声有关的问题减少了，因为借助电路的差分性质使噪声得到了抑制。然而，由于大差分信号引起输出端不匹配以及输出阻抗不匹配，所以差分放大器中。电源电压抑制比可能仍是一个问题。因此，也可将本发明用于这种应用以减小电源噪声。于是，所附权利要求覆盖在本发明的实质精神和范围内的所有变化。

Claims

1.具有高电源抑制性能反馈的CMOS放大器，其特征为：

放大级，其具有第一和第二输入端及一输出端；

稳定电容器，其第一板电极与放大级的输出端耦合，第二板电极与模拟接地端耦合；

源极跟随晶体管，其具有接收输入信号的栅极、提供输出信号的源极和一有漏极电流漏极；

负反馈电路，其耦合在源极跟随晶体管的源极和漏极之间，其用来检测由负载电流变化引起的源极跟随晶体管漏极电流的变化，并根据检测的漏极电流的变化，提供负电流反馈给源极跟随晶体管的源极以限制漏极电流的变化。

2.权利要求1所述放大器，其中反馈电路的特征为：电流源给源极跟随晶体管的源极提供其变化与源极跟随晶体管漏极电流的变化成反比的电流。

3.权利要求1所述的放大器，其中反馈电路的特征为：

电流源，其与源极跟随晶体管的漏极耦合，用来提供相对恒定的电流源；

N沟道晶体管，其具有与源极跟随晶体管的漏极耦合的源极、用于接收偏置电压的栅极和一漏极；

电流镜，其与N沟道晶体管的漏极和源极跟随晶体管的源极耦合，用来提供与漏极电流变化成反比的电流给源极跟随晶体管的源极。

4.权利要求1所述放大器，其中反馈电路的特征为：

第一电流镜，其与源极跟随晶体管的漏极耦合，用以提供与漏极电流成比例的第一电流；

N沟道晶体管，其栅极与第一电流镜耦合以接收与第一电流成比例的基准电压，该N沟道晶体管提供与基准电压成比例的第二电流；

第二电流镜用来接收第二电流，并相应地为源极跟随晶体管提供反比于第二电流的第三电流。