CN111669136A - 具备稳定电路的多级放大器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多级放大器，包含：第一放大级、第二放大级以及稳定电路。所述第一放大级具有差动对，用于接收输入信号，并且据此产生第一输出信号。所述第二放大级耦接所述第一放大级的输出端，用于接收所述第一输出信号，并据此产生第二输出信号。所述稳定电路包含有至少一晶体管，所述稳定电路中的晶体管分别耦接所述第二放大级的输出端以及所述差动对的共用端，其中所述稳定电路中的所述晶体管的导通类型不同于所述差动对中的晶体管的导通类型。

Description

具备稳定电路的多级放大器

技术领域

本发明涉及多级放大电路，特别关于一种用于二级或多级放大器中，解决轻负载引发的稳定性问题的稳定电路，以及相关的多级放大器。

背景技术

在低压差稳压器(Low dropout regulator)或缓冲器等模拟电路中，常使用二级放大电路的架构。然而，在二级放大电路的架构中，往往存在一种稳定性的问题。这种问题主要是负载轻重变化所导致。在轻负载的情形中，二级放大电路中的第二放大级的输出端形成的非主极点(第二极点)，会往第一放大级的输出端形成的主极点(第一极点)靠近，若是第一极点与第二极点过于靠近或重迭，则可能会引发***的振荡。

针对这个问题，一个可行的解决方式就是在第二放大级的输出端增加负载电流或电阻，使得第二极点可以远离增益带宽积(gain–bandwidth product，GBW)，以提高相位裕度(phase margin)。然而，这样的方法却不利于低功率设计，因为负载电流或电阻通常会加额外的功耗。因此，需要提出一种创新的设计来解决二级放大电路的稳定性问题。

发明内容

为了解决上述的问题，本发明提出一种稳定电路，用以增加输出二级/多级放大器的输出端的负载，从而提高相位裕度，解决二级/多级放大器在轻负载状态下的不稳定问题。并且，本发明的稳定电路使用的功耗远低于现有稳定技巧(使用负载电流或电阻)中所需的功耗。其中，本发明的稳定电路是通过多级放大器的第一放大级中的差动对的共用端进行偏置，因此不需要额外设置偏置电路，造成额外的功耗。再者，本发明的二级/多级放大器具有单位增益反馈(unity gain feedback)，使得稳定电路继承了第一放大级中的差动对的驱动能力，从而在较低的功耗下，就可以提升一定的相位裕度。

本发明的一实施例提供一种多级放大器。所述多级放大器包含：第一放大级、第二放大级以及稳定电路。所述第一放大级具有一差动对，用于接收输入信号，并且据此产生第一输出信号。所述第二放大级耦接于所述第一放大级的输出端，用于接收所述第一输出信号，并据此产生第二输出信号。所述稳定电路包含有至少一个晶体管，所述稳定电路中的晶体管分别耦接所述第二放大级的输出端以及所述差动对的共用端，其中所述稳定电路中的所述晶体管的导通类型不同于所述差动对中的晶体管的导通类型。

附图说明

图1为本发明的多级放大器的第一实施例的电路图。

图2为本发明的多级放大器的第二实施例的电路图。

图3为本发明的多级放大器的第三实施例的电路图。

图4为本发明的多级放大器的第四实施例的电路图。

其中，附图标记说明如下：

100、300、400 多级放大器

200 负载

110、310 第一放大级

112 差动对

120、320、420 第二放大级

130、330、430、115 稳定电路

140、340、440 补偿电路

101、301、401 偏置电流

103、104、105、106、122、132、 晶体管

303、304、322、332、403、404、

405、406、422、432

CC、CL 电容

RL 电阻

具体实施方式

在以下内文中，描述了许多具体细节以提供阅读者对本发明实施例的透彻理解。然而，本领域的技术人士将能理解，如何在缺少一个或多个具体细节的情况下，或者利用其他方法或元件或材料等来实现本发明。在其他情况下，众所皆知的结构、材料或操作不会被示出或详细描述，从而避免模糊本发明的核心概念。

说明书中提到的「一实施例」意味着所述实施例所描述的特定特征、结构或特性可能被包含于本发明的至少一个实施例中。因此，本说明书中各处出现的「在一实施例中」不一定意味着同一个实施例。此外，前述的特定特征、结构或特性可以以任何合适的形式在一个或多个实施例中结合。

图1为本发明多级放大器的一实施例的电路图。如图所示，多级放大器100包含有第一放大级110、第二放大级120、以及稳定电路130。请注意，在本发明的其他实施例中，多级放大器可能包含更多的放大级，例如在第一放大级110的前可能还有一个或多个放大级。因此，图示中绘示的二个放大级并非是本发明多级放大器的唯一实施形式。

第一放大级110主要包含由N型金氧半场效晶体管103与104所组成的差动对。晶体管103与104所组成的差动对112用于接收输入信号VREF与第二放大级120的输出端上的第二输出信号VOUT，据此产生第一输出信号VO1。其中，第一放大级110的同相输入端(亦即，晶体管103的栅极)，用于接收输入信号VREF，而第一放大级110的反相输入端(亦即，晶体管104的栅极)耦接第二放大级120的所述输出端，以接收第二输出信号VOUT。

再者，第一放大级110还包含P型金氧半场效晶体管105与106，以及电流源101。第二放大级120用于提供电流至负载200，主要基于第一放大级110输出的第一输出信号VO1，产生多级放大器100的第二输出信号VOUT。在一个较佳实施例中，第二放大级120主要由作为功率元件(power element)的P型金氧半场效晶体管122所组成。此外，在一个特定实施例中，第二放大级120的晶体管122还与补偿电路140相连，用于进行米勒补偿(Millercompensation)，补偿电路140中至少包含有一电容CC，从而提升***的稳定性。

稳定电路130用于在第二放大级120的输出端增加额外的负载，从而使***中的第二极点可以远离第一极点，提升相位裕度。在一个较佳实施例中，稳定电路130主要由一P型金氧半场效晶体管132所组成。晶体管132的栅极耦接差动对103与104的一个共用端(common terminal)102，所述共用端可以是共源极端(common source)。而晶体管132的漏极则耦接至地。由于差动对103与104的共源极端102上的电压相对稳定，因此可以很好地对稳定电路130中的P型金氧半场效晶体管132进行偏置。而且利用差动对103与104的共源极端102对P型金氧半场效晶体管132进行偏置，将可省去额外的偏置电路，避免增加***额外的功耗。

再者，由于多级放大器100形成了单位增益反馈(unit gain feedback)的配置，因此P型金氧半场效晶体管132的栅源端电压VGS与差动对中的晶体管103与104的栅源端电压VGS实质上相同，再加上在同一制程工艺中，P型金氧半场效晶体管132与N型金氧半场效晶体管103、104可以拥有基本上一致的阈值电压VTH，从而使得P型金氧半场效晶体管132与N型金氧半场效晶体管103、104的过驱动电压(overdrive voltage(VGS-VTH))基本一致。由于第二极点的位置相关于P型金氧半场效晶体管132的跨导(transconductance(gm))，而一般来说，跨导gm大致上等於(2*Io)/((VGS-VTH))，其中Io为晶体管132上的电流。再者，当P型金氧半场效晶体管132的跨导越大时，第二极点可以越远离第一极点。P型金氧半场效晶体管132与N型金氧半场效晶体管103、104的驱动电压基本一致，所以拥有较高的跨导(因为一般输入差分对管驱动电压设计较小，所以会有较低的过驱动电压(VGS-VTH)，所以稳定电路130仅需较低的功耗，就可以提高一定的相位裕度。因此，本发明的稳定电路相当适合于低功耗设计。

请注意，尽管在上述说明中，第二放大级120与稳定电路130分别由单一晶体管所组成，但在本发明其他实施例中，第二放大级120与稳定电路130可能会包含有一个或多个的主动与被动元器件，用以辅助或提升其效能。

图2绘制了本发明多级放大器的另一实施例的电路图。其中，所述实施例的第一放大级110为运算放大器(Operational Amplifier)，并且主要包含由N型金氧半场效晶体管103与104所组成的差动对。在此实施例中，稳定电路130的配置与连接方式与图1所示的实施例相同，因此可以达到相同的稳定效果。

此外，本发明也可采用不同的导通类型的晶体管来实现。例如图3与图4所示的多级放大器300与400，就分别采用了N型金氧半场效晶体管332与432来作为稳定电路330与430中的主要元件，以及在第一放大级采用了由P型金氧半场效晶体管303、304与403、404组成的差动对。而在连接与配置方式上，同样也是让多级放大器300与400具有单位增益反馈，从而提高稳定电路330与430的跨导，而且N型金氧半场效晶体管332与432也是通过差动对的共源极端进行偏置，从而在较低的能耗基础上，实现优良的稳定效果。

值得一提的是，在现有技术中，常会通过在第二放大级的输出端增加负载电流或电阻，让第二极点远离GBW。然而，这种技术手段存在明显缺陷。因为负载电流或电阻的跨导基本低于本发明的稳定电路130、330、430的跨导，因此在能源利用率上相对不理想，所以需要较高的功耗才能达到与本发明一致的稳定效果，并不利于低功耗设计。

总结来说，本发明的稳定电路使用了第一放大级中的差动对的共用端进行偏置，因此不需要额外的偏置电路，从而避免额外的耗能。再者，由于多级放大器100、300、400具有单位增益，因此稳定电路130、330、430中的晶体管132、332、432的栅源端电压VGS实质上是复制于差动对103与104、303与304、403与404的栅源端电压VGS，使得稳定电路本身不再受到负载轻重的影响，而且可以拥有较好的驱动能力，从而可在较低的能耗下提升一定的相位裕度。因此，通过本发明所提出的稳定电路，可以很好地实现具有高稳定性与低功耗的二级/多级放大器。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (11)

1.一种多级放大器，包含：

第一放大级，具有一差动对，用于接收输入信号，并且据此产生第一输出信号；

第二放大级，耦接于所述第一放大级的输出端，用于接收所述第一输出信号，并据此产生第二输出信号；以及

稳定电路，包含有至少一晶体管，所述稳定电路中的晶体管耦接所述第二放大级的输出端与所述差动对的共用端，其中所述稳定电路中的所述晶体管的导通类型不同于所述差动对中的晶体管的导通类型。

2.如权利要求1所述的多级放大器，其特征在于，所述稳定电路中的所述晶体管的栅极耦接所述差动对的共源极端。

3.如权利要求1所述的多级放大器，其特征在于，所述稳定电路中的所述晶体管的漏极耦接至接地端或电源端。

4.如权利要求1所述的多级放大器，其特征在于，所述稳定电路中的所述晶体管的源极耦接所述第二放大级的所述输出端。

5.如权利要求1所述的多级放大器，其特征在于，所述稳定电路中的所述晶体管为P型金氧半场效晶体管，而所述差动对中的晶体管为N型金氧半场效晶体管。

6.如权利要求1所述的多级放大器，其特征在于，所述稳定电路中的所述晶体管为N型金氧半场效晶体管，而所述差动对中的晶体管为P型金氧半场效晶体管。

7.如权利要求1所述的多级放大器，其特征在于，所述第二放大级包含有至少一个晶体管，所述晶体管的导通类型相同于所述稳定电路中的所述晶体管。

8.如权利要求7所述的多级放大器，其特征在于，所述多级放大器中还包含有补偿电路，所述补偿电路连接在所述第二放大级的晶体管的栅极与漏极之间。

9.如权利要求1所述的多级放大器，其特征在于，所述多级放大器具有单位增益反馈。

10.如权利要求1所述的多级放大器，其特征在于，所述第一放大级的反相输入端耦接所述第二放大级的所述输出端。

11.如权利要求1所述的多级放大器，其特征在于，所述稳定电路中的所述晶体管的栅源端电压与所述第一放大级中的差动对的晶体管的栅源端电压相同。

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