TWI699966B - 運算放大器 - Google Patents

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Abstract

一種運算放大器，包含電壓端；共同端；第一放大級，用以接收差動訊號對以產生單端放大訊號；第一緩衝器，用以依據單端放大訊號產生第一電壓；第一二極體電路，用以將第一電壓降壓以產生第二電壓；第二放大級，用以放大第二電壓以產生第三電壓；穩定電路，用以穩定第三電壓；第二二極體電路耦接於第二放大級與共同端之間；第二緩衝器用以依據第三電壓產生輸出電壓；及電流鏡耦接於共同端、第一放大級、第一二極體電路及第二緩衝器。

Description

運算放大器
本發明關於運算放大器，尤指一種使用砷化鎵製程的運算放大器。
運算放大器廣泛應用於工業，通訊以及消費者電子領域。砷化鎵(gallium arsenide,GaAs)製程在通訊領域的應用中有高增益、高頻寬等優點。然而砷化鎵製程無法製造P型元件，所以砷化鎵電路中的一些訊號處理，例如電壓位準移位相當困難。因此當電壓、溫度或製程變動時，以砷化鎵製程製造之運算放大器難以維持穩定度。
因此，需要一種使用砷化鎵製程之運算放大器，在電壓、溫度或製程變動時提供足夠的放大器增益及相位緩衝空間(phase margin)，並同時維持穩定度。
實施例提供一種運算放大器，包含電壓端、共同端、第一放大級、第一緩衝器、第一二極體電路、第二放大級、穩定電路、第二二極體電路、第二緩衝器及電流鏡電路。電壓端用以提供供電電壓。共同端用以提供共同電壓。第一放大級耦接於電壓端，包含電晶體對，及用以接收差動訊號對以產生單端放大訊號。第一緩衝器耦接於第一放大級及電壓端，及用以依據單端放大訊號 產生第一電壓。第一二極體電路耦接於第一緩衝器與共同端之間，及用以將第一電壓降壓以產生一第二電壓。第二放大級耦接於第一二極體電路，及用以放大第二電壓以產生第三電壓。穩定電路耦接於第一二極體電路與第二放大級之間，包含彼此串聯的一電阻及一電容，及用以穩定第三電壓。第二二極體電路耦接於第二放大級與共同端之間。第二緩衝器耦接於第二放大級，及用以依據第三電壓產生一輸出電壓。電流鏡電路耦接共同端、第一放大級、第一二極體電路及第二緩衝器。
1、3:運算放大器
10:第一放大級
11、16:緩衝器
12、15:二極體電路
13:穩定電路
14:第二放大級
17:電流鏡電路
18:電壓端
19:共同端
30:第一相位調整電路
31:第二相位調整電路
C1到C4:電容
E1到E6、Q1到Q3:電晶體
INP,INN:差動訊號對
R1到R7:電阻
V1:第一電壓
V2:第二電壓
V3:第三電壓
Vcc:供電電壓
Vcm:共同電壓
Vout:單端放大訊號
OUT:輸出電壓
第1圖係為本發明實施例中一種運算放大器的方塊圖。
第2圖係為第1圖中運算放大器的電路圖。
第3圖係為本發明實施例中另一種運算放大器的電路圖。
第1圖係為本發明實施例中一種運算放大器1的方塊圖。運算放大器1可只使用砷化鎵(gallium arsenide,GaAs)製程，且可使用金屬半導體場效應電晶體(metal semiconductor field effect transistor,MESFET)、高電子移動率晶體電晶體(high electron mobility transistor,HEMT)、接面場效電晶體(junction gate field-effect transistor,JFET)、異質接面雙載子電晶體(heterojunction bipolar transistor,HBT)、雙極性接面型電晶體(bipolar junction transistor,BJT)電容及電阻。另外，運算放大器1可只包含N型電晶體或NPN 型電晶體。運算放大器1可接收差動訊號對INP,INN以產生輸出電壓OUT。
運算放大器1可包含電壓端18、共同端19、第一放大級(amplification stage)10、緩衝器11、二極體電路12、穩壓(voltage stabilizing)電路13、第二放大級14、二極體電路15、緩衝器16及電流鏡電路17。第一放大級10耦接於緩衝器11。緩衝器11經由二極體電路12耦接於穩定電路電路13及第二放大級14。穩定電路13耦接於二極體電路12與第二放大級14。第二放大級14耦接於二極體電路15及緩衝器16。第一放大級10、緩衝器11、第二放大級14、緩衝器16及電流鏡電路17耦接於電壓端18。電流鏡電路17耦接於共同端19、第一放大級10、二極體電路12及緩衝器16。二極體電路15耦接於共同端19。
電壓端18可提供預定範圍例如3.3V到5.5V之間的供電電壓Vcc。共同端19可提供預定準位例如0V的共同電壓Vcm。在一實施例中，共同端19可為接地端(ground)。運算放大器1可使用第一放大級10及第二放大級14放大差動訊號對INP,INN之間的差值以提供足夠增益大小而產生輸出電壓OUT。第一放大級10可為差動放大器，包含電晶體對用以接收差動訊號對INP,INN以產生單端放大訊號Vout。差動訊號對INP,INN包含非反相訊號INP及反相訊號INN。緩衝器11可包含第一射極隨耦器或第一源極隨耦器，用以依據單端放大訊號Vout產生第一電壓V1。二極體電路12可包括至少一二極體或至少一二極體接法的電晶體，例如為肖特基二極體(Schottky diode)，用於位準移位，將第一電壓V1以二極體電路12之臨界電壓(例如0.4V)進行降壓以產生第二電壓V2。降壓後之第二電壓V2可用以驅動第二放大級14，避免第二放大級14運作於飽和區。第二放大級14可為共射極放大器或共源極放大器，用於放大第二電壓 V2以產生第三電壓V3。穩定電路13可具有極點零點***(pole-zero splitting)的功能，以穩定(stabilizing)第二放大級14所產生的第三電壓V3。具體來說，穩定電路13可形成一個較低頻之主要極點及將其他極點推到更高頻位置，藉以增加第二放大級14之穩定度。二極體電路15可包括至少一二極體或至少一二極體接法的電晶體，例如為肖特基二極體，用於位準移位，避免第二放大級14過載(over-driven)。二極體電路15可更作為第二放大級14之退化(degeneration)負載。緩衝器16可包含第二射極隨耦器或第二源極隨耦器，依據第三電壓V3產生輸出電壓OUT。電流鏡電路17可調節流經第一放大級10、二極體電路12及緩衝器16之電流。
第2圖係為運算放大器1的電路圖。電流鏡電路17包含電晶體E1、E2、E3、E4及電阻R1。電阻R1耦接於電晶體E1，用以提供電晶體E1一偏壓(bias)。電晶體E1以二極體形式耦接，並耦接於電晶體E2、E3、E4以分別形成電流鏡及分別調節流經第一放大級10、二極體電路12及緩衝器16之電流。電晶體E1、E2、E3、E4可為N型接面場效電晶體、N型金屬半導體場效電晶體、假晶性高電子移動率電晶體(pseudomorphic high electron mobility transistor,pHEMT)或npn型雙極性接面型電晶體。假晶性高電子移動率電晶體可包括增強型假晶性高電子移動率電晶體(enhancement-mode pseudomorphic high electron mobility transistor,E-pHEMT)與空乏型假晶性高電子移動率電晶體(depletion-mode pseudomorphic high electron mobility transistor,D-pHEMT)。
第一放大級10包含電晶體對及電阻R2、R3，電晶體對包含電晶體Q1、Q2。電晶體Q1包含第一端、第二端及控制端。電晶體Q1之控制端可接收非 反相訊號INP，電晶體Q1之第一端透過電阻R2耦接於電壓端18且可輸出單端放大訊號Vout。電晶體Q2包含第一端、第二端及控制端。電晶體Q2之控制端可接收反相訊號INN。電晶體Q2之第一端透過電阻R3耦接於電壓端18，電晶體Q2之第二端耦接於電晶體Q1之第二端。電晶體Q1之第二端及電晶體Q2之第二端透過電晶體E2耦接於共同端19。電阻R2、R3分用以提供電晶體Q1、Q2增益，也就是對應於第一放大級10的第一級增益。電晶體Q1、Q2可為N型異質接面雙極性電晶體、N型接面場效電晶體、N型金屬半導體場效電晶體或N型假晶性高電子移動率電晶體。電晶體Q1、Q2的第一端、第二端與控制端例如可為集極、射極與基極，也可以為汲極、源極與閘極。在某些實施例中，電晶體Q1、Q2為N型異質接面雙極性電晶體，例如為N型砷化鎵異質接面雙極性電晶體(GaAs HBT)，可操作於較高操作電壓下(例如為約3V以上)，提供強化之增益及加強之匹配。在其他實施例中，電晶體Q1、Q2為N型金屬半導體場效電晶體或假晶性高電子移動率電晶體，例如為砷化鎵假晶性高電子移動率電晶體(GaAs pHEMT)，可操作於較低操作電壓下(例如為約2V)。
緩衝器11可包含電晶體E5，包含第一端、第二端及控制端，設置為射極隨耦器或源極隨耦器。電晶體E5對單端放大訊號Vout進行緩衝(buffer)及驅動(drive)以在其第二端產生第一電壓V1。電晶體E5之控制端用以接收單端放大訊號Vout，電晶體E5之第一端耦接於電壓端18，電晶體E5之第二端可輸出第一電壓V1。二極體電路12包含第一端及第二端。二極體電路12之第一端可為陽極，耦接於電晶體E5之第二端；及二極體電路12之第二端可為陰極，透過電晶體E3耦接於共同端19。電晶體E5可為增強型假晶性高電子移動率電晶體。
第二放大級14包含電晶體Q3及電阻R4。電晶體Q3包含第一端、第二端及控制端。電晶體Q3之控制端可接收第二電壓V2，及電晶體Q3之第一端透過電阻R4耦接於電壓端18且可於對第二電壓V2進行反相放大後輸出第三電壓V3。電阻R4用以提供電晶體Q3增益，也就是對應於第二放大級14的第二級增益。電晶體Q3可為N型異質接面雙極性電晶體、N型接面場效電晶體、N型金屬半導體場效電晶體或N型假晶性高電子移動率電晶體。在一實施例中，電晶體對Q1、Q2及放大電晶體Q3皆為假晶性高電子移動率電晶體或N型接面場效電晶體。穩定電路13耦接於電晶體Q3之第一端及電晶體Q3之控制端之間，包含彼此串聯的電阻R6及電容C3。電阻R6包含第一端及第二端。電阻R6之第一端耦接於電晶體Q3之第一端。電容C3包含第一端及第二端。電容C3之第一端耦接於電阻R6之第二端，及電容C3之第二端耦接於電晶體Q3之控制端。二極體電路15之第一端可為陽極，耦接於電晶體Q3之第二端；二極體電路15之第二端可為陰極，耦接於共同端19。
緩衝器16包含電晶體E6，包含第一端、第二端及控制端，設置為射極隨耦器或源極隨耦器。電晶體E6對第三電壓V3進行緩衝(buffer)及驅動(drive)以在其第二端產生輸出電壓OUT。電晶體E6之控制端用以接收第三電壓V3，電晶體E6之第一端耦接於電壓端18，電晶體E6之第二端透過電晶體E4耦接於共同端19，及用以輸出輸出電壓OUT。電晶體E6可為假晶性高電子移動率電晶體。在某些實施例中，電晶體E6可為空乏型假晶性高電子移動率電晶體，具有負臨界電壓，藉以產生最大可能之輸出電壓OUT。
在本實施例中，為了避免使用P型元件，運算放大器1可使用砷化鎵製程，並利用二極體電路12提供第一放大級10及第二放大級14之間的偏壓匹配 避免第二放大級14操作於飽和區，及利用穩定電路13提供穩定度，同時提供足夠放大器增益。
第3圖係為本發明實施例中另一種運算放大器3的電路圖。運算放大器3和運算放大器1之構造及運作方式相似，但是運算放大器3更包含前饋電容C1、第一相位調整電路30及第二相位調整電路31用以減低訊號之相位延遲。運算放大器3中其他電路元件的構造及運作方式和運算放大器1相同，在此不再贅述。以下針對前饋電容C1、第一相位調整電路30及第二相位調整電路31詳細解釋。
前饋電容C1將單端放大訊號Vout由第一放大級10之輸出端前饋至第二放大級14之輸入端，減低單端放大訊號Vout之相位延遲。前饋電容C1具有第一端及第二端。前饋電容C1的第一端耦接於電晶體Q1之第一端，前饋電容C1的第二端耦接於二極體電路12之第二端。
第一相位調整電路30耦接於第一放大級10及共同端19之間，可產生第一放大級10的零點(zero)並調整單端放大訊號Vout的相位，以減低單端放大訊號Vout之相位延遲。第一相位調整電路30包含彼此串聯的電阻R5及電容C2。電阻R5包含第一端及第二端。電阻R5之第一端耦接於電晶體Q1之第一端及電晶體E5之控制端。電容C2包含第一端及第二端。電容C2之第一端耦接於電阻R5之第二端，電容C2之第二端耦接於共同端19。
第二相位調整電路31耦接於第二放大級14及共同端19之間，可產生第二放大級14的零點並調整第三電壓V3的相位，以減低第三電壓V3之相位延 遲。第二相位調整電路31包含彼此串聯的電阻R7及電容C4。電阻R7包含第一端及第二端。電阻R7之第一端耦接於電晶體Q3之第一端、電阻R6之第一端及電晶體E6之控制端。電容C4包含第一端及第二端。電容C4之第一端耦接於電阻R7之第二端，電容C4之第二端耦接於共同端19。
雖然第3圖顯示同時使用前饋電容C1、第一相位調整電路30及第二相位調整電路31改善訊號之相位延遲，但是本發明不受限於此。在某些實施例中，也可以使用前饋電容C1、第一相位調整電路30及第二相位調整電路31的任一種及/或其結合來改善訊號之相位延遲。
在本實施例中，為了避免使用P型元件，運算放大器3可使用砷化鎵製程。此外為了提供足夠放大器增益，可利用二極體電路12避免第二放大級14操作於飽和區，利用穩定電路13提供穩定度，及利用前饋電容C1、第一相位調整電路30及第二相位調整電路31減低相位延遲及增加相位緩衝空間。以上所述僅為本發明之較佳實施例，凡依本發明申請專利範圍所做之均等變化與修飾，皆應屬本發明之涵蓋範圍。
1:運算放大器
10:第一放大級
11、16:緩衝器
12、15:二極體電路
13:穩定電路
14:第二放大級
17:電流鏡電路
18:電壓端
19:共同端
INP,INN:差動訊號對
V1:第一電壓
V2:第二電壓
V3:第三電壓
Vcc:供電電壓
Vcm:共同電壓
Vout:單端放大訊號
OUT:輸出電壓

Claims (20)

  1. 一種運算放大器，包含：一電壓端，用以提供一供電電壓；一共同端，用以提供一共同電壓；一第一放大級，耦接於該電壓端，包含一電晶體對，及用以接收一差動訊號對以產生一單端放大訊號；一第一緩衝器，耦接於該第一放大級及該電壓端，及用以依據該單端放大訊號產生一第一電壓；一第一二極體電路，耦接於該第一緩衝器與該共同端之間，及用以將該第一電壓降壓以產生一第二電壓；一第二放大級，包含一第二放大電晶體，耦接於該第一二極體電路，及用以放大該第二電壓以產生一第三電壓；一穩定電路，耦接於該第一二極體電路與該第二放大級之間，包含彼此串聯的一電阻及一電容，及用以穩定該第三電壓；一第二二極體電路，耦接於該第二放大級與該共同端之間；一第二緩衝器，耦接於該第二放大級，及用以依據該第三電壓產生一輸出電壓；及一電流鏡電路，耦接於該共同端、該第一放大級、該第一二極體電路及該第二緩衝器。
  2. 如請求項1所述之運算放大器，更包含一前饋電容，具有第一端及第二端，該前饋電容的該第一端耦接於該第一緩衝器，該前饋電容的該第二端耦接於該第一二極體電路之一第二端。
  3. 如請求項1所述之運算放大器，更包含一第一相位調整電路，耦接於該第一放大級及該共同端之間，及用以調整該單端放大訊號的相位。
  4. 如請求項3所述之運算放大器，其中該第一相位調整電路包含：一第一電阻包含：一第一端，耦接於該第一放大級及該第一緩衝器；及一第二端；及一第一電容包含：一第一端，耦接於該第一電阻之該第二端；及一第二端，耦接於該共同端。
  5. 如請求項1所述之運算放大器，更包含一第二相位調整電路，耦接於該第二放大級及該共同端之間，及用以調整該第三電壓的相位。
  6. 如請求項5所述之運算放大器，其中該第二相位調整電路包含：一第二電阻包含：一第一端，耦接於第二放大電晶體、該穩定電路及該第二緩衝器；及一第二端；及一第二電容包含：一第一端，耦接於該第二電阻之該第二端；及一第二端，耦接於該共同端。
  7. 如請求項1所述之運算放大器，其中：該電流鏡電路包含一第一電晶體、一第二電晶體、一第三電晶體及一第四 電晶體；及該第一電晶體以二極體形式耦接，並耦接於該第二電晶體、該第三電晶體及該第四電晶體以分別形成電流鏡及分別調節流經該第一放大級、該第一二極體電路與該第二緩衝器之電流。
  8. 如請求項7所述之運算放大器，其中該第一電晶體、該第二電晶體、該第三電晶體及該第四電晶體為增強型假晶性高電子移動率電晶體(enhancement-mode pseudomorphic high electron mobility transistor,E-pHEMT)或npn型雙極性接面型電晶體(bipolar junction transistor,BJT)。
  9. 如請求項1所述之運算放大器，其中該第一緩衝器包含一第一射極隨耦器或一第一源極隨耦器，及該第二緩衝器包含一第二射極隨耦器或一第二源極隨耦器。
  10. 如請求項9所述之運算放大器，其中該第一緩衝器及該第二緩衝器為增強型假晶性高電子移動率電晶體。
  11. 如請求項1所述之運算放大器，其中該第一緩衝器為增強型假晶性高電子移動率電晶體及第二緩衝器為空乏型假晶性高電子移動率電晶體(depletion-mode pseudomorphic high electron mobility transistor,D-pHEMT)。
  12. 如請求項1所述之運算放大器，其中該電晶體對及該第二放大電 晶體為N型異質接面雙極性電晶體(heterojunction bipolar transistor,HBT)。
  13. 如請求項1所述之運算放大器，其中該電晶體對及該第二放大電晶體為N型金屬-半導體場效電晶體(metal semiconductor field effect transistor,MESFET)。
  14. 如請求項1所述之運算放大器，其中該電晶體對及該第二放大電晶體為假晶性高電子移動率電晶體(pseudomorphic high electron mobility transistor,pHEMT)或N型接面場效電晶體(junction gate field-effect transistor,JFET)。
  15. 如請求項1所述之運算放大器，其中該運算放大器只包含N型電晶體或NPN型電晶體。
  16. 如請求項1所述之運算放大器，其中該第一二極體電路及該第二二極體電路包括至少一肖特基二極體(Schottky diode)。
  17. 如請求項1所述之運算放大器，其中：該差動訊號對包含一非反相訊號及一反相訊號；及該電晶體對包含：一第一差動放大電晶體，包含一第一端、一第二端及一控制端，該第一差動放大電晶體之該控制端用以接收該非反相訊號，及該第一差動放大電晶體之該第一端用以輸出該單端放大訊號；及 一第二差動放大電晶體，包含一第一端、一第二端及一控制端，該第二差動放大電晶體之該控制端用以接收該反相訊號，及該第二差動放大電晶體之該第二端耦接於該第一差動放大電晶體之該第二端。
  18. 如請求項1所述之運算放大器，其中：該第一緩衝器包含一第五電晶體，包含一第一端、一第二端及一控制端，該第五電晶體之該控制端用以接收該單端放大訊號，該第五電晶體之該第一端耦接於該電壓端，及該第五電晶體之該第二端耦接於該第一二極體電路之一第一端；及該第二緩衝器包含一第六電晶體，包含一第一端、一第二端及一控制端，該第六電晶體之該控制端用以接收該第三電壓，該第六電晶體之該第一端耦接於該電壓端，及該第六電晶體之該第二端用以輸出該輸出電壓。
  19. 如請求項1所述之運算放大器，其中：該第一二極體電路包含一第一端及一第二端，該第一二極體電路之該第一端耦接於該第一緩衝器，及該第一二極體電路之該第二端耦接於該共同端；及該第二二極體電路包含一第一端及一第二端，該第二二極體電路之該第一端耦接於該放大電晶體，及該第二二極體電路之該第二端耦接於該共同端。
  20. 如請求項1所述之運算放大器，其中該運算放大器是以砷化鎵製程製作。
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