[发明专利]高带宽低功耗频率补偿三级运算放大器

说明书

技术领域

本发明模拟集成电路设计技术领域，具体涉及一种高带宽低功耗频率补偿三级运算放大器，可用于高速模数转化电路中。

背景技术

随着半导体工艺技术的不断更新，CMOS工艺下电源电压越来越低，作为模拟集成电路设计基本模块，运算放大器的设计得到了越来越大的挑战。一般结构为了在较低功耗的情况下获得高带宽需要采用较短的沟道长度来实现较快的速度，但是会导致较低的直流增益，而且较短的沟道长度会产生较大的工艺偏差，传统提高增益的方法如叠加晶体管或者增益自举电路随着电源电压的降低已经不适合应用于今后技术的发展。

同时随着无线通讯协议的发展，对于模数转换器的带宽要求越来越大，以过采样型模数转化器为例，适用于LTE无线通讯协议中对模数转换器带宽的要求最大可以到20兆赫兹，这样对里面的运算放大器的要求就会很高甚至达到上千兆赫兹(GHz)。所以需要找到一种用较低功耗实现高增益和高带宽运算放大器的结构。

多级放大器可以比较容易的达到较高的增益，但是单纯增加放大器的级数会存在稳定性的问题，因为多级放大器存在较多的零极点，需要有较好的补偿结构才能保证多级运算放大器的稳定性问题。传统多级放大器的设计是为了驱动很大的容性负载或者阻性负载，带宽一般在几十兆赫兹到几百兆赫兹，设计时一般忽略内部寄生电容的影响。而应用于通信领域中的运放负载一般较轻，要求很大的带宽，这样在设计的时候需要考虑内部寄生电容的影响。

通常采用的多级放大器频率补偿技术有米勒(Miller)补偿技术、跨导及调零电阻米勒补偿(NGRNMC)技术和跨导电容补偿(TCFC)技术等等。以三级运算放大器为例，米勒补偿技术是采用两个反馈电容，分别跨接在输出级和第一、二级的输出端。前馈跨导米勒补偿技术是在米勒补偿的基础上分别从输入端和第二级输入端跨接前馈跨导到输出端；跨导电容补偿技术是在米勒补偿第二级输出和第二个补偿电容中间添加了一个跨导。

图1是背景技术中三级米勒补偿技术的结构框图，三级放大器包括第一级放大器A1、第二级放大器A2、第三级放大器A3。这三级放大器的跨导分别为g_m1、g_m2和g_m3，输出电阻分别为R₁、R₂和R₃，集总输出电容为C₁、C₂和C_L。米勒补偿电容C_m1跨接在A1的输出端和A3的输出端。米勒补偿电容C_m2跨接在A2的输出端和A3的输出端。假设米勒补偿电容C_m1、C_m2和负载电容C_L＞＞内部集总输出电容C₁和C₂，可以得到这种结构的开环频响公式：