[发明专利]有源RC滤波器

说明书

技术领域

本发明涉及运算放大器，具体来说涉及适合于在有源电阻器-电容器(RC)滤波器中使用的那些运算放大器。

背景技术

通常以运算放大器实施的有源RC滤波器是常用的模拟滤波器，尤其是当在集成电路中实施时。这些滤波器通常展现优良的线性，且准许利用具有大振幅的信号。然而，这些滤波器常常性能有限，因为存在与运算放大器相关联的固有传播延迟。

为了使运算放大器稳定，常常使用被称为频率补偿的技术。频率补偿涉及使用反馈在恰低于与下一最高频率极点相关联的频率的频率处将主要极点引入到系统的传递函数中。此主要极点起作用以便将放大器的增益减少到单位一，以使得当输入频率接近于现有极点的频率时现有极点不会造成大振荡和系统不稳定性。然而，此频率补偿技术对信号在传播通过装置时其经历的延迟具有影响。

反馈环路也趋于需要相当大的电力，并且因此并不良好适合于低电力应用，例如电池供电的便携式装置。这些放大器还经受在放大器的饱和后的长启动时间和长恢复周期。

发明内容

本发明开始提供一种替代方法。

从第一方面，本发明提供一种运算放大器，其包括：

第一放大器级，其包括经布置以接收且放大差分输入信号进而提供第一差分输出信号的晶体管的第一差分对；以及

第二放大器级，其包括经布置以接收且放大所述第一差分输出信号进而提供第二差分输出信号的晶体管的第二差分对。

因此所属领域的技术人员将了解，本发明提供尤其适合于在有源RC滤波器中使用的运算放大器，其包括级联放大器级，所述放大器级可各自具有其自身的增益和带宽特性。此运算放大器可有利地为有源RC滤波器提供低传播延迟，从而允许所需的传递函数和低电力要求。此布置也可有利地去除针对与以常规运算放大器实施有源RC滤波器相关联的共模反馈的要求，从而允许此滤波器从削波(即当输入信号经放大到大于最大输出振幅的振幅时)恢复且比现有滤波器将预期的情况更快地启动。

根据本发明所述的级联差分对在此项技术中不是常规的，因为其导致增益的减少，且将通常预期有引入系统不稳定性的风险，因为放大器级中的每一者引入90°相移，并且因此级联两个差分对造成180°相移且因此带来不合意的反馈的可能。然而，申请人已经认识到，在有源RC滤波器应用的情境中，高增益不是始终必要的。申请人已进一步认识到，可解决潜在不稳定性或者在一些情况下可以是可忍受的。因此尽管前述可能的缺陷，申请人也已了解到，具体来说关于给出低传播延迟和低电力消耗的可能性的与本发明相关联的益处可以比所述缺陷更重要。

根据本发明的布置可有利地允许以最少组件实施运算放大器，因此减少在集成电路上建造其所需的物理面积。本发明还准许使用并不需要大量电力来操作的组件。

在一组实施例中，所述第二放大器级包括经布置以将额外极点引入到所述运算放大器的传递函数中的一个或多个组件。申请人已经了解到，将此频率补偿添加到所述第二差分对降低了与第二差分对相关联的最低频率极点的频率而无需补偿，以便“扩展”极点且确保它们不重叠。在一些组实施例中，所述第二放大器级包含包括至少一个电容器的反应性部分。所述电容器具有频率相依性的阻抗，并且因此合意地在比与所述第一放大器级相关联的最低频率极点低的频率处引入极点。虽然所述电容器将减少所述第二放大器级的带宽，但其提供额外稳定性。所述反应性部分可包括单个电容器，或在一些情况下可能有利的是使用更复杂的反应性网络。这可提供领先-滞后补偿，从而在比新引入的极点低的频率处添加零。这可为所述第二放大器级提供额外带宽，这可保证在集成电路上容纳其所需的额外面积。所述反应性网络可包括例如与电容器串联的电阻器，或电容器和与另一电容器并联的电阻器。

在一些组实施例中，所述第一和第二放大器级中的任一者或两者包括长尾部对晶体管配置。有利的是利用此项技术中本身已知的长尾部对晶体管配置以便提供差分放大器级中的至少一者。长尾部对放大器通常由晶体管的差分对组成，所述晶体管经布置使得其发射极(在双极结晶体管或BJT的情况下)或源极(在场效应晶体管或FET)的情况下连接在一起，且随后经由充当恒定电流源的尾部电阻器连接到接地或负电源轨。晶体管的任一个或两个差分对也可以经由一个或多个电流源连接到接地或连接到负电源轨。然而，在一些组实施例中，所述长尾部对晶体管配置包括尾部晶体管。申请人已了解可能有利的是在一些情况下利用尾部晶体管代替尾部电阻器，因为其提供通过长尾部对控制电流的能力，且因此提供对长尾部对的输出上存在的任何共模电压的某一程度的控制。