[发明专利]一种频率补偿的跨导放大器

说明书

技术领域

本发明属于模拟或数模混合集成电路技术领域，具体涉及一种频率补偿的跨导放大器。

背景技术

近年来，随着集成电路设计技术的不断发展，跨导放大器越来越多的应用在模拟集成电路设计领域，在绝大多数跨导放大器的应用场合，为了使得跨导放大器获得较大的相位裕度，保证跨导放大器的稳定性，都会对跨导放大器进行频率补偿。但是，传统的针对跨导放大器的频率补偿技术，通常是通过极点分裂，在频率域内减小主极点来获得理想的相位裕度，但是减小的主极点会使得-3dB带宽降低，从而大大减低跨导放大器的单位增益带宽。或者，通过被动频率补偿技术，引入一个左半平面零点和第一个非主极点进行抵消，来获得较大的相位裕度，但被动补偿技术同时也会降低第一个非主极点的频率，传输函数的零点和极点都会受到补偿电容的影响，零极点抵消效果并不明显。因此，传统的补偿技术，很难同时满足高性能跨导放大器的各项要求。

为了更详细的描述上述技术问题，先来分析两种针对跨导放大器的频率补偿技术的原理和优缺点。

请参考图1所示的结构1，给出了一种传统的跨导放大器RC补偿技术原理图，补偿网络由补偿电阻Rc和补偿电容Cc串联构成，补偿电阻Rc的一端和补偿电容Cc相连，补偿电阻Rc的另一端和NMOS管M2的漏极相连，同时也和PMOS管M4的漏极相连，且这一节点也是PMOS管M5的栅极，补偿电容Cc的另一端和跨导放大器的输出端相连。本发明的发明人经过研究发现，这种补偿方法是弥勒补偿方法的一种延伸，与弥勒补偿的效果相似，这种补偿方法会在跨导放大器第一级的输出端，即NMOS管M2的漏极和PMOS管M4的漏极处产生一个大电容，通过这种补偿效果，将跨导放大器传输函数的主极点移动到低频处；同时，由于补偿电阻Rc的存在，会在跨导放大器的传输函数中，产生一个较高频率的右半平面零点或者左半平面零点，而这取决于补偿电阻Rc的大小。结构1所示补偿方法的优点是，补偿结构简单，只要合理设计补偿电阻Rc和补偿电容Cc的值，就能够使得跨导放大器获得理想的相位裕度，从而增强跨导放大器的稳定性；但是，这种补偿方法的缺点是，由于跨导放大器的主极点被移动到较低的频率，使得跨导放大器的-3dB带宽降低，从而大大降低跨导放大器的单位增益带宽。

请参考图2所示的结构2，给出了一种跨导放大器被动频率补偿技术原理图，补偿网络同样由补偿电阻Rc和补偿电容Cc串联构成，补偿电阻Rc的一端和补偿电容Cc相连，和传统弥勒补偿方法的不同之处在于，补偿电阻Rc的另一端和NMOS管M1的漏极相连，且这一节点同时也是二极管连接的PMOS管M3的漏极和栅极，补偿电容Cc的另一端和NMOS管M2的漏极相连，同时也和PMOS管M4的漏极相连，且这一节点也是PMOS管M5的栅极。在结构2所示的补偿方法下，跨导放大器的传输函数可近似表示为：

其中，需要特别指出的是，R₁表示跨导放大器第一级的输出阻抗，R_L表示跨导放大器第二级的输出阻抗，系数α可表示为：

由式(1)可知，跨导放大器传输函数中存在一个左半平面零点，具体可表示为：

同时，跨导放大器传输函数存在两个左半平面极点，具体可表示为：

由式(3)和式(5)可知，如果取值恰当，左半平面零点z和第一非主极点p₂可以相互抵消，从而提高跨导放大器的相位裕度，使得跨导放大器保持稳定。另一方面，由式(2)和式(4)可知，由于系数α的存在，跨导放大器传输函数的主极点p₁也会移向低频，这同样会导致跨导放大器单位增益带宽的降低；同时，实际上跨导放大器的左半平面零点和第一非主极点不会完全抵消，它们在频率域上会保持一定的距离。图2所示的跨导放大器被动频率补偿技术的频率特性随补偿电容Cc变化情况如图3所示，从图3中幅频特性可以看出，随着补偿电容Cc的增加，幅频特性中-3dB带宽有所减小，这说明跨导放大器传输函数的主极点会有所减小；从图3中相频特性可以看出，随着补偿电容Cc的增加，相频特性中曲线下凹和上翘的幅度变化不大，这说明左半平面零点和第一非主极点同时移向低频。所以，结构2所示补偿技术的补偿效果也是有限的。

发明内容

针对现有技术的补偿方法会大大降低跨导放大器的单位增益带宽，或者补偿效果有限的技术问题，本发明提供一种新型频率补偿的跨导放大器。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：