运算放大器

技术领域

本发明涉及放大器技术领域，特别涉及一种运算放大器。

背景技术

运算放大器是集成电路中常用的单元电路之一，同时也是许多模拟系统或者数模混合信号系统中的一个完整模块，两级运算放大器将增益和摆幅要求分别处理，可以同时实现较高增益和较大输出摆幅。其设计思路是第一级放大电路主要实现高增益，第二级放大电路再实现高摆幅，以补偿第一级放大电路牺牲的摆幅，并进一步提升增益，从而克服了单级运放增益与摆幅之间的矛盾，实现满足高增益和大摆幅的要求。

常规的两级运算放大器虽然可以同时满足高增益和大摆幅的要求，但稳定性欠佳，当其输出端外置的输出电容不存在时，输出端等效电容减小，其中一个极点移动到系统带宽外。现有技术在两级运算放大器内部增加输出补偿电容，以抵消输出电容不存在对系统稳定性的影响，然而输出补偿电容较大，又会占用一定的面积，不仅增加芯片成本，还限制了其应用范围。

因此，期待一种改进的运算放大器，以解决上述问题。

发明内容

鉴于上述问题，本发明的目的在于提供一种运算放大器，在无外置的输出电容时，能够提供位于带宽内的极点，以保证运算放大器的稳定。

根据本发明的一方面，提供一种运算放大器，包括：第一放大电路，具有用于接收第一输入信号的正输入端、接收第二输入信号的负输入端以及用于输出所述第一输入信号和所述第二输入信号的差分信号的输出端；第二放大电路，其输入端与所述第一放大电路的输出端耦接，用于根据所述差分信号放大得到输出信号；输出电容，耦接于所述第二放大电路的输出端和地之间；以及极点稳定电路，与所述第一放大电路和所述第二放大电路并联耦接，其中，所述极点稳定电路用于在所述输出电容与所述第二放大电路的输出端之间的连接路径断开时，提供所述运算放大器的辅助次主极点。

可选地，所述极点稳定电路包括：第三放大电路，具有接收所述第一输入信号的正输入端、接收所述第二输入信号的负输入端，以及与所述第二放大电路的输出端耦接的输出端；以及一电容，第一端与所述第三放大电路的输出端连接，第二端接地。

可选地，所述第三放大电路的输出阻抗与所述电容之积等于所述第二放大电路的输出阻抗与所述输出电容之积。

可选地，可通过调整所述第三放大电路的参数和/或所述电容的容值改变所述辅助次主极点的值。

可选地，所述第三放大电路的增益小于所述第一放大电路的增益，并且大于所述第二放大电路的增益。

可选地，所述第三放大电路的输出阻抗大于所述第二放大电路的输出阻抗。

可选地，所述电容的容值小于所述输出电容的容值。

可选地，所述运算放大器还包括：补偿电路，耦接于所述第一放大电路和所述第二放大电路的中间节点和地之间，用于产生所述运算放大器的主极点。

本发明提供的运算放大器包括极点稳定电路，当输出端连接有外置的输出电容时，极点稳定电路不影响由第一放大电路和第二放大电路构成的通路的稳定性，在未连接输出电容时，又能够提供一个位于系统带宽之内的极点，从而保证运算放大器的稳定性与适用性。

可选地，极点稳定电路包括第三放大电路和电容，当输出端连接有输出电容时，第三放大电路在中高频区域的特性已经被衰减到可以忽略，运算放大器的中高频特性由第一放大电路和第二放大电路组成的通路决定，第三放大电路没有对系统的稳定性造成不良影响。当输出端未连接输出电容时，第三放大电路和电容共同提供一个位于系统带宽内的极点，从而保证运算放大器的稳定性。

可选地，极点稳定电路中电容的容值小于输出电容的容值，能够有效减小内部电容占用的面积，从而降低生产成本、增大运算放大器的适用范围。

附图说明

通过以下参照附图对本发明实施例的描述，本发明的上述以及其他目的、特征和优点将更为清楚，在附图中：

图1示出了根据现有技术的运算放大器的结构示意图；

图2示出了根据本发明实施例的运算放大器的结构示意图。

具体实施方式

以下将参照附图更详细地描述本发明的各种实施例。在各个附图中，相同的元件或者模块采用相同或类似的附图标记来表示。为了清楚起见，附图中的各个部分没有按比例绘制。

应当理解，在以下的描述中，“电路”可包括单个或多个组合的硬件电路、可编程电路、状态机电路和/或能存储由可编程电路执行的指令的元件。当称元件或电路“连接到”另一元件或称元件或电路“连接在”两个节点之间时，它可以直接耦合或连接到另一元件或者可以存在中间元件，元件之间的连接可以是物理上的、逻辑上的，或者其结合。相反，当称元件“直接耦合到”或“直接连接到”另一元件时，意味着两者不存在中间元件。

同时，在本专利说明书及权利要求当中使用了某些词汇来指称特定的组件。本领域普通技术人员应当可理解，硬件制造商可能会用不同的名词来称呼同一个组件。本专利说明书及权利要求并不以名称的差异来作为区分组件的方式，而是以组件在功能上的差异来作为区分的准则。

在本申请中，晶体管可以包括选自双极晶体管或场效应晶体管的一种，晶体管的第一端和第二端分别是电流路径上的高电位端和低电位端，控制端用于接收控制信号以控制晶体管的导通和关断。MOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor Field-EffectTransistor，金属氧化物半导体场效应晶体管)包括第一端、第二端和控制端，在MOSFET的导通状态，电流从第一端流至第二端。P型MOSFET的第一端、第二端和控制端分别为源极、漏极和栅极，N型MOSFET的第一端、第二端和控制端分别为漏极、源极和栅极。

此外，还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或者操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其它变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

图1示出了根据现有技术的运算放大器的结构示意图。现有技术的运算放大器100包括用于接收第一输入信号的正输入端INP、用于接收第二输入信号的负输入端INN、用于输出放大信号的输出端OUT、第一放大电路110、第二放大电路120以及补偿电路130。

第一放大电路110的正输入端用于接收第一输入信号，负输入端用于接收第二输入信号，输出端用于输出第一输入信号和第二输入信号的差分信号。

第二放大电路120的输入端与第一放大电路110的输出端耦接，用于根据差分信号放大得到输出信号，其第二端即为运算放大器100的输出端OUT。

补偿电路130耦接于第一放大电路110的输出端和地之间。其中，补偿电路130可以等效为容性电路，用于提供运算放大器100的主极点P1。

现有技术中，第一放大电路110的增益A1较高，能够有效地将输入信号放大以实现高增益，第二放大电路120的增益A2小于A1，能够进一步提高运算放大器100的增益，并且由于第二放大电路120的输出阻抗ro2较小，可以补偿第一放大电路110牺牲的摆幅，从而同时满足高增益和大摆幅的要求。

然而，运算放大器100的稳定性受到外置的输出电容Cout的影响，在图1中，用开关K1的通断表示输出电容Cout的有无。

当输出电容Cout存在时，输出电容Cout和第二放大电路120的输出阻抗构ro2成运算放大器100的次主极点P2，

通常情况下，输出电容Cout的容值较大，例如为1微法、2微法等，因而次主极点P2位于运算放大器100的带宽内。但是当输出电容Cout不存在即开关K1断开时，系统的次主极点P2会发生改变，此时

其中Cp表示运算放大器100输出端OUT的寄生电容，其值很小，一般为飞法级别，则次主极点P2会变得非常大，位于带宽之外，运算放大器100的带宽内缺少一个极点，导致其稳定性显著下降。

图2示出了根据本发明实施例的运算放大器的结构示意图。本发明实施例的运算放大器200包括用于接收第一输入信号的正输入端INP、用于接收第二输入信号的负输入端INN、用于输出放大信号的输出端OUT、第一放大电路210、第二放大电路220、补偿电路230以及极点稳定电路240。

第一放大电路210的正输入端用于接收第一输入信号，负输入端用于接收第二输入信号，输出端用于输出第一输入信号和第二输入信号的差分信号。

第二放大电路220的输入端与第一放大电路210的输出端耦接，第二端即为运算放大器200的输出端OUT，根据第一放大电路210提供的差分信号产生输出信号。

补偿电路230耦接与第一放大电路210的输出端和地之间。其中，补偿电路230可以等效为容性电路，用于提供运算放大器200的主极点P1。

极点稳定电路240的输入端与第一放大电路210的输入端耦接，输出端与第二放大电路220的输出端耦接，当运算放大器200的输出端OUT没有连接外置的输出电容Cout时，极点稳定电路240能够提供一个位于系统带宽内的辅助次主极点P3，从而保证运算放大器200的稳定性。

在一种可行的实施例中，极点稳定电路包括第三放大电路241以及电容C3。第三放大电路241的正输入端接收第一输入信号，负输入端接收第二输入信号，输出端与第二放大电路220的输出端耦接。电容C3的第一端与第三放大电路241的输出端连接，第二端接地。

第一放大电路210的增益A1较高，能够有效地将输入信号放大以实现高增益，第二放大电路220的增益A2小于A1，能够进一步提高运算放大器200的增益，并且由于第二放大电路220的输出阻抗ro2较小，可以补偿第一放大电路210牺牲的摆幅，从而同时满足高增益和大摆幅的要求。

第三放大电路241的增益A3小于A1且大于A2，输出阻抗ro3大于第二放大电路的输出阻抗ro2，运算放大器200的增益在A3附近时，其频率特性由第三放大电路241决定，输出端OUT的阻抗为第三放大电路241的输出阻抗ro3。当输出端OUT连接有输出电容Cout时，第三放大电路241在中高频区域的特性已经被衰减到可以忽略，运算放大器的中高频特性由第一放大电路210和第二放大电路220组成的通路决定，第三放大电路241未改变系统的稳定性。当输出端OUT未连接输出电容Cout时，第三放大电路241和电容C3共同提供一个位于系统带宽内的极点，保证运算放大器200的稳定性。

具体地，当开关K1闭合，输出电容Cout存在时，由于第三放大电路241的增益A3相对较小，在中高频区域，第三放大电路241的特性已经衰减到可以忽略，运算放大器200的中高频特性仍由第一放大电路210和第二放大电路220决定，输出电容Cout和第二放大电路120的输出阻抗ro2构成运算放大器100的次主极点P2，

当开关K1断开，输出电容Cout不存在时，运算放大器200的次主极点由第三放大电路241和电容C3构成，此时的次主极点为P3。

通过合理地设置第三放大电路241和电容C3的参数，令次主极点P3位于运算放大器200的带宽之内，在输出电容Cout不存在时，能够用极点P3代替极点P2成为次主极点，从而提高系统的稳定性。

在一种可行的实施例中，令极点P2的值与极点P3的值相等，即

综上所述，本发明提供的运算放大器包括极点稳定电路，当输出端连接有外置的输出电容时，极点稳定电路不影响由第一放大电路和第二放大电路构成的通路的稳定性，在未连接输出电容时，又能够提供一个位于系统带宽之内的极点，从而保证运算放大器的稳定性与适用性。

可选地，极点稳定电路包括第三放大电路和电容C3，当输出端连接有输出电容时，第三放大电路在中高频区域的特性已经被衰减到可以忽略，运算放大器的中高频特性由第一放大电路和第二放大电路组成的通路决定，第三放大电路没有对系统的稳定性造成不良影响。当输出端未连接输出电容时，第三放大电路和电容C3共同提供一个位于系统带宽内的极点，从而保证运算放大器的稳定性。

可选地，电容C3的容值小于输出电容Cout的容值，能够有效减小内部电容占用的面积，从而降低生产成本、增大运算放大器200的适用范围。

应当说明，本领域普通技术人员可以理解，本文中使用的与电路运行相关的词语“期间”、“当”和“当……时”不是表示在启动动作开始时立即发生的动作的严格术语，而是在其与启动动作所发起的反应动作(reaction)之间可能存在一些小的但是合理的一个或多个延迟，例如各种传输延迟等。本文中使用词语“大约”或者“基本上”意指要素值(element)具有预期接近所声明的值或位置的参数。然而，如本领域所周知的，总是存在微小的偏差使得该值或位置难以严格为所声明的值。本领域已恰当的确定了，至少百分之十(10％)(对于半导体掺杂浓度，至少百分之二十(20％))的偏差是偏离所描述的准确的理想目标的合理偏差。当结合信号状态使用时，信号的实际电压值或逻辑状态(例如“1”或“0”)取决于使用正逻辑还是负逻辑。

依照本发明的实施例如上文，这些实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为的具体实施例。显然，根据以上描述，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地利用本发明以及在本发明基础上的修改使用。本发明的保护范围应当以本发明权利要求及其等效物所界定的范围为准。