TW200836478A - Amplifier circuit with internal zero - Google Patents

Description

200836478 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明係有關一種放大電路，特別是關於一種具有内 零點的放大電路。 5 ’ 【先前技術】 閉迴路負迴授系統一般係應用在線性積體電路中，例 ⑩如，切換式调郎态使用迴授迴路來監視輸出電壓，藉以調 節及穩疋该輸出電壓。圖1係傳統的切換式調節器^⑽， 1〇其包括控制電路102及濾波器1〇4。在控制電路1〇2中， 輸出控制邏輯108根據輸入電壓VlN及比較器114的輸出 驅動切換電晶體106，以產生一調節的輸出電壓Vsw給濾 波益104，藉以產生輸出電壓ν〇υτ，輸出電壓ν〇υτ經電 阻R1及R2分壓產生電壓VR，誤差放大器112根據電壓 I5 VR及參考電壓VRef產生一誤差信號給比較器114。根據奈 • 氏準則（Nyquist criterion)，閉迴路系統在單增益(unity gain) 時，即增盈為OdB時，若整個迴路的相位偏移低於18〇度， 表示该閉迴路系統是穩定的。一般來說，一個極點（p〇le) . 提供度的相位偏移，一個零點（zero)提供+90度的相位 2〇偏移。圖2係圖1中切換式調節器ι00沒有任何補償下的 迴路增益對頻率之關係圖。本領域的技術人員都清楚知道 切換式調節器1〇〇中的誤差放大器112具有一個極點及一 個零點，而濾波器104具有兩個極點，因此，在沒有進行 補償的情況下，如圖2所示，濾波器104的雙極點使得迴 5 200836478 路增益在單增益時的相位偏移等於或大於180度，造成切 換式調節器100不穩定。 圖3係圖1中切換式調節器1〇〇進行補償後的迴路增 • 益對頻率之關係圖。為了補償濾波器104的雙極點以使切 5換式調節器100穩定，傳統的方法係增加能提供一零點的 補償電路至迴授迴路中，例如增加一電容110與電阻R1 並’電谷110將提供一零點，因此，在增加電容11 〇後， ^ 迴路增益在單增益時的相位偏移將小於180度，如圖3所 示。再者，從圖1可知，電容110所提供的零點 10 公式1 zero=l/(CxRl) 其中’ C為電容11〇的電容值。而濾波器104所提供的極 點 15 p〇le=[l/(CxRl)]x(VOUT/VR) 公式 2 因此’極點pole與零點zero之間的比率被限制在 (V0UT/VR) 〇 2〇 在美國專利第6,737,841號中，Wrathall提出一種零點 產生電路，其利用一增益放大器來改善極點與零點之間的 比率。 · 此外，也有人提出一種具有内零點的放大電路來補償 濾波器104的雙極點。圖4係習知具有内零點的放大電路 6 200836478 200，其包括一由壓控電流源210及212所組成的差動輸 入對根據輸入電壓VN及VP產生電流II及12,電流鏡202 鏡射電流II產生電流Ι3=ΝχΙ1，電流鏡204鏡射電流12 產生電流Ι4=ΡχΙ2，電流鏡206鏡射電流13產生電流 5 Ι5=ΜχΙ3=ΝχΜχΙ1，其中 ΝχΜ=Ρ。當輸入電壓 VN=VP 時， 電流11=12’因此電流14=15，故沒有電流流經由電阻Rcomp 及電容Ccomp組成的負載電路。當輸入電壓VN关VP時， 電流14及15之間具有一差值，因而產生電壓Vout。電阻

Rcomp及電容Ccomp提供一個極點 polel^l/pxjcxroxCcomp) 以及一個零點 zero 1 = 1/(2 x：n：xRcompxCcomp) 公式3 公式4 其中’ ro為放大電路2〇〇的輸出阻抗。此外，一零點產生 電路208連接在壓控電流源21〇及212與偏壓電流源214 之間，以提供一零點。零點產生電路208包括零點電阻 2〇 Rzerol連接在壓控電流源21〇及偏壓電流源214之間，零 點電阻RZer〇2連接在壓控電流源212及偏壓電流源214 之間’零點電容Czero連接在壓控電流源210及212之間， 假如電阻Rzer〇l等於電阻Rzer〇2，零點電容Czer〇與零 點電阻Rzerol及Rzer〇2將提供第二個零點 200836478 zero2=l/(2><7ixRzerolx2xCzero) 公式 5 圖5係圖4中放大電路200的頻率響應，其中波形216係 5增益的變化，波形218係相位.的變化，參數設定為電阻

Rcomp=100K Ω ’ 電阻 Rzerol=Rzero2=230K Ω，電容

Ccomp=lnF，電容Czero=20pF。在頻率為10Hz左右的位 置，極點polel使增益下降，如波形216所示，在頻率為 1KHz左右的位置，零點zerol抵消極點polel使增益維持 1〇穩定，接著，在頻率為ΙΟΚΗζ左右的位置，零點zero2使 增盈上升。雖然，使用放大電路200的切換式調節器不需 要額外的元件來補償濾波器的雙極點，但是放大電路2〇〇 在南頻時將有很高的增益，這將導致高頻雜訊不受控制。 因此，一種具有内零點且可以讓高頻雜訊受到控制的 15放大電路，乃為所冀。 【發明内容】 本發明的目的之一，在於提出一種具有内零點的放大 電路，其可以提供兩個零點及兩個極點。 20 ^本發明的目的之一，在於提出一種具有内零點的放大 電路，在高頻時，該放大電路的高頻雜訊可以受到控制。 根據本發明，一種具有内零點的放大電路提供二個極 點及一個零點，在高頻時，該二個極點的其中之一可以防 止增ϋ過鬲的情況發生，以使高頻雜訊受到控制。 200836478 【實施方式】 圖6係本發明的第一實施例，放大電路3〇〇包括由壓 控電流源310及312組成的差動輸入對根據電壓vn及VP 5產生電流II及12，電流鏡302鏡射電流II產生電流 ’ Ι3=ΝχΙ1，電流鏡304鏡射電流12產生電流14畔xI2，電 流鏡306鏡射電流13產生電流ΐ5=ΜχΙ3=ΝχΜχΙ1，其中 φ NxM=P，由電阻RcomP及電容Ccomp組成的負載電路根 據電流14及15的差值產生輸出電壓v〇ut，電阻尺⑶㈤卩及 ίο電容Ccomp將提供如公式3及公式4所示的極點p〇iei及 零點zerol，零點及極點產生電路3〇8連接在差動輸入對 及偏壓電流源314之間，用以提供零點zer〇2及極點 P〇le2。零點及極點產生電路3〇8包括零點電容⑺及極 點電阻Rpole串聯在壓控電流源31〇及312之間，零點電 u阻Rzerol連接在壓控電流源31〇及偏壓電流源314^之間％ •零點電阻Rzer〇2連接在壓控電流源312及偏壓電流源314 之間，假設電阻Rzerol等於電阻Rzer〇2，電容（狀⑺與 電阻及Rzero2將提供如公式5所示的零點_2、， 而龟谷Czero及電阻Rp〇ie將提供極點 20 P〇le2=l/(2>^xRp〇lexCzero) 、丄… ， 公式6 圖7係圖6中放大電路300的頻率響應，其中波形 316為增显’波形318為相位，參數的設定為電阻 9 200836478 Κχοιηρ=33ΚΩ ’ 電阻 Rzerol=Rzer〇2=230Kn，電 p且 Rpole=23KQ ’ 電容 Ccomp=5nF，電容 Czero=20pF。在頻 率為1Hz左右的位置，極點p〇iei使增益下降，如波形3l6 所示，在頻率為ΙΚΗζ左右的位置，零點zer〇1抵消極點 5 polel使增益維持穩定，接著，在頻率為1〇KHz左右的位 置’零點zero2使得增益再次上升，在頻率為2〇〇KHz左 右的位置，極點pole2抵消零點zer〇2使增益穩定。如圖7 ⑩ 的模擬圖所示，在高頻時，極點pole2將使增益不再上升， 故在高頻時沒有因增益過高導致高頻雜訊無法控制的情 10况。故南頻雜成在可以控制的範圍内，此外，放大電路3 〇〇 的極點pole2與零點zer〇2之間的比率只跟（Rzer〇/Rp〇le) 有關，而使用放大電路300的切換式調節器之設計非常容 易。 圖8係本發明的第二實施例，放大電路4〇〇包括由壓 I5控電流源410及412組成的差動輸入對根據電壓¥]^及¥1) • 產生電流11及12，電流鏡402鏡射電流π產生電流13， 電流鏡404鏡射電流π產生電流14，電流鏡4〇6鏡射電 凌13產生電流15，電阻RC0mp及電容Cc〇mp組成的負載 - 电路根據電流14及15的差值產生輸出電壓Vout，電阻 Rcomp及電容ccomp將提供如公式3及公式、所示的極 “、、占polel及令點zer〇1，零點及極點產生電路4⑽連接在差 動輸入對及偏壓電流源414之間。在零點及極點產生電路 4^8中’零點電阻RzerGl連接在藶控電流源410及偏麼電 …源414之間，零點電阻Rzero2連接在壓控電流源412 200836478 及偏壓電流源414之間，零點電容Czerol及極點電阻 Rpolel串聯在壓控電流源41〇及接地GND之間，零點電 容Czero2及極點電阻Rp〇le2串聯在壓控電流源412及接 地GND之間，假設電阻Rzer〇1=Rzer〇2，電阻 5 Rpolel-Rp〇ie2=Rp〇ie，電容 czer〇i=Czero2=Czero，零點 及極點產生電路408將提供一零點

zero2=1 /(2 χ π x Rzero 1 χ Czero) 公式7 ίο 15

20 以及一極點p〇le2’如公式6所示。在高頻時，電容Czer〇1 及包阻Rpolel以及電容Czer〇2及電阻Rp〇le2將形成電流 路仏乂使電抓II及12不被電阻Rzer〇i及Rzer〇2限制住， :極點P〇le2可以防止放大電路4⑽在高頻時的增益過 冋，進而讓高頻時的雜訊受到控制。 圖9係本發明的第三實施例，放大電路5〇〇包括兩 及在第級中，運算放大器502的反相輸入連接電壓 VFB ’非反相輸入連接電壓Vref，電阻Rc〇mp及電容以〇呵 組成一 ^授電路連接在運算放大器5G2的反相輸入及輸出 之間，電F且RC0mp及電容Cc〇mp提供如公式3及公式* ::的極點p〇lel及零點z㈣卜在第二級中，壓控電流源 據電壓V1產生電流11，零點及極點產生電路508 ㈣^控電流源506 ’零點及極點產生電路爾包括極點 電阻Rpole及爱點杂办广 々”、、占屯谷Czero串聯在壓控電流源5〇6及接 地GND之p弓，& 曰 及令點電阻Rzerol與電阻Rp〇ie及電容 11 200836478

Czero並聯，電流鏡504鏡射電流η產生電流12給零點電 阻Rzero2以產生電壓Vout，假設電阻Rzerol等於電随 Rzero2，可推得放大電路5〇0的第二級提供如公式6及八 式7所示的極點p〇le2及零點Zero2。同樣的，極點 5可以讓高頻時的雜訊受到控制。 . 圖10係圖9中放大電路500第二級的另一實施例， 其中，壓控電流源602根據電壓VI產生電流u，零點及 籲極點產生電路608連接壓控電流源6〇2，零點及極點產生 電路608包括極點電阻Rpole及零點電容Czer〇串聯在壓 1〇控電流源602及接地GND之間，電流鏡6〇〇鏡射電流n 產生電流12，壓控電流源606根據電壓產生電流13， 零點電阻RZer〇2連接在壓控電流源6〇6及接地GND之 間，電流鏡604鏡射電流13產生電流14，零點電阻Rzer〇1 根據電流12及14產生電壓y〇ut。零點及極點產生電路6〇8 I5將提供一如公式6所示的極點p〇le2以及一雯點 Ζ6Γ〇2=1/(2χπχΚζ6Γ〇1χΜχαΖ6Γ〇) 公式 8 —從公式8可知’此實施例的零點電容c的大小只需要 /前述實施例的i/Μ。同樣的，在高頻時，極點可以 讓雜訊受到控制。 【圖式簡單說明】 圖1係傳統的切換式調節器； 12 200836478 圖2係圖1中切換式調節器100沒有任何補償下的迴 路增益對頻率之關係圖； 圖3係圖1中切換式調節器100進行補償後的迴路增 益對頻率之關係圖； 5 圖4係習知具有内零點的放大電路； 圖5係圖4中放大電路200的頻率響應； 圖6係本發明的第一實施例； 圖7係圖6中放大電路300,的頻率響應； 圖8係本發明的第二實施例； ίο 圖9係本發明的第三實施例；以及 圖10係圖9中放大電路500第二級的另一實施例。 【主要元件符號說明】 100 切換式調節器 15 102 控制電路 • 104 濾波器 106 切換電晶體 108 輸出控制邏輯 110 電容 20 112 誤差放大器 114 比較器 200 放大電路 202 電流鏡 204 電流鏡 13 200836478 206 電流鏡 208 零點產生電路 210 壓控電流源 212 壓控電流源 5 214 偏壓電流源 216 增益的波形 218 相位的波形 A 300 放大電路 w 302 電流鏡 10 304 電流鏡 306 電流鏡 308 零點及極點產生電路 310 壓控電流源 312 壓控電流源 15 314 偏壓電流源 316 增益的波形 318 相位的波形 400 放大電路 402 電流鏡 20 404 電流鏡 406 電流鏡 408 零點及極點產生電路 410 壓控電流源 412 壓控電流源 14 200836478 414 偏壓電流源 500 放大電路 502 運算放大器 504 電流鏡 5 506 壓控電流源 - 508 零點及極點產生電路 600 電流鏡 602 壓控電流源 • 604 電流鏡 10 606 壓控電流源 608 零點及極點產生電路 15

Claims (1)

1. 200836478 十、申請專利範圍： 1. 一種具有内零點的放大電路，包括： 一電流源； 一差動輸入對，根據一第一輸入電壓及一第二輸入電壓 5 產生一第二電流及一第三電流； 一負載電路，藉由該第二及第三電流的差值產生一輸出 電壓，該負載電路提供一第一零點及一第一極點； 以及 一零點及極點產生電路，連接該電流源及差動輸入對之 10 間，用以提供一第二零點及一第二極點。 2. 如請求項1之放大電路，其中負載電路包括一電阻與一 電容串聯，該電阻與電容提供該第一零點及第一極點。 3. 如請求項1之放大電路，其中該零點及極點產生電路包 括： 15 —第一零點電阻，連接在該電流源及第二電流之間； 一第二零點電阻，連接在該電流源及第三電流之間； 一零點電容，與該第一及第二零點電阻提供該第二零 點；以及 一極點電阻，與該電容串聯在該第二及第三電流之間， 20 該極點電阻與該零點電容提供該第二極點。 4 ·如請求項1之放大電路’其中該零點及極點產生電路包 括： 一第一零點電阻，連接在該電流源及第二電流之間； 一第二零點電阻，連接在該電流源及第三電流之間； 16 200836478 一第一零點電容，與該第一零點電阻並聯； 一第一極點電阻，與該第一零點電容串聯； 一第二零點電容，與該第二零點電阻並聯，該第一及第 二零點電容與該第一及第二零點電阻提供該第二 5 零點；以及 ’ 一第二極點電阻，與該第二零點電容串聯，該第一及第 二極點電阻與該第一及第二零點電容提供該第二 極點。 ® 5. —種具有内零點的放大電路，包括： 10 —第一^級5根據兩輸入電壓的差值產生一^第一輸出電 壓，該第一級提供一第一零點及一第一極點；以及 一第二級，放大該第一輸出電壓產生一第二輸出電壓， ' 該第二級提供一第二零點及一第二極點。 6. 如請求項5之放大電路，其中該第一級包括： 15 一運算放大器，根據該差值產生該第一輸出電壓；以及 φ 一迴授電路，連接在該第一輸出電壓及該兩輸入電壓其 中之一之間，該迴授電路提供該第一零點及第一極 7. 如請求項6之放大電路，其中該迴授電路包括一電容與 20 一電阻串聯，該電容與電阻提供該第一零點及第一極 點。 8. 如請求項5之放大電路，其中該第二級包括： 一電流源，根據該第一輸出電壓產生一壓控電流，藉以 產生該第二輸出電壓；以及 17 200836478 一零點及極點產生電路，連接該電流源，提供該第二零 點及第二極點。 9.如請求項8之放大電路，更包括一電流鏡鏡射該壓控電 流產生一鏡射電流給一電阻，以產生該第二輸出電壓。 5 10.如請求項8之放大電路，其中該零點及極點產生電路包 括： 一極點電阻，連接該電流源； 一零點電容，與該極點電阻串聯，該零點電容與該極點 電阻提供該第二極點；以及 ίο 一零點電阻，與該極點電阻及零點電容並聯，該零點電 阻與該零點電容提供該第二零點。 11. 如請求項5之放大電路，其中該第二級包括： 一第一電流源，根據該第一輸出電壓產生一第一電流； 一第二電流源，根據該第一輸出電壓產生一第二電流； 15 —零點及極點產生電路，連接該第一電流源；以及 一零點電阻，根據該第一及第二電流產生該第二輸出電 壓。 12. 如請求項11之放大電路，更包括： 一第一電流鏡，鏡射該第一電流產生一第三電流給該零 20 點電阻；以及 一第二電流鏡，鏡射該第二電流產生一第四電流給該零 點電阻。 13. 如請求項11之放大電路，其中該零點及極點產生電路 包括： 18 200836478 一零點電容，連接該第一電流源，該零點電容與該零點 電阻提供該第二零點；以及 一極點電阻，與該零點電容串聯，該極點電阻與該零點 電容提供該第二極點。