[发明专利]快速建立的、低噪声、低偏移的运算放大器和方法

说明书

技术领域

【0001】本发明主要涉及放大器；并且更具体地说，涉及具有输出信号的快速建立和低输入偏移电压的低噪声运算放大器。

背景技术

【0002】为实现运算放大器的低噪声，必须使在运算放大器第一级(即输入级)中产生噪声的电路元件数量最少。典型地，主要的噪声制造者是组成输入级的差分输入晶体管对的两个输入晶体管。除了输入晶体管，典型的低噪声运算放大器的输入级还包含典型地为大值电阻器的负载器件。不过，电阻性负载电阻器不能提供足够高的电压增益并且通常由有源负载器件取代，典型地由电流镜电路或其他对称电流源电路系统(circuitry)的晶体管所取代。为最小化运算放大器中的噪声，用作有源负载器件的晶体管应具有比输入差分晶体管对的跨导低得多的跨导。换言之，有源负载晶体管应被大量地简并，例如通过使用长沟道MOS晶体管或通过采用与有源负载晶体管串联的发射极或源极负反馈电阻器(degeneration resistor)。为了实现运算放大器中的低输入偏移电压，通常有必要将第一(输入)级和第二级都作为差分放大器实现并且尽可能使第一级对称。由于具有对称的有源负载晶体管或其他对称的有源负载电路系统，运算放大器第一级的共模工作点通常由第二级产生的共模反馈来设置，并且被施加于有源负载电路系统的共模控制输入。共模反馈的典型实施的一个示例可在Laker&Sansen所著“Design of Analog Integrated Circuits and Systems”(McGraw Hill，1994)，641页找到。本说明书中的图1示出了这种电路的简化形式，其更一般的形式在图2示出。

【0003】参考图1，运算放大器1包括输入级4，所述输入级4包括P沟道JFET输入晶体管Q1，该晶体管Q1的栅极被连接到Vin-并且其源极被连接到尾电流源I0和栅极被连接到Vin+的P沟道JFET输入晶体管Q2的源极。输入晶体管Q1的漏极由导线2A连接到NPN有源负载晶体管Q3的集电极和补偿电容器C2的一端，该补偿电容器的另一端接地。输入晶体管Q2的漏极由导线2B连接到NPN有源负载晶体管Q4的集电极。有源负载晶体管Q3和Q4的基极被连接到共模反馈导线3。有源负载晶体管Q3和Q4的发射极分别由负反馈电阻器R0和R1耦合到地极。

【0004】运算放大器1的第二级8包括发射极耦合的NPN输入晶体管Q5和Q6，NPN输入晶体管Q5和Q6的发射极被连接到共模反馈导线3和尾电流源I4。输入晶体管Q5的集电极被连接到连接成二极管的PNP有源负载晶体管Q7的集电极和基极以及PNP有源负载晶体管Q8的基极。有源负载晶体管Q7和Q8的发射极被连接到VDD。输入晶体管Q6的集电极由输出导线13连接到Vout和有源负载晶体管Q8的集电极。补偿电容器C3的一端被连接到输出导线13并且其另一端被连接到输入晶体管Q6的基极。晶体管Q5和Q6的基极分别被连接到导线2A和2B。

【0005】图2是图l现有技术运算放大器1的概括框图，其中图2中的输入级4包括输入级差分晶体管对5(其可以是图1的输入晶体管Q1和Q2)。输入级差分晶体管对5由导线2A和2B耦合以控制有源负载电路6，并且被耦合到第二级差分晶体管对7(其可以是图1的输入晶体管Q5和Q6)的输入。第二级差分晶体管对7被耦合到组成有源负载电路的电流镜8。第二级差分晶体管对7产生共模反馈信号以通过导线3控制有源负载电路6。

【0006】存在一个与图2所示的电路相关的问题，因为输入级4和第二级8之间的共模反馈与输入级有源负载电路系统6的很大负反馈的结合导致对输入阶跃信号响应的Vout的慢速建立。在图2所示的电路中，共模反馈环的带宽由gm/C2确定，其中gm是输入级中有源负载电路的跨导并且C2是米勒(Miller)补偿电容器的值。当为了减少运算放大器1的噪声和输入偏移电压，有源负载被大量地简并时，运算放大器1的输入级中的有源负载晶体管(或其他有源负载电路系统)的跨导较低。当由于大的负反馈电阻，共模反馈环的带宽大致低于运算放大器的带宽时，结果就是慢速建立。(晶体管Q3的基极是到共模反馈环的输入，并且共模反馈环中有源负载电路的跨导由电阻R0和R1限定。)