有源RC滤波器的制作方法

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。

技术实现要素：

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。

所述第一放大器级可经由负载连接到电源电压。在常规差分放大器配置中，前述负载通常是包括晶体管的有源负载。然而，申请人已了解到在一些情况下以电阻器替换晶体管的优点。这在放大器配置中将不是典型的，因为电阻器减少增益和驱动强度。然而，在滤波器应用中使用电路的情境中，高增益是不重要的，且固定电阻器提供受控电流与第一放大器级的输出上存在的共模电压之间的线性关系。因此在一些组实施例中，所述第一和第二放大器级中的任一者或两者经由电阻器连接到电力供应器。

为了控制放大器级的输出上存在的共模电压而无需使用反馈，根据一组实施例需要具有共模电压的局部复制。复制电路包括以与其经设计以复制的电路中的那些组件相似(但不一定相同)的方式布置的组件，提供对放大器级中存在的共模输出电压进行外部建模的能力，并且然后提供前馈控制以将所述共模输出电压带到所需水平。这提供同时控制许多放大器级上的共模电压的能力，优选地使用按比例缩小的组件以减少电流需求。在一些组实施例中，所述第一和第二差分输出信号中的至少一者的共模电压由反映所述第一和第二放大器级中的一者的拓扑的复制电路控制。在一组实施例中，所述复制电路控制包含所述第一和第二放大器级的多个放大器级中的共模电压。

在一些组实施例中，所述第一放大器级的晶体管不同于所述第二放大器级的晶体管。

在一些组实施例中，所述第一放大器级和所述第二放大器级包括电阻器。在又一些组实施例中，所述第一放大器级的电阻器不同于所述第二放大器级的电阻器。

存在配置差分放大器的若干方式。在一个实例中提供单端输出，其中所述输出是两个输入信号之间的差的经放大版本且是相对于预定值(常常为接地)的；这在此项技术中已知为单端放大器。然而，常常合意的是配置差分放大器以使得输出是两个输入信号之间的差的经放大版本但输出在并非预定的值周围浮动；这在此项技术中已知为完全差分放大器。完全差分放大器常常是有用的，因为它们准许放大器的双端输出随后用作对后续差分对的双端输入。完全差分放大器还提供单端放大器的两倍增益而不需要例如电流镜等额外电路，如在后者的情况下提供相似增益所需要的情况。在一些组实施例中，运算放大器rc滤波器被配置为完全差分放大器。

存在若干不同的晶体管技术可用于半导体装置的制造。然而，对于低电力应用，场效应晶体管(fet)由于其低电流操作要求而是最合适的技术。在一些组实施例中，所述差分放大器包括场效应晶体管。因此，当从第二方面看时，本发明提供实施如上文所描述的运算放大器的电池供电的集成电路。

所属领域的技术人员将了解本发明的运算放大器尤其适合于在有源rc滤波器中使用，其中重要的是最小化传播延迟和电力消耗。因此当从第三方面看时，本发明提供一种有源rc滤波器，其包括：

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。

所述滤波器可用以对例如数字包无线电接收器等无线电接收器中的所接收信号进行滤波。所属领域的技术人员将了解，此滤波器包括经布置以为有源rc滤波器提供所需滤波传递函数的电阻性和/或反应性组件的网络。例如所述运算放大器可具有连接于所述第一放大器级的输入与所述第二放大器级的输出之间的至少一个电容器。

附图说明

现将仅借助于实例参考附图描述本发明的实施例，在这些附图中：

图1是本发明的第一示范性实施例的电路图；以及

图2是本发明的第二示范性实施例的电路图。

具体实施方式

图1示出了用于在有源rc滤波器中使用的根据本发明的运算放大器2的第一示范性实施例的电路图。运算放大器2包括第一放大器级4和第二放大器级6。

第一放大器级4包括长尾部对晶体管配置，包括n沟道场效应晶体管8、10的差分对以及尾部晶体管12。晶体管8、10的差分对经由其相应源极引线连接，并且然后经由尾部晶体管12连接到接地44。每一差分对晶体管8、10还经由其漏极引线通过电阻器14、16连接到正电源42。

第二放大器级6也包括长尾部对晶体管配置，包括n沟道场效应晶体管26、28的差分对以及尾部晶体管30。晶体管26、28的差分对经由其相应源极引线连接，并且然后经由尾部晶体管30连接到接地44。每一差分对晶体管26、28还经由其漏极引线通过电阻器32、34连接到正电源42。晶体管26、28的漏极引线经由电容器36连接到彼此。

当差分输入18、20施加于差分对晶体管8、10中的每一者的栅极引线时，这以所属领域的技术人员本身已知的方式驱动所述差分对以产生经放大的差分输出22、24。随后将此差分输出22、24作为输入馈送到第二放大器级6。

到第二放大器级6的差分输入22、24施加于差分对晶体管26、28中的每一者的栅极引线，这又驱动所述差分对以产生经放大的差分输出38、40。电容器36起作用以便为第二放大器级6提供低通滤波器传递函数。在增加的频率下，电容器36的阻抗减小，这减少第二差分输出信号38、40的振幅。

尾部晶体管12、30充当恒定电流源。尾部晶体管12、30中的每一者的源极引线连接到接地44，且其相应栅极引线连接到偏置电压46。此偏置电压46是可变的，以便更改流动通过放大器级4、6中的每一者的电流。此电流由于电阻器14、16、32、34而决定放大器级4、6中的每一者的输出22、24、38、40上存在的共模电压。

级联放大器级操作以使得差分信号输入首先由第一放大器级4放大以产生经放大的差分输出信号。经放大的差分输出信号拥有与差分输入信号相同的频率和一般波形，但振幅按比例缩放预定的因数或增益。如果差分信号输入振幅太大以使得振幅当乘以增益时将超过第一放大器级的最大输出振幅(主要由电源规定)，那么削波发生，其中将超过此限制的任何所得输出振幅改为在所述限制处输出，从而导致波形的顶部被‘截止’。一旦输入信号振幅返回到不导致超出输出振幅限制的经放大信号的水平，则输出信号返回到遵循差分输入信号的波形。

随后将上文所提到的信号输入到第二放大器级6，所述第二放大器级对经放大差分输出信号进行滤波以产生经滤波的经放大差分输出信号。第二放大器级将来自第一放大器级的经放大差分输出信号按比例缩放一因数或增益，且产生具有取决于所述信号的频率的振幅的经滤波的经放大输出信号，以使得特定范围内的信号具有比不同频率范围中的信号大的振幅。

图2示出了在有源rc滤波器100内实施的本发明的第二示范性实施例的电路图。有源rc滤波器100包括如上文参考图1所描述的四个运算放大器2a、2b、2c、2d。

有源rc滤波器100实施四阶跳耦滤波器，其跨越两个输入端102、104取得差分输入且跨越两个输出端106、108提供差分输出。一系列电阻器和电容器经布置以提供运算放大器2a、2b、2c、2d周围的反馈环路且因此提供所需滤波器传递函数。所属领域的技术人员将了解，这仅是一种滤波器拓扑，且许多变化和修改在本发明的范围内是可能的。

因此将见到，已描述了尤其适合于在包括级联放大器级的有源rc滤波器内使用的运算放大器。尽管已详细地描述特定实施例，但在本发明的范围内，许多变化和修改是可能的。