用于运算放大器频率补偿 的装置和方法 本发明一般地涉及运算放大器，更具体地，是涉及对一个运算放大器进行频率补偿的装置和方法。
图1用例子说明了一个常规的运算放大器100(以后称为“放大器”)和负载110的方框图。放大器100是一个基本的模拟标准部件，可用于多种模拟信号处理应用。举几个例子说，这些应用包括有源滤波，信号放大，和电压调整。
图1的放大器100通常包括一个跨导级101，一个补偿网络102和一个输出驱动器103。图1还示出一个输出负载110。
放大器100的框图的内部连接和工作说明如下。跨导级101用来接收输入信号105和输入信号106并在线路107上产生一个已放大的信号。补偿网络102对线路107上已放大的信号进行频率补偿。补偿网络102可选择性地连接来接收线路109上的输出信号。输出驱动器103用来接收已放大的信号107，并产生输出信号108来驱动输出负载110。
放大器100的工作说明如下。输入105和输入106间的差分输入信号在跨导级101中得到放大，并被变换为线路107上的电流信号。通过利用在线路107上提供地阻抗将电流信号变换为电压信号，补偿网络102对于线路107上已放大的电流提供频率补偿。输出驱动器103对线路107上已放大的信号提供电压和/或电流增益，并产生跨接在负载110上的输出信号108。负载110有一个复数及有与它相连系的实数阻抗。
放大器可构成开环或闭环。放大器具有由放大器的输入和输出间的关系所定义的增益。增益有与频率有关的幅度和相位。在闭环结构中为了使放大器处于无条件的稳定状态，在开环相位超过180°之前，在相应频率开环增益的幅度必须降到1以下。相位余量定义为180°减去某一频率的开环相位，在此频率开环增益幅度降至1以下。通常认为45°的相位余量是适宜的。但我们通常希望在负载阻抗的宽广范围内相位余量至少是45°。
常规放大器100的一个问题是输出驱动器103实际上可能是一个和大输入电容相连系的大型器件。大的输入电容与补偿网络102相并联，因而能严重地影响它所要求的频率补偿特性。
常规放大器100的另一个问题是在某些应用中，例如在电压调节器中，与输出负载相连系的复数阻抗可能是很重要的。这个复数阻抗对于开环增益可能会增加附加相移因而恶化放大器的相位余量。如果补偿网络102的性能由于输出驱动器的输入电容引起严重的变化，那么为了保证稳定工作所必须的足够的相位余量，可接受的负载阻抗值的范围可能必须严格地限制。
解决这些问题的一个办法包含通过减小它的单位开环增益频率来减小放大器的带宽。然而，这种解决办法的缺点是由于减小了带宽使放大器100不能放大高频信号。而且，减小带宽实际上可能要求大的元件例如大的电容器。更进一步，放大器100对高频噪音是敏感的，这个噪音是与电源或放大器接地有关的。
因而，需要一种对于运算放大器进行频率补偿的装置和方法，它对于复数的低阻抗负载能有利地提供更宽的带宽和改善的稳定性。
图1说明带有一个负载的常规运算放大器的方框图。
图2说明一个运算放大器的方框图，它带有依照本发明的互阻抗电路。
图3说明依照本发明另一实施例的互阻抗电路的方框图。
图4说明一个电压调整器的方框图，它包括依照本发明的图2运算放大器。
图5说明一流程图，它说明依照本发明的图2运算放大器200和图4电压调整器400进行频率补偿的步骤。
图6说明依照本发明图2的运算放大器200的原理图。
依照本发明，利用对运算放大器进行频率补偿的改进装置和方法，实际上就能满足上述的要求。依照本发明，互阻抗电路接有一个输入端用来接收已放大的信号，还有一个工作的输出端来产生一个已缓冲放大的信号。互阻抗电路的一个输入端在频率实际上接近运算放大器的开环单位增益频率处，为已放大的信号提供一个电阻性输入阻抗。已放大的信号与输出驱动器输入端的复数阻抗相隔离。本发明对于具有低复数阻抗的负载能有利地提供宽的带宽和稳定的工作。
参考图2—5，能够更充分地说明本发明，其中图2说明运算放大器200的方框图，它具有依据本发明的互阻抗电路。运算放大器200通常包含一个跨导级101，一个互阻抗电路201，和一个输出驱动级103。明显地，跨导级101和输出驱动器103通常是本领域熟知的，所以除非为了帮助对本发明的理解，将不再进行讨论。依据本发明，互阻抗电路201以及它与运算放大器200的工作被认为是新技术，因而将参考图2—5在下面详细地说明和解释。
例如，使用signetics公司NE5517双运算跨导放大器的一个单级，就可以实现跨导级101。使用一个P沟道金属氧化半导体场效应晶体管(P沟道MOSFET)，就可以实现输出驱动器103。
运算放大器200驱动负载110，负载110具有一个复数阻抗，其数是从很宽的数值范围中选出的。有复数阻抗的负载不是纯电阻性的，而通常是代之以容性或感性元件。在优选的实施例中，负载是一个并联的电容性元件。
运算放大器200有一个开环单位增益频率。开环单位增益频率定义为：当运放工作在开环配置时，运算放大器200的增益降为1时的频率。开环配置意味着没有反馈。
跨导级101接有输入端105和106来接收输入信号，还有一个工作的输出端205用来产生已放大的信号。另一方面，比如，端205可是一个双端的差分信号而并不改变本发明的运用。更进一步，运算放大器200中的所有信号都可能是双端信号。跨导级101是这样一种电路，在它的输出端205，它产生一个电流通常是和输入端105和106上的电压成线性关系。跨导级101的增益是它输出端205上的电流与输入端105和106上的电压之比。
互阻抗电路201接有一个输入端205来接收已放大的信号，还有一个工作的输出端206来产生一个已缓冲放大的信号。互阻抗电路201的输入端205在频率实际上接近运算放大器200的开环单位增益频率处，给已放大信号提供一个电阻性的输入阻抗。互阻抗电路201在输入端205接收一个电流，而在输出端206产生一个输出电压。在频率实际上接近运算放大器200的开环单位增益频率时，给已放大信号提供一个电阻性输入阻抗的目的就是在输入端205消除负相移，它会减少在接近单位增益频率时的相位含量。
输出驱动器103接有一个具有复阻抗的输出端206，它用来接收已缓冲放大的信号，还有一个工作的输出端108，用来产生一个输出信号来驱动负载110。在一端205的已放大信号与输出驱动器103的输入端206的复阻抗相隔离。在优选的实施例中，输出驱动器103是一个PMOS FET，并有一个包含大的并联输入电容的复数输入阻抗。在一端205上的已放大信号与输出驱动器203的大输入电容相隔离，这就说明已放大信号不再被输出驱动器103的大输入电容所负载。
互组抗电路201通常包含一个补偿网络202和一个缓冲放大器203。很明显，补偿网络202和缓冲放大器203通常是本领域熟知的，所以除非为了帮助对本发明的理解，将不再进行讨论。依据本发明，补偿网络202和缓冲放大器203的组合以及它们在运算放大器200中的应用被认为是新技术，因而将参考图2—5在下面详细地说明和解释。
例如，依照已知的设计技术，使用电阻207和电容208，实现补偿网络202。使用一个运算放大器，比如Motorola公司的Mc1741可以实现缓冲放大器203。
依照图2所示的本发明的优选实施例，缓冲放大器203接有互阻抗电路201的输入端205来接收已放大信号，还有工作的互阻抗电路201的输出端206来产生已缓冲放大的信号。补偿网络202接有互阻抗电路201的输入端来接收已放大的信号205，并用来对已放大的信号205进行频率补偿。已放大信号205的频率补偿指的是在放大器100的整个开环增益内改进已放大信号205的幅度和相位与频率的关系，以产生一个所期望的幅度和相位与频率的关系。所期望的开环增益有一个相位含量，通常至少为45°。
图3说明了依据本发明的另一个实施例的一个互阻抗电路201的框图。依据另一个实施例，互阻抗电路201通常包含一个反馈放大器301和补偿网络202。很明显，反馈放大器301和补偿网络202通常是本领域熟知的，所以除非为了帮助对本发明的理解，将不再讨论。根据本发明的另一个实施例，反馈放大器301和补偿网络202的组合以及它们在图2的运算放大器200中的应用被认为是新技术，因而将参考图3—5在下面详细地说明和解释。
举例说，反馈放大器301可使用一个运算放大器，比如Mo-torola公司的MC1741实现。
反馈放大器301有与一个互阻抗电路201的输入端205来接收已放大信号，还有互阻抗电路201的输出端206工作的产生已缓冲放大的信号。反馈结构是用来将一个放大器的输出耦合到它输入的方法。反馈结构的优点是它产生低输出阻抗。
补偿网络202连接在互阻抗网络201的输入端205和互阻抗电路201的输出端206之间，它对应于输出端206的已缓冲放大的信号，对输入端205的已放大的信号进行频率补偿。补偿网络202位于反馈放大器301的反馈通路中，用来提供一个电流到电压的变换功能。反馈放大器301的输入用作一个虚拟地以使它的输入端没有电压。没有电流流入反馈放大器301的输入。全部电流流入补偿网络202。由于反馈作用，反馈放大器301的输出有一个低阻抗。
图4说明电压调节器400的框图，它包括依据本发明的图2的运算放大器200，电压调节器400通常包括运算放大器200和一个反馈电路402。反馈电路402通常是本领域熟知的，所以除非为了帮助对本发明的理解，就不再讨论。反馈电路例如可用熟知的电阻实现。
运算放大器200连接成在端子105来接收来自电压参考信号源401的输入信号，并用来在端子108工作地产生一个具有已调整电压的输出信号来驱动负载110。反馈电路402连接在运算放大器200的输入端106和运算放大器200的输出端108之间。
在电压调节器400中使用运算放大器200的优点就是因为改善了电源抑制，改善了对复数的低阻抗负载的稳定性，所以电压调节器400得到了更宽的带宽。
图5是一流程图，它说明对图2的运算放大器200和图4的电压调节器400进行频率补偿的步骤。概括地，步骤501—506说明图4的电压调节器400的工作。通常，步骤502—505说明图2的运算放大器的工作。步骤503和504说明对图2的运算放大器200进行频率补偿的方法。
流程图从步骤500开始。
在步骤502，来自电压参考信号源401的输入信号105得到放大并产生一个已放大的信号205。
在步骤503，已放大的信号205得到频率补偿。在接近运算放大器200的单位增益频率处，频率补偿对已放大信号205提供一个电阻性输入阻抗。
在步骤504，已放大的信号205被隔离，并在复数阻抗两端产生一个已缓冲放大的信号。
在步骤505，对应于已缓冲放大的信号206，产生一个具有已调整电压的输出信号108来驱动负载110。
在步骤506，输出信号108耦合到输入信号106。
流程图在步骤507结束。
图6说明依据本发明的图2运算放大器200的原理图。跨导级101，互阻抗电路201，输出驱动器103，缓冲放大器203以及频率补偿网络202都画在虚线之中，并和图2中单元的标号相对应。示于图6的运算放大器200的原理图是使用常规元件实现，这些常规元件使用双极型器件，金属氧化半导体场效应晶体管(MOSFET)，电容器，电阻和电流源等。该电流源也是使用双极型器件和MOSFET器件来实现的。然而，为了简化起见，示于图6中的电流源是理想化的。
这样，本发明有利地提供了一种对运算放大器200进行频率补偿的装置和方法。依据本发明，互阻抗电路至少接有一个输入端来接收至少一个已放大的信号，还至少有一个输出端来产生至少一个已缓冲放大的信号。互阻抗电路的至少一个输入端给至少一个已放大信号提供一个电阻性的输入阻抗，至少一个已放大的信号实际上有一个接近运算放大器的开环单位增益频率的频率。至少一个已放大的信号与输出驱动器的至少一个输入端的复数阻抗相隔。本发明对于具有低复数阻抗的负载有利地提供宽的带宽和稳定的工作。利用本发明，现有技术对于低复数阻抗负载所引起的低带宽和不稳定工作的问题实际上得到了解决。
虽然参考图解的实施例说明了本发明，但本发明不希望被限制在这些具体的实施例中。熟悉本领域的人员将会认识到，如在附加的权利要求书中所说明的那样，在不偏离本发明的精神和范围的条件下，可以进行更改和修正。