[发明专利]具有转换速率控制的缩放运算放大器

说明书

相关申请的交叉引用

本专利基于35U.S.C§119(e)要求2013年1月15日提交的、名称为“Telescopic Op-amp with Slew rate Control”的美国临时申请No.61/752538的权益，其全文通过引用的方式并入本文。

技术领域

本申请涉及∑Δ调制器(sigma delta modulator)和在这些调制器内使用的部件。

背景技术

数字麦克风需要将来自膜(membrane)(例如，MEMS设备)的模拟输入转换为数字比特流，这里几乎在所有情况下选择的转换器都是∑Δ转换器。对用于移动通信和听觉仪器的数字麦克风的限制在信噪比(SNR)、功耗、电压供给水平和电源抑制(PSR)方面很苛刻。

采用非常高效的∑Δ转换器是有利的，该∑Δ转换器噪声极低，并且使用亚毫瓦(sub milliwatt)功率，并能在低电源电压(例如约0.8V-1.5V)上运行。∑Δ调制器中运算放大器的独特设计对整个∑Δ调制器的性能(例如维持恰当的信噪比、功耗、THD以及在极低的电源电压下工作的能力)非常重要。这对于在这种设备的第一积分电路中使用的运算放大器尤其如此。

以前尝试过设置具有这些属性的运算放大器，差分系统及非差分系统，且具有在积分电路中使用的不同类型的运算放大器。非差分系统对噪声注入很敏感，且具有较差的PSR，但能够使电流高效，特别是当反相器型运算放大器用于积分电路时尤其如此。差分系统更为稳健，但因运算放大器结构更复杂，通常消耗更多功率。但是在所有情况下，之前系统提供的解决方案不太高效。

附图说明

为了更完整地理解本公开，应该参照以下的详细描述和附图，在附图中：

图1包括根据本发明各实施方式的运算放大器(op amp)的电路图。

图2包括根据本发明各实施方式的与图1的所述运算放大器一起使用的电压控制器的电路图。

图3包括例如在根据本发明各实施方式的∑Δ调制器中使用的图1的运算放大器的积分电路的电路图。

图4包括根据本发明各实施方式的共模反馈网络的电路图。

本领域技术人员将理解的是，为了简单和清楚而示出了附图中的元件。将进一步理解的是，某些动作和/或步骤可以被说明或描绘为以特定的顺序发生，然而本领域技术人员将理解，在实际中并不需要这种对于顺序的具体性。还应当理解的是，本文所用的术语和表达具有在关于他们相应各自的查询和研究领域的术语和表达一致的通常含义，如果有特定的含义，本文将进行另外说明。

具体实施方式

在本文描述的方法中，所提供的积分电路运算放大器(op amp)是差分的，但同时是高功效、低噪声且能在低电源电压(例如0.8V-1.5V)下工作的。将理解，通常来说，最高效类型的运算放大器是单级AB类运算放大器，即它是单极的，对于给定带宽和沉降时间(settling time)电流消耗较小。此外，对于开关电路，例如在开关电容器电路中，AB类操作确保不会发生会增加静态电流需求的转换。

因为缩放运算放大器的单级特性及其差分设置，所以本文描述的方法使用缩放运算放大器。这对没有应用共发共基放大器晶体管(cascode transistor)的差分对同样成立。缩放运算放大器因级联晶体管(cascade transistor)而具有较高的(30-40dB)开环增益。这在运算放大器用作∑Δ调制器中的积分器时尤其是优点。缩放放大器对于低电压操作不是显而易见的选择，但是本文描述的方法通过仔细控制DC偏压，特别是控制独立于输出偏压的输入偏压而将其实现。这些原理也能用于简单的差分对运算放大器，且具有极大的好处。但是，对于缩放运算放大器，它们绝对是必须的。

因此，运算放大器被设置为随温度和处理而工作，且能够处理最大输出电压摆动。这将确保运算放大器的最佳THD性能，该性能对∑Δ调制器是实现大动态范围(DNR)的关键参数，例如运算放大器中的非线性会导致噪声形量化噪声的互调产物。这些互调产物将在声频带结束，并且由此增加噪声且降低调制器的DNR。本文描述的缩放运算放大器，尤其相较于通常用于差分实现方式的之前的折叠式共发共基放大器运算放大器，还是电流高效的实现方式。