摘要：介紹了全差分運(yùn)放的共模反饋原理，并對閉環(huán)工作的一級全差分運(yùn)放結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，給出了一種電流控制型的高增益共模反饋電路的設(shè)計(jì)方案。該方案采用標(biāo)準(zhǔn)CMOS0．13μm工藝庫，并通過CAD仿真軟件驗(yàn)證，結(jié)果表明：該共模反饋電路的開環(huán)直流增益可達(dá)到95dB，補(bǔ)償后的相位裕度可達(dá)到50°，并可在150ns后確保一級全差分運(yùn)放穩(wěn)定工作。
關(guān)鍵詞：共模反饋電路；電流控制；高增益；全差分運(yùn)放
0 引言
隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，工藝線寬不斷減小。線寬的減小不僅限制了電路的電源電壓，同時也抑制了電路的輸出擺幅。這樣，在小線寬的工藝中，全差分運(yùn)放相對于單端輸出運(yùn)放輸出擺幅較大的優(yōu)點(diǎn)就變得更加明顯。除此之外，全差分運(yùn)放對共模噪聲和高階的諧波失真也有更好的抑制作用。
在高增益的全差分運(yùn)放中，輸出共模電平對器件的特性和失配相當(dāng)敏感，而且不能通過差模反饋來達(dá)到穩(wěn)定，這就要求我們必須引入額外的負(fù)反饋電路來穩(wěn)定共模電平，該電路即為共模反饋電路。共模反饋電路的工作原理如圖1所示。首先，通過共模電平檢測電路檢測得到輸出的共模電平。然后將檢測得到的共模電平與參考共模電平進(jìn)行比較。最后，再將得到的誤差信號通過放大器放大并反饋回運(yùn)放的偏置電路以調(diào)節(jié)輸出共模電平。這樣，輸出共模電平的任何微小波動都可以通過反饋回路放大后再輸入運(yùn)放中，以對其波動進(jìn)行抑制，從而達(dá)到穩(wěn)定輸出工作點(diǎn)的目的。
1 電流控制型高增益共模反饋電路設(shè)計(jì)
通常的一級全差分運(yùn)放一般有連續(xù)性和開關(guān)電容型兩種類型的共模反饋電路。連續(xù)型共模反饋中MOS管的閾值電壓會限制運(yùn)放的輸出擺幅，而開關(guān)電容型共模反饋電路雖然避免了對輸出擺幅的限制，但卻存在增益過低的缺點(diǎn)，并且會提高對反饋環(huán)路穩(wěn)定性的設(shè)計(jì)要求。為此，本文設(shè)計(jì)了一種高增益的連續(xù)型共模反饋電路，其具體的電路結(jié)構(gòu)如圖2所示。
這種共模反饋結(jié)構(gòu)采用運(yùn)放差分輸入的形式來檢測共模電壓。由于利用了MOS管具有大電阻的特性，因而避免使用常規(guī)電容電阻進(jìn)行分壓，降低了對運(yùn)放增益和帶寬的影響。而采用兩級電流鏡結(jié)構(gòu)通過檢測鏡像電流來控制運(yùn)放的共模工作點(diǎn)，也達(dá)到了高增益的要求。
由于該電路主要是在共模電壓下工作，故可將差分輸入電路等效成單邊的共模等效電路，圖3所示為其等效電路。由圖3可以看出，整個等效電路主要由兩個翻轉(zhuǎn)的電流鏡結(jié)構(gòu)構(gòu)成，通過將輸入共模電壓控制的電流與理想的共模電壓控制的電流進(jìn)行比較，即可將輸出電壓反饋回運(yùn)放，從而控制運(yùn)放的輸出共模電壓。其中：
由兩級的電流鏡結(jié)構(gòu)可以得到：
雖然，在實(shí)際的電路仿真中，Vs1不可能完全等于Vs9，但通過控制柵源電壓差相等，同樣可以達(dá)到穩(wěn)定共模電平的作用。
整個電路的環(huán)路增益，可通過電路小信號模型求出：
聯(lián)立求解上式既可得到共模反饋的環(huán)路增益：
由上式可以看出，整個電路的環(huán)路增益可達(dá)到(gm／gds)2的數(shù)量級。而一般共模反饋電路的增益大致在gm／gds的數(shù)量級。
2 仿真結(jié)果
基于cadence軟件，可在標(biāo)準(zhǔn)0．13μm工藝庫下對電路進(jìn)行仿真，所得到的共模反饋電路的AC仿真特性曲線如圖4所示。
由圖4可見，本設(shè)計(jì)的共模反饋電路的開環(huán)直流增益可以達(dá)到95dB。另外，通過對共模環(huán)路進(jìn)行補(bǔ)償，其環(huán)路的相位裕度也可以達(dá)到50°。
圖5所示是本運(yùn)算放大器的建立時間曲線。由圖5可以看到，在加入了本設(shè)計(jì)的共模反饋電路后，全差分的一級運(yùn)放能夠在150ns后穩(wěn)定的
共模電平上工作，并且輸出共模電平的誤差在1mV左右。
3 結(jié)束語
本文基于全差分運(yùn)算放大器的共模反饋原理．設(shè)計(jì)了一種新的電流控制型高增益共模反饋電路，該電路的增益可以達(dá)到95dB，環(huán)路相位裕度為50°，建立時間為150ns。將這種共模反饋電路運(yùn)用于一級的全差分運(yùn)放中，可以保證運(yùn)放的正常工作。