一種新型高速CMOS全差分運(yùn)算放大器設(shè)計(jì)
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3 共模反饋設(shè)計(jì)
全差分運(yùn)算放大器輸出共模電平穩(wěn)定性差，對(duì)輸入電壓的變化、器件的失配等很敏感，且不能通過(guò)差動(dòng)反饋來(lái)達(dá)到穩(wěn)定，所以需要沒(méi)汁共模反饋電路(CMFB)來(lái)穩(wěn)定工作點(diǎn)。CMFB電路其實(shí)是反饋電路的一種，通過(guò)檢測(cè)輸出共模電平，并有根據(jù)的調(diào)節(jié)放大器的一個(gè)偏差電流，原理結(jié)構(gòu)圖如圖2所示，一般有3部分組成：檢測(cè)輸出共模電平；同一個(gè)參考電壓比較；將誤差送回放大器偏置網(wǎng)絡(luò)。而相比于開(kāi)關(guān)電容反饋電路，連續(xù)時(shí)間共模反饋電路具有更快的速度，所以本文采用前者進(jìn)行設(shè)計(jì)。本文引用地址：http://butianyuan.cn/article/186258.htm
如圖1所示，M11，M18構(gòu)成共模反饋電路。由于本文設(shè)計(jì)的運(yùn)放的直流增益較高，若采用傳統(tǒng)的電阻采樣，電阻值很小，不但占據(jù)很大的面積，還會(huì)嚴(yán)重的降低直流增益。因此本文采用共源放大器差分輸入對(duì)管對(duì)共模電平取樣的共模反饋電路。
同時(shí)使用了一種新的連接方法，即將控制電壓連接到PMOS共源共柵管M7，M8的柵極，而不是如傳統(tǒng)方法那樣接到負(fù)載管M3，M4，因此也將一般的PMOS電流鏡改為NMOS電流鏡。為了使輸出信號(hào)擺幅最大，共模參考電壓值通常為電壓源的一半。
下面分析此種接法的優(yōu)勢(shì)。傳統(tǒng)的接法是將控制電壓接到M9和M10的柵極，這樣電路的直流增益有式(1)變?yōu)椋?br /> 
由于在設(shè)計(jì)中I1≈I9，而考慮到輸出擺幅的影響，Veff1≈3Veff9因此3gm1≈gm9。有此看來(lái)，式(6)的增益比式(1)增大了三倍。整個(gè)電路也必然的出現(xiàn)不穩(wěn)定性，在共模反饋回路中主運(yùn)放的相位與頻率的關(guān)系就發(fā)生變換，因此各器件參數(shù)又需要重新調(diào)制。而將控制電壓接到M7-M8的柵極，則閉環(huán)增益變?yōu)椋?br /> 
而Gm7=gm7／(1+gm7ro9)，約小于gm1。這樣CMFB環(huán)路增益稍低于主運(yùn)放增益，而相位裕度基本不變，性能穩(wěn)定。
4 仿真結(jié)果與分析
使用SMIC0．25μmCMOS標(biāo)準(zhǔn)工藝模型，在Cadence的spectre工具進(jìn)行仿真。運(yùn)放在在2．5 V單電源和驅(qū)動(dòng)0．5 pF負(fù)載時(shí)，開(kāi)環(huán)增益為71．1 dB，單位增益帶寬為303 MHz，相位裕度為52°，仿真結(jié)果如圖3所示。
共模抑制比定義為差分增益和共模增益的比值，它反映了一個(gè)放大器對(duì)共模信號(hào)和共模噪聲的抑制能力。利用2個(gè)運(yùn)放分別在輸入端接差模響應(yīng)激勵(lì)和共模響應(yīng)激勵(lì)，經(jīng)Spectre仿真結(jié)果測(cè)得結(jié)果如圖4所示，差模增益為71．1 dB，共模增益為-46．3 dB，即可得共模抑制比為117．4 dB。
評(píng)論