共模反饋環(huán)路穩(wěn)定性分析及電路設(shè)計(jì)

0引言

　　全差分運(yùn)放(fully differential operation)相對(duì)于單端輸出電路來(lái)說(shuō)，不僅輸出擺幅更大、共模噪聲抑制更好，還能消除高階諧波失真。然而，在高增益運(yùn)放中，輸出共模電平對(duì)器件的特性和失配相當(dāng)敏感，而且不能通過(guò)差模反饋來(lái)達(dá)到穩(wěn)定。因此，必須額外引入負(fù)反饋機(jī)制，即共模反饋(CMFB)來(lái)穩(wěn)定運(yùn)放的共模輸出電平。共模反饋的基本原理是先通過(guò)檢測(cè)網(wǎng)絡(luò)得到輸出共模電平Vo_cn，然后將Vo_cn和一個(gè)參考電壓Vcn(一般為電源電壓的一半)相比較，再用得出的誤差信號(hào)來(lái)調(diào)節(jié)運(yùn)放的偏置電流，從而達(dá)到使輸出共模信號(hào)穩(wěn)定的目的。這種方式的設(shè)計(jì)要點(diǎn)如下：

　　(1)共模信號(hào)檢測(cè)應(yīng)具有線性特性；

　　(2)共模反饋環(huán)路的增益必須盡可能的高；

　　(3)反饋環(huán)路的帶寬不能小于差模通路(在許多實(shí)際應(yīng)用中，這兩個(gè)帶寬必須一致)；

　　(4)確保共模環(huán)路穩(wěn)定；

　　(5)應(yīng)引入保護(hù)機(jī)制，以避免“鎖死狀態(tài)”的出現(xiàn)(輸出保持在電源電壓的情況)。

　　目前已經(jīng)有了大量關(guān)于差模反饋環(huán)路穩(wěn)定性的理論研究，而對(duì)于共模反饋環(huán)路的研究卻很少?，F(xiàn)有的共模反饋電路的設(shè)計(jì)更多的是通過(guò)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)、反復(fù)調(diào)試來(lái)得到穩(wěn)定環(huán)路。筆者通過(guò)對(duì)最常用的、采用一級(jí)共模反饋的兩級(jí)運(yùn)放的環(huán)路進(jìn)行穩(wěn)定性分析，明確得出了其穩(wěn)定條件，從而理論化了共模反饋電路的設(shè)計(jì)。然后基于這個(gè)條件，并采用Bi-CMOS工藝設(shè)計(jì)了一種低成本、高穩(wěn)定、匹配好的共模反饋電路。整個(gè)運(yùn)放可應(yīng)用于一款高性能音頻CLASS-D芯片。

　　1共模反饋環(huán)路分析及穩(wěn)定條件

　　圖1所示是全差分運(yùn)放的一種典型應(yīng)用電路。該電路*有三個(gè)環(huán)路：差模環(huán)路、共模反饋外環(huán)(結(jié)構(gòu)相同，由R1、R2及運(yùn)放本身構(gòu)成)；以及共模反饋內(nèi)環(huán)(運(yùn)放內(nèi)部自帶)。只有在三個(gè)環(huán)路均穩(wěn)定的條件下，該運(yùn)放才能正常工作。須特別注意的是：對(duì)于兩級(jí)運(yùn)放，共模反饋外環(huán)是一個(gè)正反饋。因?yàn)樾盘?hào)經(jīng)過(guò)運(yùn)放內(nèi)部的兩次反相后。共模信號(hào)從Vo反饋到Vi，是同相的，但對(duì)差模信號(hào)則是反相的。實(shí)際應(yīng)用中，運(yùn)放的輸入端可能出現(xiàn)非常大的共模電平（使它是瞬時(shí)的)，這將導(dǎo)致輸入對(duì)管關(guān)斷，輸出電平接近電源電壓。由于此時(shí)差?；芈分袛?，整個(gè)外環(huán)呈現(xiàn)共模正反饋。這就會(huì)使運(yùn)放呈現(xiàn)“鎖死狀態(tài)”。由于這種情況很可能發(fā)生在電路的啟動(dòng)過(guò)程。因此，對(duì)于共模環(huán)路的穩(wěn)定性研究很有必要。

　　圖2所示是采用一級(jí)共模反饋的兩級(jí)運(yùn)放的典型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。其中Vi_cm、Vo_cm一分別為運(yùn)放的輸入、輸出共模信號(hào)。A1、A2為運(yùn)放的第一、二級(jí)。一般對(duì)兩級(jí)運(yùn)放多采用密勒補(bǔ)償，使A點(diǎn)為主極點(diǎn)，B點(diǎn)為次主極點(diǎn)。AFB處設(shè)定比較電平Vcm(以下稱之為共模反饋運(yùn)放)；Ab為共模內(nèi)環(huán)與差模第一級(jí)的相交部分。各子運(yùn)放均為單級(jí)運(yùn)放，并假定它們內(nèi)部的零、極點(diǎn)均遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于帶寬。共模反饋信號(hào)通過(guò)調(diào)節(jié)運(yùn)放第一級(jí)的偏置電流，可以達(dá)到穩(wěn)定第一、二級(jí)輸出共模電平的目的。這個(gè)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)將三個(gè)環(huán)路緊密聯(lián)系起來(lái)，其共模環(huán)路完整包括了運(yùn)放的第二級(jí)和運(yùn)放差模通路的主、次極點(diǎn)，而忽略了帶寬外零極點(diǎn)。逐一分析三個(gè)環(huán)路，即可得出其共模環(huán)路的穩(wěn)定條件。

　　首先分析運(yùn)放本身。其共模反饋內(nèi)環(huán)傳輸函數(shù)ACMFB(s)為：

　　即可保證在差模開(kāi)環(huán)穩(wěn)定時(shí)，其共模內(nèi)環(huán)也穩(wěn)定。

　　繼續(xù)分析由運(yùn)放構(gòu)成的環(huán)路。系數(shù)為β(一般地，β≤1)，那么，輸函數(shù)Adm_loop(s)為：其共模內(nèi)環(huán)也設(shè)運(yùn)放的反饋其差模環(huán)路傳輸函數(shù)Adm_loop（s）為：