共模反馈电路设计 -回复

第ｌ２卷第１２期　２０１０年１２月　错褰　ＶｏＩ＿１２　Ｎｏ．１２　Ｄｅｃ．２０１０　

ｄｏｉ：１０．３９６９０．ｉｓｓｎ．１５６３－４７９５．２０１０．１２．０１５　

电流控制型高增益共模反馈电路的设计　

汤川洋　

（电子科技大学微电子与固体电子学院，四川　成都６１００５４）　

摘　要：介绍了全差分运放的共模反馈原理，并对闭环工作的一级全差分运放结构进行分　

析．给出了一种电流控制型的高增益共模反馈电路的设计方案。该方案采用标准ＣＭＯＳ　０．１３　ｍ工艺库，并通过ＣＡＤ仿真软件验证，结果表明：该共模反馈电路的开环直流增益可达　到９５ｄＢ，补偿后的相位裕度可达到５Ｏ。，并可在１５０ｎｓ￣确保一级全差分运放稳定工作。　

关键词：共模反馈电路；电流控制；高增益；全差分运放　

０　引言　

随着半导体技术的发展，工艺线宽不断减　

小。线宽的减小不仅限制了电路的电源电压，同　时也抑制了电路的输出摆幅。这样，在小线宽的　

工艺中，全差分运放相对于单端输出运放输出摆　幅较大的优点就变得更加明显。除此之外，全差　

分运放对共模噪声和高阶的谐波失真也有更好的　

抑制作用。　在高增益的全差分运放中，输出共模电平对　

器件的特性和失配相当敏感．而且不能通过差模　

反馈来达到稳定，这就要求我们必须引入额外的　负反馈电路来稳定共模电平，该电路即为共模反　

馈电路。共模反馈电路的工作原理如图１所示。　

首先，通过共模电平检测电路检测得到输出的共　模电平。然后将检测得到的共模电平与参考共模　

电平进行比较。最后，再将得到的误差信号通过　放大器放大并反馈回运放的偏置电路以调节输出　

共模电平。这样，输Ｈ｛共模电平的任何微小波动　

图１　共模反馈＿Ｔ－作原理图　

收稿日期：２０１０—０６—３０　都可以通过反馈回路放大后再输入运放中．以对　其波动进行抑制，从而达到稳定输出工作点的目　

的。　

１　电流控制型高增益共模反馈电路设计　

通常的一级全差分运放一般有连续性和开关　

电容型两种类型的共模反馈电路。连续型共模反　

差分放大电路共模输入电压

差分放大电路是一种常见的电路形式，广泛应用于信号处理、通信、测量等领域。在差分放大电路中，共模输入电压是一个重要的参数，它对于电路的性能和稳定性具有重要影响。

共模输入电压是指差分信号放大器或运算放大器的输入端所受到的两个信号之间的平均电压。这个电压代表了输入信号相对于地（或参考电位）的偏移量。共模输入电压的存在主要是由于电路中的各种因素引起的，如电源噪声、温度变化、输入偏置电流等。共模输入电压可以被认为是差分信号放大器或运算放大器对于共模信号的响应。

在差分放大电路中，共模输入电压的影响主要表现在以下几个方面：首先，共模输入电压会导致差分放大器的输出电压偏移，从而影响信号的准确性；其次，共模输入电压可能会引发电路的非线性失真，导致信号的失真和失真度增加；最后，共模输入电压还可能导致电路的稳定性降低，从而影响电路的长期稳定性和可靠性。

为了减小共模输入电压的影响，可以采取一些措施。例如，可以采用差分输入电路来减小共模输入电压的影响；可以采用共模反馈电路来稳定输出电压，减小信号的失真度；还可以采用屏蔽、滤波等技术来减小电源噪声等干扰信号的影响。

总之，共模输入电压是差分放大电路中一个重要的参数，它对于电路的性能和稳定性具有重要影响。了解和掌握共模输入电压的概念和影响，有助于我们更好地设计和应用差分放大电路，提高电路的性能和稳定性。

共模匹配最大功率计算公式

共模匹配是指在电子电路中，为了最大限度地抑制共模信号对输出信号的干扰，需要设计合适的电路来达到共模信号的最大抑制效果。共模信号的抑制效果可以通过计算共模反馈电路的最大功率来衡量。

共模匹配的最大功率计算公式如下：

Pcm_max = 1/(4 * Z0) * (Vin/2)²

其中，Pcm_max表示共模反馈电路的最大功率，Z0表示共模电阻的阻值，Vin表示输入信号的幅值。

公式中的1/4是根据共模信号的功率计算公式得出的，共模信号的功率为1/4 * Vcm² / Z0，其中Vcm表示共模信号的幅值。因为共模反馈电路的目标是将共模信号减小到尽可能小的程度，所以最大共模反馈功率Pcm_max等于共模信号功率的最小值，即共模信号功率的最小值为0，所以Pcm_max = 0。

通过公式计算得出的Pcm_max值，表示共模反馈电路在最佳匹配状态下可以抑制的共模信号功率的最大值。越大的Pcm_max值，表示共模反馈电路的抑制效果越好。

11. 设计思路

1.1 设计指标的确定

根据课程设计的指标要求，这里选择指标二作为设计目标，如表1.1。

性能参数 设计指标

负载电容 CL＝30pF

开环增益(低频) >75dB

CMRR(低频) >80dB

PSRR±(低频) >80dB

共模输入范围 >1.2V

输出摆幅（峰峰值） >1.6V(CL only)

电源电压 2.5V, 0

直流功耗 <15mW

单位增益带宽 >1MHz

压摆率 >2V/uS

建立时间（单位增益反馈配置、

输入阶跃函数（0→+1V, 0→－1V）

稳定值的±0.1%之内） <2uS

输出信号 差分输出

恒温电流源 <150ppm/oC(0o~80o)

表1.1 运算放大器设计指标

1.2 电路结构的确定

1.2.1 放大电路方案选择

这里先对表1.1要求的性能参数作一简要分析。运算放大器的开环增益应大于75dB，

即5623，该值大约为2()

mogr量级。为了实现该增益值，输入信号至少需要经过2个放大管。

有如下几种方案可以满足上述要求：单级套筒式共源共栅放大器，单级折叠式共源共栅放大

器，两级级联共源放大器。

由于设计要求较高的共模抑制比和电源电压抑制比，考虑到全差分电路具有很好的噪声

抑制功能，它能抑制输出信号中的偶次谐波，同时能提供较高的CMRR和PSRR，故设计

采用全差分电路。全差分电路还有一个好处就是它能提供较高的输出电压摆幅。

指标中要求共模输入范围大于1.2V，该值约为电源电压的一半。对于套筒式共源共栅

放大器，这是很难做到的，因为输入共模电平的大幅度变化可能导致MOS管处于关断或线

性状态。而折叠式共源共栅电路则具有输入共模范围大的优点，故本设计采用折叠式共源共

栅电路。在实际运用中为了提高共模输入范围，可以运用将NMOS和PMOS并排同时作为

输入端的Rail-to-Rail技术，它能将共模输入范围扩大到0－VDD。本设计不采用该技术。

使用折叠式共源共栅电路的另一个好处在于它能提高输出电压摆幅。