电流控制型高增益共模反馈电路的设计

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CMOS0．13μm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50°，并可在150ns后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，输出共模电平的任何微小波动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。连续型共模反馈中MOS管的阈值电压会限制运放的输出摆幅，而开关电容型共模反馈电路虽然避免了对输出摆幅的限制，但却存在增益过低的缺点，并且会提高对反馈环路稳定性的设计要求。为此，本文设计了一种高增益的连续型共模反馈电路，其具体的电路结构如图2所示。


这种共模反馈结构采用运放差分输入的形式来检测共模电压。由于利用了MOS管具有大电阻的特性，因而避免使用常规电容电阻进行分压，降低了对运放增益和带宽的影响。而采用两级电流镜结构通过检测镜像电流来控制运放的共模工作点，也达到了高增益的要求。

由于该电路主要是在共模电压下工作，故可将差分输入电路等效成单边的共模等效电路，图3所示为其等效电路。由图3可以看出，整个等效电路主要由两个翻转的电流镜结构构成，通过将输入共模电压控制的电流与理想的共模电压控制的电流进行比较，即可将输出电压反馈回运放，从而控制运放的输出共模电压。其中：


由两级的电流镜结构可以得到：


虽然，在实际的电路仿真中，Vs1不可能完全等于Vs9，但通过控制栅源电压差相等，同样可以达到稳定共模电平的作用。
整个电路的环路增益，可通过电路小信号模型求出：




联立求解上式既可得到共模反馈的环路增益：


由上式可以看出，整个电路的环路增益可达到(gm／gds)2的数量级。而一般共模反馈电路的增益大致在gm／gds的数量级。
2 仿真结果
基于cadence软件，可在标准0．13μm工艺库下对电路进行仿真，所得到的共模反馈电路的AC仿真特性曲线如图4所示。

由图4可见，本设计的共模反馈电路的开环直流增益可以达到95dB。另外，通过对共模环路进行补偿，其环路的相位裕度也可以达到50°。
图5所示是本运算放大器的建立时间曲线。由图5可以看到，在加入了本设计的共模反馈电路后，全差分的一级运放能够在150ns后稳定的
共模电平上工作，并且输出共模电平的误差在1mV左右。

3 结束语
本文基于全差分运算放大器的共模反馈原理．设计了一种新的电流控制型高增益共模反馈电路，该电路的增益可以达到95dB，环路相位裕度为50°，建立时间为150ns。将这种共模反馈电路运用于一级的全差分运放中，可以保证运放的正常工作。