２００３年第７期　微电子学与计算机　７１　

全差分运放中共模反馈电路的一种新接法　Ａ　Ｎｅｗ　Ｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎ　ｏｆ　ＣＭＦＢ　Ｃｉｒｃｕｉｔ　ｉｎ　Ｆｕｌｌｙ　Ｄｉｆｅｒｅｎｔｉａｌ　ＯＰＡＭＰ　复旦大学国家微电子材料与元器件微分析中心胡鹏飞邵丙铣（上海２００４３３）　摘要：提出一种新的连接方法，利用一个简单的差分对，通过与差分信号共用信号通路，实现共模反馈电路，　比传统方法节省了晶体管。并给出使用了这个共模反馈电路的一个高速、高增益、二级全差分运算放大器的设　计实例。给出了理论分析和ＨＳＰＩＣＥ的模拟结果。其共模回路的开环增益７２ｄＢ，单位增益带宽３４ＭＨｚ，相位裕度　是７Ｏ。，增益裕度１２ｄＢ。　关键词：运放，全差分，共模反馈　

１引言　与单端运放相比较，全差分运放的优点很明　显。在输出摆幅、输出动态范围、电源抑制比（ＰＳＲＲ）　和应用的灵活性上，有很大的优势。　当然，伴随着这些优点，也带来一些挑战。例如　提出了对布局布线和工艺误差的更高的要求。对电　路设计者而言，很重要的是共模反馈（ＣＭＦＢ）电路　的设计。因为在高增益的全差分放大器中，输出的　共模电压对器件特性和失配（Ｍｉｓｍａｔｃｈｉｎｇ）非常敏　感，差分信号的负反馈并不能够稳定直流工作点【ｌ１。　因此，全差分运放需要共模反馈电路来稳定直流工　作点。系统对共模反馈电路的要求是：要有足够大　的回路增益和足够的相位裕度。在二级运放中，人　们为了达到这个要求，采用了多种复杂的结构［１－３］。　本文以一个高速、高增益的二级全差分运放的　设计为实例，介绍一种新的共模反馈电路接法。其　最大特点是简单而有效。先简单的介绍一下主运放　的结构，再重点分析共模反馈电路。最后给出了模　拟结果和结论。　

２主运放结构　主运放的设计指标如表１所示。选用二级结构【ｌ】：　第一级采用传统的套筒一级联（Ｔｅｌｅｓｃｏｐｉｃ—ｃａｓｃｏｄｅ）　结构以提供高增益；第二级采用简单的共源　（Ｃｏｍｍｏｎ　ｓｏｕｒｃｅ）结构以获得大的输出摆幅。整个电　路如图１所示。　首先根据最基本的指标初步确定它的直流偏　表１放大器的主要指标要求　电源电压　５Ｖ　直流增益　＞８ＯｄＢ　单位增益带宽　＞１０ｏＭＨｚ　负载　５ｐＦ　相位裕量　＞６０。　增益裕量　＞１２ｄＢ　压摆率　＞２００Ｖ／ｐ，ｓ　共模输出电压　２．５Ｖ　差分输出摆幅　）Ｈ４Ｖ　收稿日期：２００２—１１－１４　ＶＤＤ　

图１二级全差分运放电路图（不含共模反馈和偏置电路）　置，并在接下来的设计和计算机模拟过程中根据其　他的性能要求对直流偏置进一步调整。要求的压摆　率是２００Ｖ／ｌ￣ｓ，负载电容５ｐＦ。若补偿电容是２ｐＦ，则　各支路的直流电流应近似定为：Ｉ（Ｍ１）＝４００￣Ａ，Ｉ（Ｍ９）　１．４ｍＡ。根据各个支路的直流电流可定出各晶体管　的跨导和漏源电阻，进而可以计算出整个电路的直　流增益为：　Ａ　＝｛ｇ．ｍ１，２·【　４ｒ０１，２）ｌｌ　６ｒ　８）】｝　·　ｌ１．１２·　ｘｏｌｌｒｏｔ　ｘ１２）】　（１）　其中晶体管的漏源电阻ｒｏ＝（ＬＶ￣）／（ＡＬＩｄ，）ｔ”。从　而可以通过调整沟道长度和漏源电压和电流来调　整直流增益。　由于两级的输出都是高阻节点，分别产生一个　极点，因此采用Ｍｉｌｌｅｒ电容进行补偿。补偿以后两个　极点为：　ＰＩ一　瓦１丽Ｐ２＝一百　￣ｃｍｌ。ｃｌＣ鬲ｃ　其中　。。、Ｃ。，兄。、ｃ２分别是第一、二级的输出电　阻和电容。此外，还产生一个右半平面的零点：Ｚ＝ｇｍ。。　／ｃｃ，为了消除它的影响，加入了与Ｍｉｌｌｅｒ电容串联　的电阻　。，这时零点为：

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ｚ一百　适当的选取Ｒ　的值，可以把零点推得很远，甚　至把它移到左半平面【１１。　

３共模反馈电路　共模反馈电路的作用是：采样（Ｓｅｎｓｉｎｇ）输出共　模电位，与参考电位相比较以及把比较的差别负反　馈到运放中去。其原理如图２所示【ｌ１。　

图２共模反馈原理　般可以用电阻采样。对于高增益的运放，需　要加入一级源跟随器（Ｓｏｕｒｃｅ　ｆｏｌｌｏｗｅｒ）（图３），因为　如果直接将电阻接到高阻抗的输出点，会严重的降　低增益。对二级运放，文献【２］中仅对第一级使用了　共模反馈，为了得到大的共模回路增益，使用了一　个套筒一级联的单端运放做比较器。文献【３］中则对　运放的两级分别用了一个共模反馈电路。　

图３源跟随器和电阻采样共模电位　本文则采用了电阻采样，仅加上一个简单的差　分对（图４），对整个二级运放进行补偿，使电路结构　得以简化。一个显著的改进是将控制电压接到级联　（Ｃａｓｃｏｄｅ）的晶体管（Ｍ５、Ｍ６）上，而不是如通常所做　的那样接在负载管（Ｍ７、Ｍ８）上（图２）。分析表明，这　结构在得到满意的结果的同时简化了电路的设　计过程。　在所选用的结构中，增益在两级间的分配约　ＶＤＤ　

图４一个简单的共模反馈电路　为：６０ｄＢ和２０ｄＢ。第二级的输出电阻并不大，所以　可以直接用电阻采样输出共模电位，而不会影响到　增益。　观察共模反馈回路，这是一个三级的跟随器结　构（图５）。要想达到令人满意的共模反馈的效果，要　求这个回路的开环增益要大，同时相位裕度要满足　稳定性和建立时间（Ｓｅｔｔｌｉｎｇ　ｔｉｍｅ）的要求。这个结构　使共模反馈信号与差分信号共用信号通路【４】，从而　可以获得大的开环增益。而对相位的考虑正是我们　将控制电压接到级联管上的原因。　

图５共模反馈回路　假设控制电压按传统接法接到负载管上，则图　５的中间一级的增益为：　Ａ　＝｛ｇ　８。【Ｌ　ｌ，２）ｌｌＬ　６ｒｏ５，６ｒｏ７，８）］）　Ｌ　ｌｌ＇１２·（　ｌｏｌｌｒｏｌｌ＇ｌ２）］　（２）　晶体管的跨导　＝，Ｄ／　缸。比较（１）、（２）两式，　ｓ和　，ｚ的　相等，而由于考虑到第一级的输出　摆幅，前者的Ｉ，缸约是后者的１／３。因此式（２）约比　式（１）大３倍。而电路的零极点不变。这种情况下，　原来精心调整好的主运放的相位频率响应在共模　回路中就很差。直接导致系统的稳定性下降，甚至　引起振荡。这时为了达到设计指标，往往需要对主　运放的参数重新进行调整，或者采用更加复杂的电　路结构。增加了设计周期和成本。　本文将控制电压接到级联管上，这样，由于源　极负反馈（Ｓｏｕｒｃｅ　ｄｅｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ），（２）式变为：　Ａ　＝｛Ｇ　６。【Ｌ　ｌ，　６ｒｏ５，６ｒｏ７，８）］）　·　１．１２·（　ｌ０１１ｔｏｌ１．１２）】　（３）　由于Ｇ　６＝ｇｉｎｓ，６／／（１　６ｒｏ７，８），小于踟。２

。这样得　维普资讯　ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｃｑｖｉｐ．ｃｏｍ　２００３年第７期　微电子学与计算机　７３　到的共模反馈回路的开环增益稍低于差分信号的　增益，而相位裕度不差于差分信号，从而可以得到　令人满意的性能。　

４模拟结果　使用ＣＳＭＣ　０．６微米的ＣＭＯＳ工艺，用ＨＳＰ１ＣＥ　对整个电路进行了模拟。主运放性能稳定，达到了　设计指标。图６是主运放的频率响应，图７是主运　放的大阶跃信号响应。表２总结了主运放的性能。　共模反馈回路的开环频率响应（图８）显示，其　直流增益为７２ｄＢ，单位增益带宽为３４ＭＨｚ，相位裕　度７０。。增益裕度１２ｄＢ。　８０　６ｏ　Ｅ兰（加　２０　翼　。　

－一ｌ０　６０　

３．４　３．２　３．０　２．８　２．６　笼　２．０　１．８　１．６　１－４　

６０　４０　２０　褶０　蓄一２０　硼－４０　６０　：　；　：　：　ｊ　：　：　、　！　！　ｌ　ｆ　：＼：　２　：　ｊ、　：　：　；　；　；　：　ｉ　；、　：　；　：　；　：　ｉ＼｝　ｊ　ｌ　＼　；　ｌ　｝、、ｉ　｝　ｌ　；　ｌ＼　ｌ　ｌ　ｌ　ｉ、、÷ｉ　；一ｌ　ｌ　ｉ　ｉ　ｉ　｛＼　ｉ＼　ｉ　ｉ　ｉ　ｆ　；　ｉ　；　’　｝　、　１５０　１０ｏ　５０　０　５０　１０ｏ　１５０　

１　１０　１００　ｌｋ　ｌＯｋ　ｌＯＯｋ　ｌｘ　ｌＯｘ　ｌＯＯｘ　ｌｇ　１０ｇ　频率（对数）（赫兹）　图６主运放的增益和相位的频率响应　

／　ｉ　／　｛　ｆ　ｉ　

Ｉ　ｌ　０　５０　１０ｏ　时间（秒）　图７主运放的大信号阶跃响应　ｉ　、］、　、　Ｘ　｜　一　’、　ｔ　１　Ｘ　Ｉ　Ｉ　

ｉ　６　、　１５０　１ｏ０　５０氩　０　５０　１００　１５０　１　１０　１００　ｌｋ　ｌＯｋ　１００ｋ　ｌｘ　ｌＯｘ　ｌＯＯｘ　ｌｇ　ｌＯｇ　频率（对数）（赫兹）　图８共模反馈回路的开环增益和相位的频率响应　表２主运放的性能参数　差分直流增益　８２ｄＢ　差分单位增益带宽　１３７Ｍ１４ｚ　负载　５ｐＦ　差分相位裕量　６４。　差分增益裕量　１４ｄＢ　压摆率　２５０Ｖ／ｐ，ｓ　共模输出电压　２．５Ｖ　差分输出摆幅　４．２Ｖ　５结束语　在一个高速、高增益的二级全差分运放中，使　用了非常简单的共模反馈电路。比其它结构节省了　晶体管（比文献［２】少７个，比文献［３】少１０个）。模拟　结果显示其共模回路的开环增益７２ｄＢ，单位增益带　宽３４ＭＨｚ，相位裕度是７０。，增益裕度１２ｄＢ。这是一　个相当令人满意的结果［５１。证明这是一个简单而有　效的共模反馈电路。　

［２】　

［３】　

［４］　

［５】　参考文献　Ｂｅｈｚａｄ　Ｒａｚａｖｉ．Ｄｅｓｉｇｎ　ｏｆ　Ａｎａｌｏｇ　ＣＭＯＳ　Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ　Ｃｉｒ－　ｃｕｉｔｓ．Ｎｅｗ　Ｙｏｒｋ：ＭｅＧｒａｗ－Ｈｉｌ１．２０ｏ１．　Ａｎｔｈｏｎｙ　Ｆａｌｌｕ．Ｄｉｐｌｏｍａｒｂｅｉｔ：Ｄｅｓｉｇｎ　ｏｆ　ａｌｌ　Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ　Ｆｕｌｌ　Ｄｉｆｅｒｅｎｔｉａｌ　Ｏｐｅｒａｔｉｏｎａｌ　Ａｍｐｌｉｆｉｅｒ　ｉｎ　０．３５１￣ｍ　ＣＭＯＳ－ＡＭＳ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ．Ａｐｒｉｌ—Ａｕｇｕｓｔ，２０００．　朱臻，王涛，易婷等．一种用于高速Ａ／Ｄ转换器的全差　分、低功耗ＣＭＯＳ运算跨导放大器（ＯＴＡ）．复旦学报自　然科学版，２００１，１．　Ｍｉｈａｉ　Ｂａｎｕ，　Ｊｏｈｎ　Ｍ　Ｋｈｏｕｒｙ，　Ｙａｎｎｉｓ　Ｔｓｉｖｉｄｉｓ．　Ｆｕｌｌｙ　Ｄｉｆｅｒｅｎｔｉａｌ　Ｏｐｅｒａｔｉｏｎａｌ　Ａｍｐｌｉｆｉｅｒ　ｗｉｔｌｌ　Ａｃｃｕｒａｔｅ　Ｏｕｔｐｕｔ　Ｂａｌａｎｃｉｎｇ．ＩＥＥＥ　Ｊ．Ｓｏｌｉｄ－ｓｔａｔｅ　Ｃｉｒｃｕｉｔｓ，Ｄｅｃ，１９８８，２３（６）：　１４１０－１４１４．　Ｈｏｗａｒｄ　Ｃ　Ｙａｎｇ。Ｄａｖｉｄ　Ｊ　Ａｌｌｓｔｏｔ．Ｃｏｎｓｉｄｅｒａｔｉｏｎｓ　ｆｏｒ　Ｆａｓｔ　Ｓｅｔｔｌｉｎｇ　Ｏｐｅｒａｔｉｏｎａｌ　Ａｍｐｌｉｆｉｅｒｓ．　ＩＥＥＥ　Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ　ｏｎ　Ｃｉｒｃｕｉｔｓ　ａｎｄ　Ｓｙｓｔｅｍｓ，Ｍａｒ，１９９０，３７（３）：３２６－３３４．　

ＨＵ　Ｐｅｎｇ－ｆｅｉ，ＳＨＡＯ　Ｂｉｎｇ·ｘｉａｎ　（Ｎａｔｉｏｎａｌ　Ｍｉｅｒｏａｎａｌｙｓｉｓ　Ｃｅｎｔｅｒ　ｏｆ　Ｍｉｅｒｏｅｌｅｅｔｒｏｎｉｅｓ　Ｍａｔｅｒｉａｌｓ＆　Ｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ／Ｄｅｖｉｃｅｓ，Ｆｕｄａｎ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｓｈａｎｇｈａｉ　２００４３３）　

Ａｂｓｔｒａ￣：Ａ　ｓｉｍｐｌｅ　ｃｏｍｍｏｎ—ｍｏｄｅ　ｆｅｅｄｂａｃｋ　ｆＣＭＦＢ）ｃｉｒｃｕｉｔ　ｉＳ　ｏｂｔａｉｎｅｄ　ｉｎ　ａ　ｎｅｗ　ｔｏｐｏｌｏｇｙ　ｗｉｔｌｌ　ａ　ｓｉｍｐｌｅ　ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌ　ｐａｉｒ．Ａｓ　ａｎ　ｅｘａｍｐｌｅ，ｔｈｅ　ｄｅｓｉｇｎ　ｏｆ　ａ　ｈｉｓｈ　ｓｐｅｅｄ，ｈｉｓｈ　ｇａｉｎ，２－ｓｔａｇｅ　ｆｕｌｌｙ　ｄｉｆｅｒｅｎｔｉａｌ　ｏｐｅｒａｔｉｏｎａｌ　ａｍｐｌｉｆｉｅｒ　ｅｍｐｌｏｙｉｎｇ　ｔｈｉｓ　ＣＭＦＢ　ｉｓ　ｐｒｅｓｅｎｔｅｄ．Ａｎａｌｙｓｉｓ　ａｎｄ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ａｌｅ　ｇｉｖｅｎ．　ＣＭＦＢ　ｏｐｅｎ　ｌｏｏｐ　ｇａｉｎ　ｉｓ　７２ｄＢ，　ｕｎｉｔｙ—ｇａｉｎ　ｂａｎｄｗｉｄｔｈ　３４ＭＨｚ，ｐｈａｓｅ　ｍａｒｇｉｎ　７０。ａｎｄ　ｇａｉｎ　ｍａｒｇｉｎ　１２ｄＢ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ＯＰＡＭＰ，Ｆｕｌｌｙ　ｄｉｆｅｒｅｎｔｉａｌ，ＣＭＦＢ　

胡鹏飞男，（１９７７一），硕士研究生。研究方向为混合信号集成　电路设计。

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