全差分运算放大器结构框图解析常见的全差分运算放大器电路分析

Baekhyn0506 2023-09-25 10650

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描述

全差分运算放大器就是一种具有差分输入，差分输出结构的运算放大器。差分放大器相对于单端输出的放大器具有如下一些优势。首先，由于随着 CMOS 工艺尺寸不断缩小，从0.5μm减小至 0.35μm，0.18μm，90nm，芯片的供电电压也不断减小从5V降到3.5V，1.8V，1.2V甚至更低。在如此低的供电电压的情况下，单端输出的运算放大器很难能理想地工作，为了保证电路能够得到足够大的信号摆幅，我们需要采用全差分的运算放大器结构。其次，全差分运算放大器能够有效抑制电路的共模信号，并且能够减小电路的偶次谐波失真。但是为了得到这些性能，全差分运算放大器需要一个共模反馈环路来控制输出的共模电平。理想情况下，这个共模反馈控制环路会使得输出的共模电平稳定在VDD/2。所以，一个全差分放大器通常由主放大器和共模反馈环路两部分组成，它在现代的电路设计中应用非常广泛。

1.全差分运算放大器结构框图

共模反馈

共模反馈的基本思想就是由一个共模采样电路取得电路的输出共模信号，然后把共模信号与一个参考信号相比较，将比较后的误差信号放大后再输入主放大器以调节输出共模电压。对于输入的差分信号来说，共模反馈环路不会对交流信号产生影响，相当于说共模环路对于交流是开路的。所以，电路的差分增益和相位就由主放大器决定。但是，对于输入的共模信号，共模反馈环路决定了输出的共模电平，这时，共模环路的增益和相位就会对电路的输出共模电平的精度和稳定性产生影响。

全差分放大器在应用中的一种电路形式，差分输出的信号摆幅 vO1-vO2 为单端信号vO1(vO2)摆幅的两倍，所以在输出端可以有较大的输出动态范围，相对于单端输出提高了处理信号的幅度能力。

共模反馈

2. 常见的全差分运算放大器电路

(a)是普通的全差分放大器电路，通常作为一个放大器的输入级部分。图7-3(b)是折叠式全差分运算放大器电路，它的增益会比较大，可以达到 60~70dB，但同时会消耗比较大的功耗，因为它有四条支路需要电流。折叠式运算放大器在实际的应用中会比较广泛，因为它单级的增益比较大，这样可以避免使用多级电路实现高增益，也就避免了多级放大器的频率补偿问题。

共模反馈

图7- 4(a)是套筒式全差分运算放大器电路，它的增益和折叠式全差分运算放大器差不多，但速度会快些，输入共模范围会小一点。图7- 4(b)是电流镜形式的全差分放大器，它的速度比较快，但是它需要的电流也比较大

共模反馈

表7-1比较了套筒式共源共栅和折叠式共源共栅结构的性能特点，因为这两种电路结构在实际的设计中用到的最多。

共模反馈

3. 共模反馈的原理

由于全差分运算放大器的共模输出电压不能通过差分信号的负反馈来控制，所以我们需要一个额外的共模反馈环路来确定输出的共模电平，这个共模电平的选择原则通常是用来得到最大的差分输出增益或者是最大的输出电压摆幅。

共模反馈

共模反馈电路通常由共模电压采样电路和误差放大电路两部分组成，通常有:

共模反馈

其中，Vo,cm 为输出共模电平，Vo,dm 为输出差分电压，α1，α2，α3 为系数。

对于理想的共模电平采样电路，后面两项均为 0。α2Vo,dm 来自共模电平采样电路的不可避免的失配，α3Vo,dm2 是由于电路的非线性 I-V 特性所导致的。

对于全差分运算放大器电路，由于其拥有共模放大和差模放大两种信号，为了考虑共模和差模之间的交叉放大，所以通常会使用信号流图来简化全差分运算放大电路。

其中 ADD(ASC)是我们想要的差分增益(共模增益)，ADC，ACD(ASD)来自电路内部的管子之间的不匹配，ACC 来自于主放大器的非理想电流源，ADS 来自共模电平采样的不匹配，ACS 是共模电平采样的增益。α1 和 α2 分别对应于 ACS和 ADS。

因为图7- 7的信号流图中有两个不同的环路，VS和Vo,cm之间是共模环路，其环路增益(Loop Gain)为 LGCM= ASC·ACS;VS 和 Vo,dm 间的环路的存在会影响差分信号的输出，可以把这个环路称为内部差分环路，其环路增益为 LGDM= ASD·ADS。但是，LGDM 比 LGCM小很多，几乎可以不考虑。另外，图 7- 7中还给出了共模信号和差分信号之间的交叉增益，可以表示为 ΔLGCM=ACS· ASD 和 ΔLGDM=ADS· ASC。

使用 Mason 公式，我们可以得到如下公式(号表示有效增益):

共模反馈

其中，D=1-LGCM-LGDM

共模反馈

有效的开环差分增益ADD几乎等于ADD。

对于典型值来说，共模反馈环路对于整个放大器的 CMRR 没有明显的影响，因为CMRR* = ADD*/ACD* ≈ CMRR。

但是，共模电平采样的不匹配会导致显著的差分到共模的增益ADC。

4.共模采样的结构

共模反馈

共模反馈环路在通常的全差分放大器中是必须的，它确定了放大器的输出共模电平，稳定了输出端信号。一个好的共模反馈环路应该是和差分环路具有相似的通路，如果共模环路和差分环路可以共用，那将是非常好的。

共模反馈

电容CM 采样差分放大器的输出共模电平，VCM 通过电容C1 被电容CM 采样，VCM_REF用来调节放大器的尾电流源。开关电容的共模反馈在两个方面优于连续时间的共模反馈，一个是对放大器的输出摆幅上没有了限制，另一个就是避免了阻性的负载。但是，开关电容电路也带来一些负作用。一个是开关引入了大量的噪声，这在某些低噪声应用中会成为主要的噪声来源。另一个就是开关引起的电荷注入会导致一定的失调。

总体来说，连续时间共模反馈和离散时间共模反馈各有优缺点，在选择共模反馈电路时要根据实际电路情况进行确定。

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