Menu Close

全差分放大器的设计要求

全差分放大器的设计要求

 

全差分电路有两个差分输出。他们需要它能够排斥由数字电路、AB类驱动器、时钟驱动等产生的共模干扰。因此,所有的混合信号电路都要求放大器是完全差分的。然而,它会消耗很多额外的功耗。因此,将需要一个额外的放大器来稳定平均或共模输出电平。它被称为共模反馈(Common-Mode Feedback, CMFB) 放大器。这显然需要额外的电流。因此,最重要的参数之一是需要多少额外电流放大器才可以完全差分。

除了功耗之外,可能还有一些其他针对典型CMFB的规格参数,例如,输入范围是一个重要的特性。

将首先讨论CMFB放大器的所有要求, 接下来讨论了三种最重要类型的CMFB放大器,它们都有各自的优点和缺点,它们都不能提供一个理想的解决方案。 之后,介绍了一些实际的电路实现, 讨论了他们的取舍。

最简单的全差分放大器当然是这个单级的OTA,如下图右边所示。它与第二章中所讨论的差分电压放大器非常相似,如下图左边所示。然而,电流镜像被两个直流电流源所取代。由差分输入电压产生的环形电流用箭头表示。很明显,这种全差分的OTA甚至比单端电压放大器更简单,只有两个晶体管参与小信号操作。因此,它可以达到更高的频率!另一方面,很明显,这个放大器有偏置问题。偏置电压VB1和VB2都试图设置直流电流,这太多了

图  1 单级OTA

 

偏置电压VB1和VB2必须使所有晶体管都处于饱和区域, 否则它们会表现出较小的输出电阻,从而恶化增益。两种偏置电压的问题是,它们必须匹配到平均输出电压介于电源电压一半的程度,以保持所有晶体管的饱和,即使是大的输出摆幅下。例如,如果VB1是固定的,那么超过20mV的VB2的值将使两个输出电压降低1V(如果nMOST的增益为50)。更糟糕的是,当VB2更大时,平均输出电压非常低,以致于nMOSTs 的 M3/M4最终进入线性区域,损坏增益!

当偏置电压VB2太低时,我们也有同样的问题。现在,平均输出电压太高了,pMOSTs 的M1/M2最终进入了线性区域,这同样损坏增益!这种匹配是无法实现的。这就是为什么我们需要一个额外的放大器来调整VB2到所需的平均或共模输出电压。这个放大器只作用于共模信号。它被称为共模反馈放大器。

图 2  单级 CMOS全差分OTA

 

下图显示了这种CMFB放大器的一个例子。两个输出电压都有测量,由于我们只需要对共模信号的反馈,我们必须取消差分信号。这是在节点4上完成的。现在我们必须用一个放大器关闭环路,并将其输入到一个共模点。电路中的任何偏置点都可以这样使用。对于这个放大器,它是节点5。显然,部分电路同时属于共模和差分放大器。例如,晶体管M3和M4是差分信号的直流电流源,但也是共模信号的单晶体管放大器。

此外,CMFB放大器总是以单位增益反馈的形式连接起来。节点1和2同时是CMFB放大器的输入和输出。因此,它需要更多的功耗来确保稳定。没有反馈的差分放大器被明显地显示出来。偏置电压VB是独立的偏置电压。这很可能是NMOSTs 的M3/M4的栅极,如再下图所示。

图 3  有共模反馈的简单 CMOS全差分OTA-1

 

另一个CMFB放大器如下图。现在它关闭到顶部电流源的反馈回路,这的确很好!再次测量输出电压。差分信号被取消,CMFB环路通过放大器关闭。现在晶体管 M1 和 M2 为两个放大器所共有;它们用作差分信号的(差分)放大器,但作为 共模信号的级联。

为了更好了解这个CMFB放大器,它将在下再一张图中单独绘制。

图 4  有共模反馈的简单 CMOS全差分OTA-2

 

通过将所有差分器件并联并将其连接到共模输入信号,很容易找到共模等效电路。很明显,节点1同时是CMFB放大器的输入和输出,这也是用于推导共模增益、带宽和GBWCM的电路。实际上,开环增益是B1B2gm5Rn1,其中B1和B2是两个电流镜的电流增益因子。这个增益不是那么高,但只需要少量的增益就可以了。共模输出电压的稳定并不需要如此准确。输出均在负电源之上的VGS5.6。 对于大的摆幅, 我们会增加这些VGS的尺寸。 GBWCM显然由B1B2gm5/(2πCL)给出。我们有两个输入晶体管M5和M6,还有两个负载电容。因此,GBWCM可以做得相当高,但代价是大量的功耗!

图 5  共模反馈等效电路

 

综上所述,我们重复一下CMFB放大器的这三个任务。他们必须测量输出电压,取消差分信号,并关闭反馈回路。此外,CMFB放大器总是在单位增益中工作。最后,需要注意的是,CMFB放大器的增益被用来增加共模抑制比

图 6  共模反馈

 

现在让我们来看看CMFB放大器的主要要求。第一个要求共模GBWCM高于差分GBWDM。但是这取决于应用场景。事实上,如果共模放大器很慢,只提供直流偏置,那么电源线或衬底上的高速尖峰会将输入器件或有源负载推到线性区域。 缓慢的共模反馈将花费太多的时间来恢复输入级的偏置。在此期间,高速差分放大器将停止运行。这就是这个规范参数首先出现的原因。

在一些特定的电路中,如一些 δ-Δ转换器高速放大器只用于低频区域。在这种情况下,该规范参数可以大大放宽!要求GBWCM与GBWDM一样大将需要大量的功耗,这与最后的规格参数直接冲突。我们将看到,没有什么简单的办法来避免这种妥协。原则上,一个全差分放大器只是使功耗翻倍。最后,输出摆幅也是一个问题。它受差分放大器的输出摆幅和CMFB放大器的共模输入范围(以较小者)的限制

图 7  全差分放大器的要求

 

差分放大器和共模放大器不一定具有相同的负载电容。 下图概述了我们有两个连续的全差分放大器的情况,两者都用差分反馈来设置增益和带宽。电容CL是对地的寄生电容,它们显然取决于互连线的长度和性质。电容CM是一种相互电容 ( Mutual Capacitance )。现在推导出了差分电容和共模负载电容

图 8  负载电容

 

下图概述了一个放大器输出端上的所有电容, 还包括下一个放大器的输入电容。这些虚拟的地被当作是真实的地。 增加一个输入电压以测量输出处的总电容。是差分输入电压查找差分负载电容,但是CMFB放大器负载电容的共模输入电压

 

图 9  负载电容 CIN

 

对于差分操作,差分输入电压会遇到负载电容 CINDM,如下图所示。 差分负载电容非常小。 它只包含互电容和所有其他电容的一半

图 10  负载电容 CINDM

 

对于共模操作,共模输入电压可以看到一个更大的负载电容CINCM。反馈电容器CF和采样电容CS都增加了一倍。CMFB放大器必须驱动比差分放大器驱动的更大的负载电容。此外,它总是以单位增益联系起来的,因此稳定性更难实现。这是试图尽可能减少功耗的两个原因。

图 11  负载电容 CINCM

 

即使使用了最简单的、单级的、全差分的放大器,我们也必须小心地处理负载电容的定义。毕竟,这个负载电容决定了GBW! 对于浮动电容(在下图左侧),我们必须在差分GBWDM中包括该电容两次,而且也没有共模的负载电容!因此,它的GBWCM将是无穷大的。

有两个接地的电容,情况非常不同。差分负载电容较小,它是CL本身。共模负载电容不为零,它是两倍的CL

图 12  GBWDM 和GBWCM

Posted in CMOS模拟集成电路

发表评论

您的电子邮箱地址不会被公开。

Leave the field below empty!

相关链接