关于两级运放共模反馈接入点的考虑


全差分的放大器设计中需要考虑共模反馈,通常得到的反馈控制信号可以接到尾电流源或者负载电流源,这里我们试着对这两种接法的差异做一些分析

下图所示是一个完全反馈的全差分放大器,考虑理想的放大器特性以及共模反馈的作用,此时输入和输出电压都应该为设定的共模电压Vcmo

完全反馈的全差分放大器

这里需要注意的是,对于两级运放,上面的连接实际上在外部形成了一个共模信号的正反馈环路(对单级运放无此问题),即是说,对于运放输入共模信号,通过运放内部两级反相放大,最后输出的是同相信号,由于外部输出直接反馈到输入,因而此共模信号构成正反馈。

考虑到这一正反馈的存在,我们需要使运放内部的共模反馈的环路增益大于此正反馈的环路增益以保证我们所需的共模输出,即Acmfb > beta*Acm, 其中Acmfb为共模反馈的环路增益,beta为反馈系数,Acm为运放的共模增益。

下面所示为通过尾电流源调整的共模反馈方式的全差分放大器,其中cmfb sense部分利用理想模型加以简化。

通过尾电流源调整的共模反馈方式的全差分放大器

这里运放的共模增益Acm,由于尾电流源的等效source-degeneration的作用受到抑制,同时我们在设计中为尾电流源管提供适当的gm,以使Acmfb > Acm, 因此这时整个反馈系统的共模应在Vcmo。 但是,实际的仿真结果显示,系统的共模电压全被拉到地电平左右,只有将理想cm-sense部分的VCVS的增益提到足够高,才能将共模电压拉回Acmo。

对于造成这一问题的原因,我们考虑共模反馈的调整过程,或者某一初始状态,导致尾电流源管进入线性区,此时很可能Acmfb < Acm,导致正反馈起主导作用,且电路将无法恢复到 Acmfb > Acm 的状态,因此无法得到我们设定的共模电压

我们亦可以对调整负载电流源的 cmfb 方式加以类似的分析, 如下面电路所示。

调整负载电流源的cmfb方式

此电路中, 由于 cmfb 的调整不会改变尾电流源对 Acm 的抑制, 因此我们可以很容易的将系统的共模电压设定到 Acmo, 可见对于两级差分放大器, 通过将其 cmfb 信号反馈到负载电流源是一种更好的选择


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关于两级运放共模反馈接入点的考虑》上有4条评论

  1. 杨先生

    版主你好,首先非常感谢您的分享。有个问题想请教,全差分运放的共模反馈,在运放开环时仿真CMFB环路得到的相位曲线是从180度开始变化(这个好理解,因为CMFB是负反馈),但是在运放闭环时(比如本帖第一张图中那样)仿真CMFB环路得到相位曲线是在低频开始从0度开始上升,到一定频率与开环仿出的曲线重叠,这是因为运放的共模增益Acm大于Acmfb吗?为什么在低频处相位为0呢?不过我的实际电路仿DC,DC是正常的,是在设计的状态上。

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    1. windknows 文章作者

      相位从零开始还是有问题的, 不太清楚具体的电路,不过我以前在一些开关电路跑 PSS+PSTB 时遇到类似现象,主要是稳定时间不够导致仿真工作点的偏差.

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  2. LSH

    版主你好,我有一个问题。对于这种两级全差分运放电路,如果有一个初始状态,输入INP INN为0,第一级输出就是VDD,从而第二级输出就是0了,与共模反馈的电压cmfb没有关系,是不是共模反馈就不起作用了?

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