全差分運(yùn)算放大器就是一種具有差分輸入，差分輸出結(jié)構(gòu)的運(yùn)算放大器。差分放大器相對(duì)于單端輸出的放大器具有如下一些優(yōu)勢(shì)。首先，由于隨著 CMOS 工藝尺寸不斷縮小，從0.5μm減小至 0.35μm，0.18μm，90nm，芯片的供電電壓也不斷減小從5V降 到3.5V，1.8V，1.2V甚至更低。在如此低的供電電壓的情況下，單端輸出的運(yùn)算放大器很難能理想地工作，為了保證電路能夠得到足夠大的信號(hào)擺幅，我們需要采用全差分的運(yùn)算放大器結(jié)構(gòu)。其次，全差分運(yùn)算放大器能夠有效抑制電路的共模信號(hào)，并且能夠減小電路的偶次諧波失真。但是為了得到這些性能，全差分運(yùn)算放大器需要一個(gè)共模反饋環(huán)路來控制輸出的共模電平。理想情況下，這個(gè)共模反饋控制環(huán)路會(huì)使得輸出的共模電平穩(wěn)定在VDD/2。所以，一個(gè)全差分放大器通常由主放大器和共模反饋環(huán)路兩部分組成，它在現(xiàn)代的電路設(shè)計(jì)中應(yīng)用非常廣泛。

1.全差分運(yùn)算放大器結(jié)構(gòu)框圖

共模反饋的基本思想就是由一個(gè)共模采樣電路取得電路的輸出共模信號(hào)，然后把共模信號(hào)與一個(gè)參考信號(hào)相比較，將比較后的誤差信號(hào)放大后再輸入主放大器以調(diào)節(jié)輸出共模電壓。對(duì)于輸入的差分信號(hào)來說，共模反饋環(huán)路不會(huì)對(duì)交流信號(hào)產(chǎn)生影響，相當(dāng)于說共模環(huán)路對(duì)于交流是開路的。所以，電路的差分增益和相位就由主放大器決定。但是，對(duì)于輸入的共模信號(hào)，共模反饋環(huán)路決定了輸出的共模電平，這時(shí)，共模環(huán)路的增益和相位就會(huì)對(duì)電路的輸出共模電平的精度和穩(wěn)定性產(chǎn)生影響。

全差分放大器在應(yīng)用中的一種電路形式，差分輸出的信號(hào)擺幅 vO1-vO2 為單端信號(hào)vO1(vO2)擺幅的兩倍，所以在輸出端可以有較大的輸出動(dòng)態(tài)范圍，相對(duì)于單端輸出提高了處理信號(hào)的幅度能力。

2. 常見的全差分運(yùn)算放大器電路

(a)是普通的全差分放大器電路，通常作為一個(gè)放大器的輸入級(jí)部分。圖7-3(b)是折疊式全差分運(yùn)算放大器電路，它的增益會(huì)比較大，可以達(dá)到 60~70dB，但同時(shí)會(huì)消耗比較大的功耗，因?yàn)樗兴臈l支路需要電流。折疊式運(yùn)算放大器在實(shí)際的應(yīng)用中會(huì)比較廣泛，因?yàn)樗鼏渭?jí)的增益比較大，這樣可以避免使用多級(jí)電路實(shí)現(xiàn)高增益，也就避免了多級(jí)放大器的頻率補(bǔ)償問題。

圖7- 4(a)是套筒式全差分運(yùn)算放大器電路，它的增益和折疊式全差分運(yùn)算放大器差不多，但速度會(huì)快些，輸入共模范圍會(huì)小一點(diǎn)。圖7- 4(b)是電流鏡形式的全差分放大器，它的速度比較快，但是它需要的電流也比較大

表7-1比較了套筒式共源共柵和折疊式共源共柵結(jié)構(gòu)的性能特點(diǎn)，因?yàn)檫@兩種電路結(jié)構(gòu)在實(shí)際的設(shè)計(jì)中用到的最多。

3. 共模反饋的原理

由于全差分運(yùn)算放大器的共模輸出電壓不能通過差分信號(hào)的負(fù)反饋來控制，所以我們需要一個(gè)額外的共模反饋環(huán)路來確定輸出的共模電平，這個(gè)共模電平的選擇原則通常是用來得到最大的差分輸出增益或者是最大的輸出電壓擺幅。

共模反饋電路通常由共模電壓采樣電路和誤差放大電路兩部分組成，通常有:

其中，Vo,cm 為輸出共模電平，Vo,dm 為輸出差分電壓，α1，α2，α3 為系數(shù)。

對(duì)于理想的共模電平采樣電路，后面兩項(xiàng)均為 0。α2Vo,dm 來自共模電平采樣電路的不可避免的失配，α3Vo,dm2 是由于電路的非線性 I-V 特性所導(dǎo)致的。

對(duì)于全差分運(yùn)算放大器電路，由于其擁有共模放大和差模放大兩種信號(hào)，為了考慮共模和差模之間的交叉放大，所以通常會(huì)使用信號(hào)流圖來簡(jiǎn)化全差分運(yùn)算放大電路。

其中 ADD(ASC)是我們想要的差分增益(共模增益)，ADC，ACD(ASD)來自電路內(nèi)部的管子之間的不匹配，ACC 來自于主放大器的非理想電流源，ADS 來自共模電平采樣的不匹配，ACS 是共模電平采樣的增益。α1 和 α2 分別對(duì)應(yīng)于 ACS和 ADS。

因?yàn)閳D7- 7的信號(hào)流圖中有兩個(gè)不同的環(huán)路，VS和Vo,cm之間是共模環(huán)路，其環(huán)路增益(Loop Gain)為 LGCM= ASC·ACS;VS 和 Vo,dm 間的環(huán)路的存在會(huì)影響差分信號(hào)的輸出，可以把這個(gè)環(huán)路稱為內(nèi)部差分環(huán)路，其環(huán)路增益為 LGDM= ASD·ADS。但是，LGDM 比 LGCM小很多，幾乎可以不考慮。另外，圖 7- 7中還給出了共模信號(hào)和差分信號(hào)之間的交叉增益，可以表示為 ΔLGCM=ACS· ASD 和 ΔLGDM=ADS· ASC。

使用 Mason 公式，我們可以得到如下公式(號(hào)表示有效增益):

其中，D=1-LGCM-LGDM

有效的開環(huán)差分增益ADD幾乎等于ADD。

對(duì)于典型值來說，共模反饋環(huán)路對(duì)于整個(gè)放大器的 CMRR 沒有明顯的影響，因?yàn)镃MRR* = ADD*/ACD* ≈ CMRR。

但是，共模電平采樣的不匹配會(huì)導(dǎo)致顯著的差分到共模的增益ADC。

4.共模采樣的結(jié)構(gòu)

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共模反饋環(huán)路在通常的全差分放大器中是必須的，它確定了放大器的輸出共模電平，穩(wěn)定了輸出端信號(hào)。一個(gè)好的共模反饋環(huán)路應(yīng)該是和差分環(huán)路具有相似的通路，如果共模環(huán)路和差分環(huán)路可以共用，那將是非常好的。

電容CM 采樣差分放大器的輸出共模電平，VCM 通過電容C1 被電容CM 采樣，VCM_REF用來調(diào)節(jié)放大器的尾電流源。開關(guān)電容的共模反饋在兩個(gè)方面優(yōu)于連續(xù)時(shí)間的共模反饋， 一個(gè)是對(duì)放大器的輸出擺幅上沒有了限制，另一個(gè)就是避免了阻性的負(fù)載。但是，開關(guān)電容電路也帶來一些負(fù)作用。一個(gè)是開關(guān)引入了大量的噪聲，這在某些低噪聲應(yīng)用中會(huì)成為主要的噪聲來源。另一個(gè)就是開關(guān)引起的電荷注入會(huì)導(dǎo)致一定的失調(diào)。

總體來說，連續(xù)時(shí)間共模反饋和離散時(shí)間共模反饋各有優(yōu)缺點(diǎn)，在選擇共模反饋電路時(shí)要根據(jù)實(shí)際電路情況進(jìn)行確定。