电流控制型高增益共模反馈电路的设计

　　0 引言

　　随着半导体技术的发展，工艺线宽不断减小。线宽的减小不仅限制了电路的电源电压，同时也抑制了电路的输出摆幅。这样，在小线宽的工艺中，全差分运放相对于单端输出运放输出摆幅较大的优点就变得更加明显。除此之外，全差分运放对共模噪声和高阶的谐波失真也有更好的抑制作用。

　　在高增益的全差分运放中，输出共模电平对器件的特性和失配相当敏感，而且不能通过差模反馈来达到稳定，这就要求我们必须引入额外的负反馈电路来稳定共模电平，该电路即为共模反馈电路。共模反馈电路的工作原理如图1所示。首先，通过共模电平检测电路检测得到输出的共模电平。然后将检测得到的共模电平与参考共模电平进行比较。最后，再将得到的误差信号通过放大器放大并反馈回运放的偏置电路以调节输出共模电平。这样，输出共模电平的任何微小波动都可以通过反馈回路放大后再输入运放中，以对其波动进行抑制，从而达到稳定输出工作点的目的。

　　1 电流控制型高增益共模反馈电路设计

　　通常的一级全差分运放一般有连续性和开关电容型两种类型的共模反馈电路。连续型共模反馈中MOS管的阈值电压会限制运放的输出摆幅，而开关电容型共模反馈电路虽然避免了对输出摆幅的限制，但却存在增益过低的缺点，并且会提高对反馈环路稳定性的设计要求。为此，本文设计了一种高增益的连续型共模反馈电路，其具体的电路结构如图2所示。

　　这种共模反馈结构采用运放差分输入的形式来检测共模电压。由于利用了MOS管具有大电阻的特性，因而避免使用常规电容电阻进行分压，降低了对运放增益和带宽的影响。而采用两级电流镜结构通过检测镜像电流来控制运放的共模工作点，也达到了高增益的要求。

　　由于该电路主要是在共模电压下工作，故可将差分输入电路等效成单边的共模等效电路，图3所示为其等效电路。由图3可以看出，整个等效电路主要由两个翻转的电流镜结构构成，通过将输入共模电压控制的电流与理想的共模电压控制的电流进行比较，即可将输出电压反馈回运放，从而控制运放的输出共模电压。其中：

　　由两级的电流镜结构可以得到：

　　虽然，在实际的电路仿真中，Vs1不可能完全等于Vs9，但通过控制栅源电压差相等，同样可以达到稳定共模电平的作用。

　　整个电路的环路增益，可通过电路小信号模型求出：

　　联立求解上式既可得到共模反馈的环路增益：