全差分運算放大器結構框圖解析 常見的全差分運算放大器電路分析

全差分運算放大器就是一種具有差分輸入，差分輸出結構的運算放大器。差分放大器相對于單端輸出的放大器具有如下一些優勢。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擺幅，我們需要采用全差分的運算放大器結構。其次，全差分運算放大器能夠有效抑制電路的共模信號，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，全差分運算放大器需要一個共模反饋環路來控制輸出的共模電平。理想情況下，這個共模反饋控制環路會使得輸出的共模電平穩定在VDD/2。所以，一個全差分放大器通常由主放大器和共模反饋環路兩部分組成，它在現代的電路設計中應用非常廣泛。

1.全差分運算放大器結構框圖

共模反饋的基本思想就是由一個共模采樣電路取得電路的輸出共模信號，然后把共模信號與一個參考信號相比較，將比較后的誤差信號放大后再輸入主放大器以調節輸出共模電壓。對于輸入的差分信號來說，共模反饋環路不會對交流信號產生影響，相當于說共模環路對于交流是開路的。所以，電路的差分增益和相位就由主放大器決定。但是，對于輸入的共模信號，共模反饋環路決定了輸出的共模電平，這時，共模環路的增益和相位就會對電路的輸出共模電平的精度和穩定性產生影響。

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

2. 常見的全差分運算放大器電路

(a)是普通的全差分放大器電路，通常作為一個放大器的輸入級部分。圖7-3(b)是折疊式全差分運算放大器電路，它的增益會比較大，可以達到 60~70dB，但同時會消耗比較大的功耗，因為它有四條支路需要電流。折疊式運算放大器在實際的應用中會比較廣泛，因為它單級的增益比較大，這樣可以避免使用多級電路實現高增益，也就避免了多級放大器的頻率補償問題。

圖7- 4(a)是套筒式全差分運算放大器電路，它的增益和折疊式全差分運算放大器差不多，但速度會快些，輸入共模范圍會小一點。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構的性能特點，因為這兩種電路結構在實際的設計中用到的最多。

3. 共模反饋的原理

由于全差分運算放大器的共模輸出電壓不能通過差分信號的負反饋來控制，所以我們需要一個額外的共模反饋環路來確定輸出的共模電平，這個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。

對于理想的共模電平采樣電路，后面兩項均為 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 特性所導致的。

對于全差分運算放大器電路，由于其擁有共模放大和差模放大兩種信號，為了考慮共模和差模之間的交叉放大，所以通常會使用信號流圖來簡化全差分運算放大電路。

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 分別對應于 ACS和 ADS。

因為圖7- 7的信號流圖中有兩個不同的環路，VS和Vo,cm之間是共模環路，其環路增益(Loop Gain)為 LGCM= ASC·ACS;VS 和 Vo,dm 間的環路的存在會影響差分信號的輸出，可以把這個環路稱為內部差分環路，其環路增益為 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和差分信號之間的交叉增益，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(號表示有效增益):

其中，D=1-LGCM-LGDM

有效的開環差分增益ADD幾乎等于ADD。

對于典型值來說，共模反饋環路對于整個放大器的 CMRR 沒有明顯的影響，因為CMRR* = ADD*/ACD* ≈ CMRR。

但是，共模電平采樣的不匹配會導致顯著的差分到共模的增益ADC。

4.共模采樣的結構

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共模反饋環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，穩定了輸出端信號。一個好的共模反饋環路應該是和差分環路具有相似的通路，如果共模環路和差分環路可以共用，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用來調節放大器的尾電流源。開關電容的共模反饋在兩個方面優于連續時間的共模反饋， 一個是對放大器的輸出擺幅上沒有了限制，另一個就是避免了阻性的負載。但是，開關電容電路也帶來一些負作用。一個是開關引入了大量的噪聲，這在某些低噪聲應用中會成為主要的噪聲來源。另一個就是開關引起的電荷注入會導致一定的失調。

總體來說，連續時間共模反饋和離散時間共模反饋各有優缺點，在選擇共模反饋電路時要根據實際電路情況進行確定。