摘要：介紹了全差分運放的共模反饋原理，并對閉環工作的一級全差分運放結構進行分析，給出了一種電流控制型的高增益共模反饋電路的設計方案。該方案采用標準CMOS0．13μm工藝庫，并通過CAD仿真軟件驗證，結果表明：該共模反饋電路的開環直流增益可達到95dB，補償后的相位裕度可達到50°，并可在150ns后確保一級全差分運放穩定工作。
關鍵詞：共模反饋電路；電流控制；高增益；全差分運放

0 引言
    隨著半導體技術的發展，工藝線寬不斷減小。線寬的減小不僅限制了電路的電源電壓，同時也抑制了電路的輸出擺幅。這樣，在小線寬的工藝中，全差分運放相對于單端輸出運放輸出擺幅較大的優點就變得更加明顯。除此之外，全差分運放對共模噪聲和高階的諧波失真也有更好的抑制作用。
    在高增益的全差分運放中，輸出共模電平對器件的特性和失配相當敏感，而且不能通過差模反饋來達到穩定，這就要求我們必須引入額外的負反饋電路來穩定共模電平，該電路即為共模反饋電路。共模反饋電路的工作原理如圖1所示。首先，通過共模電平檢測電路檢測得到輸出的共模電平。然后將檢測得到的共模電平與參考共模電平進行比較。最后，再將得到的誤差信號通過放大器放大并反饋回運放的偏置電路以調節輸出共模電平。這樣，輸出共模電平的任何微小波動都可以通過反饋回路放大后再輸入運放中，以對其波動進行抑制，從而達到穩定輸出工作點的目的。

1 電流控制型高增益共模反饋電路設計
    通常的一級全差分運放一般有連續性和開關電容型兩種類型的共模反饋電路。連續型共模反饋中MOS管的閾值電壓會限制運放的輸出擺幅，而開關電容型共模反饋電路雖然避免了對輸出擺幅的限制，但卻存在增益過低的缺點，并且會提高對反饋環路穩定性的設計要求。為此，本文設計了一種高增益的連續型共模反饋電路，其具體的電路結構如圖2所示。

    這種共模反饋結構采用運放差分輸入的形式來檢測共模電壓。由于利用了MOS管具有大電阻的特性，因而避免使用常規電容電阻進行分壓，降低了對運放增益和帶寬的影響。而采用兩級電流鏡結構通過檢測鏡像電流來控制運放的共模工作點，也達到了高增益的要求。

    由于該電路主要是在共模電壓下工作，故可將差分輸入電路等效成單邊的共模等效電路，圖3所示為其等效電路。由圖3可以看出，整個等效電路主要由兩個翻轉的電流鏡結構構成，通過將輸入共模電壓控制的電流與理想的共模電壓控制的電流進行比較，即可將輸出電壓反饋回運放，從而控制運放的輸出共模電壓。其中：
   
    由兩級的電流鏡結構可以得到：
   
    雖然，在實際的電路仿真中，Vs1不可能完全等于Vs9，但通過控制柵源電壓差相等，同樣可以達到穩定共模電平的作用。
    整個電路的環路增益，可通過電路小信號模型求出：
   
   
    聯立求解上式既可得到共模反饋的環路增益：
   
    由上式可以看出，整個電路的環路增益可達到(gm／gds)2的數量級。而一般共模反饋電路的增益大致在gm／gds的數量級。

2 仿真結果
    基于cadence軟件，可在標準0．13μm工藝庫下對電路進行仿真，所得到的共模反饋電路的AC仿真特性曲線如圖4所示。

    由圖4可見，本設計的共模反饋電路的開環直流增益可以達到95dB。另外，通過對共模環路進行補償，其環路的相位裕度也可以達到50°。
    圖5所示是本運算放大器的建立時間曲線。由圖5可以看到，在加入了本設計的共模反饋電路后，全差分的一級運放能夠在150ns后穩定的
共模電平上工作，并且輸出共模電平的誤差在1mV左右。

3 結束語
    本文基于全差分運算放大器的共模反饋原理．設計了一種新的電流控制型高增益共模反饋電路，該電路的增益可以達到95dB，環路相位裕度為50°，建立時間為150ns。將這種共模反饋電路運用于一級的全差分運放中，可以保證運放的正常工作。