共模反馈环路稳定性分析及电路设计.pdf

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1、第11卷第2期2009年2月谈础参考VoI．11No．2Feb．2009共模反馈环路稳定性分析及电路设计金杰，王松林，来新泉，曲玲玲(1．西安电子科技大学机电工程学院，陕西西安710071；2．西安电子科技大学电子工程学院，陕西西安710071)摘要：系统介绍了全差分运放中的共模反馈原理．并对采用一级共模反馈的两级运放的拓扑结构进行了分析，从而推导出了环路的稳定条件，并基于这个条件设计了一种成本低、匹配好的共模反馈电路．该电路可避免由于共模外环正反馈导致电路出现的“锁死状态”。本电路的设计基于TSMC0．5u

2、mBi—CMOS工艺。Spectre@真结果表明：运放工作性能良好，可稳定输出共模电平关键词：共模反馈；环路；稳定条件；避免“锁死状态”0引言际经验、反复调试来得到稳定环路。笔者通过对最常用的、采用一级共模反馈的两级运放的环路全差分运放ffullydifferentialoperation)相对进行稳定性分析，明确得出了其稳定条件．从而于单端输出电路来说。不仅输出摆幅更大、共模理论化了共模反馈电路的设计。然后基于这个条噪声抑制更好，还能消除高阶谐波失真。然而．件，并采用Bi—CMOSI艺设计了一种低成本、高在

3、高增益运放中．输出共模电平对器件的特性和稳定、匹配好的共模反馈电路。整个运放可应用失配相当敏感．而且不能通过差模反馈来达到稳于一款高性能音频CLASS—D芯片。定。因此，必须额外引入负反馈机制，即共模反馈(CMFB)来稳定运放的共模输出电平。共模l共模反馈环路分析及稳定条件反馈的基本原理是先通过检测网络得到输出共模图l所示是全差分运放的一种典型应用电路．电平。，然后将⋯和一个参考电压(一般该电路中共有三个环路：差模环路、共模反馈外为电源电压的一半)相比较，再用得出的误差信环f结构相同，由R1、R2及运放本身构

4、成)；以号来调节运放的偏置电流，从而达到使输出共模及共模反馈内环(运放内部自带1。只有在三个环信号稳定的目的。这种方式的设计要点如下：路均稳定的条件下，该运放才能正常工作。须特(1)共模信号检测应具有线性特性；别注意的是：对于两级运放，共模反馈外环是一(2)共模反馈环路的增益必须尽可能的高；个正反馈。因为信号经过运放内部的两次反相f3)共模反馈环路的带宽不能小于差模通路后，共模信号从。反馈到i，是同相的，但对差f在许多实际应用中，这两个带宽必须一致1；模信号则是反相的。实际应用中，运放的输入端f4)确保共模环

5、路稳定；可能出现非常大的共模电平f即使它是瞬时的)，(5)应引入保护机制，以避免“锁死状态”R，的出现(输出保持在电源电压的情况)。目前已经有了大量关于差模反馈环路稳定性的理论研究．而对于共模反馈环路的研究却很少。现有的共模反馈电路的设计更多的是通过实R2收稿日期：2008—09—22图1全差分运放的典型应用电路WWW．ecd~cn2009．2电子元器件主硐47第11卷第2期电子元器件焘用Vol_1lNo．22009年2月ElectronicComponent&DeviceApplicationsFeb．20

6、O9这将导致输入对管关断，输出电平接近电源电即可保证在差模开环稳定时．其共模内环也压。由于此时差模回路中断，整个外环呈现共模稳定。正反馈．这就会使运放呈现“锁死状态”。由于继续分析由运放构成的环路。设运放的反馈这种情况很可能发生在电路的启动过程。因此，系数为13(一般地，p≤1)，那么，其差模环路传对于共模环路的稳定性研究很有必要。输函数A呷(S)为：图2所示是采用一级共模反馈的两级运放的Aa。。典型拓扑结构。其中i、。分别为运放的输一f1+1(1+_兰_)PAPB入、输出共模信号。A。、A：为运放的第一、二

7、在式(1)～(4)中，PP队pc为A、B、C处级一般对两级运放多采用密勒补偿，使A点为的极点，A(0)、A(0)、A张(0)、A(0)分别为主极点，B点为次主极点。A张处设定比较电平对应部分的直流增益。这样，当环路稳定时，f以下称之为共模反馈运放)；A为共模内环与差A。(s)必须满足：模第一级的相交部分。各子运放均为单级运放，fAdloop=180。并假定它们内部的零、极点均远远大于带宽。共m_模反馈信号通过调节运放第一级的偏置电流，可【IAI<1以达到稳定第一、二级输出共模电平的目的。这考虑到：l的最坏情况

8、，冉联系式(2)、(4)，个拓扑结构将j个环路紧密联系起来，其共模环可得：路完整包括了运放的第二级和运放差模通路的AdrnJ(S)=AdmoI(S)(6)主、次极点，而忽略了带宽外零极点。逐一分析也就是说，差模环路与开环传输函数一致。三个环路，即可得}{J其共模环路的稳定条件。使A(S)满足式(3)，忽略极点C的作用，即可得到共模外环传输函数Am_l(S)为：A(S)：—Lcmim~p>一w(1+土