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(lái)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(lái)說(shuō)，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(shuō)共模環(huán)路對(duì)于交流是開(kāi)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(jiàn)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(wèn)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(guò)差分信號(hào)的負(fù)反饋來(lái)控制，所以我們需要一個(gè)額外的共模反饋環(huán)路來(lái)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(lái)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(lái)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(lái)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(lái)自電路內(nèi)部的管子之間的不匹配，ACC 來(lái)自于主放大器的非理想電流源，ADS 來(lái)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(kāi)環(huán)差分增益ADD幾乎等于ADD。

對(duì)于典型值來(lái)說(shuō)，共模反饋環(huán)路對(duì)于整個(gè)放大器的 CMRR 沒(méi)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)

?

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(guò)電容C1 被電容CM 采樣，VCM_REF用來(lái)調(diào)節(jié)放大器的尾電流源。開(kāi)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(méi)有了限制，另一個(gè)就是避免了阻性的負(fù)載。但是，開(kāi)關(guān)電容電路也帶來(lái)一些負(fù)作用。一個(gè)是開(kāi)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(lái)源。另一個(gè)就是開(kāi)關(guān)引起的電荷注入會(huì)導(dǎo)致一定的失調(diào)。

總體來(lái)說(shuō)，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。