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其它的全差分放大器

其它的全差分放大器

 

大多数全差分放大器使用三种 CMFB 结构的其中之一,它们还可以对这些配置使用一些变体,如下图所示。还有一些信号交换解决方案,用于数据采样系统。

下图中显示了第一个例子,它由一个用于差分操作的折叠级联 OTA组成,增益提升被添加到所有的级联中。它的GBWDM 为数百兆Hz,增益可以高达 100dB。CMFB 放大器从源随器开始, 因此属于第二类。但是,没有使用误差放大器来降低功耗。不需要误差放大器的额外增益,因为共模反馈应用于晶体管 M4的栅极,晶体管 M4的输出也具有增益提升的级联。共模环路增益确实足够高。

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图 1    有增益增强的全差分放大器

 

下图显示了第二类全差分放大器的另一个很好的例子, 它使用两级米勒运算放大器。 这提供了额外的优势,即中频下的输出阻抗不是那么高。 现在可以忽略源随器,只需要一个误差放大器。

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图 2   低电压 DIDO

 

下图中显示了第三类 CMFB 放大器的一个示例,这种CMFB 放大器的主要缺点是它的输入范围很有限。如下图所示,添加源电阻 R可以增强此输入范围。因此,线性特性得到了很大的提高。注意,平均输出电压是参考电压 VDC 和 VGS7的电压之和。此外,晶体管 M7 被等分,通过晶体管 M7的所有四个直流电流均相等。差分信号的抵消现在通过交叉耦合进行。

插入电阻R的另一个优点是提供给差分放大器的输入电容负载最小,这样,就可以获得高频、全差分的运放。

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图 3    线性共模放大器

 

这个全差分放大器使用了一个类型1 的 CMFB,即晶体管位于线性区域(在下图右侧)。差分放大器只是一个折叠的级联 OTA。与Rcomp 连接的附加电容 Ccomp 用于提高其高频性能(20MHz以上)。CMFB 放大器由线性区域中的 MOSTs  M20/M21 和电流镜 M23/M17 和M15/M9,10 组成。这是一个宽带放大器,但以额外的功耗为代价。由于晶体管 M19-21具有与其电流匹配的尺寸,输出最终围绕参考电压 Vref 而结束。

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图 4    分离线性晶体管共模反馈的全差分放大器

 

当几个全差分放大器串联使用时,例如对于高阶滤波器,不需要在每个级周围单独使用CMFB。为了节省功耗,CMFB 可以串联应用于两个差分放大器上,如下图所示。现在,在第二个放大器的输出处测量平均输出电压,并应用到第一个放大器的共模输入处。由于第一个放大器的共模输出用于设置第二个放大器的偏置,因此所有共模电平都定义良好。

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图 5   共模反馈在两个和多个放大器上

 

共模反馈也可以嵌入下图显示的差分放大器中,这是一个具有电流因子 B的对称 OTA。然而,电流镜 M2/M3具有晶体管 M4的附加输出电流,以抵消二极管连接的MOST M6 处的差分信号。后一种器件是关闭反馈回路的电流镜 M5/M6的输入。实际输出电压可以通过使用由其他一些 CMFB 回路驱动的晶体管 M7 注入电流来调整。此解决方案中的额外功耗相当适中。此外,输出摆幅不受CMFB 放大器的阻碍。因此,这确实是一个很有吸引力的解决方案。

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图 6   在两个伪差分放大器上的共模反馈

 

当一个时钟可用时,如在所有的采样数据电路中一样,它可以用于一个低功耗的CMFB 环路。这个放大器就只是一个对称的OTA。 输出由一些开关和电容来测量,它们向晶体管 M11/M12的栅极提供共模反馈。

此反馈不直接应用于M8/M6的栅极,以确保输出器件不能切换所有的电流。对于电源线或衬底中的共模干扰,可以通过这种方式避免输出处的大瞬变。为了了解这个电路是如何工作的,当所有晶体管都导通时复制它,由时钟 ɸ1 驱动,然后当所有晶体管导通时,由时钟 ɸ2 驱动。

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图 7   SC 共模反馈的全差分放大器

 

这个电路和以前完全相同,在下图中,时钟ɸ1 高电位,由此时钟驱动的所有晶体管都导通,其他的都截止,粗线表示信号可以采用哪些路径。显然,输出通过电容 C1/C2 交流耦合,它们的差分内容就会被抵消,最后将该信号施加到晶体管 M12的栅极,以关闭反馈回路。

GBWCM 由gm12 和输出负载电容设置。由于耦合电容C1/C2,因此未定义M12 栅极处的直流电平。这就是为什么其他两个电容 C3/C4 被预充电到适当的直流电压。它们的左侧设置为模拟接地(Vdd/2),而右侧设置为偏置电压,这与电流镜晶体管 M5/M6/M8 的栅极电压相同。在下一阶段,电容被交换,如下一张图所示, 因此确保了连续的 CMFB。

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图 8    SC 共模反馈的全差分放大器,ɸ1

 

在ɸ2 阶段中,其他晶体管导通,电容C3/C4 提供共模反馈,而其他的电容C1/C2 被复位或预充电。很明显,除了所有开关和电容器的开关功耗消耗外,该解决方案根本不需要任何功耗。然而,这里也有一些缺点,首先,时钟频率会出现在信号路径中,这是时钟注入和电荷再分配的结果,这对所有数据采样电路,如交换电容滤波器,都是正常的。

因此,我们只能在远低于时钟频率的频率下使用这个解决方案。此外,这些时钟注入和电荷再分配信号严重限制了动态范围, 这些信号的互调(和折叠)提供了信噪比的上限。

最后,开关电容增加了CMFB 放大器的容性负载,因此,GBWCM 将减少,共模设置时间增加。

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图 9    SC 共模反馈的全差分放大器,ɸ2

 

Posted in CMOS模拟集成电路

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