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带误差放大和源随器的全差分放大器

带误差放大和源随器的全差分放大器

 

  1. 带误差放大和源随器的全差分放大器

CMFB 的第一个原理的主要优点是不需要额外的电源,主要的缺点是,该 CMFB 放大器可能速度不够快,这取决于应用。而这第二个原理则有完全相反的特征,它还需要另外两个级,从而导致更多的功耗。然而,速度可以独立于差分放大器来设置,并可以设计的随意大。

这个全差分放大器使用两个相等的电阻R 来抵消差分信号, 由此获得晶体管M2 栅极的共模偏置电压,因此,没有存在偏置的问题。电流源 IB确定所有电流。

主要的缺点是,必须增加电阻R的尺寸,以确保大的增益。一个简单的解决方案是在输入晶体管 M1的漏极和两个电阻R之间插入源随器,如下所示。小的R 值于是可行的。

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图 1    电阻共模反馈的全差分放大器

 

电路示意图如下图所示,差分放大器只是一个折叠级联 OTA,加载 4pF电容。 然后它的GBWDM 很容易得到。在输出处又添加了两个源随器,这是CMFB 所需的,但也可以用作差分操作的输出。

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图 2    有源随器的全差分放大器,差分模式

 

在下图中突出显示了CMFB 放大器。它多了两个级来实现这个反馈回路,第一个是由两个源随器组成以提供低阻抗输出。它们需要能够将两个电阻Ra 连接到输出端,以提供差分信号的准确消除。左边的另一级是误差放大器,它将平均输出电压与参考电压进行比较,并反馈到级联级的偏置。

很明显,需要大量的功耗来偏置这两个额外的级,因此最小化功耗是最重要的。

晶体管 M6是输入器件,因此GBWCM 很容易获得。源随器只有单位增益。由于误差放大器只有一个输出,损失了 2 的因数; 由于GBWCM 的设置独立于差分输入,因此它可以设置为大于GBWDM 的任何值。

显然,我们非常担心这个多级 CMFB放大器的稳定性。具有非主导极的节点是输出、M6AB 的栅极和电源镜 M2/M7 的栅极。最重要的一个可能是在 M6AB的栅极,这取决于Ra 的选择。在这个节点上,电阻Ra 并联,输入电容 CGS6 串联, 其在 fndCM 中给出两倍的因子 2。 零 fz 与 Ca 一起引入以补偿此 fndCM 。

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图 3    有源随器的全差分放大器,共模

 

2. 没有源随器的折叠级联 OTA

之前实现中的源随器需要很大的功耗,这就是为什么它们在第三种 CMFB中被排除在外。另一个需要小的功耗,然而其他一些缺点会出现,输出摆幅将受到CMFB 放大器的限制,而不是差分放大器的限制。

CMFB 的误差放大器现在在右边。差分放大器只是一个传统的双级米勒放大器,有一个对称放大器作为输入级。因此,GBWDM 很容易获得。输入对的偏置由CMFB 提供,如下图所示。

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图 4    有误差放大器的全差分放大器,差分模式

 

误差放大器由两个差分对M58-61 组成,每一个对都连接到差分放大器的输出端。他们将输出直接与地进行比较,这显然是电源电压的一半。平均输出电压被定义的很明确。

现在在这两个差分对的输出端执行差分信号的消除并反馈到输入对的电流源 M5/M6。因此,GBWCM 由下图所示的共模对M58-61 确定。同样,再次损失了 2 倍,因为这些共模对只取了一个输出。

但它可以设置为任何值,如果需要,可以高于GBWCM。这种CMFB 配置的主要优点是,它需要更少的功耗,但提供了一个宽带 CMFB放大器。然而,唯一添加的非主导极是在 M5/M6的栅极。该解决方案的主要缺点是,输出摆幅受到 CMFB 放大器的共模输入范围的限制。差分对M58/M59 将范围限制在约 2.8(VGS−VT)。差分对放大器的输出摆幅是轨到轨的。

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图 5    有误差放大器的全差分放大器,共模

 

这种共模反馈的一个例子是下图中显示的放大器,输入级由AB 类差分对组成,它们的输出通过级联晶体管电流镜(M15/M18、M10/M11、M16/M17、M9/M12)到输出,因此它是一个差分操作的对称 OTA。共反馈放大器由两边的两个差分对组成,两个连接用于消除差分信号, 然后将输出反馈到级联 M13 和 M14 的源极到输出 。

很明显,在CMFB 放大器中消耗了很多电流。此外,输出摆幅受到如下图中所述的CMFB 差分对的输入范围的限制。

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图 6    AB 类全差分放大器

 

作为比较,下图中列出了三种类型的CMFB 放大器。很明显,第一种类型,MOSTs 在线性区,具有最低功耗,它不提供与其他两个宽带相同的宽带性能,它只使用一个单一的放大器。它的输出摆幅受到级联的限制,但它仍然可以是总电源电压的80% 左右,这一点还不算太差。第三种类型的CMFB 放大器需要额外的一个放大器,即误差放大器,其速度较好,但其输出摆幅受到输入共模范围的限制。

此外,中间的CMFB 放大器需要源随器,它现在需要三个放大器级,这需要大量的功耗。它的输出摆幅现在主要受到源随器的限制。事实上,它们的VGS 值直接从输出波动中减去。

在CMFB 对中增加更多的差分对使得对匹配的要求更加严格 ,晶体管在线性区的第一个方案需要比其他方案区域更严格的容差,需要进行详细的分析来证明这一点,但这一点却被忽略了。

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图 7    比较

 

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