全差分放大器设计

对于全差分放大器，一般可以得到更大的swing(由于差分信号)，同时可以实现对共模干扰、噪声以及偶数阶的非线性的抑制；但其需要有两个匹配的反馈网络，以及共模反馈电路顺便提一下，对于全差分的折叠共源共栅（foldedcascode）放大器，需要注意转换速率（正向与负向）对输入对差分对的尾电流源和cascode电流源的考虑非主极点的位置–输入对管的drain节点（注意全差分没有镜像极点的问题..），如果考虑PMOS输入的结构，将会折叠到n管的cascode，从而减小此节点阻抗，提高此非主极点的频率；但是P输入结构亦有其问题，如直流增益和cmfb电路的速度（考虑cmfb控制的为cascode的pmos电流源）关于共模反馈CMFB从反馈环路来看，共模的稳定问题来源于闭环的共模增益：由于输入差分对的尾电流源的local-feedback，通常共模增益较小，导致运放无法控制其输出共模点；通过CMFB共模反馈电路，可以提高共模反馈环路的增益，以稳定共模信号。设计CMFB需考虑补偿以减小环路的稳定时间（settlingtime）和提高稳定性。从性能上，我们希望共模反馈的单位增益带宽足够大，但由于cmfb的环路相较于差模通路可能有更多高频极点，故此在一定的功耗要求下其UGB一般比较难做的高，有书中提到可以将其设计为差模UGB的1/3一般共模反馈的方法是控制放大器的电流源，这里如果是folded-cascode的结构，可以考虑用cmfb控制cascode的电流源而不是输入差分对的电流源—-因其在共模环路中有较少的节点–更容易补偿等..（另一种考虑是控制尾电流源可能导致共模增益的问题)另外，对于cmfb控制的尾电流源，常见将尾电流源分为两半，其中之一由cmfb控制，另一半接恒定偏置电流；这种结构的具体分析可见Gray书12.4.2节的内容，简单来说，single-stage的opamp中控制尾电流源的cmfb结构，其UGB主要为gmt/CL,其中gmt为尾电流源的跨导，这里拆分尾电流源来减半cmc共模控制的部分，这样UGB减小，即缩减带宽来提升共模反馈环路的相位裕度，当然cmfb的增益相应也减小了；另外恒定偏置部分也可帮助共模电压的初始建立，减小cmfb大的扰动。具体的，共模反馈可以分为连续时间和开关电容两类连续时间的共模反馈一般的问题是信号幅度的限制和共模信号干扰，具体的共模反馈的方法：1.电阻分压resistive-divider（如下左图）电阻和cm-senseamplifier的输入电容会引入一个极点，可以通过在电阻上并联电容的方法，引入一个左半平面零点，来减小高频极点的影响另外一个问题，senseresistor会load输出，减小了开环差动增益，考虑通过voltagebuffer的办法，如sourcefollower，但其也会限制输出的差动摆幅（outputswing）关于控制尾电流源和直接inject电流的方法的比较（Gray书）2.双差分对或DDA–differentialdifferenceamplifier（如下右图）对输出的differential–swing的限制（由于直接取分输出信号到cmfb的差分对，为使其工作于饱和区，运放输出swing受限于cmfb差分对的差模输入范围）详细的大信号分析–输出差模对输出共模的影响3.深线性区的mos管transistorsintrioderegion（主要可见Razavi书中的分析）对输出swing的要求较小的cmfb环路增益和带宽关于开关电容cmfbSC-CMFB结构，一般常用在开关电容电路中，对比连续时间的CMFB电路，他支持更大的信号摆幅，同时减小了对输出swing的限制，也没有阻性的负载效应；但需要两相非交叠时钟，同时会因非线性时钟馈通注入噪声。开关电容cmfb一般结构可见下图，简单来说可以认为电路通过C2取得输出信号共模，并用C1给其以DC点（settle到Vcmref-Vbias的电压）。一般的开关电容cmfb：C1应在C2大小的1/4到1/10之间（KenMartin），但是也有其他论文谈到不同的选择方法，如:OjasChoksi,L.RichardCarley:AnalysisofSwitched-CapacitorCommon-ModeFeedbackCircuit,IEEETransactionsonCircuitsandSystems—II:AnalogandDigitalSignalProcessing,Vol.50,No.12,DEC2003中具体关于电容大小和开关非理想性的介绍对于SC-CMFB的仿真,与开关电容电路类似,主要是pss–pac的方法（当然另外也有提到先做瞬态.tran分析，再利用‘prevoppt’取settle后op点做ac分析的方法）；一般可以参考的是Designer’sGuide上的‘Simulatingswitched-capacitorfilterswithSpectreRF’的这篇论文；如果主要是对差模信号的分析，也可将开关电容的共模反馈电路用连续时间的近似模型代替，如下图