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(folded cascode)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(settling time)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-sense amplifier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,sense resistor 会load输出,减小了开环差动增益,考虑通过voltage buffer的办法,如source follower,但其也会限制输出的差动摆幅(output swing)
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–differential difference amplifier (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 transistors in triode region (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cmfb
SC-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(Ken Martin),但是也有其他论文谈到不同的选择方法,如:
Ojas Choksi, L. Richard Carley: Analysis of Switched-Capacitor Common-Mode Feedback Circuit, IEEE Transactions on Circuits and Systems—II: Analog and Digital Signal Processing, Vol. 50, No. 12, DEC 2003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’s Guide 上的 ‘Simulating switched-capacitor filters with SpectreRF’ 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
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