专利名称：大带宽连续时间共模反馈电路的设计方法及其电路的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种共模反馈电路。特别是涉及一种应用于全差分运算放大器，以满 足运算放大器高带宽及稳定性要求的具有有第一至第十偏置管的大带宽连续时间共模反 馈电路的设计方法及其电路。
背景技术：
全差分电路由于具有高输出摆幅和对电源等共模噪声的抑制而成为常用电路形 式，全差分电路设计的关键和难点是共模反馈电路的设计，而共模反馈电路是全差分运算 放大器中的必需部分，在高增益放大器中，输出共模电平对器件的特性和失配相当敏感，而 且不能通过差动反馈来达到稳定。因此，必须增加共模反馈网络来检测二个输出端的共模 电平。共模反馈电路一般分为两个部分共模检测电路和比较放大器电路。基本原理是通 过共模检测电路检测出输出共模电压，然后输入比较放大器电路和预先指定的输出共模参 考电压相比较，将它们的差值放大并返回到原电路对输出共模电压的偏移进行校正。如果 缺乏好的共模反馈电路，一方面会造成输出共模电压波动，并会通过电路的不对称性而转 化为差分输出，破坏差分输出信号；另一方面，输出共模偏离预定值会导致差分输出摆幅受 限，进而造成削顶或削底失真，此时检测出的共模值偏离实际输出错误的共模值，进而返回 错误的控制电压进一步造成共模电压偏离正常值，严重影响电路性能。共模反馈电路通常可以分为连续时间共模反馈电路和开关电容共模反馈电路，其 中1、开关电容共模反馈电路开关电容共模反馈电路对输出共模电压的反馈控制是离散的，是在每次电荷转移 的半个时钟周期中完成的，校准也是在不断重复的半时钟周期内完成的，如图1所示的开 关电容共模反馈电路，一直沿用至今。图1所示的开关电容共模反馈电路工作过程如下在Ph2相，电路处于积分相，开 关S2+、S2-、S4闭合，Si+、Si-、S3打开，共模反馈采样电容C3和C4将参考电压和偏置电压 (Vref-Vbias)决定的电荷保存起来，输出电压取样电容C1、C2分别连接在运放的正负输出 端和共模反馈控制端，其上的电压将运放输出共模值维持在指定值附近；在Phl相，电路进 行采样保持，共模反馈电路中开关Si+、Si-、S3闭合，S2+、S2-、S4断开，电容C3、C4和Cl、 C2进行电荷分配，以完成一次输出共模的矫正。理想情况下，通过无数次的电荷转换过程 可以使(Vcm-Vsense)稳定在(Vref-Vbias)(其中Vcm为输出共模电压(Voutp-Voutn)/2， Vsense为连接到运放中的电流源栅极的共模反馈控制电压，Vref为期望输出共模参考电 压，Vbias为期望的共模反馈控制参考电压)。开关电容共模反馈电路已经成功应用于数据采样系统中，尤其是在全差分开关电 容电路中。开关电容共模反馈电路因为会引入时钟耦合和离散工作状态使差分输出信号出 现毛刺而不适合用于连续时间电路中。2、连续时间共模反馈电路
连续时间共模反馈电路主要应用于连续时间电路中，连续时间共模反馈电路对输 出共模电压偏移的校准是连续进行的。如图2所示，电路工作过程如下通过电阻R1、R1检 测运放的输出共模电平(也可以用其他方法例如利用深线性区工作的MOS管进行运放共模 电平检测)，然后将检测到的电压值Vcmfb与共模电平Vcm接到误差放大器上，将误差放大 并返回作为运放中电流源栅极的控制信号。通常，误差放大器为一级共源放大结构，这样共 模反馈回路至少又增加了一级共源放大，对于大带宽的应用要求，共模反馈回路很难满足 足够相位裕度的应用要求。
如图3所示，传统的连续时间共模反馈中，共模反馈的反馈点接在运放中偏置管 的栅极，带传统共模反馈电路的全差分运算放大器，电路如图4所示，这样的话，从输入端 Vcfflfb和Vcm到运放输出端Voutn和Voutp，相当于是在共模反馈共源放大器的基础上增加了 一级折叠共源共栅放大器和一级共源放大，对于大带宽运放而言，共模反馈电路的相位裕 度将很难满足。通过将反馈点接到运放中偏置管的漏极，使共模反馈电路实际为一级共源共栅结 构，极大地增大了共模反馈电路的稳定性。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，提供一种使共模反馈电路在稳定运放共模点的同 时，保证共模反馈回路的稳定性，通过改变共模反馈电路反馈点的位置，使共模反馈电路为 一级的共源共栅结构，使其不需相位补偿、且具有较大的相位裕度，保证其环路稳定性的大 带宽连续时间共模反馈电路的设计方法及其电路。本发明所采用的技术方案是一种大带宽连续时间共模反馈电路的设计方法，包 括有如下步骤1)设计出理想共模信号；2)通过共模检测电路，检测运放输出信号的共模值；3)将检测到的运放输出信号的共模值与理想共模信号进行比较；4)将误差信号通过共模反馈电路放大后，输出2路共模反馈控制信号反馈至运放 偏置电路偏置管的漏极，使整个共模反馈电路形成一个单级放大器保证共模反馈电路有足 够的相位裕度；5)根据共模反馈的负反馈作用，运放的输出共模点最终稳定在理想的共模值上。一种采用大带宽连续时间共模反馈电路的设计方法设计的大带宽连续时间共模 反馈电路，包括有第一至第十偏置管，所述的第七和第八偏置管的栅极、第八偏置管的漏 极、第九和第十偏置管的栅极、第九偏置管的漏极、以及第二和第三偏置管的漏极均至Vbp 构成共模反馈电路的偏置电平；第七偏置管和第十偏置管的漏极以及第一偏置管和第四偏 置管的漏极均至Vsense，构成共模反馈电路输出的反馈信号；第一偏置管和第四偏置管的 栅极均至Vcmfb，构成输出电压Voutn和Voutp的中值电平；第二和第三偏置管的栅极均至 Vcm构成理想共模电平值；第五和第六偏置管的栅极均至Vbn构成偏置电平；第五和第六偏 置管的源极接地，第五偏置管的漏极接第一和第二偏置管的源极；第六偏置管的漏极接第 三和第四偏置管的源极。本发明的大带宽连续时间共模反馈电路的设计方法及其电路，克服了传统连续时间共模反馈电路为多级放大器，共模反馈电路稳定性差的确定，通过调整共模反馈的反馈点，使共模反馈电路为一级共源共栅放大器，共模反馈电路具有良好的稳定性，适用于大带 宽超高速全差分模拟电路。
图1是现有技术的开关电容共模反馈电路；图2是现有技术的连续时间共模反馈电路；图3是传统的连续时间共模反馈电路；图4是带传统共模反馈电路的全差分运算放大器；图5是本发明的共模反馈电路结构；图6是带本发明的共模反馈的全差分运算放大器。
具体实施例方式下面结合实施例和附图对本发明的大带宽连续时间共模反馈电路的设计方法及 其电路做出详细说明。本发明的大带宽连续时间共模反馈电路的设计方法，包括有如下步骤1)设计出理想共模信号(Vcm)；2)通过共模检测电路，检测运放输出信号的共模值(Vcmfb)；3)将检测到的运放输出信号的共模值(Vcmfb)与理想共模信号(Vcm)进行比较；4)将误差信号(Vcmfb-Vcm)通过共模反馈电路放大后，输出2路共模反馈控制信 号(Vsensel、VSenSe2)反馈至运放偏置电路偏置管的漏极，使整个共模反馈电路形成一个 单级放大器保证共模反馈电路有足够的相位裕度；5)根据共模反馈的负反馈作用，运放的输出共模点最终稳定在理想的共模值 (Vcm)上。如图5所示，本发明的大带宽连续时间共模反馈电路，包括有第一至第十偏置管 M1-M10，所述的第七和第八偏置管M7、M8的栅极、第八偏置管M8的漏极、第九和第十偏置管 M9、M10的栅极、第九偏置管M9的漏极、以及第二和第三偏置管M2、M3的漏极均至Vbp构成 共模反馈电路的偏置电平；第七偏置管M7和第十偏置管MlO的漏极以及第一偏置管Ml和 第四偏置管M4的漏极均至Vsense，构成共模反馈电路输出的反馈信号；第一偏置管Ml和 第四偏置管M4的栅极均至Vcmfb，构成输出电压Voutn和Voutp的中值电平；第二和第三 偏置管M2、M3的栅极均至Vcm构成理想共模电平值；第五和第六偏置管M5、M6的栅极均至 Vbn构成偏置电平；第五和第六偏置管M5、M6的源极接地，第五偏置管M5的漏极接第一和 第二偏置管M1、M2的源极；第六偏置管M6的漏极接第三和第四偏置管M3、M4的源极。图6所示是采用本发明的大带宽连续时间共模反馈电路的全差分运算放大器，是 本发明的最佳实施方式。其中，Vbp、Vbn为偏置电平，Vsense为共模反馈电路输出的反馈 信号，偏置管Ml管和偏置管M4管的栅极接Vcmfb，为输出电压Voutn和Voutp的中值电平，<formula>formula see original document page 5</formula>Vcm为共模电平值，当输出电压的中值电压偏离共模电平Vcm时，若Vcmfb > Vcm，流过偏置管Ml和偏置管M4的电流增大，(因为偏置管M7、M8、M9、MlO以及偏置管M5、M6是有偏置电压Vbp固定偏置，因此流过偏置管M7、M8、M9、MlO以及偏置管M5、M6的电流不变)，因此运放中Mpl和Mp2管中的电流会有一部分流入共模反馈部分的偏置管Ml 和偏置管M4管中，从而导致运放部分输出电平Voutn和Voutp降低，反之亦然。对于共模 反馈通路而言，误差放大器为一级共源放大器，从输入端V。mfb和Vcm到运放输出端Voutn和 Voutp，相当于是一级折叠共源共栅放大器，该回路不需补偿且具有较大的相位裕度。
权利要求
一种大带宽连续时间共模反馈电路的设计方法，其特征在于，包括有如下步骤1)设计出理想共模信号(Vcm)；2)通过共模检测电路，检测运放输出信号的共模值(Vcmfb)；3)将检测到的运放输出信号的共模值(Vcmfb)与理想共模信号(Vcm)进行比较；4)将误差信号(Vcmfb-Vcm)通过共模反馈电路放大后，输出2路共模反馈控制信号(Vsense1、Vsense2)反馈至运放偏置电路偏置管的漏极，使整个共模反馈电路形成一个单级放大器保证共模反馈电路有足够的相位裕度；5)根据共模反馈的负反馈作用，运放的输出共模点最终稳定在理想的共模值(Vcm)上。
2.一种采用权利要求1所述的大带宽连续时间共模反馈电路的设计方法设计的大带 宽连续时间共模反馈电路，包括有第一至第十偏置管(Ml-MlO)，其特征在于所述的第七 和第八偏置管(M7、M8)的栅极、第八偏置管(M8)的漏极、第九和第十偏置管(M9、M10)的栅 极、第九偏置管(M9)的漏极、以及第二和第三偏置管(M2、M3)的漏极均至Vbp构成共模反 馈电路的偏置电平；第七偏置管(M7)和第十偏置管(MlO)的漏极以及第一偏置管(Ml)和 第四偏置管(M4)的漏极均至Vsense，构成共模反馈电路输出的反馈信号；第一偏置管(Ml) 和第四偏置管(M4)的栅极均至Vcmfb，构成输出电压Voutn和Voutp的中值电平；第二和 第三偏置管(M2、M3)的栅极均至Vcm构成理想共模电平值；第五和第六偏置管(M5、M6)的 栅极均至Vbn构成偏置电平；第五和第六偏置管(M5、M6)的源极接地，第五偏置管(M5)的 漏极接第一和第二偏置管(M1、M2)的源极；第六偏置管(M6)的漏极接第三和第四偏置管 (M3、M4)的源极。
全文摘要
一种带宽连续时间共模反馈电路的设计方法及其电路，方法设计出理想共模信号；通过共模检测电路，检测运放输出信号的共模值；将检测到的运放输出信号的共模值与理想共模信号进行比较；将误差信号通过共模反馈电路放大后，输出2路共模反馈控制信号反馈至运放偏置电路偏置管的漏极，使整个共模反馈电路形成一个单级放大器保证共模反馈电路有足够的相位裕度；根据共模反馈的负反馈作用，运放的输出共模点最终稳定在理想的共模值上。本发明克服了传统连续时间共模反馈电路为多级放大器，共模反馈电路稳定性差的确定，通过调整共模反馈的反馈点，使共模反馈电路为一级共源共栅放大器，共模反馈电路具有良好的稳定性，适用于大带宽超高速全差分模拟电路。
文档编号H03F3/45GK101807893SQ20101014636
公开日2010年8月18日 申请日期2010年4月14日 优先权日2010年4月14日
发明者涂明强, 高静 申请人:天津大学