全羞分运算放大器中共模稳定性的分析
汤益明，万培元，郭乐乐，郎伟，林平分
（北京工业大学北京市嵌入式系统重点实验室，北京１ ００１ ２４）
摘要：本文提出了用在增益可调放大器中，差分电压放大器中共模反馈稳定性的分析。本文分析了在差
模运算放大器中内部共模反馈电路（ＣＭＦＢ）和外部由电阻构成的正反馈网络。共模反馈电路用来确保运
算放大器的稳定性，外部的正反馈网络需要留心防止“锁死状态”。本文的运放采用折叠式共源共栅结
构，用ＳＭＩＣ ０．１ ８ ｍ混合信号工艺进行流片。
关键字：差分运算放大器；共模反馈（ＣＭＦＢ）；正（负）反馈；两个反馈环路；锁死状态
Ｃｏｍｍｏｎ Ｍｏｄｅ Ｓｔａｂｉｌｉｔｙ ｉｎ ｆｕｌｌｙ ｄｉｆｅｒｅｎｔｉａｌ Ｏｐｅｒａｔｉｏｎａｌ Ａｍｐｌｉｆｉｅｒｓ
ＴＡＮＧ Ｙｉ－ｍｉｎｇ，ＷＡＮ Ｐｅｉ—ｙｕａｎ，ＧＵ０ Ｌｅ－ｌｅ，ＬＡＮＧ Ｗｅｉ，ＬＩＮ Ｐｉｎｇ－ｆｅｎ
（Ｂｅｉｊｉｎｇ Ｅｍｂｅｄｄｅｄ Ｓｙｓｔｅｍ Ｋｅｙ Ｌａｂ，Ｂｅｉｊｉｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｂｅｉｊｉｎｇ １００１２４，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｄｅｓｉｇｎ ｃｏｎｓｉｄｅｒａｔｉｏｎｓ ａｒｅ ｐｒｅｓｅｎｔｅｄ ｆｏｒ ｓｔａｂｉｌｉｚｉｎｇ ｔｈｅ ｃｏｍｍｏｎ—ｍｏｄｅ ｆｅｅｄｂａｃｋ（ＣＭＦＢ）ｌｏｏｐ ｉｎ ｆｕｌｌｙ
ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌ ｖｏｌｔａｇｅ ｆｅｅｄｂａｃｋ ＣＭＯＳ ａｍｐｌｉｆｉｅｒｓ ｕｓｅｄ ｉｎ ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ ｇａｉｎ Ｃｏｎｔｒｏｌ ａｍｐｌｉｆｉｅｒｓ．Ａｆｔｅｒ ｃｏｎｓｉｄｅｒａｔｉｏｎｓ ｉｎ
ｄｅｓｉｇｎｉｎｇ ａ ｂａｌａｎｃｅｄ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌ ｏｐｅｒａｔｉｏｎａｌ ａｍｐｌ：ｆｉｅｒ，ｉｎｔｅｒｎａｌ ＣＭＦＢ ｃｉｒｃｕｉｔｒｙ ａｎｄ ｅｘｔｅｒｎａｌ￣ｅｄｂａｅｋ ｎｅｔｗｏｒｋ ａｒｅ ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅｄ．Ｔｈｅ ｆｏｒｍｅｒ ｉｎｓｕｒｅｓ ｔｈｅ ａｍｐｌｉｆｉｅｒ ｓｔａｙ ｓｔａｂｉｌｉｔｙ，ａｎｄ ｔｈｅ ｌａｔｔｅｒ ｓｈｏｕｌｄ ｂｅ ｃａｒｅｆｕｌｌｙ ｔｏ ａｖｏｉｄ‘ｌａｔｃｈｉｎｇ ｓｔａｔｅｓ’．Ｔｈｅ ｃｉｒｃｕｉｔ ｉｍｐｌｅｍｅｎｔｅｄ ｉｎ ０．１ ８ｕｍ ＣＭＯＳ ｍｉｘｅｄ ｓｉｇｎａｌ ｐｒｏｃｅｓｓ ｏｆ ＳＭＩＣ ｉｓ ｐｒｅｓｅｎｔｅｄ．ｂａｓｅｄ ｏｎ ａ ｆｏｌｄｅｄ
ｃａｓｃａｄｅ ｔｏｐｏｌｏｇｙ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：Ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌ Ｏｐ—ａｍｐ，；Ｃｏｍｍｏｎ ｍｏｄｅ￣ｅｄｂａｃｋ（ＣＭＦＢ），；Ｐｏｓｉｔｉｖｅ（ｎｅｇａｔｉｖｅ） ｆｅｅｄｂａｃｋ，；Ｔｗｏ
ｆｅｅｄｂａｃｋ ｌｏｏｐｓ；Ｌａｔｃｈｉｎｇ ｓｔａｔｅ
１ 引言
在现代集成电路中，全差分放大器被广泛的运
用，因为全差分放大器相比较于单端运放有更大的
输出电压摆幅、更高的共模抑制比（ＣＭＲＲ）、更强 的共模噪声抑制能力，以及更小的失真＿１ｌ。一个平衡 的电路关于对称轴是完美的匹配并且对称的，避免
了镜像极点，从而获得了更高的闭环速度。
然而，全差分运算放大器最主要的一个缺点是
需要共模反馈电路（ｃｏｍｍｏｎ ｍｏｄｅ￣ｅｄｂａｃｋ，
ＣＭＦＢ）来控制共模输出电压。在一个实际的差分电
路中，Ｐ型电流源（上拉电流源）与ｎ型电流源（下
ｈ¨ｎ．ＩｈＡ＾－＾…； ｎ
，、，、 拉电流源）存在着失配，这个失配能够使输出电压
进入电源电压或者地电压，会使整个电路不能够正 常工作。因此，需要构成负反馈的共模反馈机制来
自动调整上拉电流源或者下拉电流源，从而获得稳
定的共模输出电压。图１是全差分运放和共模反馈
的框图。 共模反馈电路环路首先检测共模输出平均电压
（Ｖｏｎ＋ｖ０Ｐ）／２，然后产生一个关于Ｖｏｃ—Ｖｃｍ的信
号，用负反馈电路使共模输出平均电压与想要的参
考电压ＶＲＥＦ相等。
图１全差分运算放大器和共模反馈电路
尽管目前很多关于共模反馈电路的线性度、功
耗、速度等方面的工作在进行中，但是还没有关于对
共模反馈稳定性进行系统的分析。在本论文中，分
析了差分运放中的两个环路，在ＤＣ工作点和ＡＣ 频率分析中进行了正负反馈的比较。在ＤＣ静态工
作点分析时，外部的正反馈环路会使输出电压“跳
变”到电源电压，这种现象是由于在上电过程中或
者大输出共模电压作用时，输入差分对被关闭导致
的。在ＡＣ频率分析中，将会考虑整个运算差模放大
器的共模增益以及ＣＭ稳定的条件。
２共模反馈环路的分析
２．１全差分电压放大器中的两个反馈环
路
图２（ａ）是一个全差分运算放大器用在闭环
的差模反馈中。这其中两个反馈环路，一个是内部
反馈环路ＣＭＦＢ电路，另外一个外部反馈环路是由
ｈＩ－Ｉ－ｎ．ＩＩＩＡ＾＾＾量Ｊ，、ｉ，、ｍ ，１ ｔ，－＝ｔ￣ｌｆｌｔ．ｔ 图２（ａ）全差分电压反馈ＣＭＯＳ放大器
图２（ｂ）共模反馈环路的模型
外部无源反馈网络（电阻反馈比例Ｒ１和Ｒ２）和运
放里面的ＣＭ信号通路构成。在一个典型的两级运
放中，对于共模信号来讲，前者是负反馈环路，后者
是正反馈环路，尽管外部环路对差分信号来讲是负
反馈环路。
２．２折叠式两级共模运算放大器和共模
反馈电路
图３（ａ）是两级折叠式共模反馈运算放大器的
具体实现电路，图３（ｂ）是共模反馈电路，其中包括
检测电路和误差放大器。差分输入级由晶体管
Ｍ１～ＭＩＯ构成。Ｍ１ Ｍ２是差分输入管，把输入端差分 信号转换成差分电流，Ｍ５ Ｍ６是共源共栅折叠管，
用来增加第一节的增益。第二级是简单的共源放大
器，由Ｍ１ ｌ￣Ｍ１４构成。标准的米勒补偿电路由ｃｃ
和Ｒｚ构成。共模检测电路由Ｒｌ和Ｒ２构成。电压
Ｖｐｓ是Ｖｏｃｍ—ＶＲＥＦ的函数，然后反馈到Ｍ９和Ｍ１０ 栅极。晶体管Ｍ７一Ｍ１２和Ｍ１５、Ｍ１７构成了共模信
号通路。本论文将分别在ＤＣ静态工作点和ＡＣ频
率响应方面讨论共模反馈的稳定性。
Ｌ—一设计
冀 ０ｌＭ－ ｓ
＿ 、
： ： ｌ ｆ？ 建 ：。／ ￣ Ｇ Ｉ，≮
ｎ ； ；
一３
图３（ｂ）共模反馈电路
２．３ ＤＣ静态工作点分析中外部正反馈环
路和“锁死状态”
对于这个两级折叠式共源共栅运算放大器，外 部的电阻反馈网络对于共模信号来讲是正反馈电
路。在电路图３（ａ）中，Ｉ ，Ｉ ，Ｉ。的电流关系是：
Ｉ ＝Ｉ ＋Ｉ 。晶体管ＭＩＯ和Ｍ１７的镜像关系是１：１，镜
像关系存在失配会使Ｍ１５和ＭＩ６之问的电流不平
衡，从而来保证Ｉ ，Ｉ ，Ｉ 的基尔霍夫电流定律ＫＣＬ。
对于外部的反馈网络，求和点和输入输出电压的关
系是：
ｖ．：ｖ：ｌ＝ Ｌ＋ｖ：ｌ＝一 ２＿ “ ” Ｒ１＋Ｒ２ Ｒ１＋Ｒ２
Ｖ一的升高，会使Ｖ 升高。因此，当１２＞１ ＋Ｉ 时，
输出共模电压会Ｖ 升高，这样可能会使输入对管
被关掉，特别是Ｒ１比Ｒ２要大很多的时候。这样，锁
死状态就会出现了。输出共模电压会跳变到电源电
压。很多运算放大器内部没有考虑到这点来避免锁 死状态的发生。在本项目的应用中，设计时Ｉ 要求
比２Ｉ，大，这样能够避免锁死状态，即使在求和点电 巾国集成电路 Ｃｈｉｎａ Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔ
压Ｖ ｉ。 把输入对管关掉的情况下。 皿
２．４共模反馈环路稳定性ａｃ分析
如图２（ｂ）所示，共模反馈环路的模型中，内部
负反馈环路的Ａ 是共模反馈环路的环路增益。
Ａ㈣是运算放大器没有共模反馈时的共模增益。
ｆ－Ｒ ／（Ｒ ＋Ｒ２）是外部反馈网络的反馈系数。是带上
共模反馈的共模增益：
Ａ ｇｏｃｍ＝ Ａｃｒｅ０ （２）
稳定，ＡＣＭＩ￣Ｂ的相位裕度要达到６０度。整个系统的共
Ａｃｍ，ｏｘ－ （３）
外部共模环路的环路增益是Ｔ ＝Ａ ｆｃ当满足：
＜ 时，外部环路是稳定的。从图３（ａ），Ａ 船（ｓ）
ｃ ｒｓ ｃ ｓ ＝— ：辫 ｃ ５
其中：ＡＣＭＶＢ（ｏ）＿ｇｍｌ０学 ≥
Ａ：—— 垒！
！ （ 剖¨ ）
一 ）壹） （６） 一
删（ｓ’ ’
ｋ“＾，＾…＾…：……一
