全差分运放与共模反馈

全差分运放(Fully Differential Op-Amp)在高速高精度模拟和混合信号 IC 中占据了主导地位。与单端运放相比,全差分结构提供更大的输出摆幅(2×单端)、更好的共模抑制(电源和衬底噪声的共模分量被抑制)和消除偶次失真。然而,全差分运放的核心挑战是共模反馈(CMFB):由于没有外部 DC 路径固定输出共模电平,其输出共模电压会受器件失配和工艺角影响而漂向电源轨或地轨,需要 CMFB 环路主动将其稳定在目标值。Gray §12 系统介绍了各种 CMFB 检测和反馈拓扑,以及全差分两级/Cascode 运放的设计。本文基于 Gray §12 提炼。


前后关系

前置知识:

本书内部链条:

外部关联:


原理介绍

12.2 全差分 vs 单端运放

全差分运放的优势

  1. 输出摆幅翻倍:单端 ±V_swing → 全差分 2×V_swing
  2. 共模噪声抑制:电源噪声、衬底噪声、电荷注入为共模,被 CMRR 抑制
  3. 偶次失真消除: 消除了 分量
  4. DC 偏移降低:失配引起的失调在差分输出中相互抵消

全差分运放的核心问题——无 DC 共模路径

在单端运放中,反馈连接到反相输入端,通过输入差分对固定了 DC 工作点。而在全差分运放中:

  • 差分输出 由差分反馈环路固定
  • 但输出共模 没有 DC 反馈路径
  • 如果不加控制,共模电压会漂向 VDD 或 GND(受失配、工艺角、温度影响)
  • 需要**共模反馈(CMFB)**环路固定输出共模到参考电压 V_CM

全差分运放结构

基本框图(Gray Fig. 12.2):

   ┌────── 差分放大 core ──────┐
   │   差分输入 → 差分输出     │
V_ip ─┤                      ├── V_op
V_in ─┤                      ├── V_on
   │                          │
   └───────────┬──────────────┘
               │ V_CM_detected
               ▼
V_CM_REF → [CMFB 控制] ─→ 偏置控制(尾电流或负载)

CMFB 由两个功能块组成:

  1. 共模检测(CM Sensing):测量输出共模电平
  2. 共模控制(CM Control):将检测值与参考 V_CM 比较,反馈到偏置控制节点

12.3 共模反馈拓扑

12.3.1 电阻平均共模检测(Resistor-Averaged CM Sensing)

结构(Gray Fig. 12.4):

  • 在 V_op 和 V_on 之间接两个等电阻 R1=R2
  • 电阻中点 = 输出共模电压
  • 再将中点电压与 V_CM 比较,通过误差放大器控制尾电流

特性:

  • 结构简单,线性度好
  • 电阻消耗 DC 功耗(电阻压降和额外电流)
  • 电阻产生热噪声
  • 电阻和运放输出之间引入额外极点(可能需补偿)

12.3.2 MOS 二极管共模检测

结构(Gray Fig. 12.6):

  • 使用两个 MOS 管的栅-漏短接(二极管连接)串联在 V_op 和 V_on 之间
  • 二极管上的平均电压 ≈ 共模电压

特性:

  • 无电阻热噪声
  • 面积小(MOS 管比电阻小)
  • 线性度不如电阻式
  • 电压范围受阈值电压限制

12.3.3 开关电容共模检测(SC CMFB)

结构(Gray Fig. 12.7)——混合信号 IC 中最常用的 CMFB:

V_op ──┐              V_CM_REF ────┐
       │                           │
       ├──→ S1 ──┐  V_CM_REF ──→ S3 ──→ ┌───┐
       │         │                  C2   │   │  V_control
       │         ├── C_cm ────────┐      │   ├───→ 到偏置节点
       V_on ──→ S2 ──┘            C1     OPA ──┐
                                   │      │   │
       ──── S4 ────→ V_CM_REF     ────────┘   │
                                           │   │
       ──── S5 ←──── V_SS (GND) ───────────┘   │
                                                │

相位工作:

  1. 复位相(S1, S2, S5 闭合,S3, S4 断开)→ C_cm 采样输出共模电压 V_CM,out = (V_op + V_on)/2
  2. 放大相(S3, S4 闭合,S1, S2, S5 断开)→ C_cm 连接到 V_CM_REF 和保持电容,产生误差电压 V_control

特性:

  • 无静态功耗(电容只消耗动态开关功耗)
  • 无电阻热噪声
  • 非常适合 SC 电路(可与积分器开关共享时钟)
  • 片外/片上电容面积可控
  • 需要在非有效时钟相复位(流水线工作)
  • 在连续时间应用中无法使用

CMFB 拓扑对比

拓扑DC功耗噪声面积线性度适用场景
电阻平均有中中好连续时间
MOS 二极管有低小中连续时间
SC CMFB无低中好SC 电路

12.4 全差分两级运放

结构(Gray Fig. 12.9):

  • 第一级:全差分差分对 + 全差分有源负载(电流镜→V_op1/V_on1)
  • 第二级:两个相同共源级(CS),分别驱动 V_op/V_on
  • Miller 补偿电容跨接在第一级输出和第二级输出之间

CMFB 集成:

  • 共模检测点通常在第一级输出或第二级输出
  • 反馈控制到第一级的电流镜偏置(控制共模增益)

关键特性:

  • 增益:(两个增益级乘积)
  • 摆率:(与单端相同,但差分输出摆幅翻倍)
  • 噪声:输入参考热噪声 ≈ 单端结构(使用相同 g_m 时)

12.5 全差分 Cascode OTA

结构(Gray Fig. 12.10):

  • Telescopic Cascode 的全差分版(或折叠 Cascode 的全差分版)
  • 所有节点是差分对称的——不需要电流镜的不对称转换

CMFB 集成:

  • Telescopic Cascode 的 CMFB 通常检测输出共模并反馈到 Cascode 偏置或尾电流
  • 折叠 Cascode 的 CMFB 可反馈到折叠电流源

关键特性:

  • 增益:(单级高增益)
  • 输出摆幅:差分时翻倍(相对于单端)
  • PSRR:由于差分对称性非常好
  • 速度:单级结构,适合高频应用

12.6 共模抑制比(CMRR)

CMRR 定义

其中 是差模增益, 是共模增益。

完全对称时的 CMRR

在理想全差分运放中,共模增益 (理论上 CMRR → ∞)——因为差分输出 完美抑制共模分量。

实际 CMRR 限制因素

  1. 器件失配:输入对管 W/L 或 V_th 失配,差分对两侧的尾电流失配
  2. CMFB 的有限增益:CMFB 环路增益越大,共模控制越精确
  3. 输出阻抗不对称:V_op 和 V_on 的负载电阻/输出阻抗不匹配

CMRR 与失配的关系(Gray §12.6):

单端 vs 全差分 CMRR

结构理想 CMRR实际 CMRR(典型)
单端差分对(有尾电流源)∞(理论)40-80 dB
全差分运放∞(理论)60-120 dB

设计示例

全差分两级 Miller 补偿运放 + SC CMFB 设计

规格:A_v > 80 dB, GBW = 50 MHz, C_L = 2 pF, V_DD = 1.8 V, 输出摆幅 1.2 V_pp_diff

主要组件:

  • 输入差分对:NMOS (W/L = 100/0.35), I_TAIL = 200 μA
  • 第一级有源负载:PMOS (W/L = 40/0.5)
  • 第二级:NMOS (W/L = 200/0.35), I_D = 400 μA
  • Miller 补偿:C_c = 0.5 pF(在 V_op1-V_on 和 V_op-V_on? 之间跨接)
  • CMFB:SC CMFB(C_cm = 0.2 pF, C_hold = 0.2 pF)
  • V_CM_REF = 0.9 V(V_DD/2)

设计要点:

  • 两级增益分配:第一级 40 dB + 第二级 40 dB
  • CMFB 环路带宽应 ≤ GBW/3(确保 CMFB 环路稳定)
  • 共模检测在第二级输出,反馈控制到第一级负载的偏置

参考文献

  1. P. R. Gray, P. J. Hurst, S. H. Lewis, R. G. Meyer, Analysis and Design of Analog Integrated Circuits, 5th ed., Wiley, 2009, §12.1-§12.6.
  2. R. Castello, P. R. Gray, “A High-Performance Micropower Switched-Capacitor Filter,” IEEE J. Solid-State Circuits, vol. 20, pp. 1122-1132, Dec. 1985. (SC CMFB 经典)
  3. B. Razavi, Design of Analog CMOS Integrated Circuits, McGraw-Hill, 2001, Ch.9.
  4. D. Senderowicz, S. F. Dreyer, et al., “A Family of Differential NMOS Analog Circuits for a PCM Codec Filter Chip,” IEEE J. Solid-State Circuits, vol. 17, pp. 1014-1023, Dec. 1982.

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📘 Allen 3e 补充(§7.3 全差分运放与 CMFB 扩展)

Allen 3e 对全差分运放的覆盖在三个 CMFB 拓扑的系统对比和CMFB 稳定性分析方面有独特贡献。

三种 CMFB 拓扑对比(Allen §7.3 系统分类):

类型优点缺点适用场景
电阻平均简单、线性好加载输出节点、功耗低速高精度
MOS 二极管无额外静态功耗非线性、摆幅受限低功耗
开关电容 (SC)无静态功耗、无加载需时钟、有馈通SC 系统

Allen 的 CMFB 设计考虑:

  • CMFB 环路必须单独做稳定性分析(与差模环路不同)
  • CMFB 的 GBW 应 差模 GBW 以保证共模建立不限制差模性能
  • 电阻平均 CMFB 的 需远大于运放输出电阻以避免增益损失
  • SC CMFB 的时钟频率需 信号带宽以减少馈通

全差分运放 PSRR 优势(Allen 的独特视角):

  • 全差分结构对电源噪声表现为共模信号 → 被 CMFB 抑制
  • 偶次非线性失真()自动消除 → SFDR 改善约 6-10 dB
  • 输出摆幅是单端的 2 倍 → 同等 SNR 下噪声预算翻倍

📘 Baker 3e 补充(Ch.25 全差分运放设计 + 动态电路实现)

Baker 对全差分运放的独特贡献在于全差分电路的动态实现和CMFB 的开关电容方案细节。

1. 全差分电路的优势量化(Ch.25)

Baker 给出了全差分结构的定量优势分析,比 Gray/Allen 的定性描述更具体:

  • 增益优势:全差分结构的差模增益与单端相同,但由于输出摆幅翻倍(),在相同 SNR 下可容忍 4× 的噪声
  • 共模噪声抑制:对电源/衬底/电荷注入的共模分量抑制可达 40-60 dB(取决于差分对匹配)
  • 偶次失真消除: 抵消 分量 → 成为主要失真源
  • CMFB 的必要性:Baker 用 SPICE 仿真展示无 CMFB 时输出共模在工艺角下的漂移(可达数百 mV)

2. 动态电路实现(Ch.25)—— Baker 的独特内容

Baker 专设一节讨论全差分电路的动态(时钟控制)实现:

  • 动态比较器:无静态功耗的再生锁存比较器,全差分版本消除共模噪声
  • 动态电流镜:在时钟相之间切换,减少静态功耗
  • 动态放大器:通过预充电和求值相实现高增益、低功耗
  • SC CMFB 的详细设计:包含电容值选择( 和 的比值)和时钟相位分配

3. CMFB 稳定性考虑

Baker 强调 CMFB 环路的稳定性分析——全差分运放有两个反馈环路(差模和共模),共模环路的补偿条件不同:

  • 差模环路:通过 Miller 电容 或 Cascode 自补偿
  • 共模环路:CMFB 的带宽应 ≤ 差模 GBW 的 1/3 以保证共模稳定
  • 工程警告:共模不稳定性表现为 V_op 和 V_on 同时振荡(同相模式)

Baker 的全差分运放 vs 其他教材:Gray §12 提供最系统的 CMFB 拓扑分类和全差分两级/Cascode 设计;Allen §7.3 覆盖三种 CMFB 拓扑对比和 CMFB 稳定性分析。Baker 的独特价值在于动态电路实现(动态比较器/电流镜/放大器)和 CMFB 稳定性定量指导。

关联页:Baker CMOS 电路设计版图与仿真 深度解析 §25


📗 Sansen 补充(Ch.8 全差分放大器 + Ch.11 轨对轨放大器)

Sansen 的覆盖分两部分:Ch.8 全差分放大器(基础 CMFB 拓扑)和 Ch.11 轨对轨放大器(输入级实现方案),后者是其他教材极少系统覆盖的内容。

1. 全差分 OTA 的 CMFB 拓扑(Ch.8)

Sansen 分析三种基本 CMFB 方案:

CMFB 方案复杂度功耗适用频率特点
连续时间 CMFB低中高频阻性检测,带宽宽
SC CMFB中低中低频无静态功耗,需时钟
源跟随器 CMFB低低中检测精度受 变化影响

全差分 Simple OTA 设计:

  • GBW = (与单端相同)
  • CMFB 环路需额外稳定(不能假定自动稳定)
  • CMFB 带宽 ≥ GBW/3 可保证共模稳定

2. 轨对轨输入级(Ch.11)——五种实现方案详解

轨对轨输入级的核心挑战:在 降低到 1.5V 以下时,传统互补差分对(NMOS + PMOS 输入对并联)的总跨导 在共模范围中部(NMOS 和 PMOS 对同时导通时)大幅变化( 可能翻倍),导致频率补偿变化。Sansen 的各方案本质上是恒定 控制技术。

方案1:3×电流镜方案

互补输入对的输出电流通过三倍电流镜加权求和,以部分补偿 在共模中部的上升:

  • NMOS 对尾电流 和 PMOS 对尾电流 在共模中部同时导通
  • 当 在中部时,
  • 当 接近 VDD 或 GND 时,只有一对导通,
  • 3×电流镜通过不对称加权(如 NMOS 侧 3:1 电流镜比)减小 波动
  • 残余 变化:±20%(受 工艺角影响)

方案2:Zener 二极管电平移位

在互补输入对的尾电流源处串联 Zener 二极管,通过电平移位扩展输入共模范围:

  • Zener 二极管在反向击穿区提供稳定的电压降(典型 5-7V)
  • 使 NMOS 和 PMOS 输入对的共模窗口上下错开更远
  • 变化:±10%(由 Zener 击穿电压的 TC 决定)
  • 缺点:需特殊工艺(Zener 管非标准 CMOS 可用寄生器件替代)

方案3:电流调节器方案(最低 1.5V, 变化 < 5%)

通过自适应尾电流调节实现恒定 :

  • 检测输入对的总跨导或尾电流之和
  • 调节器自动调整尾电流:当 进入中部区域时,降低尾电流以保持总 恒定
  • 核心是 检测反馈环路:复制一份输入对作参考,其 被反馈电路检测并与基准比较
  • 最低工作电压:1.5V(受电流调节器的压降限制)
  • 变化:< 5%(精度取决于反馈环路增益)
  • 功耗代价: 检测环路消耗额外的静态电流

方案4:电源调节方案(最低 1.3V, 变化 < 5%)

Sansen 给出的最低电压方案:

  • 不单独调节尾电流,而是调节输入级的电源电压
  • 当 在中部时,降低输入级的 (用片上 LDO 调节)
  • 降低 使输入管 减小 → 下降 → 补偿 的翻倍效应
  • 优点:电源调节器可为多个模块共享,额外功耗低于方案 3
  • 最低工作电压:1.3V(受 LDO 压降限制)
  • 变化:< 5%

方案5:其他改进方案

包括浮置电流源偏置、互补开关偏置等,适用于特定应用场景。

五种方案对比总结

方案原理最低电压 变化功耗代价面积工艺复杂度
3×电流镜电流加权求和>1.8V±20%低小标准 CMOS
Zener 电平移位电平偏移>1.5V±10%中中需 Zener
电流调节器自适应尾电流调节1.5V<5%中高中标准 CMOS
电源调节电源电压调节1.3V<5%中大标准 CMOS
改进方案多种技术——中小标准 CMOS

设计选择指导:若 且 变化 ±20% 可接受,选方案 1(最简单);若需 精度 < 5% 且电压 > 1.5V,选方案 3;若需最低工作电压(1.3V),选方案 4。

3. Sansen vs Gray/Allen/Baker

维度Sansen Ch.8+11Gray §12Allen §7.3Baker §25
轨对轨输入5 种方案对比未覆盖§7.6 提及未覆盖
CMFB 拓扑3 种 + 稳定性规则所有拓扑3 种对比SC CMFB 细节
最低电压1.3V 方案—1V 设计示例—

Sansen 的独特价值:Ch.11 是经典教材中唯一系统覆盖轨对轨输入放大器多种实现方案的章节。Gray/Razavi/Allen 仅简短提及,Baker 未覆盖。

关联页:Sansen 模拟集成电路设计精粹 深度解析 §8, §11


📘 Huijsing OA 3e 补充——多种 CMFB 实现方案(Ch.8)

Huijsing 按全差分运放的拓扑配置系统介绍了6 种 CMFB 方案,比 Gray §12(3 种)覆盖更全面:

GA-CF 配置的 CMFB(§8.1):

CMFB 方案原理特点Fig.
Linear-mode CM-out 控制(§8.1.1)电阻分压 + 线性模式共模检测结构简单,CM 范围受限8-1
Telescopic + Linear-mode(§8.1.2)套筒式结构的 CMFB适用于 Telescopic8-2
LTP CM-out 控制(§8.1.3)长尾对检测共模电压高增益 CM 环路8-3
输出增益提升(§8.1.4)增益提升 + CMFB适用于 Gain-boosted 结构8-5
输入 CM 反馈(§8.1.5)输入共模反馈到 CMFB 放大器简化设计8-6
R-to-R 缓冲电阻(§8.1.6)轨到轨缓冲器 + 电阻检测轨到轨 CM 范围8-7

GA-CF-GA 配置的 CMFB(§8.2):

  • R-to-R 电阻 CM-out 控制(§8.2.1,Fig. 8-9):两级全差分的电阻 CMFB

GA-GA-GA-GA 配置的 CMFB(§8.3):

  • SC CM-out 控制(§8.3.1,Fig. 8-11):多级全差分中的开关电容 CMFB

差异定位:Gray §12 覆盖 3 种 CMFB(电阻/MOS 二极管/SC),Sansen Ch.8 覆盖 3 种 + 稳定性规则。Huijsing 的贡献是将 CMFB 方案映射到全差分运放的 9 种拓扑配置,明确”哪种拓扑用哪种 CMFB”。SC CMFB(§8.3.1)和 input-CM feedback(§8.1.5)是 Huijsing 独有覆盖的方案。

关联页:Huijsing Operational Amplifiers Theory and Design 深度解析 §8