全差分输入级

6．4　全差分输入级

差分输入、差分输出的全差分电路具有抗噪声能力强、共模抑制比高的突出优点。下面首先分析低增益和高增益的两种全差分增益结构，并对高增益全差分对中的共模负反馈CMFB电路设计进行分析。

6．4．1　全差分结构

基本的全差分输入结构如图6－11所示，由于采用全差分输出，理想条件下电路的静态工作点完全匹配，系统失调可忽略。若工艺造成的随机失调能够控制在很小的范围内，则全差分结构总的输入失调很低，可以获得很高的共模抑制比和电源抑制比特性。在全差分级连信号的处理中，有利于消除信号中以共模分量表现出的噪声信号，适合高精度的信号处理。

根据输出阻抗的差异，全差分输入级分为低阻低增益和高阻高增益两种结构类型。图6－11（a）的全差分结构采用MOS二极管低阻负载，虽然差分增益较低，但增益的可控性强，输出信号的共模电平可由MOS二极管的钳位而稳定设置和控制，无需高增益全差分结构所必备的CMFB共模反馈电路。

该类型全差分电路的差模信号增益为A_dm＝－g_m1/g_m3，若考虑共模信号的单端输出，则共模信号增益A_CM即为单端输出的共模增益，即

式中α≤1，则系统工作点失配决定的共模抑制比CMRR＝2g_m3r_ds5/α≈g_m3（2R_S），即为负载跨导与两倍尾电流电阻决定的增益关系。

图6－11　差分输入—差分输出的全差分结构

在图6－11（b）所示的恒流负载全差分结构中，差模与共模增益近似按相同的速率增加因此，无论负载如何，低输出阻抗与高输出阻抗的全差分结构具有近似相同的CMRR。考虑到高阻输出的全差分结构中共模输出阻抗提高的幅度更大，则其CMRR相对低阻输出的全差分结构略有减小，即

对于高阻全差分输出电路，需要CMFB控制电路以确定输出支路的共模静态点，电路结构相对复杂；低阻全差分输入电路虽然结构简单，CMRR相对较高，但差模增益过小，应用受到局限。而采用恒流源与MOS二极管并联的负载差分结构，可兼顾以上两种负载各自的优点，同时克服两种电路结构各自的不足。

对于图6－12所示的兼容结构，当从不同角度考查时得到不同的结论。如删除起钳位作用的M₄/M₅管，则增益增加，因此消极的观点认为MOS二极管的引入将导致增益的下降；另一方面，以MOS二极管为基本负载，如没有M₆/M₇管的分流，则MOS二极管过大的静态电流导致增益下降，因此积极的观点认为M₆/M₇恒流源的引入可使电路增益提高。显然，形成这两种观点的原因在于参照对象的不同。由于并联电阻中的低阻决定增益，因此在差分对管或尾电流相同的条件下，M₆/M₇的分流使MOS二极管输出阻抗增加，实际差分增益相对独立MOS二极管负载条件下的增益略有提高，同时保持了该结构输出共模电压和增益可控的优点。设计中使M₆/M₇的偏置电流较大而M₄/M₅的偏置电流较小，可以更有效地提高全差分增益。

图6－12　兼容负载的全差分结构

6．4．2　共模负反馈（CMFB）电路

单端输出的运算放大电路在闭环负反馈下，由于输入的虚短性质，则输出支路的共模信号由差分输入端的共模信号所决定，即单端输出依靠V_id的失调及输入分辨率进行控制。而全差分运放的输出各自反馈到输入则情况完全不同，首先，相互间没有可供参照的参考电平，其次，差分输出两支路的失配状态不同，因此调节每一个支路的共模点所需的V_id失调不同，即不存在相同的V_id失调能将两输出支路的共模电平设定在同一静态点。只有采用附加的共模负反馈（CMFB）电路才能实现对输出共模点的调节，因此，CMFB为高增益全差分电路必不可少的控制电路。

差分放大器是对差模输入信号进行感应并放大，而CMFB则是对输出共模信号进行检测，并利用其负反馈控制调节输出支路的静态电流。图6－13（a）（b）分别为全差分CMFB控制结构，在该全差分电路中，CMFB的输出可以选择调节负载恒流源或尾电流源的栅电位。此外，也可选择调节放大管的静态电流，将输出共模点调节到合适的电平位置。与差分放大相对应，CMFB本质上是一种共模信号负反馈放大器，通过对共模增益的抑制处理，实现共模点的稳定。

CMFB电路通常包括两个组成部分，首先是共模信号感应检测与放大模块，其次是控制信号的产生与控制模块。CMFB可以有多种不同的实现方式，图6－13中（c）给出了两种简单的V_CM检测方式。一种是采用平衡电阻的检测，根据V_CM＝（V_o1＋V_o2）/2的定义，采用叠加原理，电阻中点的输出电压为V_M＝V_o1＋（V_o2－V_o1）/2或V_M＝V_o2＋（V_o1－V_o2）/2，即V_M＝V_CM。这种共模信号的检测电路结构简单，而且在静态平衡条件下，电阻R两端的共模信号相同，且电阻中没有电流，因此对静态偏置点没有影响。但以R作为差分对的输出阻抗，其值较低，降低了差模增益的值。因此，为抑制电阻共模电压感应带来的不利影响，需要采用大的共模检测电阻R。

图6－13　全差分CMFB控制结构

为了彻底克服电阻检测型CMFB电路的不足，可采用串联电容代替串联电阻。电容上没有静态电流，低频下的容抗很高，对运放低频下的差模增益影响小。当V_o1＝V_o2＝V_CM时，电容C两端没有压差，则V_M＝V_CM；在差分输入电压下，当V_o1和V_o2以相反的极性变化时，若电容的充放电速度足够快，电容C存储的电荷能够达到其与电压驱动的平衡值。则根据两电容C上存储电荷的平衡条件，有C（V_o1－V_M）＝C（V_M－V_o2），即V_M＝（V_o1＋V_o2）/2＝V_CM。

电容反馈型CMFB虽然解决了电阻反馈型CMFB存在的问题，但电容反馈型CMFB带来的新问题是反馈控制电路的速度相对较慢。直观上看，输出电容的充放电延迟，一方面对差分增益的频率和动态响应速度产生不良影响；另一方面，V_CM作为一种宽范围的大信号变化，其延迟相当于差模信号显著增加，造成CMFB的响应速度降低，限制了电容反馈CMFB控制的全差分电路在高速信号处理领域内的应用。

采用开关电容CMFB可解决普通电容CMFB电路面临的各种问题，并保留低功耗的优异性能。开关电容CMFB的一种基本结构如图6－14（a）所示，利用开关电容等效的开关电阻实现CMFB控制，解决线性电阻带来的低频功耗与增益损失。开关电容型CMFB电路的另一种常用结构如图6－14（b）所示。一组共模电平用于对电容充电的参考电压，其中V_cm＿ref是期望的共模电压，V_cmfb为CMFB输出的实际偏置电压，用以调节恒流源并控制输出共模点。开关用于切换电容的充放电状态，实现CMFB控制功能。两个相同电容C₂串接在差分输出V_on、V_op的两端，其中点的输出电位感应的是差分输出的共模信号，提供V_cmfb的反馈电压信号。在以上电容两端通过开关控制，可分别并接上电荷传输电容C₁。

在开关电路依次相邻的两个工作周期内，第一个周期一组开关导通后对采样电容C₁充电，第二个周期另一组互补的开关导通后将C₁对电容C₂放电。经过若干采样周期后，差分输出端的共模电平以及反馈输出分别被设置在所需的电平位置。CMFB电路中的电容作为运放的负载，降低了电路处理的速度，因此C₁和C₂电容必须尽量减小。选择C₁》C₂有利于降低各种误差，并使共模电压具备较快的建立时间；而选择C₂》C₁，可使运放在不同的开关状态下有近似相同的电容负载。为抑制高频共模噪声，CMFB的GBW应明显大于差分运放的GBW。

开关电容CMFB通常用于开关电容电路中全差分运算放大的设置。在时间连续的全差分运放电路中，一般需要时间连续的CMFB控制电路。为此，可采用基本的单级放大结构组成共模反馈电路。

图6－14　采用开关电容的CMFB电路

图6－15给出了一种基于CS增益控制的CMFB电路。差分输出X、Y直接作为M₁₃/M₁₄对管的输入信号。对于X、Y的差模输入，对管中的总电流不变，即A点电位不变，因此这种对管对差模信号不响应。相反，当输入为共模信号时，对管中的电流同时增加或减小，导致A点电位响应输入共模信号的变化。由于M₁₃/M₁₄与差分对管的性质正好相反，可视为共模对管，响应共模信号的变化。当X、Y共模输出偏高时，共模对管中的电流增加，但由于M₅/M₆恒源偏置作用，迫使A点电压下降，A点电压的降低又使M₁₁/M₁₂CG管中的电流增加，而NMOS恒流源电流的增加将使输出共模点降低。设置合适的器件参数，以上对共模信号的负反馈将使输出共模点稳定在所需的静态偏置下。

图6－16中的CMFB控制从主输出支路中独立出来，减小了它对输出电压动态范围损失的不利影响。同时，对共模信号的感应放大采用NMOS与PMOS上下互补对称的CSCG共模对结构，提高共模增益。当输出点X、Y输出的共模信号偏低时，互补共模对的输出A点偏高，导致主差分对静态偏置电流降低，输出共模点升高，平衡下达到稳定的静态工作点。由于这种方式改变了差分对管等效静态电流，使电路差分放大的性能发生改变，在具体应用中应十分慎重。

图6－15　CS控制的CMFB电路

图6－16　互补CS－CG控制的CMFB电路

图6－17给出了两种CMFB电路。一种是将电路输出信号直接加在PMOS负载管的栅极对电路输出共模电平进行控制；另一种是用一组差分对实现CMFB电路。图中，CMFB电路中PMOS差分对的一端接所需控制的共模信号V_CM，当差分对感应的实际输出共模电平高于V_CM时，尾电流全部流入NMOS二极管负载管，再经过NMOS CS的放大，使反馈的控制电位降低，将差分输出的共模电压下拉，并稳定在V_CM。而当输出为差模信号时，两感应PMOS管中的电流之和保持不变，共源端交流接地，并使CMFB输出支路电流相同；同样，NMOS二极管负载中的电流之和保持为常数，等效为交流接地，维持CMFB输出支路电流平衡的状态。最终，CMFB的输出不响应差模信号，实现共模信号的反馈控制。

图6－17　采用差分对结构的CMFB电路

6．4．3　高增益全差分运放电路

完整的高增益全差分运放电路包括主增益运放结构及CMFB共模负反馈电路。图6－18和图6－19分别给出了一种N型和P型差分输入的折叠式Cascode全差分运放电路，CMFB电路同时提供主运放尾电流及Cascode恒流源偏置。

图6－18　N型折叠式Cascode全差分电路

以图6－19所示的电路为例，M₁/M₉的输入分别感应输出信号，其漏电极短路以感应共模电流而抑制差模电流，即差模输出不改变以上对管的电流之和，而共模信号则改变两管的电流之和。由于V_bn1恒流偏置的作用，M₃/M₁₀两管中近似流过相同的电流。因此，对于输出差模信号，M₂/M₈对管中的电流和固定不变，从而确保M₇/M₆中稳定的电流并提供主差分对的尾电流偏置。

图6－19　P型折叠式Cascode全差分电路

对于共模信号，当输出共模电平偏高时，M₁/M₉中的电流总和增加，则必然导致M₂/M₈中的电流总和减小。这实质上是一个负反馈作用，减小的电流使PMOS差分对的尾电流减小，进而使NMOS CG管的电流增加，而PMOS Cascode恒流特性稳定不变，从而将输出共模点向电平减小的方向推移，最终达到稳定的共模静态点。