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(多图) 共模反馈环路稳定性分析及电路设计

电子元器件应用?? 2012年02月23日 ?? 收藏0
0 引言

全差分运放(fully differential operation)相对于单端输出电路来说,不仅输出摆幅更大、共模噪声抑制更好,还能消除高阶谐波失真。然而,在高增益运放中,输出共模电平对器件的特性和失配相当敏感,而且不能通过差模反馈来达到稳定。因此,必须额外引入负反馈机制,即共模反馈(CMFB)来稳定运放的共模输出电平。共模反馈的基本原理是先通过检测网络得到输出共模电平Vo_cn,然后将Vo_cn和一个参考电压Vcn(一般为电源电压的一半)相比较,再用得出的误差信号来调节运放的偏置电流,从而达到使输出共模信号稳定的目的。这种方式的设计要点如下:

(1)共模信号检测应具有线性特性;

(2)共模反馈环路的增益必须尽可能的高;

(3)反馈环路的带宽不能小于差模通路(在许多实际应用中,这两个带宽必须一致);

(4)确保共模环路稳定;

(5)应引入保护机制,以避免“锁死状态”的出现(输出保持在电源电压的情况)。

目前已经有了大量关于差模反馈环路稳定性的理论研究,而对于共模反馈环路的研究却很少。现有的共模反馈电路的设计更多的是通过实际经验、反复调试来得到稳定环路。笔者通过对最常用的、采用一级共模反馈的两级运放的环路进行稳定性分析,明确得出了其稳定条件,从而理论化了共模反馈电路的设计。然后基于这个条件,并采用Bi-CMOS工艺设计了一种低成本、高稳定、匹配好的共模反馈电路。整个运放可应用于一款高性能音频CLASS-D芯片。

1 共模反馈环路分析及稳定条件

图1所示是全差分运放的一种典型应用电路。该电路中共有三个环路:差模环路、共模反馈外环(结构相同,由R1、R2及运放本身构成);以及共模反馈内环(运放内部自带)。只有在三个环路均稳定的条件下,该运放才能正常工作。须特别注意的是:对于两级运放,共模反馈外环是一个正反馈。因为信号经过运放内部的两次反相后。共模信号从Vo反馈到Vi,是同相的,但对差模信号则是反相的。实际应用中,运放的输入端可能出现非常大的共模电平(使它是瞬时的),这将导致输入对管关断,输出电平接近电源电压。由于此时差模回路中断,整个外环呈现共模正反馈。这就会使运放呈现“锁死状态”。由于这种情况很可能发生在电路的启动过程。因此,对于共模环路的稳定性研究很有必要。

全差分运放的一种典型应用电路

图2所示是采用一级共模反馈的两级运放的典型拓扑结构。其中Vi_cm、Vo_cm一分别为运放的输入、输出共模信号。A1、A2为运放的第一、二级。一般对两级运放多采用密勒补偿,使A点为主极点,B点为次主极点。AFB处设定比较电平Vcm(以下称之为共模反馈运放);Ab为共模内环与差模第一级的相交部分。各子运放均为单级运放,并假定它们内部的零、极点均远远大于带宽。共模反馈信号通过调节运放第一级的偏置电流,可以达到稳定第一、二级输出共模电平的目的。这个拓扑结构将三个环路紧密联系起来,其共模环路完整包括了运放的第二级和运放差模通路的主、次极点,而忽略了带宽外零极点。逐一分析三个环路,即可得出其共模环路的稳定条件。

采用一级共模反馈的两级运放的典型拓扑结构

首先分析运放本身。其共模反馈内环传输函数ACMFB(s)为:

公式

即可保证在差模开环稳定时,其共模内环也稳定。

继续分析由运放构成的环路。系数为β(一般地,β≤1),那么,输函数Adm_loop(s)为:其共模内环也设运放的反馈其差模环路传输函数Adm_loop(s)为:

公式

即可保证共模外环的稳定。

联系式(3)、(5)、(10),可以得到该拓扑结构共模环路的稳定条件如下:

(1)运放的差模开环稳定;

(2)AFB(0)、Ab(0)与A1(0)满足相位相差180°、绝对值近似相等:

(3)共模反馈额外引入的极点不影响环路带宽。

基于上述条件可见,共模环路无需额外补偿。由于整个运放仅额外引入运放AFB,因此成本低、设计简单,且共模内环带宽与差模开环相等、增益相近,故能满足共模反馈设计要点(2)、(3)、(4)。

2 低成本高稳定的共模反馈电路

图3是本文所设计的两级全差分运放电路。该电路的共模反馈部分结构新颖、成本低、匹配好,基于图2的拓扑结构,可满足本文提出的稳定条件。图3中,Iref为基准电流,两级运放采用RZ和Cc组成密勒补偿,来满足稳定条件(1)。为了减小失调,运放的第一级和共模反馈运放采用三极管(Q1~Q4)作为输入对管。

两级全差分运放电路


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共模反馈? 运放? 音频?

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