高级模拟集成电路设计 - 复旦大学

高级模拟集成电路设计 

(Analog Design Essentials) 

2009 年 11 月 13 日 

唐长文副教授 

zwtang@fudan.edu.cn 

http://rfic.fudan.edu.cn/Courses.htm 

复旦大学 / 微电子学系 / 射频集成电路设计研究小组 

版权 ©2009, 版权所有 , 侵犯必究

版权 ©2009, 版权所有 , 侵犯必究 

全差分放大器的 

共模负反馈电路 

复旦大学射频集成电路设计研究小组 -072- 

唐长文


目录 

• 共模负反馈电路的指标要求 

• 共模负反馈电路类型 

线性 MOS 管 

源极跟随器 + 误差放大器 

误差放大器 

其他 

• 练习 

Ref.: W. Sansen : Analog Design Essentials, Springer 2006 


唐长文


单级 OTA 

V DD 

V B1 

V B1 

v INv 

IN+ 

v IN- 

v IN+ 

i Circ 

V DD 

V SS 

i Circ 

v IN- 

v OUT 

v OUT- 

v OUT+ 

V B2 

V SS 


唐长文


简单 CMOS 全差分 OTA 

差分对 

电流负载 

GBW 

= 

g 

m1 

2πC 

L 

问题 : 

保持 M1~M4 处于饱和区 

控制 V OUTCOM 

控制 I DS5 

或者 I DS3,4 


唐长文


共模负反馈电路 : 控制 I DS3,4 



唐长文


共模负反馈电路 : 控制 I DS5 



唐长文


共模负反馈的等效电路 

V DD 

v INCM 

v OUTCM 

B 2 

V B 

C L 

B 1 

V SS 



唐长文


共模负反馈电路 (CMFB) 

共模负反馈电路工作在单位反馈状态。 

共模负反馈电路具备的三个功能 : 

1. 大动态范围内测量输出电压 

2. 抵消差分信号 , 检测共模信号 

3. 构建负反馈环路 , 保持环路稳定 

CMRR = A V,CM 


唐长文


共模负反馈电路的指标要求 

• 高带宽 :GBW CM >GBW DM 

• 匹配 

• 输出电压摆幅限制 

差分放大器输出摆幅 

共模负反馈的的输入范围 

• 功耗 : P CM


负载电容 ? 


唐长文


负载电容 CIN 


唐长文


负载电容 CINDM 

C 

INDM 

C + C + C 

= CM 

+ 

2 

F L S 


唐长文


负载电容 CINCM 

C = 2( C + C + C ) > C 

INCM F L S INDM 


唐长文


GBW DM & GBW CM 

I B 

I B 

v IN- 

v IN+ v IN- v IN+ 

C L 

v OUT+ 

v OUTv 

OUT+ v OUT- 

R R C L R R C L 

gm 

gm 

GBWDM 

= 

GBWDM 

= 

2π2C 

L 

2π2C 

L 

C = 0 

C = 4C 

LCM 


唐长文 

LCM 

L


目录 






其他 

• 练习 


唐长文


接线性 MOSTs 的全差分放大器 1 

V B 

V DD 

线性 MOSTs: 

V ≈ 200 mV 

DS3 

v OUT+ 

v OUT- 

C L 

v IN- 

v IN+ 

C L 

I = βV ( V −V 

) 

g 

DS DS GS T 

m3 

= 

βV 

DS3 

V SS 

GBW 

GBW 


唐长文 

DM 

CM 

= 

= 

g 

m1 

2πC 

2g 

L 

m3 

2π ⋅ 2C 

总是比较小 ! 

L



B 

B 

V DD 

线性 MOSTs: 

V ≈ 200 mV 

DS3 

V bias 

消除差分信号 

v OUT- 

C L 

v IN- v IN+ 

v OUT+ 

B 

B 

C L 

V SS 

GBW 

GBW 

DM 

CM 

gm1 

= B 

2πCL 

2gm5 

= 

2π 

⋅ 2C 

总是比较小 ! 

L 


唐长文



Ref.: Choi, JSSC, 

Dec.83, 652-653 


唐长文



C c1 

V ref1 

C c1 

V ref2 

C c2 

C c2 

V bo 

Ref.: 

E.Peeters etal, 

CICC 1997 


唐长文



V 

DS1 

= R I ≈ 

D D 

DS1 1 DS1 GS1 T 

m1 1 DS1 

0.2 V 

I = βV ( V −V 

) 

g 

= βV 为常数 

Ref.: Alini, JSSC, Dec.92, pp.1905-1915 


唐长文


目录 






其他 

• 练习 


唐长文


共模信号检测电路 : 电阻 

A = g ( R// r ) 

V m1 DS 

r = r // r 

DS DS1 DS2 

线性电阻 R 

用于消除差分信号 


唐长文


共模信号检测电路 : 跟随器 + 电阻 

GBW 

DM 

g 

m1 

= CL 

= 

2πCL 

4 pF 

Ref.: Banu, JSSC, Dec.88, 1410-1414 


唐长文


共模负反馈电路的零极点 

gm6 

4 1 

GBWCM = fndCM = fz 

= 

2π ⋅ 2C 2π R ( C + 4 C ) 2πR C 

L a GS6 a a a 

Ref.: Banu, JSSC, Dec.88, 1410-1414 


唐长文


目录 






其他 

• 练习 


唐长文


采用误差放大器的全差分放大器 

M9 

M3 

M4 

M10 

M12 

V B1 

C c 

v IN- v IN+ 

v OUT- v OUT+ 

M1 M2 

M59 M60 

C c 

M58 

M61 

M5 

M8 

V B2 

M62 

M64 

v OUT+ v OUTm1 

V E2 

V DD 

V SS 

M7 

M6 

M14 

GBW 

DM 

= 

g 

2πC 

L 

Ref.: Ribner, CICC 85; Haspeslagh, CICC 88 


唐长文


共模负反馈电路 

GBW 

CM 

= 

g 

m58 

2π ⋅ 2C 

c 

Ref.: Ribner, CICC 85; Haspeslagh, CICC 88 


唐长文


几种共模负反馈电路的性能比较 

准则 

线性 

MOS 管 

源极跟随 

器 + 误差放 

大器 


GBW CM /GBW DM 

< 0.1 

> 1 

> 1 

差分摆幅 

0.8 V DDSS 

cascodes 

0.4 V DDSS 

source foll. 

0.4 V DDSS 

cm input 

功耗 

1 amp 

3 amps 

2 amps 


唐长文


目录 






其他 

• 练习 


唐长文


增益抬升全差分放大器 


唐长文


低电压 (1.1 V) 全差分放大器 

M3 M5 M4 M6 

M11 

v IN+ 

v IN- 

M1 M2 M7 M8 M12 

M13 

C CM 

C CM 

R CM 

R CM 

V CM 

M9 

M10 

C C 

R C 

R C 

C C 

Q3 

Q4 

Q1 

Q2 

M14 

Q5 

Q6 

Ref.: Gata, JSSC 

Dec.02 1670-1678 


唐长文


线性共模放大器 

V DD 

VoutCM = VDC + VGS7 

V bp1 

v OUT- 

R 

R 

v OUT+ 

V DC 

V bn2 

V SS 

Ref.: Hernandez, 

JSSC Aug.05, 1610-1617 


唐长文


单独线性 MOS 管的共模负反馈 

DA CMFB 

M11 

M13 

2I 

v in 

M1 

M12 

M2 

V bias2 

C Comp 

M9 

M7 

M5 

B 

A 

M10 

M8 

C 

M6 

C Comp 

M15 M17 

D 

A V =0.3 

V bias1 

M16 M18 

M14 M19 

M23 

M22 

M20 M21 

V DD 

V SS 

V bias3 

C L 

v out 

C L 

R Comp 

M3 

M4 

V ref 

Linear MOSTs 

24 MHz/3 pF 3 V/5 mA I DS1 

= 0.25 mA 

Comp 4 kΩ/2 pF > 20 MHz 

Ref.: Pasch, AICSP, 2000 


唐长文


后级放大器作为共模负反馈电路 

v in 

G m 

C L1 

C M 

C L1 

C L2 

v out1 

G m C M v out2 

C L2 

v CM 

充分利用后级放大器作为共模负反馈电路 ! 

Ref.: Mohieldin, JSSC April 2003, 663-668 


唐长文


伪差分放大器作为共模负反馈电路 


唐长文


开关电容负反馈电路 


唐长文


开关电容负反馈电路 :Φ1: 

Switches Φ 1H closed, C 1 & C 2 give CMFB 

and precharge C 3 & C 4 


唐长文


开关电容负反馈电路 :Φ2: 

Switches Φ 2H closed, C 3 & C 4 give CMFB 

and precharge C 1 & C 2 


唐长文


目录 






其他 

• 练习 


唐长文


CMOS 折叠共源共栅全差分放大器 

M4 

1 : 1 

M4 

1 

M4 

V DD 

M5 

C L 

v OUT- 

M3 

5 

V r1 

I B1 

V r1 

v OUT+ 

5 M5 

4 

M3 

C L 

2 

v IN+ 

M1 

v IN- 

2 

1 1 

V r2 

M7 

V B 

M6 

M2 

M6 

I B2 

R a 

3 

R a 

V SS 


唐长文


CMOS 全差分放大器 : 指标 

工艺 : CMOS L min 

= 0.8 μm ; V T 

= 0.7 V 

K' n 

= 60 μA/V 2 & K' p 

= 30 μA/V 2 

V En 

= 4 V/μm & V Ep 

= 6 V/μm 

指标 :GBW DM 

= 10 MHz C L 

= 3 pF 

GBW CM 

= 20 MHz 

所有 PM > 70˚ 

V DD 

/V SS 

=±1.5 V 

最大 V swingptp 

= V OUTmax 

- V OUTmin 

最小 I tot 

验证 : 压摆率、噪声 …… 


唐长文


BiCMOS 折叠共源共栅全差分放大器 

M5 

C L 

v OUT- 

Q4 

Q3 

5 

1 : 1 

I B1 

V r1 

V r1 

5 

Q3 

Q4 

v OUT+ 

C L 

M5 

1 

4 

Q4 

V DD 

2 

v IN+ 

M1 

v IN- 

2 

1 1 

V r2 

Q7 

V B 

M6 

M2 

M6 

I B2 

R a 

3 

R a 

V SS 


唐长文


BiCMOS 全差分放大器 : 指标 

工艺 : BiCMOS L min 

= 0.8 μm ; V T 

= 0.7 V 

K' n 

= 60 μA/V 2 & K' p 

= 30 μA/V 2 

V En 

= 4 V/μm & V Ep 

= 6 V/μm 

f Tn 

= 12 GHz & f Tp 

= 4 GHz 

指标 :GBW DM 

= 10 MHz C L 

= 3 pF 

GBW CM 

= 20 MHz 

所有 PM > 70˚ 

V DD 

/V SS 

=±1.5 V 

最大 V swingptp 

= V OUTmax 

- V OUTmin 

最小 I tot 

验证 : 压摆率、噪声 …… 


唐长文

高级模拟集成电路设计 - 复旦大学

Create successful ePaper yourself

Delete template?

Save as template?