一种用于两级差分放大器的连续时间共模反馈电路

摘要

本发明公开了一种用于两级差分放大器的连续时间共模反馈电路，包括两级差分放大器，用于检测所述两级差分放大器的输出共模电压的共模电压检测单元，和用于控制所述两级差分放大器的第一级电流源负载稳定在其预设的直流工作点的共模反馈控制信号产生单元；所述两级差分放大器的两个输出分别连接所述共模电压检测单元，所述共模电压检测单元的输出连接所述共模反馈控制信号产生单元，所述共模反馈控制信号产生单元的两个输出分别连接所述两级差分放大器的第一级电流源负载。本发明能够防止两级差分放大器在闭环应用中当输入共模信号出现很大的瞬态值时，该两级差分放大器出现“锁死”状态。

说明书

技术领域

本发明涉及模拟集成电路领域，特别涉及一种用于两级差分放大器的连续时间共模反馈 电路。

背景技术

随着两级差分放大器具有输出摆幅大、共模噪声抑制好，并且能够有效地抑制偶次项谐 波失真等优点，已经得到了广泛的运用。共模反馈电路是全差分运放中不可缺少的一个关键 电路，其目的是用来稳定差分放大器内部各节点的直流电平，保证晶体管均工作在饱和状态， 并精确控制差分放大器的输出共模电平，使放大器的输出摆幅达到最优。共模反馈电路还有 利于抑制放大器的共模波动，提高其共模抑制比。

图1为采用现有共模反馈电路的两级差分放大器100示意图，见参考文献1。如图1所 示，该采用现有共模反馈电路的两级差分放大器100由共模检测电路101(相当于本发明的 共模电压检测单元201)、共模反馈控制信号产生电路102(相当于本发明的共模反馈控制信 号产生单元202)和两级差分放大器组成，通过共模检测电路101检测到该两级差分放大器 的输出共模电平(记为Vocm1，Vocm1＝(Von1+Vop1)/2)，该输出共模电压(Vocm1)与该两 级差分放大器的期望输出共模电压(记为Vcm1)的差值经过共模反馈控制信号产生电路102 进行放大，此处共模反馈控制信号产生电路102为一电压放大器，输入的是电压，输出的信 号也是电压信号，该共模反馈控制信号产生电路102将输出的电压连接到两级差分放大器的 MOS管M105、M106的栅极，通过调节MOS管M105、M106的栅极电压来稳定M105、 M106的直流工作点，进而稳定MOS管M107、M108的直流工作点，最终使该输出共模电 压(Vocm1)与该两级差分放大器的期望输出共模电压(Vcm1)相等。

将图1所示的采用现有共模反馈电路的两级差分放大器100应用于如图3所示的两级差 分放大器的闭环典型应用电路300中。对于差分信号，该应用电路300的环路包括三个反相 级：第一级放大器形成的反相级，第二级放大器形成的反相级，放大器输出到输入端的反相 级(输出端Vo+与输入端Vin-相连，输出端Vo-与输入端Vin+相连)，三个反相级构成负反 馈，只要对电路进行合适的频率补偿，就能工作在稳定状态。对于共模信号，该应用电路 300的环路包括两个环路：内部环路和外部环路，其中内部环路为一个负反馈环路，而外部 环路为一个正反馈环路(见参考文献2)；正常工作时，由于内部共模反馈环路的开环增益很 高，使得外部正反馈环路的开环环路增益远远小于1，整个电路能够稳定工作。而在实际应 用中，如图1所示，当两级差分放大器的输入端共模信号出现很大的瞬态值时，两级差分放 大器的M101、M102管关断，流过M105、M106管的电流为0，M105、M106管工作在深 线性区(假设所述共模电压检测电路101还未向所述共模反馈控制信号产生电路102传送检 测到的输出共模电压)，M105、M106管的漏端电压被拉到接近于地(0V)，导致M107、 M108管关断，从而使两级差分放大器的输出共模电压接近电源电压VDD，如此，M111管 被关断，M113管的栅极电压被拉低，进而使M105、M106管被关断，导致内部共模负反馈 环路断开，使得外部正反馈环路的开环环路增益大于1，满足正反馈条件，此时即使共模信 号恢复到正常，由于外部环路已形成正反馈，两级差分放大器的输出端电压将继续保持接近 电源电压的状态，呈现“锁死“状态，使放大器无法正常工作。

参考文献1：Jhin-Fang Huang,Yen-Jung Lin,Kun-Chieh Huang,Ron-Yi Liu.A  Continuous-Time Sigma-Delta Modulator with a Hybrid Loop Filter and Capacitive Feedforward  [J].Microelectronics and Solid State Electronics,2012,1(4)：74-80

参考文献2：池保勇.模拟集成电路与系统[M].清华大学出版社，北京,2009,第8章， pp：362。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术之不足，提供一种用于两级差分放大器的连续时间共 模反馈电路，通过将检测到的输出共模电压与期望输出共模电压相减得到差值电压，转换为 反馈电流，并将该反馈电流与该时刻所述共模反馈控制信号产生单元的偏置电流一起通过所 述共模反馈控制信号产生单元的两个输出注入所述两级差分放大器的第一级电流源负载，控 制所述两级差分放大器的第一级电流源负载稳定在其预设的直流工作点，能够防止两级差分 放大器在闭环应用中当输入共模信号出现很大的瞬态值时，该两级差分放大器出现“锁死” 状态。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案为：一种用于两级差分放大器的连续时间共 模反馈电路，包括两级差分放大器，用于检测所述两级差分放大器的输出共模电压的共模电 压检测单元，和用于控制所述两级差分放大器的第一级电流源负载稳定在其预设的直流工作 点的共模反馈控制信号产生单元；所述两级差分放大器的两个输出分别连接所述共模电压检 测单元，所述共模电压检测单元的输出连接所述共模反馈控制信号产生单元，所述共模反馈 控制信号产生单元的两个输出分别连接所述两级差分放大器的第一级电流源负载；

所述共模电压检测单元检测所述两级差分放大器的输出共模电压，并将该输出共模电 压传送给所述共模反馈控制信号产生单元；所述共模反馈控制信号产生单元将接收到的输出 共模电压与期望输出共模电压相减得到差值电压，将该差值电压转换为反馈电流，并将该反 馈电流与该时刻所述共模反馈控制信号产生单元的偏置电流一起分别通过所述共模反馈控 制信号产生单元的两个输出注入所述两级差分放大器的第一级电流源负载，控制所述两级差 分放大器的第一级电流源负载稳定在其预设的直流工作点。

所述共模反馈控制信号产生单元包括第一共栅极差分对MOS管和偏置电流源；所述第 一共栅极差分对MOS管的两个MOS管均为PMOS管，所述第一共栅极差分对MOS管的 两个源极相连并接至所述偏置电流源的输出和所述共模电压检测单元的输出；所述第一共栅 极差分对MOS管的两个栅极均连接一个预设的参考电压，该参考电压等于所述期望输出共 模电压减去所述第一共栅极差分对MOS管处于其预设的直流工作点时的栅源电压；所述第 一共栅极差分对MOS管的两个漏极分别作为所述共模反馈控制信号产生单元的两个输出。

所述偏置电流源包括一个第一PMOS管，所述第一PMOS管的源极连接所述两级差分 放大器的直流电源电压、栅极连接第一偏置电压、漏极作为所述偏置电流源的输出；所述共 模反馈控制信号产生单元的偏置电流为所述第一PMOS管的漏极输出电流。

所述共模电压检测单元包括相同阻值的第一电阻和第二电阻，所述两级差分放大器的 两个输出分别连接所述第一电阻和第二电阻的各一端，所述第一电阻和第二电阻的各另一端 相连并作为所述共模电压检测单元的输出。

所述第一电阻和第二电阻还各自并联有第一电容和第二电容。

所述两级差分放大器还包括隔离单元，所述共模反馈控制信号产生单元的两个输出与 所述两级差分放大器的第一级电流源负载之间通过所述隔离单元连接，所述隔离单元包括第 二共栅极差分对MOS管；所述第二共栅极差分对MOS管的两个源极或两个漏极分别连接 所述共模反馈控制信号产生单元的两个输出、并分别连接所述两级差分放大器的第一级放大 输入差分对管的两个输出，所述第二共栅极差分对MOS管的两个漏极或两个源极分别连接 所述第一级电流源负载、并分别作为所述两级差分放大器的第一级放大输出；所述第二共栅 极差分对MOS管的两个栅极均连接第二偏置电压。

所述两级差分放大器的第一级电流源负载包括一差分对MOS管；所述差分对MOS管 的两个栅极均连接第三偏置电压，所述差分对MOS管的两个漏极或两个源极分别作为所述 第一级电流源负载的两个输入，所述差分对MOS管的两个源极或两个漏极接地。

由上述对本发明的描述可知，与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

与现有的连续时间共模反馈电路相比，本发明具有两级差分放大器在闭环应用中当输 入端共模信号出现很大的瞬态值时，防止该两级差分放大器出现“锁死”状态的优点。

附图说明

图1为采用现有共模反馈电路的两级差分放大器示意图；

图2为本发明实施例一的电路结构示意图；

图3为两级差分放大器的闭环典型应用电路示意图；

图4为本发明实施例二的电路结构示意图。

具体实施方式

实施例一，

如图2所示，本发明提供了一种用于两级差分放大器的连续时间共模反馈电路200，包 括两级差分放大器，用于检测所述两级差分放大器的输出共模电压(记为Vocm2)的共模电 压检测单元201，和用于控制所述两级差分放大器的第一级电流源负载203稳定在其预设的 直流工作点的共模反馈控制信号产生单元202；所述两级差分放大器的两个输出(此处两个 输出的电压分别记为Von2、Vop2)分别连接所述共模电压检测单元201，所述共模电压检 测单元201的输出A2连接所述共模反馈控制信号产生单元202，所述共模反馈控制信号产 生单元202的两个输出B2、C2分别连接所述两级差分放大器的第一级电流源负载203；

所述共模电压检测单元201检测所述两级差分放大器的输出共模电压(Vocm2， Vocm2＝(Von2+Vop2)/2)，并将该输出共模电压(Vocm2)传送给所述共模反馈控制信号产生 单元202；所述共模反馈控制信号产生单元202将接收到的输出共模电压(Vocm2)与期望 输出共模电压(记为Vcm2)相减得到差值电压，将该差值电压转换为反馈电流，并将该反 馈电流与该时刻所述共模反馈控制信号产生单元202的偏置电流(即为该时刻所述第一 PMOS管M213的漏极输出电流)一起分别通过所述共模反馈控制信号产生单元202的两个 输出B2、C2注入所述两级差分放大器的第一级电流源负载203，控制所述两级差分放大器 的第一级电流源负载203稳定在其预设的直流工作点。

作为一种优选，所述共模反馈控制信号产生单元202包括第一共栅极差分对MOS管 (M211、M212)和偏置电流源；所述第一共栅极差分对MOS管的两个MOS管均为PMOS 管，所述第一共栅极差分对MOS管的两个源极相连并接至所述偏置电流源的输出和所述共 模电压检测单元201的输出A2；所述第一共栅极差分对MOS管的两个栅极均连接一个预 设的参考电压Vref，该参考电压Vref等于所述期望输出共模电压(Vcm2)减去所述第一共 栅极差分对MOS管处于其预设的直流工作点时的栅源电压，所述第一共栅极差分对MOS 管的两个漏极分别作为所述共模反馈控制信号产生单元202的两个输出B2、C2。

作为一种优选，所述偏置电流源包括一个第一PMOS管M213，所述第一PMOS管M213 的源极连接所述两级差分放大器的直流电源电压VDD、栅极连接第一偏置电压(为所述第 一PMOS管M213提供合适的偏置电压)、漏极作为所述偏置电流源的输出。

作为一种优选，所述共模电压检测单元201包括相同阻值的第一电阻R201和第二电阻 R202，所述两级差分放大器的两个输出分别连接所述第一电阻R201和第二电阻R202的各 一端，所述第一电阻R201和第二电阻R202的各另一端相连并作为所述共模电压检测单元 201的输出A2，则通过第一电阻R201和第二电阻R202，所述共模电压检测单元201可以 检测到Vocm2＝(Von2+Vop2)/2。

作为一种优选，所述第一电阻R201和第二电阻R202还各自并联有第一电容C201和 第二电容C202。

作为一种优选，所述两级差分放大器还包括隔离单元，所述共模反馈控制信号产生单 元202的两个输出B2、C2与所述两级差分放大器的第一级电流源负载203之间通过所述隔 离单元连接，所述隔离单元包括第二共栅极差分对MOS管(M203、M204)；所述第二共栅 极差分对MOS管的两个源极或两个漏极分别连接所述共模反馈控制信号产生单元202的两 个输出B2、C2并分别连接所述两级差分放大器的第一级放大输入差分对管(M201、M202) 的两个输出，所述第二共栅极差分对MOS管的两个漏极或两个源极分别连接所述第一级电 流源负载203、并分别作为所述两级差分放大器的第一级放大输出；所述第二共栅极差分对 MOS管的两个栅极均连接第二偏置电压(为所述第二共栅极差分对MOS管提供合适的偏置 电压)。

所述两级差分放大器的第一级电流源负载203包括一差分对MOS管(M205、M206)； 所述差分对MOS管的两个栅极均连接第三偏置电压(为所述差分对MOS管提供合适的偏 置电压)，所述差分对MOS管的两个漏极或两个源极分别作为所述第一级电流源负载203 的两个输入，所述差分对MOS管的两个源极或两个漏极接地。本实施例中，M205、M206 管均为NMOS管，因此，M205、M206管的两个源极接地，M205、M206管的两个漏极作 为所述第一级电流源负载203的两个输入通过所述隔离单元分别连接所述共模反馈控制信 号产生单元202的两个输出B2、C2。

当Vocm2小于Vcm2时，PMOS管M211、M212的栅源电压减小，流过M211、M212 管的电流减小，M203、M204、M205和M206管的电流下降，使得所述两级差分放大器第 一级放大输出电压(M205、M206管的漏极电压)变低，从而使M207、M208管的栅极电 压下降、输出共模电压上升，最终使Vocm2＝Vcm2，且所述两级差分放大器内的各个晶体 管回到各自预设的直流工作点；当Vocm2大于Vcm2时，M211、M212管的栅源电压增大， 流过M211、M212管的电流增大，M203、M204、M205和M206管的电流增大，使得所述 两级差分放大器第一级放大输出电压变大，从而使M207、M208管的栅极电压上升、输出 共模电压下降，并最终使Vocm2＝Vcm2，且所述两级差分放大器内的各个晶体管回到各自 预设的直流工作点，达到调整输出共模电压的目的。

将本发明实施例一的一种用于两级差分放大器的连续时间共模反馈电路200应用于如 图3所示的闭环典型应用电路300中，则当所述共模电压检测单元201检测到的输出共模电 压Vocm2＝Vcm2时，没有电流流过所述第一电阻R201、第二电阻R202、第一电容C201和 第二电容C202，此时，假设所述第一PMOS管M213的源-漏电流为I₂₁₃、MOS管M200的 源-漏电流为I₂₀₀、MOS管M209和M210的源-漏电流均为I₂₀₉、则流过所述两级差分放大器 的第一级放大输入差分对管的两个PMOS管M201、M202的源-漏电流均为I₂₀₀/2，流过 PMOS管M211和M212的源-漏电流均为I₂₁₃/2，流过M203、M204、M205、M206管的电 流均为I₂₀₀/2+I₂₁₃/2。因此，只需根据这些电流数据，设计所述用于两级差分放大器的连续 时间共模反馈电路200的各个MOS管的宽长比和偏置电压，使得各个MOS工作在合适的 直流工作点。

当所述两级差分放大器的输入端共模信号出现很大的瞬态值时，所述第一级放大输入 差分对管的两个PMOS管M201、M202均关断，假设反馈回路还未形成(即所述共模电压 检测单元201还未向所述共模反馈控制信号产生单元202传送检测到的输出共模电压)，则 流过M203、M204、M205、M206管的电流由I₂₀₀/2+I₂₁₃/2下降为I₂₁₃/2，M205、M206管 的漏端电压被拉到接近于地(0V)，导致所述两级差分放大器的第二级放大电路的M207、 M208管关断，所述两级差分放大器的两个输出的电压Vop2和Von2接近直流电源电压VDD。 此时，共模电压检测单元201检测到输出共模电压(Vocm2)接近于VDD，并将Vocm2输 入到所述共模反馈控制信号产生单元202的M211、M212管的源端，而M211、M212管的 栅极电压Vref不变，因此M211、M212管将Vocm2大于Vcm2的差值电压(Vocm2-Vcm2) 转换为反馈电流(该反馈电流本质上由VDD通过M209、M210管和共模电压检测单元201 中的电阻电容支路提供，记为2×I₂₀₉’)与所述共模反馈控制信号产生单元202的偏置电流(此 时所述第一PMOS管M213的源-漏电流，记为I₂₁₃’)一起分别通过所述共模反馈控制信号 产生单元202的两个输出B2、C2注入M203、M205管和M204、M206管，使M203、M204、 M205、M206管工作在饱和区，从而使得整个内部共模反馈电路正常工作，保证外部共模环 路增益小于1，不满足正反馈条件，防止出现“锁死”状态，且当输入电压恢复正常时，能 够使得输出共模电压与所述期望输出共模电压相等，且使所述两级差分放大器内的各个晶体 管回到各自预设的直流工作点。

综上所述，本发明实施例一的一种用于两级差分放大器的连续时间共模反馈电路200 应用于如图3所示的闭环典型应用电路300中时，能够防止两级差分放大器的输入端共模信 号出现很大的瞬态值时，该两级差分放大器出现“锁死”状态。

实施例二，

图4为本发明的另一个实施例，该实施例中第二共模电压检测单元401、第二共模反馈 控制信号产生单元402分别与实施例一中的共模电压检测单元201、共模反馈控制信号产生 单元202相同，该实施例中的两级差分放大器结构与实施例一的两级差分放大器结构不同， 但工作原理与实施例一相同。

上述实施例仅用来进一步说明本发明的一种用于两级差分放大器的连续时间共模反馈 电路，但本发明并不局限于实施例，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简 单修改、等同变化与修饰，均落入本发明技术方案的保护范围内。