共模反馈环路稳定性分析及电路设计

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*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。

　　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。

　　首先分析运放本身。其共模反馈内环传输函数ACMFB(s)为：

　　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：