CN118282331A - 两级共模反馈电路及包括其的全差分运算放大器 - Google Patents
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Abstract
本申请提供一种两级共模反馈电路及包括其的全差分运算放大器。两级共模反馈电路包含第一共模反馈电路和第二共模反馈电路。第一共模反馈电路包括第一共模反馈组件，其接收第一放大器的第一输出信号差分对及第一参考信号。第一共模反馈组件产生第一控制信号，以将第一放大器的第一共模电压调整至第一参考信号的第一参考电压。第二共模反馈电路包括第二共模反馈组件，其接收第二放大器的第二输出信号差分对及第二参考信号。第二共模反馈组件根据第二参考信号产生第二控制信号，以将第二放大器的第二共模电压调整至第二参考信号的第二参考电压。通过采用相依于工作电压的共模反馈组件，可以降低电流随工作电压规格变化产生的变化，以便于设计电路。
Description
技术领域
本申请涉及一种电路及装置，更具体来说，涉及一种两级共模反馈电路及包括其的全差分运算放大器。
背景技术
在现有技术中，共模反馈(common-mode feedback circuit，CMFB)电路对于全差分运算放大器(op-amp)至关重要，因为在没有CMFB的情况下，输出共模电平会位移到非预期的高/低电平。
传统的CMFB电路可以将每一级放大器的输出共模电压的电平强制控制在固定电平，且此固定电平非相依于运算放大器中使用的工作电压(电源电压)。然而，当工作电压改变时，放大器电流可能会发生显著变化，这需要较大的设计余裕以确保运算放大器的性能(例如增益、带宽等)在符合工作电压的规格内，这导致了更复杂的设计。
发明内容
本申请所要解决的技术问题在于，针对现有技术的不足提供一种两级共模反馈电路及包括其的全差分运算放大器。
为了解决上述技术问题，本申请所采用的其中一个技术方案是提供一种全差分运算放大器，所述全差分运算放大器包括：一第一级，包括：一第一放大器，经配置以放大一第一输入信号差分对之间的差值信号，并输出一第一输出信号差分对；及一第一共模反馈电路，包括接收所述第一输出信号差分对及一第一参考信号的一第一共模反馈组件，其中，所述第一共模反馈组件经配置以根据所述第一输出信号差分对及所述第一参考信号产生用于所述第一放大器的一第一控制信号，以将所述第一放大器的一第一共模电压调整至所述第一参考信号的一第一参考电压；以及一第二级，与所述第一级连接且包括：一第二放大器，经配置以放大所述第一输出信号差分对之间的差值信号，并输出一第二输出信号差分对；及一第二共模反馈电路，包括接收所述第二输出信号差分对及一第二参考信号的一第二共模反馈组件，其中所述第二共模反馈组件经配置以根据所述第二输出信号差分对及所述第二参考信号产生一第二控制信号，以将所述第二放大器的一第二共模电压调整至所述第二参考信号的一第二参考电压。
可选的，所述第一参考电压是通过将一工作电压减去一预定电压而得到的。
可选的，所述预定电压不相依于所述工作电压。
可选的，所述第一共模反馈电路还包括：一参考信号源，包括：一第一晶体管，具有连接至所述工作电压的一第一端、一第二端以及连接于所述第二端及所述第一共模反馈组件的一第三端；及一第一恒定电流源，连接于所述第二端与一接地端之间。
可选的，所述第一放大器及所述第二放大器连接到提供所述工作电压的一共享电源。
为了解决上述技术问题，本申请所采用的其中一个技术方案是提供一种两级共模反馈电路，所述两级共模反馈电路适用于一全差分运算放大器，包括串联的一第一放大器及一第二放大器，所述的两级共模反馈电路包括：一第一共模反馈电路，包括接收一第一输出信号差分对及一第一参考信号的一第一共模反馈组件，其中，所述第一共模反馈组件经配置以根据所述第一输出信号差分对及所述第一参考信号产生用于所述第一放大器的一第一控制信号，以将所述第一放大器的一第一共模电压调整至所述第一参考信号的一第一参考电压；及一第二共模反馈电路，包括接收一第二输出信号差分对及一第二参考信号的一第二共模反馈组件，其中所述第二共模反馈组件经配置以根据所述第二输出信号差分对及所述第二参考信号产生一第二控制信号，以将所述第二放大器的一第二共模电压调整至所述第二参考信号的一第二参考电压。
可选的，在所述两级共模反馈电路中，所述第一参考电压是通过将一工作电压减去一预定电压而得到的。
可选的，在所述两级共模反馈电路中，所述预定电压不相依于所述工作电压。
可选的，在所述两级共模反馈电路中，所述第一共模反馈电路还包括：一参考信号源，包括：一第一晶体管，具有连接至所述工作电压的一第一端、一第二端以及连接于所述第二端及所述第一共模反馈组件的一第三端；及一第一恒定电流源，连接于所述第二端与一接地端之间。
可选的，在所述两级共模反馈电路中，所述第一放大器及所述第二放大器连接到提供所述工作电压的一共享电源。
本申请的其中一有益效果在于，在本申请所提供的两级共模反馈电路及包括其的全差分运算放大器中，通过采用使用相依于工作电压(电源电压)的参考信号的第一共模反馈组件，可以降低电流随着工作电压规格变化产生的变化量，从而便于设计两级运算放大器的电路。
为使能更进一步了解本申请的特征及技术内容，请参阅以下有关本申请的详细说明与附图，然而所提供的附图仅用于提供参考与说明，并非用来对本申请加以限制。
附图说明
图1为本申请一实施例的全差分运算放大器的示意图。
图2为本申请一实施例的全差分运算放大器的电路布局图。
图3是现有的共模反馈电路在不同电源电压下，放大器电流与输入电压Vin的波形图。
图4为本申请一实施例的具有两级共模反馈电路的全差分运算放大器在不同电源电压下的放大器电流与输入电压Vin的波形图。
具体实施方式
以下是通过特定的具体实例来说明本申请所公开有关“两级共模反馈电路及包括其的全差分运算放大器”的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所公开的内容了解本申请的优点与效果。本申请可通过其他不同的具体实施例加以施行或应用，本说明书中的各项细节也可基于不同观点与应用，在不背离本申请的构思下进行各种修改与变更。另外，本申请的附图仅为简单示意说明，并非依实际尺寸的描绘，事先声明。以下的实施方式将进一步详细说明本申请的相关技术内容，但所公开的内容并非用以限制本申请的保护范围。另外，本文中所使用的术语“或”，应视实际情况可能包括相关联的列出项目中的任一个或者多个的组合。
图1为本申请一实施例的全差分运算放大器的示意图。参考图1所示，本申请实施例提供了一种全差分运算放大器1，其包含串联的第一级STA1及第二级STA2。
第一级STA1包括第一放大器A1及第一共模反馈(common-mode feedbackcircuit，CMFB)电路10。第一放大器A1可以是差分运算放大器，并且可经配置以放大第一输入信号差分对Inp及Inn之间的差值信号，并输出第一输出信号差分对Outp1和Outp2。
第一CMFB电路10可以包括第一CMFB组件100，其接收第一输出信号差分对Outp1和Outp2以及第一参考信号Sref1。CMFB组件100可以是至少包括共模电压检测器及比较器的电路，共模电压检测器用于感测第一放大器A1的共模电压，将感测到的共模电压与指定参考电压进行比较，并将控制信号Sctrl1反馈至第一(全差分)放大器A1，其目的是将共模电压同化至预期的电压电平。本申请可以使用本领域技术人员已知的各种类型的CMFB电路，例如简单的运算放大器、具有跨导电平感测电路的共模感测电流放大器等。
因此，第一CMFB组件100可经配置以根据第一输出信号差分对Outp1和Outn1以及第一参考信号Sref1产生用于第一放大器A1的第一控制信号Sctr1，以将第一放大器A1的第一共模电压调整至第一参考信号Sref1的第一参考电压。
第二级STA2连接到第一级STA1并包含第二放大器A2及第二CMFB电路12。第二放大器A2可以是全差分放大器，用于放大第一输出信号差分对Outp1及Outn1之间的差值信号，并分别通过输出端Outp及Outn输出第二输出信号差分对Outp2和Outn2。
类似第一CMFB电路10，第二CMFB电路12包括第二CMFB组件120，其接收第二输出信号差分对Outp2及Outn2以及第二参考信号Sref2。第二CMFB组件120经配置以根据第二输出信号差分对Outp2及Outn2以及第二参考信号Sref2产生第二控制信号Sctr2，以将第二放大器A2的第二共模电压调整至第二参考信号Sref2的第二参考电压。
具体来说，为了便于设计全差分运算放大器1的电路，应减少随着第一放大器A1及第二放大器A2所使用的共享电源所提供的工作电压(例如电源电压)变化的电流变化量。第二参考信号Sref2的电平通常被设计为工作电压的一半，而第一参考信号Sref1则需要针对上述目仔细设计。在这种情况下，第一参考电压可以通过从工作电压Vdd中减去一预定电压x来获得(例如，Vdd-x)，且第二参考电压可以是等于工作电压Vdd乘以设定值y(例如，y*Vdd)，设定值可例如是1/2，其细节将在下文中说明。
进一步参考图2所示，其为本申请一实施例的全差分运算放大器的电路布局图。
本领域技术人员可辨别电阻符号、电容符号及金属氧化物半导体场效晶体管(metal-oxide semiconductor field effect transistor，MOSFET)符号，特别是P型、N型MOSFET，并且可以识别MOSFET的“源极”、“栅极”及“漏极”等端。本领域技术人员可以阅读包括电阻、电容、N型MOSFET和P型MOSFET的电路的示意图，并且不需要针对上述示意图中的晶体管、电阻或电容如何与另一个晶体管、电阻或电容连接进行详细描述。
如图2所示，提供了一个全差分运算放大器1的范例，其中，第一放大器A1包括MOSFET M1至M10及恒定电流源CS1，第二放大器A2包括MOSFET M11至M14、第一电阻R1、第一电容C1、第二电阻R2、第二电容C2以及恒定电流源CS2和CS3。此外，第一放大器A1及第二放大器A2连接于提供工作电压Vdd的共享电源。更具体来说，第一放大器A1的MOSFET M1和M2的源极以及MOSFET M11和M12的源极连接到提供工作电压Vdd的共享电源。
然而，前述细节仅出于示例性目的而公开，并不意味着限制本申请的范围。
需要说明的是，在具有CMFB电路的现有差分放大器中，第一输出信号差分对Outp1及Outn1以及第二输出信号差分对Outp2及Outn2通常被调节至一个预定的共模电压，即Vdd/2。因此，调节为Vdd/2的第一输出信号差分对Outp1及Outn1被输出到第二级STA2，从而在MOSFET M4的漏极和MOSFET M11的栅极之间的第一输出节点No1处以及在MOSFET M3的漏极及MOSFET M12的栅极之间的第二输出节点No2处产生Vdd/2的电压。在此前提下，由于MOSFET M11的源极-栅极电压及MOSFET M12的源极-栅极电压保持在Vdd/2，因此第二放大器A2的放大器电流随着工作电压(Vdd)而显著变化，即，相依于工作电压Vdd。
为了解决上述变化问题，第一CMFB电路10还包括参考信号源102，用于向第一参考信号Sref1提供指定的第一参考电压。
在本实施例中，参考信号源102可以包括MOSFET M0及恒定电流源CS4。MOSFET M0具有连接至工作电压Vdd的第一端(例如，源极)、第二端(例如，漏极)以及连接至其第二端及第一CMFB组件100的参考端的第三端(例如，栅极)。恒定电流源CS4连接于MOSFET M0的第二端与接地端GND之间。因此，减去MOSFET M0的第一端与第三端之间的电压即可得到指定的第一参考电压，即栅极至源极电压Vgs，且第一参考电压为Vdd-Vgs。在本实施例中，电压Vgs作为不相依于工作电压Vdd的预定电压。
因此，第一CMFB组件100可以根据第一输出信号差分对Outp1及Outn1以及第一参考信号Sref1在第一放大器A1的MOSFET M1和M2的栅极之间的节点处产生第一控制信号Sctr1，以将第一放大器A1的第一共模电压调整至第一参考信号Sref1的第一参考电压(即Vdd-Vgs)。
就此而言，其共模电压被调节至Vdd-Vgs的第一输出信号差分对Outp1及Outn1被输出到第二级STA2，以分别在(接收工作电压Vdd的)工作电压节点NVdd与第一输出节点No1之间，以及在工作电压节点NVdd与第二输出节点No2之间产生Vgs的电压。
在此前提下，由于MOSFET M1和M12的源极至栅极电压保持在不相依于工作电压Vdd的Vgs，因此可以减少第二放大器A2的放大器电流相对于共享电源的工作电压Vdd的变化。
图3是现有的CMFB电路在不同电源电压下，放大器电流与输入电压Vin的波形图，图4为本申请一实施例的具有两级CMFB电路的全差分运算放大器在不同电源电压下的放大器电流与输入电压Vin的波形图。
从图3及图4可以看出，由于第一输出节点No1及第二输出节点No2的电压电平相依于工作电压Vdd，所以传统CMFB电路的放大器电流随着电源电压(即，工作电压Vdd)变化而显著变化。在图3中，Vdd为1.6V和2.0V时放大器电流之间的变化高达约31.52μA。
将图4与图3比较，相比之下，由于工作电压节点NVdd与第一输出节点No1之间的电压电平以及工作电压节点NVdd及第二输出节点No2之间的电压电平均保持在Vgs而不相依于共享电源的工作电压Vdd，本申请所提供的两级CMFB电路的放大器电流随工作电压Vdd的变化可显著减小。在图4中，在1.6V和2.0V的Vdd下，放大器电流之间的变化可以减少到约0.64μA。更进一步的说，在不同工作电压下，本申请的两级CMFB电路的放大器电流变化可有效的控制在小于1μA。
[实施例的有益效果]
本申请的其中一有益效果在于，在本申请所提供的两级共模反馈电路及包括其的全差分运算放大器中，通过采用使用相依于工作电压(Vdd)的参考信号的CMFB组件，可以降低电流随着工作电压规格变化产生的变化量，从而便于设计两级运算放大器的电路。
以上所公开的内容仅为本申请的优选可行实施例，并非因此局限本申请的权利要求书的保护范围，所以凡是运用本申请说明书及附图内容所做的等效技术变化，均包含于本申请的权利要求书的保护范围内。
Claims (10)
1.一种全差分运算放大器，其特征在于，所述全差分运算放大器包括：
一第一级，包括：
一第一放大器，经配置以放大一第一输入信号差分对之间的差值信号，并输出一第一输出信号差分对；及
一第一共模反馈电路，包括接收所述第一输出信号差分对及一第一参考信号的一第一共模反馈组件，其中，所述第一共模反馈组件经配置以根据所述第一输出信号差分对及所述第一参考信号产生用于所述第一放大器的一第一控制信号，以将所述第一放大器的一第一共模电压调整至所述第一参考信号的一第一参考电压；以及
一第二级，与所述第一级连接且包括：
一第二放大器，经配置以放大所述第一输出信号差分对之间的差值信号，并输出一第二输出信号差分对；及
一第二共模反馈电路，包括接收所述第二输出信号差分对及一第二参考信号的一第二共模反馈组件，其中所述第二共模反馈组件经配置以根据所述第二输出信号差分对及所述第二参考信号产生一第二控制信号，以将所述第二放大器的一第二共模电压调整至所述第二参考信号的一第二参考电压。
2.根据权利要求1所述的全差分运算放大器，其特征在于，所述第一参考电压是通过将一工作电压减去一预定电压而得到的。
3.根据权利要求2所述的全差分运算放大器，其特征在于，所述预定电压不相依于所述工作电压。
4.根据权利要求3所述的全差分运算放大器，其特征在于，所述第一共模反馈电路还包括：
一参考信号源，包括：
一第一晶体管，具有连接至所述工作电压的一第一端、一第二端以及连接于所述第二端及所述第一共模反馈组件的一第三端；及
一第一恒定电流源，连接于所述第二端与一接地端之间。
5.根据权利要求3所述的全差分运算放大器，其特征在于，所述第一放大器及所述第二放大器连接到提供所述工作电压的一共享电源。
6.一种两级共模反馈电路，其特征在于，所述两级共模反馈电路适用于一全差分运算放大器，包括串联的一第一放大器及一第二放大器，所述的两级共模反馈电路包括：
一第一共模反馈电路，包括接收一第一输出信号差分对及一第一参考信号的一第一共模反馈组件，其中，所述第一共模反馈组件经配置以根据所述第一输出信号差分对及所述第一参考信号产生用于所述第一放大器的一第一控制信号，以将所述第一放大器的一第一共模电压调整至所述第一参考信号的一第一参考电压；及
一第二共模反馈电路，包括接收一第二输出信号差分对及一第二参考信号的一第二共模反馈组件，其中所述第二共模反馈组件经配置以根据所述第二输出信号差分对及所述第二参考信号产生一第二控制信号，以将所述第二放大器的一第二共模电压调整至所述第二参考信号的一第二参考电压。
7.根据权利要求6所述的两级共模反馈电路，其特征在于，所述第一参考电压是通过将一工作电压减去一预定电压而得到的。
8.根据权利要求7所述的两级共模反馈电路，其特征在于，所述预定电压不相依于所述工作电压。
9.根据权利要求8所述的两级共模反馈电路，其特征在于，所述第一共模反馈电路还包括：
一参考信号源，包括：
一第一晶体管，具有连接至所述工作电压的一第一端、一第二端以及连接于所述第二端及所述第一共模反馈组件的一第三端；及
一第一恒定电流源，连接于所述第二端与一接地端之间。
10.根据权利要求9所述的两级共模反馈电路，其特征在于，所述第一放大器及所述第二放大器连接到提供所述工作电压的一共享电源。
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