[发明专利]二级运算放大器共模反馈电路

说明书

技术领域

本发明涉及集成电路领域，尤其涉及高速高性能运放的设计。

背景技术

运算放大器设计贯穿于模拟集成电路设计的各个领域，应用非常广泛，而差分运放在运算放大器中占有极为重要的地位，差分运放一向重要性能就是其共模信号的稳定性，当期应用于有源滤波器，开关电容滤波器等许多常见电路时，其输出变换剧烈，同时又要保证其共模电压的稳定性，这样就要求运算放大器的共模反馈电路具备高速和稳定的特点，在信号变换剧烈的情况中，共模电压能够快速地响应和稳定。二级差分运算放大器，由于其高增益和高输出摆幅的特性，为运算放大器的典型结构，但由于其由两级构成，进行有效的共模反馈稳定是一个有挑战性的难点，

如图1所示的典型二级运算放大器，图2是其典型的共模反馈电路，该电路通过图2中两个大小相等的电阻R21进而R22，得出运放输出电压的共模值，再与基准共模电压值Vcm_ref进行比较放大，其信号反馈回运算放大器的第一级，假如共模输出电压升高，则反馈电压Vfb1下降，该电压与运放的第一级电流偏置管M21和M22相连，所以第一级输出共模电压将升高，第二级运放的输出共模电压降低，这样，该反馈环路将保证运放共模输出电压的稳定。

但这种共模反馈方式存在重要的缺陷，首先，由于其共模反馈路径经过第一级与第二级，共用运放的差模输入路径，也就是信号输入路径，这样，其共模电压的响应速度或建立速度就受限于该差模运放的带宽，即共模输入信号的建立速度不会超过差模信号建立的速度。其次，由于其共模反馈路径中额外加入了图2所示的比较放大电路，将额外引入极点，共模反馈回路的稳定性很难得到保证。

因此，为了解决共模反馈的速度与稳定性问题，该发明采用两条支路进行反馈的方式，图4和图5所示，在第一级和第二级均引入共模反馈支路，并且均为快速响应路径，既具备快速，又具备稳定的特点。

发明内容

本发明通过对二级差分运算放大器的输入和输出级均引入共模反馈回路，即将传统的共模反馈环路分为两个，对于第一级的共模反馈，创造兴地产生了一个可以使运放静态偏置于基准值的电压，该电压将作为正常工作时，第一级输出的共模电压基准值，利用该共模电压基准值，则可以通过反馈使第一级的共模电压值稳定，这样很大程度降低了输入跳变，首先引起第一级输出共模电平扰动，进而在第二级进行放大形成更大的扰动的问题。第二级的共模反馈将使运放的输出共模电压稳定至指定的基准值。

附图说明

图1为传统的二级差分运算放大器电路示意图；

图2为传统的二级差分运算放大器共模反馈电路示意图；

图3为本发明所采用的二级差分运算放大器示意图

图4为本发明所采用的二级差分运算放大器第一级共模反馈电路示意图；

图5为本发明所采用的二级差分运算放大器第二级共模反馈电路示意图；

图6为传统共模反馈电路与本专利的共模反馈电路工作性能对比

具体实施方式

如图3所示的二级差分运算放大器，为保证共模反馈电路的快速性和稳定性，在第一级和第二级均采用共模反馈电路，对于第一级共模反馈回路的设计，如图4所示，首先产生一个基准电压Vref，该电压将作为第一级输出的基准值。即如果第一级输出共模电压值为Vref，则运放输出共模电压值应该为指定的共模输出电压值Vcm_ref；为产生该基准电压Vref，图4中M2和M12与图3中运放输出支路的M12，M13相匹配，即按比例缩小取得。如图4所示，节点A的电压值将与共模输出电压的基准值Vcm_ref进行比较。形成反馈回路，产生Vref，即若节点A电压高于Vcm_rer，则将引起Vref的上升，加强M12的导通，拉低节点A的电压，这样，该反馈回路保证A节点电压与Vcm_ref相同，也就产生了作为第一级共模反馈所需要的基准电压Vref，即若第一级输出的电压为Vref，则运放的输出电压值为Vcm_ref。如图4所示，通过电阻R1与R2取得第一级输出的共模电压值，与Vref进行比较形成反馈回路，即保证运放在工作过程中，在输入大幅度跳动情况中，第一级的输出共模电压始终稳定在Vref，同时在第二级引入如图5所示的共模反馈路径，使运放的共模电压输出最终稳定在指定的共模电压Vcm_ref。第二级的共模反馈路径同时保证了第一级共模低压存在偏差的情况下，运放输出共模电平仍然稳定。

图4和图5的共模反馈回路，避开了信号从第一级到第二级传输时存在的极点问题，均为快速路径，也不存在稳定性问题。

如图6所示，将采用传统的共模反馈电路与本专利所采用的共模反馈电路应用于滤波器中，可以看出采用传统的共模反馈电路，在大跳变时出现振荡，而本专利所采用的共模反馈电路能很快稳定。