拉扎维书上说差动反馈不能确定共模电压，为什么啊?求指导

子远 · 发表于 2015-10-26 19:49:30

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拉扎维书上第九章运算放大器9.6节共模反馈，说差动反馈不能确定共模电压，为什么啊?求指导

zengyl · 发表于 2015-10-26 22:48:04

多看看书

Roy-yu · 发表于 2015-10-31 11:40:27

多看看书是很有必要的！
原因如书所说：在高增益AMP中，要求Ip和In完全平衡是不能实现的，所以Ip和In会有一些小误差，也就是Ip-In，这一个电流的不匹配与输出电阻Rout作用，会产生一个很大的电压误差。会使得电流比较高的电流管子进入线性区，降低电流，以试图达到电流的匹配。这个输出共模电压会因为很小的失配（Ip不等于In）就会相差很大，所以不能确定共模电压。
你自己仿真的时候调节电流源的宽长比都可以看出输出共模电平变化很大，你也可以参考Alen那本书P159

ff1268 · 发表于 2015-10-31 12:02:58

學習了！！
小弟也有此疑問，謝謝三樓的大大的解釋

lovekeduo · 发表于 2015-11-1 00:53:04

我来总结一下吧，本人也是初学者，请各位大神多指点。
大家都提到了nmos和pmos不匹配的问题，至于什么叫nmos和pmos不匹配，书上已经说得很清楚了，简单的说就是把一个nmos和pmos器件漏极连接漏极，无法通过简单公式算出漏极电压。即使只考虑经spice level1电流公式，计算也要解二次方程，很不方便，而且电路变得不稳定。例如，你确定了pmos和nmso的偏置电压，很据设定的偏置电压辛辛苦苦的用mos电流公式计算出了器件尺寸，确定在某个器件尺寸下pmos和nmos的偏置电压刚好使nmos和pmos同时稳定在饱和区。这个电路设计是不实用的，任何细微的变化，比如偏置电压的波动，工艺的漂移（工艺漂移会改变vth和cox），就可能会导致之前的偏置不再平衡，趋势器件进入线性区。
共模反馈的作用正是为了使nmos和pmos偏置平衡，为何差动反馈不能使nmos和pmos偏置平衡？

在解释这个问题之前，我再说一个匹配的问题，共模反馈这里提到的nmos和pmos不匹配指的是上下不匹配（我个人引入的概念），也就是pmos负载和nmos尾电流源不匹配。电路的不匹配还有横向或左右的不匹配（也是我个人引入的概念），所谓横向不匹配也就是运放的两条支路不匹配或者说不对称，以及第一级和第二级的不匹配。运放不对称很好理解，什么是第一级和第二级的不匹配？对于二级运放来讲，第一级的输出电压是第二级输入管的偏置电压，假设第二级是一个电流源负载的共源放大器，如果第一级的输出电压不能使第二级的nmos和pmos器件同时偏置在饱和区，这就是第一级和第二级不匹配。横向不匹配是产生失调电压的原因。
理解了不匹配的问题，我们首先来看为什么共模反馈能确定输出共模电压，以典型的有参考电压的共模负反馈电路为例。这里假设运放是对称的，不存在横向不匹配。共模反馈电路首先采集共模输出电压，将采集的共模电压经过一个误差放大器和参考电压比较，然后连接到nmos或pmos电流源的栅极，形成反馈环路，反馈环路各级的极性必须保证是负反馈。负反馈放大器迫使共模输入电压等于参考电压，精度取决于环路增益。这里面的关键是nmos或pmos电流源的其中一个被包含在了反馈环内，如果共模电压有变化的趋势，负反馈电路将会调节nmos或pmos的栅极电压，抑制共模输出变化。mos器件的偏置电流对于栅极电压是非常敏感的，栅极电压的细微变化就能抑制输出共模电平的变化。

为何差动反馈不能确定共模输出呢？实际上差动反馈只能调节差模输出电压的大小，下面来说明原因。我们知道共模反馈的环路包含了nmos或pmos电流源器件，所以可以调节nmos和pmos电流源之间的不匹配。但是差动信号的反馈环路，除了反馈网络，只包含了输入器件以及共源共栅器件。输出电平的变化，通过反馈环路只能改变正负输入管的栅极电压，实际上也就是改变差分输入信号的大小，进而调节改变输出电压。不过差分输入电压只能改变差分输出电压，而不能改变共模输出电压。这个反馈里面没有任何机制可以控制调节共模输出电平。如果没有失调电压，差动反馈使差模输出为零。由于有横向不对称，也就是失调电压的存在，差模输出会大于零。

可以这样来理解，共模反馈调节上下不匹配，确定共模输出电压。差动反馈调节横向不匹配，确定差模输出电压。

二级单端输出运放比较特别，共模电平也是不确定的，但是造成输出不确定的原因是横向不匹配，因此可以用反馈来确定共模输出电平。单端结构输出端的共模电平，一般可以定义为等于输入共模电压。这样确定的共模输出电平，实际上不严格等于输入共模电平，误差为失调电压的1/β倍，β为负反馈系数，差分输出为失调电压的1/β倍。全差动运放的共模电压不确定的原因是上下不匹配，不能用差动负反馈来解决，差动负反馈的作用是控制差模输出，误差也为失调电压的1/β倍。在很多应用中，这个误差是可以接受的。

下面我们通过计算单端运放和双端运放的共模输出电压来说明这个问题。

共模输出电平计算