一种基于环路反馈系数的全差分运放应用电路确定方法
【专利摘要】一种基于环路反馈系数的全差分运放应用电路确定方法，主要解决了全差分运放应用中特有的双反馈环路难以设计和匹配的问题。步骤为：(1)化简电路，等效出前馈阻抗和反馈阻抗；(2)计算反馈网络的环路反馈系数；(3)以反馈系数为基础建立应用电路的小信号等效模型(4)利用步骤(3)中得到的模型，一次性得到应用电路共模噪声，差模增益，输入阻抗的计算公式。本发明具有简化电路设计过程，降低电路设计和匹配难度的优点。
【专利说明】
一种基于环路反馈系数的全差分运放应用电路确定方法
【技术领域】
[0001]本发明设计一种全差分运放应用电路确定方法，特别是一种基于环路反馈系数的全差分运放应用电路确定方法，适用于包括高速ADC和DAC在内的各种全差分运放负反馈应用电路设计中。
【背景技术】
[0002]近年来无线通信领域迅速发展，数模混合电路在现代电路系统中的比重日益增力口，运放作为系统驱动电路的主要器件，由运放器件自身非线性所引入的谐波噪声往往是整个系统谐波分量的主要来源之一。同时运放器件的噪声系数也将直接影响系统最终的信噪比输出。一般单端运放的谐波性能随输入信号频率的升高急剧恶化，单端输出的特点也使其无法有效抑制系统的共模噪声输入。全差分运放因其出色的谐波和共模噪声抑制特性极大地提高了采集系统的高频信号质量。然而，全差分运放特有的双反馈环路大大增加了ADC驱动电路的设计、匹配难度，制约了全差分运放型驱动电路的应用，长期以来成为高速、宽带信号采集系统设计的瓶颈之一。
[0003]传统运放应用电路的设计方法是利用运放差分输入端“虚短”、“虚断”的理论，首先确定出各个输入端电压，其次按照基尔霍夫电流定理确定应用电路中各元件参数。传统方法在单端运放应用电路的设计中简洁、有效。然而对于全差分运放，虽然传统“虚短”、“虚断”理论仍然成立，但是由于其应用中特有的双反馈环路，导致运放输入端电压很难直接确定，使传统设计方法难以应用。
【发明内容】
[0004]本发明解决的技术问题:为克服现有技术的不足，本发明提出了一种基于环路反馈系数的全差分运放应用电路的设计方法。以环路反馈系数的实现了电路差模增益、共模噪声和阻抗匹配三个主要指标计算方法的统一，并且从工程应用的角度对结论进行了合理化简，提高了该方法的可操作性。
[0005]本发明所采用的技术解决方案:一种基于环路反馈系数的全差分运放应用电路确定方法，所述应用电路包括所有应用全差分运放的负反馈电路，步骤如下:
[0006](I)化简全差分运放应用电路:将连接在整个应用电路正负输入端与全差分运放器件正负输入端之间的电阻电容分别等效为前馈增益阻抗Zei和Ze2，将连接在运放器件正负输出端与器件正负输入端之间的电阻电容分别等效为反馈阻抗Zfi和Zf2 ；
[0007](2)按照应用电路功能，将全差分运放应用电路分为前馈放大和反馈网络两个部分，并分别计算出两个反馈网络的环路反馈系数β工和β 2 ;
[0008](3)针对全差分运放应用电路的双环路特征，利用步骤(2)中得到的环路反馈系数β i和β 2建立全差分运放应用电路的小信号模型；所述双环路特征是指:由于全差分运放器件自身包含两个输入端与两个输出端，因此由运放器件输出端到输入端包含两个反馈网络；
[0009](4)依据步骤(3)中建立的小信号模型，一次性得到全差分运放应用电路的差模增益、共模噪声和输入阻抗三个电路指标，进而根据得到的三个指标的表达式求解全差分运放应用电路的设计参数；
[0010]所述设计参数包括除全差分运放器件外，整个应用电路中的电阻电容值；具体为:连接在整个应用电路输入端与全差分运放输入端之间的电阻电容Zei和ze2，连接在全差分运放输入端与输出端之间的电阻电容Zfi和Zf2 ；
[0011]根据步骤(3)中的小信号模型得到:
【权利要求】
1.一种基于环路反馈系数的全差分运放应用电路确定方法，所述应用电路包括所有应用全差分运放的负反馈电路，其特征在于步骤如下: (1)化简全差分运放应用电路:将连接在整个应用电路正负输入端与全差分运放器件正负输入端之间的电阻电容分别等效为前馈增益阻抗Zei和Ze2，将连接在运放器件正负输出端与器件正负输入端之间的电阻电容分别等效为反馈阻抗Zfi和Zf2 ； (2)按照应用电路功能，将全差分运放应用电路分为前馈放大和反馈网络两个部分，并分别计算出两个反馈网络的环路反馈系数β工和β 2 ; (3)针对全差分运放应用电路的双环路特征，利用步骤(2)中得到的环路反馈系数和β 2建立全差分运放应用电路的小信号模型；所述双环路特征是指:由于全差分运放器件自身包含两个输入端与两个输出端，因此由运放器件输出端到输入端包含两个反馈网络； (4)依据步骤(3)中建立的小信号模型，一次性得到全差分运放应用电路的差模增益、共模噪声和输入阻抗三个电路指标，进而根据得到的三个指标的表达式求解全差分运放应用电路的设计参数； 所述设计参数包括除全差分运放器件外，整个应用电路中的电阻电容值，具体为:连接在整个应用电路输入端与全差分运放输入端之间的电阻电容Zei和Ze2，连接在全差分运放输入端与输出端之间的电阻电容Zfi和Zf2 ； 根据步骤(3)中的小信号模型得到:
其中Vot+和VTOT_分别为全差分运放电路的正向与反向输出信号，Vin+和VIN_分别为整个应用电路的正向与反向输入信号，vIN+和vIN_均为已知量；
为整个应用电路输出信号的共模电平，Af为全差分运放器件自身的前馈增益；在深度负反馈条件下，即Af β ?1条件下，对Vot+进行化简有:
同样方法得到全差分运放反向输出为:
应用电路的整体输出为:
由此得到应用电路的共模噪声为:
若两条反馈环路完全对称，即P1=P2= β，则应用电路的差模增益简化为:
前馈增益阻抗Zei上的电流Izei为:
进一步得到应用电路的输入阻抗Rin为:
式中，Rgi为运放器件正负输出端与器件正负输入端之间的电阻值； 迭代求解Avd、β r β 2和Rin组成的方程组，求得ZF1、ZF2, Zgi和Ze2，进而求得应用电路各电阻电容值。
2.根据权利要求1所述的一种基于环路反馈系数的全差分运放应用电路确定方法，其特征在于:所述步骤(2)中的前馈放大器包括全差分运放器件，所述两个反馈网络分别为Zgi与Zfi组成的反馈网络和Ze2与Zf2组成的反馈网络，所述反馈系数为输出信号反馈与整个应用电路输入端的比例系数，两个反馈系数^和β2具体由公式:
3.根据权利要求1所述的一种基于环路反馈系数的全差分运放应用电路确定方法，其特征在于:所述步骤(3)中的利用步骤(2)中得到的环路反馈系数^和β2建立全差分运放应用电路的小信号模型，具体为: 令全差分运放器件的正反向输入端信号分别为Vp和VN，运用电路叠加法得到全差分运放应用电路的小信号模型为:
Vp = (l-β 2) νΙΝ++β 2V0UT_
Vn = (1-β !)ν?Ν+β Λυτ
【文档编号】H03F3/45GK104135240SQ201410352815
【公开日】2014年11月5日 申请日期:2014年7月23日 优先权日:2014年7月23日
【发明者】刘洁, 赵辉, 周国昌, 龚科, 李文琛 申请人:西安空间无线电技术研究所