共模回授 CMFB(Common Mode Feedback)電路

可變增益放大器為一高增益放大器，所以輸出共模位準對於元件 特性及不匹配、溫度或是供應電壓變化的影響，且不能藉由差動回授 來穩定，導致輸出直流電壓位準偏移，輸出共模電壓位準也會跟著偏 移，可能使得下一級的輸入電壓範圍受到壓縮，訊號就會失真，為了 解決此問題。因此必須加入共模回授電路，以穩定輸出共模電壓位 準。共模回授電路有三個功能，量測可變增益放大器輸出、和參考值 比較，將誤差回傳至可變增益放大器偏壓電路中。

如圖 3.7 所示，使用兩個電阻 RL2 與 RL4 偵測可變增益放大器

第三章 可程式控制增益放大器電路分析與設計

輸出共模電壓位準，在RL2=RL4 情形下，輸出共模電壓，如(3.18)表 示：

2

op on out,CM

V = V +V

偵測到的共模電壓與參考電壓(Vref)的差值被共模回授放大器所 放大，再將誤差回傳至可變增益放大器偏壓電路中，改變可變增益放 大器的偏壓，使得輸出共模電壓被參考電壓鎖定。

可變增益放大器的共模回授放大器採用常見的兩級運算放大器 (Two-Stage OP-Amp) [17][18]，如圖 3.9 所示。利用運算放大器的高增 益，可以將可變增益放大器輸出的共模電壓很準確的鎖定在參考電 壓，即使輸出共模電壓只有很微小的偏移，與參考電壓的差值也會被 回授放大器明顯放大，來調整可變增益放大器的偏壓，完成共模回授 的動作。

圖 3.9 共模回授電路

由於共模回授電路在應用時會形成閉迴路，兩級運算放大器若為 閉迴路型態，會有穩定度問題，所以需要做頻率補償，在未作補償之 前，共模回授電路的小信號等效電路，如圖 3.10 所示：

圖 3.10 未作頻率補償之共模回授電路小信號等效電路

共模回授電路極點可以表示如下:

1 2 6 1 2 6 7

2 4 7 2 4 7

1

1 1

2

2 2

-1

-1

II II

o o db db gs

o o db db L

R r r C C C C

R r r C C C C

p R C

p R C

= = + +

= = + +

=

=

加入米勒補償電容之後，共模回授電路的小信號等效電路，如圖 3.11 所示：

圖 3.11 加入米勒補償電容之共模回授電路小信號等效電路

第三章 可程式控制增益放大器電路分析與設計

共模回授電路極零點可以表示如下：

1

7 1 2

7 2

2

7 1

- 1

-m m

m

p g R R Cc p g

C z g

Cc

≅

≅

=

由結果可知，極點 P1被移往低頻，形成共模回授電路的主極點，

而極點 P2被移往高頻，兩個極點拉開使得相位邊限 PM(Phase Margin) 增加，然而因為加入米勒補償電容後也產生一個在複數平面中右半平 面的零點，會造成電路的不穩定，為了解決這問題，所以再串接一個 電阻RC，共模回授電路的小信號等效電路，如圖 3.12 所示:

vin R1 C1 vo

v1

R2 C2

Cc

gm1vin

Rc

gm7v1

圖 3.12 加入米勒補償電容及電阻之共模回授電路小信號等效電路

共模回授電路極零點可以表示如下：

1

7 2 1

7 2

-1

-m m

p g R R Cc p g

C

≅

≅

3

1

1

-1 1

(1/ - ) p RcC

z Cc g Rc

≅

≅

若是設計 RC 等於

7

1

gm ，則零點位置會被移到無窮遠處，設計上 電阻RC是採用 MOS 電晶體來取代實際的電阻避免頻率補償受到製程 變化與溫度的影響。