全差分電路有兩個差分輸出。他們需要它能夠排斥由數位電路、AB類驅動器、時鐘驅動等產生的共模干擾。因此，所有的混合訊號電路都要求放大器是完全差分的。然而，它會消耗很多額外的功耗。因此，將需要一個額外的放大器來穩定平均或共模輸出電平。它被稱為共模反饋（Common-Mode Feedback， CMFB） 放大器。這顯然需要額外的電流。因此，最重要的引數之一是需要多少額外電流放大器才可以完全差分。

除了功耗之外，可能還有一些其他針對典型CMFB的規格引數，例如，輸入範圍是一個重要的特性。

將首先討論CMFB放大器的所有要求， 接下來討論了三種最重要型別的CMFB放大器，它們都有各自的優點和缺點，它們都不能提供一個理想的解決方案。之後，介紹了一些實際的電路實現， 討論了他們的取捨。

最簡單的全差分放大器當然是這個單級的OTA，如下圖右邊所示。它與第二章中所討論的差分電壓放大器非常相似，如下圖左邊所示。然而，電流映象被兩個直流電流源所取代。由差分輸入電壓產生的環形電流用箭頭表示。很明顯，這種全差分的OTA甚至比單端電壓放大器更簡單，只有兩個電晶體參與小訊號操作。因此，它可以達到更高的頻率！另一方面，很明顯，這個放大器有偏置問題。偏置電壓VB1和VB2都試圖設定直流電流，這太多了

圖 1 單級OTA

偏置電壓VB1和VB2必須使所有電晶體都處於飽和區域， 否則它們會表現出較小的輸出電阻，從而惡化增益。兩種偏置電壓的問題是，它們必須匹配到平均輸出電壓介於電源電壓一半的程度，以保持所有電晶體的飽和，即使是大的輸出擺幅下。例如，如果VB1是固定的，那麼超過20mV的VB2的值將使兩個輸出電壓降低1V（如果nMOST的增益為50）。更糟糕的是，當VB2更大時，平均輸出電壓非常低，以致於nMOSTs 的 M3/M4最終進入線性區域，損壞增益！

當偏置電壓VB2太低時，我們也有同樣的問題。現在，平均輸出電壓太高了，pMOSTs 的M1/M2最終進入了線性區域，這同樣損壞增益！這種匹配是無法實現的。這就是為什麼我們需要一個額外的放大器來調整VB2到所需的平均或共模輸出電壓。這個放大器只作用於共模訊號。它被稱為共模反饋放大器。

圖 2 單級 CMOS全差分OTA

下圖顯示了這種CMFB放大器的一個例子。兩個輸出電壓都有測量，由於我們只需要對共模訊號的反饋，我們必須取消差分訊號。這是在節點4上完成的。現在我們必須用一個放大器關閉環路，並將其輸入到一個共模點。電路中的任何偏置點都可以這樣使用。對於這個放大器，它是節點5。顯然，部分電路同時屬於共模和差分放大器。例如，電晶體M3和M4是差分訊號的直流電流源，但也是共模訊號的單電晶體放大器。

此外，CMFB放大器總是以單位增益反饋的形式連線起來。節點1和2同時是CMFB放大器的輸入和輸出。因此，它需要更多的功耗來確保穩定。沒有反饋的差分放大器被明顯地顯示出來。偏置電壓VB是獨立的偏置電壓。這很可能是NMOSTs 的M3/M4的柵極，如下圖所示。

圖 3 有共模反饋的簡單 CMOS全差分OTA-1

另一個CMFB放大器如下圖。現在它關閉到頂部電流源的反饋迴路，這的確很好！再次測量輸出電壓。差分訊號被取消，CMFB環路透過放大器關閉。現在電晶體 M1 和 M2 為兩個放大器所共有；它們用作差分訊號的（差分）放大器，但作為 共模訊號的級聯。

為了更好了解這個CMFB放大器，它將在下一張圖中單獨繪製。

圖 4 有共模反饋的簡單 CMOS全差分OTA-2

透過將所有差分器件並聯並將其連線到共模輸入訊號，很容易找到共模等效電路。很明顯，節點1同時是CMFB放大器的輸入和輸出，這也是用於推導共模增益、頻寬和GBWCM的電路。實際上，開環增益是B1B2gm5Rn1，其中B1和B2是兩個電流鏡的電流增益因子。這個增益不是那麼高，但只需要少量的增益就可以了。共模輸出電壓的穩定並不需要如此準確。輸出均在負電源之上的VGS5。6。對於大的擺幅， 我們會增加這些VGS的尺寸。GBWCM顯然由B1B2gm5/（2πCL）給出。我們有兩個輸入電晶體M5和M6，還有兩個負載電容。因此，GBWCM可以做得相當高，但代價是大量的功耗！

圖 5 共模反饋等效電路

綜上所述，我們重複一下CMFB放大器的這三個任務。他們必須測量輸出電壓，取消差分訊號，並關閉反饋迴路。此外，CMFB放大器總是在單位增益中工作。最後，需要注意的是，CMFB放大器的增益被用來增加共模抑制比

圖 6 共模反饋

現在讓我們來看看CMFB放大器的主要要求。第一個要求共模GBWCM高於差分GBWDM。但是這取決於應用場景。事實上，如果共模放大器很慢，只提供直流偏置，那麼電源線或襯底上的高速尖峰會將輸入器件或有源負載推到線性區域。緩慢的共模反饋將花費太多的時間來恢復輸入級的偏置。在此期間，高速差分放大器將停止執行。這就是這個規範引數首先出現的原因。

在一些特定的電路中，如一些 δ-Δ轉換器，高速放大器只用於低頻區域。在這種情況下，該規範引數可以大大放寬！要求GBWCM與GBWDM一樣大將需要大量的功耗，這與最後的規格引數直接衝突。我們將看到，沒有什麼簡單的辦法來避免這種妥協。原則上，一個全差分放大器只是使功耗翻倍。最後，輸出擺幅也是一個問題。它受差分放大器的輸出擺幅和CMFB放大器的共模輸入範圍（以較小者）的限制

圖 7 全差分放大器的要求

差分放大器和共模放大器不一定具有相同的負載電容。下圖概述了我們有兩個連續的全差分放大器的情況，兩者都用差分反饋來設定增益和頻寬。電容CL是對地的寄生電容，它們顯然取決於互連線的長度和性質。電容CM是一種相互電容 （ Mutual Capacitance ）。現在推匯出了差分電容和共模負載電容

圖 8 負載電容

下圖概述了一個放大器輸出端上的所有電容， 還包括下一個放大器的輸入電容。這些虛擬的地被當作是真實的地。增加一個輸入電壓以測量輸出處的總電容。是差分輸入電壓查詢差分負載電容，但是CMFB放大器負載電容的共模輸入電壓

圖 9 負載電容 CIN

對於差分操作，差分輸入電壓會遇到負載電容 CINDM，如下圖所示。差分負載電容非常小。它只包含互電容和所有其他電容的一半

圖 10 負載電容 CINDM

對於共模操作，共模輸入電壓可以看到一個更大的負載電容CINCM。反饋電容器CF和取樣電容CS都增加了一倍。CMFB放大器必須驅動比差分放大器驅動的更大的負載電容。此外，它總是以單位增益聯絡起來的，因此穩定性更難實現。這是試圖儘可能減少功耗的兩個原因。

圖 11 負載電容 CINCM

即使使用了最簡單的、單級的、全差分的放大器，我們也必須小心地處理負載電容的定義。畢竟，這個負載電容決定了GBW！對於浮動電容（在下圖左側），我們必須在差分GBWDM中包括該電容兩次，而且也沒有共模的負載電容！因此，它的GBWCM將是無窮大的。

有兩個接地的電容，情況非常不同。差分負載電容較小，它是CL本身。共模負載電容不為零，它是兩倍的CL

圖 12 GBWDM 和GBWCM