CMOS集成電路設(shè)計(jì)-拉扎維4差分放大器講述ppt課件

1、差動(dòng)放大器 Ch.4 # 1,第四章差分放大器,說(shuō) 明,知識(shí)結(jié)構(gòu)基本完整，有一些“設(shè)計(jì)”經(jīng)驗(yàn)后，才能夠?qū)@門課有更好的認(rèn)識(shí) 通過(guò)對(duì)運(yùn)放的學(xué)習(xí)，運(yùn)用和理解前面所學(xué)的知識(shí),小信號(hào)等效電路,很多同學(xué)不會(huì)畫 有些先修知識(shí)要靠大家課下抽時(shí)間去補(bǔ),MOS管的低頻小信號(hào)等效電路,MOS管的小信號(hào)模型是基礎(chǔ),小信號(hào)等效電路,MOS管的高頻小信號(hào)等效電路 在分析高頻特性時(shí)才用到該模型,小信號(hào)等效電路,實(shí)例 帶源極負(fù)反饋的放大級(jí),電阻做負(fù)載的共源級(jí) 增益有非線性 電阻值不能太大（否則擺幅小，或所占面積大）因此增益較小,電阻做負(fù)載的共源級(jí),二極管接法的MOS 管做負(fù)載的共源級(jí) 線性度好，輸出擺幅小，增益不能太大（否

2、則擺幅小、帶寬小,二極管接法的MOS 管做負(fù)載的共源級(jí),電流源做負(fù)載的共源級(jí) 增益大,電流源做負(fù)載的共源級(jí),帶源極負(fù)反饋的共源級(jí) Rs使Gm和增益變?yōu)間m的弱函數(shù)，提高線性度 輸出電阻大 犧牲了增益,帶源極負(fù)反饋的共源級(jí),共漏級(jí)源跟隨器 Rin大，Rout小，輸出擺幅小，增益有百分之幾非線性；PMOS管能消除體效應(yīng)，提高線性度，但輸出阻抗大；電壓緩沖器、電壓平移,共漏級(jí)源跟隨器,共漏級(jí)源跟隨器,源跟隨器輸入輸出特性呈現(xiàn)顯著的非線性。為了緩解這一問(wèn)題，可以用一個(gè)電流源代替電阻。電流源由工作在飽和區(qū)的NMOS管來(lái)實(shí)現(xiàn)。電路如下圖,共柵級(jí) Rin大，Rout小，增益高,共柵級(jí),共源共柵級(jí) Rout大

3、，高增益，屏蔽特性好,不足：輸出擺幅受一定影響,共源共柵級(jí),第四章差分放大器,4.1 單端與差動(dòng)的工作方式,單端信號(hào)的參考電位為一固定電位(常為地電位) 差動(dòng)信號(hào)定義為兩個(gè)結(jié)點(diǎn)電位之差, 且這兩個(gè)結(jié)點(diǎn)的電位相對(duì)于某一固定電位大小相等,極性相反。在差動(dòng)信號(hào)中, 中心固定電位稱為“共模”(CM)電平,共模電平,差動(dòng)工作比單端工作有什么優(yōu)點(diǎn),定義： 差模輸入電壓vID = v1 - v2 共模輸入電壓vIC = (v1 +v2 )/2,v1 = vIC + vID/2 v2= vIC - vID/2,用差分放大器消除時(shí)鐘噪聲,差動(dòng)工作與單端工作相比, 一個(gè)重要優(yōu)勢(shì)在于它對(duì)環(huán)境噪聲具有更強(qiáng)的抗干擾能力

4、,單端工作時(shí)時(shí)鐘大信號(hào)通過(guò)寄生電容干擾放大的小信號(hào),V01,V02,V01- V02,極性相反的兩路受干擾小信號(hào), 差動(dòng)輸出時(shí)干擾消除了,用差分放大器消除時(shí)鐘噪聲,對(duì)稱差動(dòng)時(shí)鐘大信號(hào)通過(guò)寄生電容耦合到小信號(hào)的噪聲因極性相反而相互抵消,差動(dòng)工作還有什么優(yōu)點(diǎn),差分放大器的優(yōu)點(diǎn),電源噪聲對(duì)單端電路產(chǎn)生的干擾,差動(dòng)輸出時(shí)電源噪聲產(chǎn)生的干擾消除了,差動(dòng)信號(hào)的優(yōu)點(diǎn),1. 能有效抑制共模噪聲,2. 增大了輸出電壓擺幅(是單端輸出的兩倍,3. 偏置電路更簡(jiǎn)單(差分對(duì)可以直接耦和)、輸出線性度更高,4. 缺點(diǎn)是芯片面積和功耗略有增加, 但絕對(duì)物有所值,如何放大一個(gè)差分信號(hào),VX- Vy,簡(jiǎn)單差動(dòng)電路,簡(jiǎn)單差動(dòng)電

5、路：將兩條相同的單端信號(hào)路徑結(jié)合起來(lái),分別處理兩個(gè)差動(dòng)相位信號(hào)Vin1和Vin2 當(dāng)Vin1和Vin2存在很大的共模干擾 各自的直流電平設(shè)置的不好時(shí), 隨著共模電平VinCM變化, M1 和M2的偏置電流會(huì)變化,Vin1和Vin2是差動(dòng)相位信號(hào),簡(jiǎn)單差動(dòng)電路,輸入共模電平對(duì)輸出的影響,共模電平VinCM變化, M1 和M2的偏置電流會(huì)變化, 導(dǎo)致跨導(dǎo)和輸出共模電平變化 跨導(dǎo)變化會(huì)改變小信號(hào)增益, 輸出共模電平偏離會(huì)降低最大允許輸出擺幅, 導(dǎo)致輸出端出現(xiàn)嚴(yán)重失真 應(yīng)使M1 和M2偏置電流受輸入共模電平的影響盡可能小,如何減小輸入共模電平變化的影響呢,4.2 基本差動(dòng)對(duì),Vin1-Vin2足夠負(fù),

6、 M1截止, M2導(dǎo)通,Vin1-Vin2足夠正, M1導(dǎo)通, M2截止,Vin1-Vin2相差不大時(shí), M1和M2均導(dǎo)通,4.2 基本差動(dòng)對(duì),Vin1=Vin2 時(shí),小信號(hào)增益(即斜率)最大,基本差動(dòng)對(duì)的重要特性,差動(dòng)對(duì)的兩個(gè)重要特性,1. 輸出端的最大和最小電平是確定的(分別為VDD和VDD -RDISS) 。與共模輸人電平無(wú)關(guān),2. Vin1= Vin2時(shí),小信號(hào)增益最大,隨著| Vin1- Vin2 | 的增加而逐漸減小到零。也就是說(shuō), 隨著輸入電壓擺幅的增大,電路變得更加非線性。 當(dāng)Vin1= Vin2時(shí), 我們說(shuō)電路處于平衡狀態(tài), 即靜態(tài),基本差分對(duì)的共模特性Vin,CM,Vin,

7、CM=0, M1，M2截止，Id3=0，Vout1= Vout2=Vdd Vin,CMVin,CM Vth時(shí)M1，M2飽和導(dǎo)通, M3等效為電阻， Vin,CM足夠大，M3飽和： Vin,CMVGS1+（VGS3-VTH3） Vin,CM繼續(xù)變大， M1，M2進(jìn)入線性區(qū) ： Vin,CMVout1+VTH=VDD-RDISS/2+VTH,基本差分對(duì)的共模特性Vin,CM,VinCMmin,為保證M1和M2飽和, VinCMmin=?, VinCMmax =,當(dāng)VPVb-VTN時(shí), M3工作在線性區(qū),等效于一個(gè)小電阻,基本差分對(duì)的共模輸入范圍,M3飽和要求,M1飽和要求,ISS,差動(dòng)對(duì)小信號(hào)差動(dòng)

8、增益與共模輸入電平的關(guān)系,VinCMmax,VinCMmin,產(chǎn)生ISS的MOS管線性,M1和M2線性,共模輸入電壓與輸出擺幅,X,Y,M1飽和要求,上式表明, 輸入共模電平越大,Vx 越大， 允許輸出的輸出擺幅就越小。幸運(yùn)的是, 因運(yùn)放通常需至少兩級(jí)放大才能獲得實(shí)際可使用的放大倍數(shù), 因此對(duì)前級(jí)的擺幅要求大大降低,例: 若兩級(jí)運(yùn)放AI=100, AII=400(即AV=92dB), 假定輸出V0=10V, 則第二級(jí)的輸入電壓范圍(也即第一級(jí)的輸出電壓擺幅)僅需為: 10V/400= 25mV。第一級(jí)的小信號(hào)輸入范圍僅為: 25mV/100 =250V,基本差分對(duì)的定量分析(1,在左圖的電阻負(fù)

9、載基本差動(dòng)對(duì)中, 記: Vin=Vin1-Vin2, 且1= 2= =nCOX(W/L) ,假定M1和M2均工作在飽和區(qū),ISS為理想恒流源,則由平方律關(guān)系有,兩邊平方, 且考慮到ID1+ ID2= ISS,差動(dòng)放大器 Ch.4 # 31,基本差分對(duì)的定量分析(2,這是個(gè)重要公式, 可由此得出以下結(jié)論,1. 靜態(tài)時(shí), Vin=0, ID=0, 即ID1= ID2= ISS/2,2. ID只有在Vin很小時(shí), 才與Vin近視成正比,基本差分對(duì)的定量分析(3,為求得最大差模輸入電壓，假定Vinmax時(shí)，M1上通過(guò)的電流恰好為ISS，M2剛好截至，即VGS2=VTN，此時(shí)有,差動(dòng)放大器 Ch.4 #

10、 33,基本差分對(duì)的定量分析(3,為求得最大差模輸入電壓，假定Vinmax時(shí)，M1上通過(guò)的電流恰好為ISS，M2剛好截至，即VGS2=VTN，此時(shí)有,同理，M1恰好截至，M2上通過(guò)的電流恰好為ISS時(shí)，此時(shí)有,故允許輸入的最大差模電壓范圍VID為,這就是電路能處理信號(hào)的最大差模電壓。,差動(dòng)放大器 Ch.4 # 34,基本差分對(duì)的定量分析(4,4. 因,M1、M2的等效跨導(dǎo)Gm為,靜態(tài)時(shí)Vin 0， Gm為,又V01-V02RD ID RD Gm Vin，故平衡態(tài)下的小信號(hào)差動(dòng)電壓增益AV為,差分放大器的增益,同單級(jí)共源放大器的增益,漏極電流和Gm隨輸入電壓變化曲線,差分對(duì)的小信號(hào)特性(1,差分

11、對(duì)的小信號(hào)特性(1,差分對(duì)的小信號(hào)特性(1,差分對(duì)的小信號(hào)特性(1,這是帶負(fù)反饋電阻RS的CS放大器,RD1RD2=RD gm1gm2=gm,利用疊加定理,先考慮Vin1的作用,先求VX,差分對(duì)的小信號(hào)特性(2,差分對(duì)的小信號(hào)特性(2,利用疊加定理,先考慮Vin1的作用,再求VY,VT=Vin,這是CG放大器,RL1,求開(kāi)路電壓VT,利用小信號(hào)等效電路,可求得,差分對(duì)的小信號(hào)特性(2,差分對(duì)的小信號(hào)特性(3,VX-VY ) |Vin1=Vin=-gmRD,因電路對(duì)稱,故除了極性相反外,Vin2在X和Y點(diǎn)產(chǎn)生的作用和Vin1效果一樣,VX-VY ) |Vin2=-Vin=-gmRD,Vin1和V

12、in2共同作用時(shí), (VX-VY )的增益為,Vin,Vin,Vin,差分對(duì)增益與CS放大器增益的比較,如果差分對(duì)的尾電流ISS與CS放大器的靜態(tài)工作電流相同, 則差分對(duì)管的跨導(dǎo) gm 只有CS放大器中MOS管跨導(dǎo)的 1/2。即差分對(duì)的增益只有CS放大器的1/2 。 如果兩種放大器中MOS管的(W/L)和負(fù)載RD均相同, 為了得到相同的增益, 若 CS 放大器中靜態(tài)工作電流為ISS, 則差分對(duì)中的尾電流必須等于 2ISS 。 差分對(duì)是以更大的功耗來(lái)獲取抗干擾能力、更好的線性。若不使用差分對(duì)，即使將CS放大器功耗增加一倍，也不可能獲得與差分對(duì)相同的特性,方法二（半邊電路） 輔助定理： 考慮圖中所

13、示的對(duì)稱電路，其中D1和D2代表任何三端有源器件。假設(shè)Vin1從V0變化到V0+ Vin， Vin2從V0變化到V0-Vin，那么，如果電路仍保持線性，則Vp值保持不變。假定0,輔助定理說(shuō)明了P點(diǎn)可以認(rèn)為是“交流地”，即“虛地,差動(dòng)對(duì)的“虛地”概念,上圖，D1和D2表示任何三端有源器件，假定Vin1從V0變化到V0+Vin，Vin2從V0變化到 V0-Vin，如果電路仍保持線性，則VP值不變。 在差模小信號(hào)作用下，差分對(duì)VP值不變，P點(diǎn)為“虛地”點(diǎn)，即差模小信號(hào)等效電路中P點(diǎn)可看成“交流地,利用P點(diǎn)虛地（交流地）的特點(diǎn)，電路可等效為兩個(gè) 獨(dú)立的部分，即“半邊電路”概念,虛地”的應(yīng)用差分對(duì)的半邊

14、電路,P點(diǎn)小信號(hào)時(shí)看成“交流地,VX=-gmRDVin1, VY=-gmRD (-Vin1 )= gmRDVin1,任意輸入信號(hào)的差分對(duì),采用疊加定理,差模響應(yīng),共模響應(yīng),如果兩個(gè)差動(dòng)對(duì)的輸入信號(hào)不是全差動(dòng)的，可以將此任意信號(hào)表示為差模分量和共模分量,非全差分輸入電路,運(yùn)放差模(共模)信號(hào)、差模(共模)增益的關(guān)系,如果兩個(gè)差動(dòng)對(duì)的輸入信號(hào)不是全差動(dòng)的，對(duì)于任意的輸入信號(hào)Vin+、Vin-，均可寫作,根據(jù)線性系統(tǒng)的疊加定理,運(yùn)放總的輸出電壓V0即是圖(A)、 (B)兩個(gè)輸出的疊加, 即:V0=V01+V02,圖(A,圖(B,非理想性包括： 尾電流源ISS的內(nèi)阻RSS不是無(wú)窮大 電路不對(duì)稱 RD1

15、和RD2之間有失配 M1和M2之間有失配（W/L、VTH等,差動(dòng)電路對(duì)共模擾動(dòng)影響具有抑制作用，理想差動(dòng)電路的共模增益為0；但是實(shí)際上有以下一些非理想的因素,4.3 差分放大器的共模響應(yīng),小信號(hào)共模特性RSS對(duì)共模響應(yīng)的影響,假設(shè)電路完全對(duì)稱，VP隨Vin,CM的變化而變化。若Rss為有限大小，則尾電流隨VP增加而增加， Vout1和Vout2會(huì)隨之減小。但Vout1和Vout2仍然相等，不引入差分增益,小信號(hào)共模特性RSS對(duì)共模響應(yīng)的影響,4.3 差分放大器的共模響應(yīng),共模響應(yīng)時(shí),VX=VY,即X和Y始終短接,M1和M2的跨導(dǎo)并聯(lián),共模增益為,例 共模輸入電壓變化帶來(lái)的影響,左圖中用一個(gè)電阻

16、來(lái)提供1mA的尾電流,已知(W/L)=25/0.5, nCOX=50A/V2,VT=0.6V, =0, VDD=3V。求,如果RSS上的壓降保持在0.5V,則輸入共模電平,計(jì)算差模增益等于5時(shí)的RD,3. 如果輸入共模電平比(1)計(jì)算出的值大200mV，則輸出如何變化,因ID1= ID2=0.5mA，故,VinCMVGS1+VRSS1.23+0.51.73V,因,所以AV=5時(shí), RD3.16K, 此時(shí),當(dāng)VinCM增加200mV, 則|VX,Y|= VinCMRD/(2RSS+1/gm) 0.4V,VX=VY=3-0.5*3.16=1.42V,此時(shí),Vout=1.42-0.41.02V, V

17、g=1.73+0.2=1.98V, M1(2)已進(jìn)入線性區(qū),基本差動(dòng)對(duì)電阻失配對(duì)共模響應(yīng)的影響,基本差分對(duì)輸入管失配時(shí)的共模響應(yīng),基本差分對(duì)輸入管失配時(shí)的共模響應(yīng),基本差分對(duì)輸入管失配時(shí)的共模響應(yīng),基本差分對(duì)輸入管失配時(shí)的共模響應(yīng),ID1.2=gm1.2（Vin-Vp） (gm1+gm2)(VinCM-VP)RSS=VP,等效跨導(dǎo)Gm,共模到差模的轉(zhuǎn)換量，轉(zhuǎn)換增益,基本差分對(duì)的共模抑制比CMRR,若只考慮gm的不匹配，左圖中,假定Vin1 - Vin2 ，則有,上式中,gm=(gm1+gm2)/2,用CMRR來(lái)綜合反映差分放大能力和共模抑制能力,4.4 MOS負(fù)載的差分放大器,半電路,半電路,設(shè)計(jì)時(shí)：在擺幅、增益和輸入共模 范圍三者之間的合理折衷,4.4