模擬cmos集成電路設計(拉扎維)第4章差分放大器ppt課件

1、模擬集成電路原理,第4章 差分放大器,董剛,微電子學院,1,2,小信號等效電路,MOS管的小信 號模型是基礎,MOS管的低頻小 信號等效電路,西電微電子學院董剛模擬集成電路設計,3,小信號等效電路,MOS管的高頻小信號等效電路 在分析高頻特性時才用到該模型 第6章“頻率特性”開始用到,西電微電子學院董剛模擬集成電路設計,4,小信號等效電路,實例 帶源極負反饋的放大級,西電微電子學院董剛模擬集成電路設計,5,上一章,放大器基礎知識,電阻做負載的共源級,增益有非線性，電阻精度差或面積大,A v = g m R D,西電微電子學院董剛模擬集成電路設計,6,上一章 二極管接法的MOS 管做負載的共源級

2、 線性度好，輸出擺幅小，增益不能太大（否 則擺幅小、帶寬小,Av =,W / L)1 1 (W / L)2 1 +,A v =,n (W / L ) 1 p (W / L ) 2,西電微電子學院董剛模擬集成電路設計,7,上一章,電流源做負載的共源級,增益大,Av = gm ro1 | ro2,西電微電子學院董剛模擬集成電路設計,W,8,上一章 深線性區(qū)MOS管做負載的共源級 輸出擺幅大（可以為VDD） 得到精準的Ron2比較困難；受工藝、溫度變 化影響比較大，產(chǎn)生穩(wěn)定、精確的Vb比較 難,RON 2,nC,ox L 2,1 (VDD Vb | VTHP ,Av = gm RON2 西電微電子學

3、院董剛模擬集成電路設計,9,上一章 帶源極負反饋的共源級 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 ROUT = 1 + (gm + gmb )ro RS + ro 犧牲了增益 A v = G m R D,g m R D 1 + g m R S 西電微電子學院董剛模擬集成電路設計,1 1,10,上一章 共漏級源跟隨器 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，提高 線性度，但輸出阻抗大，帶寬 降低；電壓緩沖器、電壓平移,Av,gm RS 1+ (gm + gmb )RS,1 gm RS,+ (1+) 1,Av,g m1 (rO1 rO

4、1 ) 1 + g m1 (rO1 rO1,Rout,1 g m + g mb,西電微電子學院董剛模擬集成電路設計,11,上一章 共柵級 Rin小，Rout大 Av = gm(1+)RD Rin = 1/gm (1,Rin,RD + rO RD 1 1 + ( g m + g mb )rO ( g m + g mb )rO g m + g mb,Rout = 1 + (gm + gmb )ro RS + ro | RD 西電微電子學院董剛模擬集成電路設計,12,上一章 共源共柵級,Rout大，高增益，屏蔽特性好,A v = g m 1 R D,不足： 輸出擺幅受一定 影響 主要應用： 電流源

5、共源共柵OPA 折疊共源共柵 OPA等 R out = 1 + ( g m 2 + g mb 2 ) rO 2 rO 1 + rO 2 西電微電子學院董剛模擬集成電路設計,13,本講,差分放大器簡介 簡單差分放大器,基本差分對放大器,大信號差分特性 大信號共模特性 小信號差分特性 小信號共模特性,MOS管做負載的基本差分對放大器 差分放大器的應用Gilbert單元,西電微電子學院董剛模擬集成電路設計,14,差分放大器簡介,AIC中非常重要的電路模塊 對兩個信號的差值進行放大,相對于共模電平而言，差分信號的大小相,等、極性相反,優(yōu)點：抗干擾能力強，高線性度等,西電微電子學院董剛模擬集成電路設計,

6、15,抗干擾能力,電源線上的干擾會影響共模電平，但不影 響差分輸出,西電微電子學院董剛模擬集成電路設計,16,抗干擾能力,時鐘線上的干擾會影響 共模電平，但不影響差 分輸出,西電微電子學院董剛模擬集成電路設計,17,差分放大器,優(yōu)點,抗干擾能力強，高線性度等,和單端電路相比，差分電路規(guī)模加倍,與獲得的性能提高相比，這個不算做缺點,西電微電子學院董剛模擬集成電路設計,18,本講,差分放大器簡介 簡單差分放大器,基本差分對放大器,大信號差分特性 大信號共模特性 小信號差分特性 小信號共模特性,MOS管做負載的基本差分對放大器 差分放大器的應用Gilbert單元,西電微電子學院董剛模擬集成電路設計,

7、ISS,19,簡單差分電路,g m,2 I D n C OX,W L,Av = g m R D Vout,CM = VDD RD 2 缺點： 直流偏置電流受輸 入共模電平影響 大，從而影響跨 導、增益、輸出共 模電平等 解決： 用源端耦合對（差 分對） 西電微電子學院董剛模擬集成電路設計,20,本講,差分放大器簡介 簡單差分放大器,基本差分對放大器,大信號差分特性 大信號共模特性 小信號差分特性 小信號共模特性,MOS管做負載的基本差分對放大器 差分放大器的應用Gilbert單元,西電微電子學院董剛模擬集成電路設計,ISS,21,基本差分對電路,Vout,CM =VDD RD,2,直流偏置電流

8、由ISS決定，從而保證跨導、增益、輸,出共模電平等受輸入共模電平影響小,西電微電子學院董剛模擬集成電路設計,22,本講,差分放大器簡介 簡單差分放大器,基本差分對放大器,大信號差分特性 大信號共模特性 小信號差分特性 小信號共模特性,MOS管做負載的基本差分對放大器 差分放大器的應用Gilbert單元,西電微電子學院董剛模擬集成電路設計,23,大信號差分特性定性分析,輸出端的最大電平和最小電,平分別是VDD和VDD-RDISS,與輸入共模電平無關,Vin1=Vin2附近，增益最大，線性,度好,求(Vout1-Vout2)與(Vin1-Vin2,的函數(shù)關系式,西電微電子學院董剛模擬集成電路設計,

9、1,2,24,大信號差分特性定量分析 思路： Vout1-Vout2=-RD(ID1-ID2)；求出ID1-ID2=f(Vin1-Vin2)即可,I D,n C OX 2,W L,V in,4 I SS n C OX,W L,V in,西電微電子學院董剛模擬集成電路設計,1,2,W,L,25,大信號差分特性定量分析 不合理,I D,n C OX 2,W L,V in,4 I SS n C OX,W L,V in,當Vin=0時， Vout=0,當 V in,4 I SS n C OX,時， V out = 0,西電微電子學院董剛模擬集成電路設計,1,2,W,L,26,大信號差分特性定量分析,當

10、 Vin,4 I SS n C OX,W L,時， Vout = 0,I D,n C OX 2,W L,V in,4 I SS n C OX,W L,V in,當 V in,2 I SS n C OX,時 ,已有一個,MOS 管截止,西電微電子學院董剛模擬集成電路設計,27,本講,差分放大器簡介 簡單差分放大器,基本差分對放大器,大信號差分特性 大信號共模特性 小信號差分特性 小信號共模特性,MOS管做負載的基本差分對放大器 差分放大器的應用Gilbert單元,西電微電子學院董剛模擬集成電路設計,28,大信號共模特性,VGS 1 + VOV 3 Vin ,CM minVDD,RD,I SS 2

11、,VTH ,VDD,西電微電子學院董剛模擬集成電路設計,29,本講,差分放大器簡介 簡單差分放大器,基本差分對放大器,大信號差分特性 大信號共模特性 小信號差分特性 小信號共模特性,MOS管做負載的基本差分對放大器 差分放大器的應用Gilbert單元,西電微電子學院董剛模擬集成電路設計,2,1,4 I SS,W,4 I SS,W,2,2,30,小信號差分特性等價跨導公式,從大信號結果入手計算小信號差分增益,Gm,I D Vin,I D,1 2,n C OX,W L,V in,4 I SS n C OX,W L,V in,Gm = n COX 2,W L,2 Vin n C OX L Vin n

12、 COX L 西電微電子學院董剛模擬集成電路設計,1,4 I SS,W,C,L,L,4 I SS,W,W,2,2,31,小信號差分特性等價跨導曲線,Gm = n COX 2,W n OX n COX,2 Vin Vin L,Vin1 = G m , max,2 I SS n C OX n C OX L,W L I SS,西電微電子學院董剛模擬集成電路設計,32,小信號差分特性差模增益,Av,Vout Vin,Vout = Vout 1 Vout 2 = RD I D,Av,Vout Vout I D Vin I D Vin,RD Gm,全差分 輸入時 的增益,Av = RD n C OX,W

13、L,I SS,西電微電子學院董剛模擬集成電路設計,33,小信號差分特性用疊加法求全差分時的 差模增益 從小信號角度入手，計算 小信號差分增益 問題1： 在電路完全對稱、直流 偏置電壓相同的情況 下，差分輸入端施加兩 個彼此獨立的信號Vin1 和Vin2，計算（Vout1- Vout2）/ （Vin1-Vin2） 思路： 用疊加法計算。先分別計算Vin1和Vin2與Vout1-Vout2的函,數(shù)關系,西電微電子學院董剛模擬集成電路設計,34,小信號差分特性用疊加法求全差分時的,差模增益,第一步： 令Vin20，計算 Vin1與Vout1-Vout2的 函數(shù)關系 計算Vin1與Vout1的 函數(shù)關

14、系 帶負反饋的共源放 大級，負反饋電阻 為1/gm2,VX = 西電微電子學院董剛模擬集成電路設計,g m RD 2,Vin1,35,小信號差分特性用疊加法求全差分時的 差模增益,計算Vin1與Vout2的函數(shù)關系 用共柵級的結論,VY,g m RD 2,Vin1,戴維寧定理 西電微電子學院董剛模擬集成電路設計,gm RD g m RD,36,小信號差分特性用疊加法求全差分時的 差模增益,第一步： 令Vin20，計算Vin1 與Vout1-Vout2的函數(shù) 關系,VX = Vin1 VY = Vin1 2 2 (VX VY )Vin 1引起的 = g m RDVin1,第二步： 令Vin10，

15、計算Vin2 與Vout1-Vout2的函數(shù) 關系 (V X VY )Vin 2引起的 = g m RDVin 2 西電微電子學院董剛模擬集成電路設計,gmRD,37,小信號差分特性用疊加法求全差分時的,差模增益,VX VY )Vin1引起的 = gm RDVin1 (VX VY )Vin 2引起的 = gm RDVin2,VX VY )Vin1和Vin2共同引起的= gmRD (Vin1 Vin2,第三步,用疊加定理，求得Vin1-Vin2與 Vout1-Vout2的函數(shù)關系,VX VY )Vin1和Vin2共同引起的,Vin1 Vin2,西電微電子學院董剛模擬集成電路設計,gmRD,38,

16、小信號差分特性用疊加法求全差分時的 差模增益 (VX VY )Vin1引起的 = gm RDVin1 (VX VY )Vin 2引起的 = gm RDVin2 (VX VY )Vin1和Vin2共同引起的 Vin1 Vin2 結論： 1、單邊輸入時差模增益為-gmRD 2、差分輸入時差模增益為-gmRD 3、單邊輸入時單端輸出增益為- gmRD/2,VX,g m RD 2,Vin1 VY,g m RD 2,Vin1,西電微電子學院董剛模擬集成電路設計,39,小信號差分特性用半電路法求全差分時,差模增益,證明,如果電路完全對稱，Vin1從 V0變化到V0Vin，Vin2從 V0變化到V0-Vin

17、，變化過,程大小相等、方向相反且,電路仍保持為線性，則VP,的值保持不變（即為交流 地,證明過程參看教材,重要結論,在全差分輸入的情況下，P 點為交流地,西電微電子學院董剛模擬集成電路設計,40,小信號差分特性用半電路法求全差分時 差模增益 “全差分輸入時P點為交流地”這一結論可簡化差模增益 的推導 半電路分析法,VX = g m RDVin1 VY = g m RDVin1 VX VY VX VY = 2 g m RDVin1 2Vin1 西電微電子學院董剛模擬集成電路設計,g m RD,41,小信號差分特性非全差分時差模增益的計算 當輸入不是“全差分”時，計算差模增益 (Vout1-Vou

18、t2)/(Vin1-Vin2)？ “非全差分”的含義： 輸入信號Vin1和Vin2不是大 小相等、方向相反 VP不是交流地，計算很復雜 簡化的計算方法：將輸入信號劃分為共模分量（純共模 輸入部分）和差模分量（全差分輸入部分），對這兩部 分分別計算后再用疊加定理,Vin1,Vin1 Vin 2 Vin1 + Vin 2 2 2,Vin 2,Vin 2 Vin1 Vin1 + Vin 2 2 2,西電微電子學院董剛模擬集成電路設計,42,小信號差分特性非全差分時差模增益的計算,Vin1,Vin1 Vin 2 Vin1 + Vin2 2 2,Vin 2,Vin 2 Vin1 Vin1 + Vin 2

19、 2 2,差模分量 共模分量 西電微電子學院董剛模擬集成電路設計,43,小信號差分特性非全差分時差模增益的計算,差模分量用半電路法計算,VX VY = g m ( RD r O )(Vin1 Vin 2,西電微電子學院董剛模擬集成電路設計,44,小信號差分特性非全差分時差模增益的計算,共模分量,若電路完全對稱，則流過M1 和M2管的直流電流總為 ISS/2，不隨Vin,CM的變化而變 化，因此，VX和VY不變 重要結論： 理想差分對只放大輸入信號的 差模部分，不放大共模部分 實際的差分對并不“理想”，對 共模部分仍有放大作用差 分對的共模響應 西電微電子學院董剛模擬集成電路設計,45,本講,差

20、分放大器簡介 簡單差分放大器,基本差分對放大器,大信號差分特性 大信號共模特性 小信號差分特性 小信號共模特性,MOS管做負載的基本差分對放大器 差分放大器的應用Gilbert單元,西電微電子學院董剛模擬集成電路設計,46,小信號共模特性共模響應,非理想性包括,M1和M2之間有失配（W/L、VTH等），RD1和RD2之間有 失配（阻值不完全相等等）；尾電流源ISS的內阻RSS不是,無窮大,首先考慮尾電流源ISS的內阻 RSS不是無窮大時對共模響,應的影響,西電微電子學院董剛模擬集成電路設計,47,小信號共模特性RSS對共模響應的影響 若電路完全對稱，則VP會隨 Vin,CM的變化而變化，導致尾

21、電流 變化， Vout1和Vout2會隨之變化， 但Vout1和Vout2總相等，不引入差 分增益，通常不考慮 共模增益為,A v , CM,V out V in , CM,西電微電子學院董剛模擬集成電路設計,R D / 2 1 /( 2 g m ) + R SS,48,小信號共模特性RD失配對共模響應的影響 由于M1和M2管完全對稱，因 此，支路電流隨Vin,CM的變化 相等（ =0時） RD的失配會引入差分增益， 在輸出端產(chǎn)生差模分量。這 個影響比RSS不是無窮大引起 的影響要嚴重得多,V X = V in , CM V Y = V in , CM,R D / 2 1 /( 2 g m )

22、 + R SS ( R D + R D ) / 2 1 /( 2 g m ) + R SS,共模到差 模的轉換,西電微電子學院董剛模擬集成電路設計,49,小信號共模特性共模到差模轉換的危害,共模分量的噪聲 不能得到有效抑 制，導致輸出信 號噪聲增大,當信號頻率增大時， 電容C1會影響直流偏 置電流，不利影響更 大,西電微電子學院董剛模擬集成電路設計,50,小信號共模特性輸入管失配對共模響應的影響,M1和M2管的尺寸和閾值電壓失配,失配會導致流過M1管和M2管的電流不同，跨導也不 同，從而引起共模到差模的轉換,西電微電子學院董剛模擬集成電路設計,51,小信號共模特性輸入管失配對共模響應的影響 共

23、模到差模轉換的增益,ACM,DM,g m 1 g m 2 ( g m 1 + g m 2 ) R SS + 1,R D,西電微電子學院董剛模擬集成電路設計,52,小信號特性CMRR CMRR共模抑制比 Common-Mode Rejection Ratio 用來綜合反映差分放大器的性能 差分放大能力 共模抑制能力 用于差分放大器的性能比較,CMRR,A DM ACM DM,西電微電子學院董剛模擬集成電路設計,53,本講,差分放大器簡介 簡單差分放大器,基本差分對放大器,大信號差分特性 大信號共模特性 小信號差分特性 小信號共模特性,MOS管做負載的基本差分對放大器 差分放大器的應用Gilber

24、t單元,西電微電子學院董剛模擬集成電路設計,54,MOS管做負載的差分對,二極管接法的MOS管做負載 電流源做負載,西電微電子學院董剛模擬集成電路設計,55,MOS管做負載的差分對二極管接法,A v = g mN,1 g mP,rON rOP,g mN g mP,g m,2 IC OX,W / L ),2 I VOV,Av,n (W / L) N p (W / L) P,VOVP VOVN,電壓擺幅小； 增益不能太大，否則輸出擺幅很小 西電微電子學院董剛模擬集成電路設計,56,MOS管做負載的差分對電流源做負載,A v = g mN ( rON rOP,電壓擺幅和增益都可以很大,西電微電子學院

25、董剛模擬集成電路設計,57,MOS管做負載的差分對共源共柵,A v g m 1 ( g m 3 rO 3 rO 1 ) ( g m 5 rO 5 rO 7 ),增益更大；但適當犧牲擺幅,西電微電子學院董剛模擬集成電路設計,58,本講,差分放大器簡介 簡單差分放大器,基本差分對放大器,大信號差分特性 大信號共模特性 小信號差分特性 小信號共模特性,MOS管做負載的基本差分對放大器 差分放大器的應用Gilbert單元,西電微電子學院董剛模擬集成電路設計,59,差分放大器的應用Gilbert單元,一個通用的電路模塊,廣泛用于模擬系統(tǒng)和通信系統(tǒng)中,典型設計中，M1M4尺寸 相同，M5和M6尺寸相同,M

26、1和M2構成差分對， M3和M4構成差分對,M5和M6構成差分對,Gilbert單元是一個增益可 變的放大器，其增益受,Vcont控制；增益可從 gmRD單調地變?yōu)間mRD,西電微電子學院董剛模擬集成電路設計,60,可變增益放大器,VGAVariable Gain Amplifier 增益可變，隨控制電壓變化而變化 用于信號擺幅變化很大的情形,Av = g m RD,簡單的VGA,構成復雜的VGA的電路,ID3=0是，增益為0； ID3最大值時，增益最大,Vout 1 = R D I D 1 R D I D 2 Vout 2 = RD I D 4 RD I D 3,ID是交流量,西電微電子學院董剛模擬集成電路設計,61,可變增益放大器 Vout 1 = R D I D 1 R