拉扎維模擬集成電路精講ppt第三講差動(dòng)放大器

1、第四章第四章 差動(dòng)放大器差動(dòng)放大器提綱 1、單端與差動(dòng)的工作方式 2、基本差動(dòng)對(duì) 3、共模響應(yīng) 4、MOS為負(fù)載的差動(dòng)對(duì) 5、吉爾伯特單元單端與差動(dòng)的工作方式31、單端與差動(dòng)的工作方式 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大小相等，極極性相反性相反，結(jié)點(diǎn)的阻抗也必須相等。 單端信號(hào)的參考電位為某一固定電位（通常為地電位）差動(dòng)工作方式優(yōu)點(diǎn)：抗干擾能力強(qiáng)，抑制共模噪聲增大了可得到的最大電壓擺幅偏置電路相對(duì)簡(jiǎn)單線性度相對(duì)高關(guān)于差動(dòng)電路和單端電路的版圖面積問(wèn)題！關(guān)于差動(dòng)電路和單端電路的版圖面積問(wèn)題！2、基本差動(dòng)對(duì)應(yīng)使器件的偏置電流受輸入共模電平的影響盡可能地小！

2、當(dāng) ，每個(gè)晶體管的偏置電流都等于 ，輸出共模電平等于基本差動(dòng)對(duì)6 2.1 定性分析 差模特性（假定Vin1-Vin2 從-變化到+ ） Vin1比Vin2更負(fù)，M1截止，M2導(dǎo)通，ID2=ISS，因此Vout1=VDD, Vout2=VDD-RDISS Vin1逐漸增大，M1開(kāi)始導(dǎo)通，Vout1減小，由于ID1+ID2=ISS，M2流經(jīng)的電流減小，Vout2增大；當(dāng)Vin1=Vin2 時(shí)，Vout1=Vout2=VDD-RDISS/2。 當(dāng)Vin1比Vin2更正時(shí)，差動(dòng)對(duì)兩側(cè)情況正好與上述情況相反。差動(dòng)對(duì)的兩個(gè)特性：1、輸出端的最大電平和最小電平是確定的，分別是VDD和VDD-RDISS與輸入

3、共模電平無(wú)關(guān)2、小信號(hào)增益當(dāng)Vin1=Vin2 時(shí)達(dá)到最大，且隨著|Vin1-Vin2|的增大而逐漸減小為零基本差動(dòng)對(duì)7 共模特性采用NMOS提供尾電流ISS，Vin,CM從0開(kāi)始增加。 當(dāng)Vin,CM0時(shí)，ID1=ID2=ID3=0，M3處于深線性區(qū) Vin,CM增加，M3導(dǎo)通，處于三極管區(qū)；當(dāng)Vin,CM足夠大時(shí)，M3進(jìn)入飽和區(qū)，因此電路正常工作狀態(tài)應(yīng)滿足Vin,CMVGS1+(VGS3-VTH3) Vin,CM進(jìn)一步增加， Vin,CMVout1+VTH=VDD-RDISS/2+VTH， M1和M2進(jìn)入三極管區(qū) 因此， Vin,CM允許的范圍差動(dòng)對(duì)的輸出電壓擺幅l 每一端的輸出電壓最高為

4、VDD，最低為Vin,CM-VTHl 輸入共模電平越大，允許的輸出擺幅就越小基本差動(dòng)對(duì)9 2.2 定量分析 大信號(hào)分析Vout1=VDD-RD1ID1,Vout2=VDD-RD2ID2如果RD1=RD2=RD，則Vout1-Vout2=RD2ID2-RD1ID1=RD(ID2-ID1)，可以用Vin1和Vin2計(jì)算出ID2和ID1VP=Vin1-VGS1=Vin2-VGS2所以，假設(shè)電路是對(duì)稱的，且假設(shè)電路是對(duì)稱的，且M M1 1和和M M2 2均均處于飽和區(qū)處于飽和區(qū)，且忽略二級(jí)效應(yīng)，且忽略二級(jí)效應(yīng)對(duì)于平方律器件有因此，兩邊平方，并考慮到ID1+ID2=ISS ，得兩邊平方，并注意到因此，討

5、論：討論： 當(dāng)當(dāng)VVinin= V= Vin1in1-V-Vin2in2= 0= 0， IID D=I=ID1D1-I-ID2D2= 0; = 0; 當(dāng)當(dāng)|V|Vinin| | 從從0 0開(kāi)始增大，開(kāi)始增大，|I|ID D | |也增大；也增大； 等價(jià)等價(jià)Gm為為當(dāng)當(dāng)VVinin= 0= 0時(shí)，時(shí)，G Gm m最大最大所以，由于，基本差動(dòng)對(duì)12當(dāng)Vin超過(guò)某一限定值（Vin1）時(shí) ，所有ISS電流流經(jīng)一個(gè)晶體管，而另一個(gè)晶體管截止（忽略亞閾值導(dǎo)通）。討論（續(xù)）：討論（續(xù)）：注意：當(dāng) ， ID1-ID2等于零THGSinthPinGSPinSSDVVVVVVVVVII1122111Vin1 實(shí)際

6、上是電路可以“處理”的最大差模輸入?；静顒?dòng)對(duì)13 小信號(hào)分析 方法一（疊加法）令Vin2=0, 求Vin1對(duì)X結(jié)點(diǎn)的影響：電路等效為M1管構(gòu)成的帶有負(fù)反饋電阻的共源級(jí)Rs1/gm2忽略二級(jí)效應(yīng)基本差動(dòng)對(duì)14令Vin2 =0, 求Vin1對(duì)Y結(jié)點(diǎn)的影響：先利用戴維南定理處理M1管和Vin1，VT= Vin1,RT=1/gm1；則電路等效為共柵級(jí)形式忽略二級(jí)效應(yīng)忽略二級(jí)效應(yīng)基本差動(dòng)對(duì)15只施加Vin1時(shí)總的電壓增益為整理，同理，可以得到只施加Vin2時(shí)總的電壓增益為應(yīng)用疊加法，得到基本差動(dòng)對(duì)16 方法二（半邊電路） 輔助定理：考慮圖中所示的對(duì)稱電路，其中D1和D2代表三端有源器件。假設(shè)Vin1從

7、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”。輔助定理的證明（1）：假定V1和V2平衡時(shí)都等于Va，且分別變化V1和V2，則輸出電流分別不變化gm V1和gmV2因?yàn)?，所以，從而，V1和Vin1變化相同，所以VP不會(huì)發(fā)生變化！輔助定理的證明（2）：l D1和D2在P點(diǎn)的作用用戴維南等效來(lái)表示l VT1和VT2變化的大小相等而方向相反，RT1等于RT2，則VP保持為常數(shù)基本差動(dòng)對(duì)19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。如果輸入信號(hào)不是全差

8、動(dòng)的情況如果輸入信號(hào)不是全差動(dòng)的情況可以將此任意信號(hào)表示可以將此任意信號(hào)表示為差模分量和共模分量為差模分量和共模分量進(jìn)一步，進(jìn)一步，對(duì)于每種類型輸入的作用都可以用疊加法計(jì)算，對(duì)于差模工作應(yīng)用半邊電路概念。共模響應(yīng)223、共模響應(yīng) 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； 實(shí)際上，電路既不可能完全對(duì)稱，電流源的輸出電阻也不可能為無(wú)窮大，結(jié)果，共模輸入的變化會(huì)或多或少傳遞到輸出上。共模響應(yīng)23 電流源具有有限電阻的差動(dòng)對(duì)的共模增益： 電路等效為帶源級(jí)負(fù)反饋的共源級(jí)電路忽略二級(jí)效應(yīng)，此時(shí)，共模增益為：M1+M2寬度增為單管的2倍，偏置電流增為單管的2倍，從而其跨導(dǎo)同樣增為單管

9、的2倍注意：共模輸入的變化會(huì)擾亂偏置點(diǎn)，改變小信號(hào)增益，限制輸出電壓擺幅！注意：共模輸入的變化會(huì)擾亂偏置點(diǎn)，改變小信號(hào)增益，限制輸出電壓擺幅！共模響應(yīng)24 電路不對(duì)稱且尾電流源的輸出電阻為有限值時(shí)，輸入共電路不對(duì)稱且尾電流源的輸出電阻為有限值時(shí)，輸入共模電壓變化對(duì)電路的影響：模電壓變化對(duì)電路的影響： 電路不對(duì)稱情況1：漏端負(fù)載電阻不匹配，即RD1=RD，RD2=RD+RD，當(dāng)輸入端共模發(fā)生變化，ID1和ID2都增加gm/(1+2gmRSS)Vin,CM，但VX、VY的變化不相等，輸出端產(chǎn)生了一個(gè)差動(dòng)成分。pCMinSSmmPCMinmDDCMinSSmSSmPSSPCMinmPVRggVVgI

10、IVRgRgVRVVgV,21,212122討論：討論：l 差動(dòng)對(duì)的共模響應(yīng)取決于：尾電流源的輸出阻抗，以及電路的不對(duì)稱性l 差動(dòng)對(duì)的影響：對(duì)稱電路輸出共模電平變化，以及輸入共模電壓變化在 輸出端產(chǎn)生差模分量共模響應(yīng)26由此可得：得到輸出電壓輸出端的差動(dòng)分量：共模到差模轉(zhuǎn)換的增益：電路不對(duì)稱情況2：M1和M2不匹配，導(dǎo)致流經(jīng)兩個(gè)晶體管的電流稍微不同，因而跨導(dǎo)不同。共模響應(yīng)27“共模抑制比”（CMRR）如果只考慮gm的不匹配，則因此，其中，假設(shè)22121212121121211212inSSmmDSSmmDmYXinSSmmDSSmmDmYXDPmYDPinmXSSPmPinmPVRggRRgg

11、RgVVVRggRRggRgVVRVgVRVVgVRVgVVgV類似，MOS為負(fù)載的差動(dòng)對(duì)284、MOS為負(fù)載的差動(dòng)對(duì) 類似單級(jí)放大器，差動(dòng)對(duì)的負(fù)載也可以采用二極管連接的MOS或者電流源作負(fù)載。 二極管連接的MOS作負(fù)載討論：l 為了得到更大的電路增益，必須減小(W/L)P，從而增大|VGSP-VTHP|， 降低X點(diǎn)和Y點(diǎn)的共模電平。l 解決辦法：如圖所示，通過(guò)減小電流而不是減小其寬長(zhǎng)比來(lái)降低負(fù)載器 件的gm。 MOS為負(fù)載的差動(dòng)對(duì)30 電流源負(fù)載的差動(dòng)對(duì)MOS為負(fù)載的差動(dòng)對(duì)31 共源共柵級(jí)差動(dòng)對(duì)半邊等效半邊等效共源共柵增大了電路的差動(dòng)增益，但代價(jià)是消耗更多的電壓余度。5、吉爾伯特單元差動(dòng)放大

12、器的兩個(gè)特性：（1）電路的小信號(hào)增益是尾電流的函數(shù)（2）差動(dòng)對(duì)的兩個(gè)輸入管為控制尾電流在兩個(gè)支路的流動(dòng)提供了一個(gè)簡(jiǎn)便方法一個(gè)簡(jiǎn)單的可變?cè)鲆娣糯笃骺勺冊(cè)鲆娣糯笃魈峁┛勺冊(cè)鲆娴膬杉?jí)電路變化的方向也相反和變化方向相反，則和如果，inoutinoutDminoutDminoutVVVVIIRgVVRgVV212121為零。，則電路的電壓增益降如果，則如果；，則如果，2121324121342211212100IIVRgVIVRgVIIIRIIRVVIRIRVIRIRVVAVAVVVinDmoutinDmoutDDDDDDoutoutDDDDoutDDDDoutininoutoutout使I1和I2的變化方向相反的電路：差動(dòng)對(duì)電路吉爾伯特單元吉爾伯特單元討論：討論：差動(dòng)輸入的共模電平為V