拉扎維模擬集成電路精講第三講差動放大器

拉扎維模擬集成電路精講第三講差動放大器第一頁，共36頁。提綱1、單端與差動的工作方式2、基本差動對3、共模響應4、MOS為負載的差動對5、吉爾伯特單元第二頁，共36頁。1、單端與差動的工作方式差動信號定義為兩個結點電位之差，且這兩個結點的電位相對于某一固定電位大小相等，極性相反，結點的阻抗也必須相等。單端信號的參考電位為某一固定電位（通常為地電位）第三頁，共36頁。差動工作方式優(yōu)點：抗干擾能力強，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簡單線性度相對高關于差動電路和單端電路的版圖面積問題！第四頁，共36頁。2、基本差動對應使器件的偏置電流受輸入共模電平的影響盡可能地??！當，每個晶體管的偏置電流都等于，輸出共模電平等于第五頁，共36頁。2.1定性分析差模特性（假定Vin1-Vin2從-變化到+）Vin1比Vin2更負，M1截止，M2導通，ID2=ISS，因此Vout1=VDD,Vout2=VDD-RDISSVin1逐漸增大，M1開始導通，Vout1減小，由于ID1+ID2=ISS，M2流經的電流減小，Vout2增大；當Vin1=Vin2時，Vout1=Vout2=VDD-RDISS/2。當Vin1比Vin2更正時，差動對兩側情況正好與上述情況相反。差動對的兩個特性：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與輸入共模電平無關2、小信號增益當Vin1=Vin2時達到最大，且隨著|Vin1-Vin2|的增大而逐漸減小為零第六頁，共36頁。共模特性采用NMOS提供尾電流ISS，Vin,CM從0開始增加。當Vin,CM＝0時，ID1=ID2=ID3=0，M3處于深線性區(qū)Vin,CM增加，M3導通，處于三極管區(qū)；當Vin,CM足夠大時，M3進入飽和區(qū)，因此電路正常工作狀態(tài)應滿足Vin,CMVGS1+(VGS3-VTH3)Vin,CM進一步增加，Vin,CM>Vout1+VTH=VDD-RDISS/2+VTH，M1和M2進入三極管區(qū)因此，Vin,CM允許的范圍第七頁，共36頁。差動對的輸出電壓擺幅每一端的輸出電壓最高為VDD，最低為Vin,CM-VTH輸入共模電平越大，允許的輸出擺幅就越小第八頁，共36頁。2.2定量分析大信號分析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計算出ID2和ID1VP=Vin1-VGS1=Vin2-VGS2所以，假設電路是對稱的，且M1和M2均處于飽和區(qū)，且忽略二級效應對于平方律器件有因此，第九頁，共36頁。兩邊平方，并考慮到ID1+ID2=ISS，得兩邊平方，并注意到因此，第十頁，共36頁。討論：

當ΔVin=Vin1-Vin2=0，ΔID=ID1-ID2=0;當|ΔVin|從0開始增大，|ΔID|也增大；等價Gm為當ΔVin=0時，Gm最大所以，由于，第十一頁，共36頁。當ΔVin超過某一限定值（ΔVin1）時，所有ISS電流流經一個晶體管，而另一個晶體管截止（忽略亞閾值導通）。討論（續(xù)）：注意：當，ID1-ID2等于零ΔVin1實際上是電路可以“處理”的最大差模輸入。第十二頁，共36頁。小信號分析方法一（疊加法）令Vin2=0,求Vin1對X結點的影響：電路等效為M1管構成的帶有負反饋電阻的共源級Rs＝1/gm2忽略二級效應第十三頁，共36頁。令Vin2=0,求Vin1對Y結點的影響：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形式忽略二級效應第十四頁，共36頁。只施加Vin1時總的電壓增益為整理，同理，可以得到只施加Vin2時總的電壓增益為應用疊加法，得到第十五頁，共36頁。方法二（半邊電路）輔助定理：考慮圖中所示的對稱電路，其中D1和D2代表三端有源器件。假設Vin1從V0變化到V0+ΔVin，Vin2從V0變化到V0-ΔVin，那么，如果電路仍保持線性，則Vp值保持不變。假定λ＝0。輔助定理說明了P點可以認為是“交流地”，即“虛地”。第十六頁，共36頁。輔助定理的證明（1）：假定V1和V2平衡時都等于Va，且分別變化ΔV1和ΔV2，則輸出電流分別不變化gm

ΔV1和gmΔV2因為，所以，從而，V1和Vin1變化相同，所以VP不會發(fā)生變化！第十七頁，共36頁。輔助定理的證明（2）：D1和D2在P點的作用用戴維南等效來表示VT1和VT2變化的大小相等而方向相反，RT1等于RT2，則VP保持為常數第十八頁，共36頁。利用P點虛地（交流地）的特點，電路可等效為兩個獨立的部分，即“半邊電路”概念。第十九頁，共36頁。如果輸入信號不是全差動的情況可以將此任意信號表示為差模分量和共模分量第二十頁，共36頁。進一步，對于每種類型輸入的作用都可以用疊加法計算，對于差模工作應用半邊電路概念。第二十一頁，共36頁。3、共模響應差動電路對共模擾動影響具有抑制作用，理想差動電路的共模增益為0；實際上，電路既不可能完全對稱，電流源的輸出電阻也不可能為無窮大，結果，共模輸入的變化會或多或少傳遞到輸出上。第二十二頁，共36頁。電流源具有有限電阻的差動對的共模增益：電路等效為帶源級負反饋的共源級電路忽略二級效應，此時，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，從而其跨導同樣增為單管的2倍注意：共模輸入的變化會擾亂偏置點，改變小信號增益，限制輸出電壓擺幅！第二十三頁，共36頁。電路不對稱且尾電流源的輸出電阻為有限值時，輸入共模電壓變化對電路的影響：電路不對稱情況1：漏端負載電阻不匹配，即RD1=RD，RD2=RD+ΔRD，當輸入端共模發(fā)生變化，ID1和ID2都增加[gm/(1+2gmRSS)]ΔVin,CM，但VX、VY的變化不相等，輸出端產生了一個差動成分。p第二十四頁，共36頁。討論：差動對的共模響應取決于：尾電流源的輸出阻抗，以及電路的不對稱性差動對的影響：對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生差模分量第二十五頁，共36頁。由此可得：得到輸出電壓輸出端的差動分量：共模到差模轉換的增益：電路不對稱情況2：M1和M2不匹配，導致流經兩個晶體管的電流稍微不同，因而跨導不同。第二十六頁，共36頁?！肮材Ｒ种票取保–MRR）如果只考慮gm的不匹配，則因此，其中，假設第二十七頁，共36頁。4、MOS為負載的差動對類似單級放大器，差動對的負載也可以采用二極管連接的MOS或者電流源作負載。二極管連接的MOS作負載第二十八頁，共36頁。討論：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點和Y點的共模電平。解決辦法：如圖所示，通過減小電流而不是減小其寬長比來降低負載器件的gm。

第二十九頁，共36頁。電流源負載的差動對第三十頁，共36頁。共源共柵級差動對半邊等效共源共柵增大了電路的差動增益，但代價是消耗更多的電壓余度。第三十一頁，共36頁。5、吉爾伯特單元差動放大器的兩個特性：（1）電路的小信號增益是尾電流的函數（2）差動對的兩個輸入管為控制尾電流在兩個支路的流動提供了一個簡便方法一個簡單的可變增益放大器第三十二頁，共36頁。提供可變增益的兩級電路第三十三頁，共36頁。使I1和I2的變化方向相反的電路：差動對電路吉爾伯特單元