CMOS集成電路設(shè)計(jì)-拉扎維4差分放大器

1、 差動(dòng)放大器差動(dòng)放大器Ch.4 # 1第四章第四章差分放大器差分放大器說(shuō)說(shuō) 明明 知識(shí)結(jié)構(gòu)基本完整，有一些知識(shí)結(jié)構(gòu)基本完整，有一些“設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)”經(jīng)驗(yàn)后，才能夠經(jīng)驗(yàn)后，才能夠?qū)@門課有更好的認(rèn)識(shí)對(duì)這門課有更好的認(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)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)等效電路小信號(hào)等效電路 很多同學(xué)不會(huì)畫很多同學(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)有些先修知識(shí)要靠大家課下抽時(shí)間去補(bǔ)MOS管的低頻小信管的低頻小信號(hào)等效電路號(hào)等效電路MOS管的小信號(hào)管的小信號(hào)模型是基礎(chǔ)模型是基礎(chǔ)小信號(hào)等效電路小信號(hào)等效電路 MOS管的高頻小信號(hào)等效電路管的高頻小信號(hào)等效電路

2、 在分析高頻特性時(shí)才用到該模型在分析高頻特性時(shí)才用到該模型小信號(hào)等效電路小信號(hào)等效電路 實(shí)例實(shí)例 帶源極負(fù)反饋的放大級(jí)帶源極負(fù)反饋的放大級(jí) 電阻做負(fù)載的共源級(jí)電阻做負(fù)載的共源級(jí) 增益有非線性增益有非線性 電阻值不能太大（否則擺幅小，或所占面積電阻值不能太大（否則擺幅小，或所占面積大）因此增益較小大）因此增益較小DmvRgA 電阻做負(fù)載的共源級(jí)電阻做負(fù)載的共源級(jí) 二極管接法的二極管接法的MOS 管做負(fù)載的共源級(jí)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（否線性度好，輸出擺幅小，增益不能太大（否則擺幅小、帶寬?。﹦t擺幅小、帶寬?。〢v (W / L)1(W / L)21121)/()/(

3、LWLWApnv二極管接法的二極管接法的MOS 管做負(fù)載的共源級(jí)管做負(fù)載的共源級(jí) 電流源做負(fù)載的共源級(jí)電流源做負(fù)載的共源級(jí) 增益大增益大Avgmro1| ro2電流源做負(fù)載的共源級(jí)電流源做負(fù)載的共源級(jí) 帶源極負(fù)反饋的共源級(jí)帶源極負(fù)反饋的共源級(jí) Rs使使Gm和增益變?yōu)楹驮鲆孀優(yōu)間m的弱函數(shù)，提高線性度的弱函數(shù)，提高線性度 輸出電阻大輸出電阻大 犧牲了增益犧牲了增益ROUT1(gmgmb)roRSroSmDSmDmvRgRRgRgA/1 1帶源極負(fù)反饋的共源級(jí)帶源極負(fù)反饋的共源級(jí) 共漏級(jí)源跟隨器共漏級(jí)源跟隨器 Rin大，大，Rout小，輸出擺幅小小，輸出擺幅小，增益有百分之幾非線性；，增益有百分之

4、幾非線性；PMOS管能消除體效應(yīng)，提高管能消除體效應(yīng)，提高線性度，但輸出阻抗大；電壓線性度，但輸出阻抗大；電壓緩沖器、電壓平移緩沖器、電壓平移共漏級(jí)源跟隨器共漏級(jí)源跟隨器mbmoutggR1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，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管管來(lái)實(shí)現(xiàn)。電路如下圖：來(lái)實(shí)現(xiàn)。電路如下圖： 共柵級(jí)共柵級(jí) Rin大，大，Rout小，增益高小，增益高mbmOmbmDOmbmODinggrggRrggrRR1)()

5、(1Ro u t1 (gm gmb)roRS ro| RD共柵級(jí)共柵級(jí)DDSSOmbmOOmbminoutRRRRrggrrggVV)(1)( 共源共柵級(jí)共源共柵級(jí) Rout大，高增益，屏蔽特性好大，高增益，屏蔽特性好1outvmAgR21222)(1OOOmbmoutrrrggR不足：輸出擺幅受不足：輸出擺幅受一定影響一定影響共源共柵級(jí)共源共柵級(jí)第四章第四章差分放大器差分放大器4.1 單端與差動(dòng)的工作方式單端與差動(dòng)的工作方式單端信號(hào)的參考電位為一固定電位單端信號(hào)的參考電位為一固定電位(常為地電位常為地電位) 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)且這兩個(gè)

6、結(jié)點(diǎn)的電位相對(duì)于某一的電位相對(duì)于某一固定電位固定電位大小大小相等相等,極性極性相反相反。在。在差動(dòng)信號(hào)中差動(dòng)信號(hào)中, 中心中心固定電位固定電位稱為稱為“共模共?！?CM)電平電平共模電平共模電平差動(dòng)工作比單端工作有什么優(yōu)點(diǎn)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 )/2v1 = vIC + vID/2v2= vIC - vID/2用差分放大器消除時(shí)鐘噪聲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差動(dòng)工作與單端工作相比, 一個(gè)一個(gè)重要優(yōu)勢(shì)在于它對(duì)環(huán)境噪聲具有重要優(yōu)勢(shì)在于它對(duì)環(huán)境噪聲具有更強(qiáng)的抗干擾能力更強(qiáng)的抗干擾能力

7、!單端工作時(shí)時(shí)鐘大單端工作時(shí)時(shí)鐘大信號(hào)通過(guò)寄生電容信號(hào)通過(guò)寄生電容干擾放大的小信號(hào)干擾放大的小信號(hào)V01V02V01- V02極性相反的兩路受干極性相反的兩路受干擾小信號(hào)擾小信號(hào), 差動(dòng)輸出差動(dòng)輸出時(shí)干擾消除了時(shí)干擾消除了!用差分放大器消除時(shí)鐘噪聲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)差動(dòng)工作還有什么優(yōu)點(diǎn)?差分放大器的優(yōu)點(diǎn)差分放大器的優(yōu)點(diǎn)電源噪聲電源噪聲對(duì)單端電路產(chǎn)生的干擾對(duì)單端電路產(chǎn)生的干擾差動(dòng)輸出時(shí)電差動(dòng)輸出時(shí)電源噪聲產(chǎn)生的源噪聲產(chǎn)生的干擾消除了干

8、擾消除了差動(dòng)信號(hào)的優(yōu)點(diǎn)：差動(dòng)信號(hào)的優(yōu)點(diǎn)：1. 能有效抑制共模噪聲。能有效抑制共模噪聲。2. 增大了輸出電壓擺幅增大了輸出電壓擺幅(是單端輸出的兩倍是單端輸出的兩倍)。3. 偏置電路更簡(jiǎn)單偏置電路更簡(jiǎn)單(差分對(duì)可以直接耦和差分對(duì)可以直接耦和)、輸出線性度更高。、輸出線性度更高。4. 缺點(diǎn)是芯片面積和功耗略有增加缺點(diǎn)是芯片面積和功耗略有增加, 但絕對(duì)物有所值但絕對(duì)物有所值!如何放大一個(gè)差分信號(hào)？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)電路簡(jiǎn)單差動(dòng)電路：將兩條簡(jiǎn)單差動(dòng)電路：將兩條相同的單端信號(hào)路徑結(jié)相同的單端信號(hào)路徑結(jié)合起來(lái)合起來(lái),分別處理分別處理兩個(gè)差兩個(gè)差動(dòng)相位信號(hào)動(dòng)相位信號(hào)Vin

9、1和和Vin2當(dāng)當(dāng)Vin1和和Vin2存在很大的存在很大的共模干擾共模干擾各自的直流電平設(shè)置的各自的直流電平設(shè)置的不好時(shí)不好時(shí), 隨著共模電平隨著共模電平VinCM變化變化, M1 和和M2的的偏置電流會(huì)變化偏置電流會(huì)變化Vin1和和Vin2是差動(dòng)相位信號(hào)是差動(dòng)相位信號(hào)簡(jiǎn)單差動(dòng)電路簡(jiǎn)單差動(dòng)電路輸入共模電平對(duì)輸出的影響輸入共模電平對(duì)輸出的影響 共模電平共模電平VinCM變化變化, M1 和和M2的偏置電流會(huì)變化的偏置電流會(huì)變化, 導(dǎo)致導(dǎo)致跨導(dǎo)跨導(dǎo)和和輸出共模電平輸出共模電平變化變化 跨導(dǎo)變化會(huì)改變小信號(hào)跨導(dǎo)變化會(huì)改變小信號(hào)增益增益, 輸出共模電平偏離會(huì)降低最輸出共模電平偏離會(huì)降低最大允許輸出大允

10、許輸出擺幅擺幅, 導(dǎo)致輸出端導(dǎo)致輸出端出現(xiàn)嚴(yán)重失真出現(xiàn)嚴(yán)重失真 應(yīng)使應(yīng)使M1 和和M2偏置電流偏置電流受輸受輸入共模電平的影響盡可能小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)基本差動(dòng)對(duì)Vin1-Vin2足夠負(fù)足夠負(fù), M1截止截止, M2導(dǎo)通導(dǎo)通Vin1-Vin2足夠正足夠正, M1導(dǎo)通導(dǎo)通, M2截止截止Vin1-Vin2相差不大相差不大時(shí)時(shí), M1和和M2均導(dǎo)通均導(dǎo)通4.2 基本差動(dòng)對(duì)基本差動(dòng)對(duì)Vin1=Vin2 時(shí)時(shí),小信號(hào)增益小信號(hào)增益(即斜率即斜率)最大最大基本差動(dòng)對(duì)的重要特性基本差動(dòng)對(duì)的重要特性差動(dòng)對(duì)的兩個(gè)重要特性

11、差動(dòng)對(duì)的兩個(gè)重要特性:1. 輸出輸出端的最大和最小端的最大和最小電平電平是確是確定的定的(分別為分別為VDD和和VDD -RDISS) 。與共模輸人電平無(wú)關(guān)。與共模輸人電平無(wú)關(guān)。2. Vin1= Vin2時(shí)時(shí),小信號(hào)增益最大小信號(hào)增益最大,隨隨著著| Vin1- Vin2 | 的增加而逐漸減小到的增加而逐漸減小到零。也就是說(shuō)零。也就是說(shuō), 隨著隨著輸入電壓輸入電壓擺幅擺幅的的增大增大,電路變得更加電路變得更加非線性非線性。當(dāng)當(dāng)Vin1= Vin2時(shí)時(shí), 我們說(shuō)電路處于平我們說(shuō)電路處于平衡狀態(tài)衡狀態(tài), 即即靜態(tài)。靜態(tài)?；静罘謱?duì)的共模特性基本差分對(duì)的共模特性Vin,CM Vin,CM=0, M1

12、，M2截止，截止，Id3=0，Vout1= Vout2=Vdd Vin,CMVin,CM Vth時(shí)時(shí)M1，M2飽和飽和導(dǎo)通導(dǎo)通, M3等效為電阻，等效為電阻， Vin,CM足夠大，足夠大，M3飽和：飽和： Vin,CMVGS1+（VGS3-VTH3） Vin,CM繼續(xù)變大，繼續(xù)變大， M1，M2進(jìn)入進(jìn)入線性區(qū)線性區(qū) ： Vin,CMVout1+VTH=VDD-RDISS/2+VTH基本差分對(duì)的共模特性基本差分對(duì)的共模特性Vin,CMVinCMmin為保證為保證M1和和M2飽和飽和, VinCMmin=?, VinCMmax =?當(dāng)當(dāng)VPVb-VTN時(shí)時(shí), M3工作在線性區(qū)工作在線性區(qū),等效等效

13、于一個(gè)小電阻于一個(gè)小電阻基本差分對(duì)的共模輸入范圍基本差分對(duì)的共模輸入范圍1 22 2( () )S SS Si in nC CM MP PT TN NI I= =( (V V- - V V - - V V) )2 22 21 2S S S Si i n n C C M MP PT T N N( () )I IV V= =+ + V V+ + V VS S S Si i n n C C M M m m i i n nb b1 1 ( ( 2 2 ) )I IV V+ + V VS SS SX XD DD DD Di in nC CM MT TN NI IV V= = V V- -R R V V-

14、 - V V2 2S S S Si i n n C C M M m m a a x xD D D DD DT T N NI IV V V V- -R R+ + V V2 2(M3飽和要求飽和要求)(M1飽和要求飽和要求)ISS差動(dòng)對(duì)小信號(hào)差動(dòng)增益與共模輸入電平的關(guān)系差動(dòng)對(duì)小信號(hào)差動(dòng)增益與共模輸入電平的關(guān)系VinCMmaxVinCMminS SS SS SS Sb bi in nC CM MD DD DD DT TN N1 1（ 2 2）I I+ + V VV VV V- -R R+ + V V2 2產(chǎn)生產(chǎn)生ISS的的MOS管線性管線性M1和和M2線性線性共模輸入電壓與輸出擺幅共模輸入電壓與輸出

15、擺幅XYX Xi in nC CM MT TN NV V V V- - V VM1飽和要求飽和要求:上式表明上式表明, 輸入共模電平越大輸入共模電平越大,Vx 越大，越大， 允許輸出的輸出擺幅就允許輸出的輸出擺幅就越小。幸運(yùn)的是越小。幸運(yùn)的是, 因運(yùn)放通常需因運(yùn)放通常需至少兩級(jí)放大才能獲得實(shí)際可至少兩級(jí)放大才能獲得實(shí)際可使用的放大倍數(shù)使用的放大倍數(shù), 因此對(duì)前級(jí)的因此對(duì)前級(jí)的擺幅要求大大降低。擺幅要求大大降低。例例: 若兩級(jí)運(yùn)放若兩級(jí)運(yùn)放AI=100, AII=400(即即AV=92dB), 假定輸出假定輸出V0=10V, 則第二級(jí)的輸入電壓范圍則第二級(jí)的輸入電壓范圍(也即第一級(jí)的輸出也即第一

16、級(jí)的輸出電壓擺幅電壓擺幅)僅需為僅需為: 10V/400= 25mV。第一級(jí)的小信號(hào)。第一級(jí)的小信號(hào)輸入范圍僅為輸入范圍僅為: 25mV/100 =250VV。基本差分對(duì)的定量分析基本差分對(duì)的定量分析(1)在左圖的電阻負(fù)載基本差動(dòng)對(duì)中在左圖的電阻負(fù)載基本差動(dòng)對(duì)中, 記記: Vin=Vin1-Vin2, 且且 1= 2= =n nC COXOX(W/L)(W/L) , ,假定假定M M1 1和和M M2 2均工作在飽和區(qū)均工作在飽和區(qū),I,ISSSS為理想為理想恒流源恒流源, ,則由平方律關(guān)系有則由平方律關(guān)系有: :2 2D DD DG GS ST TN NG GS ST TN N2 2I II

17、 I = =( (V V - -V V ) )V V= =+ +V V2 2D D1 1D D2 2i in nG GS S1 1G GS S2 22 2I I2 2I IV V = = V V- -V V= =- -兩邊平方兩邊平方, 且考且考慮到慮到ID1+ ID2= ISS2 22 22 2S SS Si in nD D1 1 D D2 2D D1 1 D D2 2S SS Si in n2 2I I4 4V V= =- -I I I I4 4I I I I= =( (I I- -V V) )2 2 差動(dòng)放大器差動(dòng)放大器Ch.4 # 31基本差分對(duì)的定量分析基本差分對(duì)的定量分析(2)2

18、22 22 2S SS Si in nD D1 1D D2 2D D1 1D D2 2S SS Si in n2 2I I4 4V V= =- -I I I I4 4I I I I= =( (I I- -V V) )2 22 22 22 22 22 22 2D DD D1 1D D2 2D D1 1D D2 2D D1 1 D D2 2S SS SS SS Si in nI I= =( (I I- -I I ) ) = =( (I I + +I I ) ) - -4 4I I I I= =I I- -( (I I- -V V) )2 22244()44 2 22 22 2i in nS SS

19、Si in nS SS Si in ni in nV VI IV VI I V VV V2 2S SS SD Di in ni in n4 4I II I = =V V- -V V2 2這是個(gè)重要公式這是個(gè)重要公式, 可可由此得出以下結(jié)論由此得出以下結(jié)論:1. 靜態(tài)時(shí)靜態(tài)時(shí), Vin=0, ID=0, 即即ID1= ID2= ISS/22. ID只有在只有在Vin很小時(shí)很小時(shí), 才與才與Vin近視成正比近視成正比SSD Di in nI IV VI I基本差分對(duì)的定量分析基本差分對(duì)的定量分析(3)為求得最大差模輸入電壓，假定為求得最大差模輸入電壓，假定Vinmax時(shí)，時(shí)，M1上通過(guò)的電上通過(guò)的

20、電流恰好為流恰好為ISS，M2剛好截至，即剛好截至，即VGS2=VTN，此時(shí)有：，此時(shí)有：S SS SG GS S1 1T TN N2 2I IV V= =+ +V VS SS Si in nm ma ax xG GS S1 1G GS S2 22 2I I V V= = V V - -V V= = 差動(dòng)放大器差動(dòng)放大器Ch.4 # 33基本差分對(duì)的定量分析基本差分對(duì)的定量分析(3)為求得最大差模輸入電壓，假定為求得最大差模輸入電壓，假定Vinmax時(shí)，時(shí)，M1上通過(guò)的電上通過(guò)的電流恰好為流恰好為ISS，M2剛好截至，即剛好截至，即VGS2=VTN，此時(shí)有：，此時(shí)有：S SS SG GS S1

21、 1T TN N2 2I IV V= =+ +V VS SS Si in nm ma ax xG GS S1 1G GS S2 22 2I I V V= = V V - -V V= =同理，同理，M1恰好截至，恰好截至，M2上通過(guò)的電流恰好為上通過(guò)的電流恰好為ISS時(shí)，此時(shí)有：時(shí)，此時(shí)有：S SS Si in nm ma ax x2 2I I V V= = - -故允許輸入的最大差模電壓范圍故允許輸入的最大差模電壓范圍VID為：為：S SS SI ID D2 2I I V V = =（這就是電路能處理信號(hào)的最大差模電壓。）（這就是電路能處理信號(hào)的最大差模電壓。） 差動(dòng)放大器差動(dòng)放大器Ch.4

22、# 34基本差分對(duì)的定量分析基本差分對(duì)的定量分析(4)2 2S SS SD Di in ni in n4 4I II I = = V V- -V V2 22 2D DS SS Si in nm m2 2i in nS SS Si in nI I2 2I I- -V VG G = = =V V4 4I I- -V V4. 因：因：M1、M2的等效跨導(dǎo)的等效跨導(dǎo)Gm為：為：靜態(tài)時(shí)靜態(tài)時(shí)Vin 0， Gm為：為：S SS Sm mS SS SI IG G = = I I= =2 2( () )2 2又又V01-V02RD ID RD Gm Vin，故，故平衡態(tài)下的小信號(hào)差動(dòng)電壓增益平衡態(tài)下的小信號(hào)差

23、動(dòng)電壓增益AV為：為：S SS SV VS SS SD DD DI IA A = = I I R R = =2 2( () )R R2 2差分放大器的增益差分放大器的增益2 2D DS SS Si in nm m2 2i in nS SS Si in nI I2 2I I- -V VG G = = =V V4 4I I- -V V0102SS0102SSVSSDDVSSDDin1in2in1in2V -VIV -VIA = I R =2()RA = I R =2()RV-V2V-V2同單級(jí)共源放大器的增益同單級(jí)共源放大器的增益S SS Sm mS SS SI IG G= =I I= =2 2(

24、 () )2 2漏極電流和漏極電流和Gm隨輸入電壓變化曲線隨輸入電壓變化曲線差分對(duì)的小信號(hào)特性差分對(duì)的小信號(hào)特性(1)差分對(duì)的小信號(hào)特性差分對(duì)的小信號(hào)特性(1)差分對(duì)的小信號(hào)特性差分對(duì)的小信號(hào)特性(1)差分對(duì)的小信號(hào)特性差分對(duì)的小信號(hào)特性(1)S Sm m2 2m m1 11 1R R= = =g gg gm mD Dm mD DV VX Xm mS Sg g R Rg g R RA A = =- -= =- -1 1+ +g g R R2 2這是帶負(fù)反饋電這是帶負(fù)反饋電阻阻RS的的CS放大器放大器RD1RD2=RD gm1gm2=gmm mD DX XV VX X i in ni in n1

25、 11 1g g R RV V = =A A V V= =- -V V2 2利用疊加定理利用疊加定理,先考慮先考慮Vin1的的作用作用,先求先求VX差分對(duì)的小信號(hào)特性差分對(duì)的小信號(hào)特性(2)差分對(duì)的小信號(hào)特性差分對(duì)的小信號(hào)特性(2)利用疊加定理利用疊加定理,先考慮先考慮Vin1的的作用作用,再求再求VYVT=VinT Tm m1 1m m1 11 1R R = = =g gg g這是這是CG放大器放大器RL1求開(kāi)路電壓求開(kāi)路電壓VT利用小信號(hào)等利用小信號(hào)等效電路效電路,可求得可求得:L L1 1L L1 1m m1 1L L1 1T TR Ri in ni in nR Rm m1 1L L1

26、1g g R RV V = = l li im m V V= =V V= = V V1 1+ +g g R RL L1 1m m1 1L L1 1R Ri in nm m1 1L L1 1g g R RV V= =V V1 1+ + g g R R差分對(duì)的小信號(hào)特性差分對(duì)的小信號(hào)特性(2)差分對(duì)的小信號(hào)特性差分對(duì)的小信號(hào)特性(3)m mD DY YV VX XT Ti in n1 1g g R RV V = = A A V V = =V V2 2m mD DX XV VX X i in ni in n1 11 1g g R RV V = = A A V V= = - -V V2 2(VX-VY

27、 ) |Vin1=Vin=-gmRD因電路對(duì)稱因電路對(duì)稱,故除了極性相反外故除了極性相反外,Vin2在在X和和Y點(diǎn)產(chǎn)生的作用和點(diǎn)產(chǎn)生的作用和Vin1效果一樣效果一樣:(VX-VY ) |Vin2=-Vin=-gmRD Vin1和和Vin2共同作用時(shí)共同作用時(shí), (VX-VY )的增益為的增益為: i in n1 1i in ni in n2 2i in nX XY YV V= =V VX XY YV V= =- -V Vm mD Dm mD Di in n1 1i in n2 2i in ni in n( (V V - -V V ) )| |+ +( (V V - -V V ) )| |- -

28、2 2g g R R= =g g R RV V- -V VV V - -( (- -V V ) )VinVinVin差分對(duì)增益與差分對(duì)增益與CS放大器增益的比較放大器增益的比較 如果差分對(duì)的尾電流如果差分對(duì)的尾電流ISS與與CS放大器的靜態(tài)工作電流相放大器的靜態(tài)工作電流相同同, 則差分對(duì)管的跨導(dǎo)則差分對(duì)管的跨導(dǎo) gm 只有只有CS放大器中放大器中MOS管跨導(dǎo)管跨導(dǎo)的的 1/2。即差分對(duì)的增益只有。即差分對(duì)的增益只有CS放大器的放大器的1/2 。 如果兩種放大器中如果兩種放大器中MOS管的管的(W/L)和負(fù)載和負(fù)載RD均相同均相同, 為為了得到相同的增益了得到相同的增益, 若若 CS 放大器中靜

29、態(tài)工作電流為放大器中靜態(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)，即使將若不使用差分對(duì)，即使將CS放大器功耗增加一倍，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。也不可能獲得與差分對(duì)相同的特性。S SS Sm mS SS SI IG G= =I I= =2 2( () )2 2 方法二（方法二（半邊電路半邊電路）輔助定理：輔助定理： 考慮圖中所示的考慮圖中所示的對(duì)稱電路對(duì)稱電路，其中，其中D1和和D2代表任何三端有代表任何三端有

30、源器件。假設(shè)源器件。假設(shè)Vin1從從V0變化到變化到V0+ Vin， Vin2從從V0變化到變化到V0-Vin，那么，如果電路仍保持線性，則，那么，如果電路仍保持線性，則Vp值保持不變。值保持不變。假定假定0。輔助定理說(shuō)明了輔助定理說(shuō)明了P點(diǎn)可以認(rèn)為是點(diǎn)可以認(rèn)為是“交流地交流地”，即，即“虛地虛地”。差動(dòng)對(duì)的差動(dòng)對(duì)的“虛地虛地”概念概念上圖，上圖，D1和和D2表示任何三端有源器件，假定表示任何三端有源器件，假定Vin1從從V0變化變化到到V0+Vin，Vin2從從V0變化到變化到 V0-Vin，如果電路仍保持，如果電路仍保持線性，則線性，則VP值不變值不變。在差模小信號(hào)作用下，差分對(duì)在差模小信

31、號(hào)作用下，差分對(duì)VP值不變，值不變，P點(diǎn)為點(diǎn)為“虛地虛地”點(diǎn)，即差模小信號(hào)等效電路中點(diǎn)，即差模小信號(hào)等效電路中P點(diǎn)可看成點(diǎn)可看成“交流地交流地”。利用利用P點(diǎn)虛地（交流地）的特點(diǎn)，電路可等效為兩個(gè)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，即獨(dú)立的部分，即“半邊電路半邊電路”概念。概念。“虛地虛地”的應(yīng)用差分對(duì)的半邊電路的應(yīng)用差分對(duì)的半邊電路P點(diǎn)小信號(hào)時(shí)看成“交流地”VX=-gmRDVin1, VY=-gmRD (-Vin1 )= gmRDVin1 X XY Ym mD D i in n1 1m mD Di in n1 1i in n2 2i in n1 1i in n1 1V V -

32、 -V V- -2 2g g R R V V= =g g R RV V- -V VV V- -( (- -V V) )任意輸入信號(hào)的差分對(duì)任意輸入信號(hào)的差分對(duì)采用疊加定理采用疊加定理差模響應(yīng)差模響應(yīng)共模響應(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。任意信號(hào)表示為差模分量和共模分量。非全差分輸入電路非全差分輸入電路運(yùn)放差模運(yùn)放差模(共模共模)信號(hào)、差模信號(hào)、差模(共模共模)增益的關(guān)系增益的關(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)的疊加定理根據(jù)

33、線性系統(tǒng)的疊加定理,運(yùn)放總的輸出電壓運(yùn)放總的輸出電壓V0即是即是圖圖(A)、 (B)兩個(gè)輸出的疊兩個(gè)輸出的疊加加, 即即:V0=V01+V02圖圖(A)圖圖(B)非理想性包括：非理想性包括：尾電流源尾電流源ISS的內(nèi)阻的內(nèi)阻RSS不是無(wú)窮大不是無(wú)窮大電路不對(duì)稱電路不對(duì)稱RD1和和RD2之間有失配之間有失配 M1和和M2之間有失配（之間有失配（W/L、VTH等）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)差分放大器的共模響應(yīng)小信號(hào)共模特性小信號(hào)共模特性RSS對(duì)共模響應(yīng)的影響對(duì)共模響應(yīng)的影響假設(shè)電路完全對(duì)稱，假設(shè)電

34、路完全對(duì)稱，VP隨隨Vin,CM的變化而的變化而變化。若變化。若Rss為有限大小，則尾電流隨為有限大小，則尾電流隨VP增加而增加，增加而增加， Vout1和和Vout2會(huì)隨之減小。會(huì)隨之減小。但但Vout1和和Vout2仍然相等，不引入差分增益仍然相等，不引入差分增益小信號(hào)共模特性小信號(hào)共模特性RSS對(duì)共模響應(yīng)的影響對(duì)共模響應(yīng)的影響4.3 差分放大器的共模響應(yīng)差分放大器的共模響應(yīng)SSSSm mD DCMCMin,in,outoutv vR R) )1/(2g1/(2g/2/2R R V VV VA A共模響應(yīng)時(shí)共模響應(yīng)時(shí),VX=VY,即即X和和Y始終短接始終短接M1和和M2的跨導(dǎo)并聯(lián)的跨導(dǎo)并聯(lián)

35、共模增益為：共模增益為：例例 共模輸入電壓變化帶來(lái)的影響共模輸入電壓變化帶來(lái)的影響左圖中用一個(gè)電阻來(lái)提供左圖中用一個(gè)電阻來(lái)提供1mA的尾電流的尾電流,已知已知(W/L)=25/0.5, nCOX=50 A/V2,VT=0.6V, = =0, VDD=3V。求：。求：如果如果RSS上的壓降保持在上的壓降保持在0.5V,則輸入則輸入共模電平共模電平?計(jì)算差模增益等于計(jì)算差模增益等于5時(shí)的時(shí)的RD？3. 如果輸入共模電平比如果輸入共模電平比(1)計(jì)算出的值大計(jì)算出的值大200mV，則輸出如何變化，則輸出如何變化?因因ID1= ID2=0.5mA，故：，故：S SS SG GS S1 1, ,2 2T

36、 TN NI IV V= =+ + V V= = 1 1. .2 23 3V V VinCMVGS1+VRSS1.23+0.51.73V因因m mD D1 1g g = =2 2I I= = 1 1/ /( (6 63 32 2) ), 所以所以AV=5時(shí)時(shí), RD3.16K , 此時(shí)此時(shí)當(dāng)當(dāng)VinCM增加增加200mV, 則則| VX,Y|= VinCMRD/(2RSS+1/gm) 0.4VVX=VY=3-0.5*3.16=1.42V此時(shí)此時(shí),Vout=1.42-0.4 1.02V, Vg=1.73+0.2=1.98V, M1(2)已進(jìn)入線性區(qū)。已進(jìn)入線性區(qū)?；静顒?dòng)對(duì)電阻失配對(duì)共模響應(yīng)的影

37、響基本差動(dòng)對(duì)電阻失配對(duì)共模響應(yīng)的影響 ) )R R(R(RR R2g2g1 1g gV VV VR RR R2g2g1 1g gV VV VD DD DSSSSm mm mCMCMin,in,Y YD DSSSSm mm mCMCMin,in,X X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)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 X

38、XY Ym m1 1m m2 2m mD DC CM M- -D DM MD Di in nC CM Mm m1 1m m2 2S SS Sm m1 1m m2 2S SS SV V - -V Vg g- -g gg g R RA A= = - -R RV V1 1+ +( (g g+ +g g ) )R R1 1+ +( (g g+ +g g ) )R Rm m1 1m m2 2S SS SP Pi in nC CM Mm m1 1m m2 2S SS S( (g g + +g g ) )R RV V = =V V1 1+ +( (g g + +g g ) )R Rm m2 2D DY Ym m2 2i in nC CM MP PD Di in nC CM Mm m1 1m m2 2S SS Sg g R RV V = =- -g g ( (V V- -V V ) )R R = =- -V V1 1+ +( (g g + +g g ) )R Rm m1 1D DX Xm m1 1i in nC CM MP PD Di in nC CM Mm m1 1m m2 2S SS Sg g R RV V = =- -g g ( (V V- -V