拉扎維模擬集成電路精講第三講差動(dòng)放大器

1、第四章 差動(dòng)放大器提綱1、單端與差動(dòng)的工作方式2、根本差動(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1、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，極性相反，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7/3/20223差開工作方式優(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)電路和單端電路的幅員面積問題！2、根本差動(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??！當(dāng) ，每個(gè)晶體管的偏置電流都等于 ，輸出共模電平等于2.1 定性分析差模特性假定Vin1-V

2、in2 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-RDISSVin1逐漸增大，M1開始導(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與輸入共模電平無關(guān)2、小信號(hào)增益當(dāng)Vin1=Vin2 時(shí)到達(dá)最大，且隨著|Vin1-Vin2|的增大而逐漸減小為零7/3/2

3、0226共模特性采用NMOS提供尾電流ISS，Vin,CM從0開始增加。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7/3/20227差動(dòng)對(duì)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2.2 定量分析大信號(hào)分析Vou

4、t1=VDD-RD1ID1,Vout2=VDD-RD2ID2如果RD1=RD2=RD，那么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M1和M2均處于飽和區(qū)，且忽略二級(jí)效應(yīng)對(duì)于平方律器件有因此，7/3/20229兩邊平方，并考慮到ID1+ID2=ISS ，得兩邊平方，并注意到因此，討論： 當(dāng)Vin= Vin1-Vin2= 0， ID=ID1-ID2= 0; 當(dāng)|Vin| 從0開始增大，|ID |也增大； 等價(jià)Gm為當(dāng)Vin= 0時(shí)，Gm最大所以，由于

5、，當(dāng)Vin超過某一限定值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)：注意：當(dāng) ， ID1-ID2等于零Vin1 實(shí)際上是電路可以“處理的最大差模輸入。7/3/202212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)反響電阻的共源級(jí)Rs1/gm2忽略二級(jí)效應(yīng)7/3/202213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；那么電路等效為共柵級(jí)形式忽略二級(jí)效應(yīng)7/3/202214只施加Vin1時(shí)總的電壓增益為整理，同理，可以得到只施加

6、Vin2時(shí)總的電壓增益為應(yīng)用疊加法，得到7/3/202215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，那么Vp值保持不變。假定0。輔助定理說明了P點(diǎn)可以認(rèn)為是“交流地，即“虛地。7/3/202216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，那么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： D1和D2在P點(diǎn)的作用用戴維南等效來表示 VT1和VT2變化的大

7、小相等而方向相反，RT1等于RT2，那么VP保持為常數(shù)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)立的局部，即“半邊電路概念。7/3/202219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)表示為差模分量和共模分量進(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。3、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窮大，結(jié)果，共模輸入的變化會(huì)或多或少傳遞到輸出上。7/3/202222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)反響的共源級(jí)電路忽略二級(jí)效應(yīng)，此時(shí)，共模增益

8、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！7/3/202223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：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。p7/3/202224討論： 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 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

9、電壓變化在 輸出端產(chǎn)生差模分量由此可得：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。7/3/202226“共模抑制比CMRR如果只考慮gm的不匹配，那么因此，其中，假設(shè)7/3/2022274、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7/3/202228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(diǎn)和Y點(diǎn)的共模電平。 解決方法：如下圖，通過減小電流而不是減小其寬長(zhǎng)比來降低負(fù)載器 件的gm。 電流源負(fù)載的差動(dòng)對(duì)7/3/202230共源共柵級(jí)差動(dòng)對(duì)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。7/3/2022315、吉爾伯特單元差動(dòng)放大器的兩個(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)鲆娣糯笃魈峁┛勺冊(cè)鲆娴膬杉?jí)電路使I1和I2的變化方向相反的電路：差動(dòng)對(duì)電路吉爾伯特單元討論：差動(dòng)輸入的共模電平為VCM,in，那么V