第三講差動放大器與電流鏡

第三講差動放大器與電流鏡第一頁，共三十八頁，2022年，8月28日第三講差動放大器與電流鏡1第二頁，共三十八頁，2022年，8月28日差動信號定義為兩個節(jié)點電位之差，且該兩個節(jié)點的電位相對于某一個固定電位大小相等，相位相反。差動信號2第三頁，共三十八頁，2022年，8月28日

與單端工作相比，對環(huán)境噪聲具有更強的抗干擾能力。差動工作特性3第四頁，共三十八頁，2022年，8月28日

增大了可得到的最大電壓擺幅。單端X、Y點的最大電壓擺幅為Vout1＝VDD－（VGS－VTH），那么VX-VY的最大擺幅為2[VDD－（VGS－VTH）]。對共模信號具有很強的的抑制能力，對差模信號有很好的放大作用。4第五頁，共三十八頁，2022年，8月28日3.1基本差動對由兩個cs放大器構(gòu)成，分別處理兩個差動信號輸入共模電平若設(shè)定太低，會使輸出嚴(yán)重失真輸出直流電平受輸入共模電平的變化影響較大偏置電流ID1+ID2＝ISS，它不依賴于輸入共模電平，輸出受輸入共模電平的影響小。簡單差動電路基本差動對5第六頁，共三十八頁，2022年，8月28日1、差模輸入輸出特性分析基本差動對假設(shè)Vin1－Vin2從－∞變化到＋∞：1）當(dāng)Vin1比Vin2負(fù)得多，M1截止，M2導(dǎo)通，ID2=ISS，Vout1＝VDD，Vout2＝VDD-RDISS，Vout1-Vout2=RDISS2）當(dāng)Vin1比較接近Vin2時，M1逐漸導(dǎo)通，RD1上有電流ID1，使Vout1下降，而ID2減小，Vout2上升。M1截止，M2導(dǎo)通M1導(dǎo)通，M1截止6第七頁，共三十八頁，2022年，8月28日3）當(dāng)Vin1＝Vin2時，ID1=ID2＝ISS/2，Vout1＝Vout2＝VDD-RDISS/2。稱為平衡狀態(tài)。4）當(dāng)Vin1比Vin2更正時，Vin1增加，ID1增加，ID2減小，Vout1下降，Vout2上升。對于足夠大的Vin1－Vin2，ISS所有電流都只流經(jīng)M1管，M2管截止，此時，Vout1＝VDD-RDISS，Vout2＝VDD。輸出端的最大電平和最小電平是完全確定的，分別為VDD和VDD-RDISS小信號增益在Vin1＝Vin2時達(dá)到最大，隨著|Vin1-Vin2|的增大而逐漸減小為零。斜率最大7第八頁，共三十八頁，2022年，8月28日2、共模特性令Vin1＝Vin2＝Vin,CM，Vin,CM從0變化到VDD。假設(shè)電路是對稱的，Vout1＝Vout2。1）當(dāng)Vin,CM=0時，M1、M2截止，ID1=ID2=0，ID3=0，Vb為高電位，M3處于深線性區(qū)，等效為一個電阻。Vout1＝Vout2＝VDD。2）當(dāng)Vin,CM>VTH時，M1、M2飽和導(dǎo)通，ID1、ID2增加，VP上升。對于足夠高的Vin,CM，VP≥VGS3-VTH3，M3進入飽和區(qū)，ID1、ID2之和保持為常數(shù)。3）當(dāng)Vin,CM>Vout1+VTH＝VDD-RDISS/2+VTH，M1、M2進入線性區(qū)。8第九頁，共三十八頁，2022年，8月28日共模特性Vin,CM允許的范圍為(M1、M2、M3工作在飽和區(qū)）：Notice：（1）Vout的最小值為Vin,CM－VTH，輸入共模電平越大，允許的輸出電壓擺幅越小。（2）差動對的電壓增益是負(fù)載上壓降VRD的函數(shù)，若VRD比較大，Vin,CM必須比較低以保證M1、M2工作在飽和區(qū)。9第十頁，共三十八頁，2022年，8月28日3、定量分析假設(shè)電路是對稱的，M1、M2均工作在飽和區(qū)VP＝Vin1－VGS1＝Vin2－VGS2ID1-ID2是Vin1－Vin2的奇函數(shù)，當(dāng)|Vin1-Vin2|從0逐漸增增大，|ID1-ID2|也逐漸增大。10第十一頁，共三十八頁，2022年，8月28日等效跨導(dǎo)GmGm＝1）△Vin＝0，平衡狀態(tài)，等效跨導(dǎo)達(dá)到最大值：與單個nmos管的跨導(dǎo)相同＝gm差動信號差動信號的小信號變化量平衡狀態(tài)狀態(tài)下小信號差動電壓增益：M2幾乎截止11第十二頁，共三十八頁，2022年，8月28日同理，當(dāng)△Vin<-△Vin1，所有的ISS只流經(jīng)M2，而M1截止。3）當(dāng)△Vin＝△Vin1時，Gm＝02）當(dāng)△Vin>△Vin1時，所有的ISS只流經(jīng)M1，而M2截止。實際可以處理的最大差模輸入兩個晶體管都導(dǎo)通12第十三頁，共三十八頁，2022年，8月28日兩種方法增加最大差模輸入范圍△Vin1，從而使電路線性度更好：（1）W/L減小時，△Vin1增加，使兩個晶體管都導(dǎo)通的△Vin范圍增加，電路線性度好；（2）ISS增加，輸入電壓范圍和輸出電流擺幅加大。然而，△Vin1增加會增加M1和M2的過驅(qū)動電壓。13第十四頁，共三十八頁，2022年，8月28日4、小信號特性分析（1）利用疊加法求小信號增益A）令Vin2＝0，求Vin1對VX、VY的作用。忽略r0M1看成帶源極負(fù)反饋的共源極RS＝1/gm2小信號M1、M2均工作在飽和狀態(tài)14第十五頁，共三十八頁，2022年，8月28日VY的計算M1管以源跟隨器的形式驅(qū)動M2管，M2以共柵級形式工作。其戴維南等效為：VT=Vin1RT=1/gm15第十六頁，共三十八頁，2022年，8月28日輸入為Vin1時，電路的電壓增益為：若B）Vin2在X、Y點的作用：應(yīng)用疊加法：AV＝Notice：1）無論怎樣施加輸入信號，差動電路的增益為gmRD2）如果輸出為單邊輸出，則差動增益減半。3）與共源極增益相比，要達(dá)到和共源極相同的增益，總偏置電流應(yīng)為共源極的兩倍。差動對單端輸出時增益減半！16第十七頁，共三十八頁，2022年，8月28日（2）利用半邊電路法求小信號增益輔助定理：對于對稱電路，其中D1、D2為三端有源器件。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，則VP電位不變。也就是說Vin1和Vin2分別變化＋△Vin和－△Vin，則V1（VGS1）、V2（VGS2）變化相同的值。因此，對于小信號而言，P點虛地。交流地17Vin變化VGS變化第十八頁，共三十八頁，2022年，8月28日由于Vp虛地，可將電路等效為兩個獨立的部分，即“半邊電路”。AV＝18第十九頁，共三十八頁，2022年，8月28日如果考慮溝道長度調(diào)制效應(yīng)，利用半邊電路可以非常方便地計算其增益。19第二十頁，共三十八頁，2022年，8月28日5、當(dāng)輸入信號不是全差動信號時任意輸入信號可以轉(zhuǎn)換為差模分量和共模分量的疊加差模分量，為全差動信號共模分量20第二十一頁，共三十八頁，2022年，8月28日將差動信號和共模信號分別產(chǎn)生的作用進行疊加，便可以得到電路輸入輸出特性。對于差模信號，可以利用半邊電路。21第二十二頁，共三十八頁，2022年，8月28日對如下電路，Vin1≠－Vin2，求差動輸出對于共模分量，由于電路對稱，ID1

＝ID2＝ISS/2，差動輸出與Vin,CM無關(guān)。對稱差動電路只對Vin1和Vin2的差值進行放大，而消除了Vin,CM的影響。22第二十三頁，共三十八頁，2022年，8月28日3.2共模響應(yīng)當(dāng)差動電路并不對稱，或者電流源輸出阻抗不為無窮大共模輸入的變化則會傳遞到輸出端，稱為共模響應(yīng)。1、考慮電路對稱，而電流源具有有限阻抗RSS的情況。Vin,CM增加，ID1、ID2增加，VP增加，VX、VY減小，由于電路對稱，VX＝VY?？捎脠Dc等效。合并后，寬度為單管的兩倍，電流為單管兩倍，因此gm為單管兩倍M1、M2并聯(lián)23第二十四頁，共三十八頁，2022年，8月28日共模增益：2、考慮電路不對稱，且尾電流源輸出阻抗有限的情況（1）考慮負(fù)載失配，管子對稱的情況輸出共模信號24第二十五頁，共三十八頁，2022年，8月28日當(dāng)Vin,CM增加，ID1、ID2變化了輸入共模電平的變化在輸出端產(chǎn)生一個差動成分，表現(xiàn)出共模到差模的轉(zhuǎn)換。差動對的共模響應(yīng)主要表現(xiàn)為兩個方面：（1）電路對稱，但由于尾電流源的有限輸出阻抗，輸入共模電平變化對輸出共模電平有影響，即改變小信號增益或限制輸出電壓擺幅；（2）由于電路不對稱，且具有有限電流源輸出阻抗，輸入共模電平變化在輸出端產(chǎn)生差模分量。后者的影響嚴(yán)重得多，共模響應(yīng)通?？紤]電路不匹配情況高頻時變得嚴(yán)重25第二十六頁，共三十八頁，2022年，8月28日（2）考慮M1、M2不匹配情況管子的失配比負(fù)載失配大得多！由于晶體管尺寸以及閾值電壓的失配，ID1、ID2稍微不同，則gm不同。26第二十七頁，共三十八頁，2022年，8月28日共模到差模的轉(zhuǎn)換：管子不匹配27第二十八頁，共三十八頁，2022年，8月28日3、共模抑制比CMRR（CommonModeRejectionRatio）3.3以MOS為負(fù)載的差動對二極管連接的負(fù)載消耗了一個閾值電壓的電壓余度。≈放大器對共模輸入擾動的抑制能力差模響應(yīng)共模響應(yīng)28第二十九頁，共三十八頁，2022年，8月28日如何提高增益？可以通過減小P管寬長比來提高增益，但P管過驅(qū)動電壓增加，降低了輸出共模電平。1、附加電流源來提高增益通過減小P管電流，來減小gmp，從而提高增益。2、提高負(fù)載阻抗來提高增益≈增益提高了5倍（電流減小5倍，過驅(qū)不變，則寬長比減小5倍）29第三十頁，共三十八頁，2022年，8月28日采用PMOS共源共柵負(fù)載的NMOS共源共柵差動放大器AV＝－GmRout共源共柵結(jié)構(gòu)具有高的輸出阻抗，可以提高增益，代價是消耗更多的電壓余度，減小輸出擺幅。共源共柵差動放大器30第三十一頁，共三十八頁，2022年，8月28日3.4電流鏡工作在飽和區(qū)的MOS管可以作為電流源使用主要作用：（1）為其它電路提供偏置；（2）作為信號處理單元；電流受電源電壓、工藝、閾值電壓影響。31第三十二頁，共三十八頁，2022年，8月28日1、基本電流鏡產(chǎn)生穩(wěn)定的基準(zhǔn)電流通過復(fù)制，產(chǎn)生電路中所需的電流源ID=f（VGS）VGS=f-1(ID)若VGS＝f-1(IREF)則Iout＝ff-1（IREF）=IREF基本電流鏡在模擬電路中，電流源的設(shè)計基于對基準(zhǔn)電流的“復(fù)制”32第三十三頁，共三十八頁，2022年，8月28日可以精確地復(fù)制電流而不受工藝和溫度的影響。2、普通共源共柵電流鏡溝道長度調(diào)制效應(yīng)會使基本電流鏡鏡像的電流產(chǎn)生誤差：VDS1＝VGS1＝VGS2，但M2受負(fù)載影響，VDS2可能≠VGS2電流鏡中所有晶體管通常采用相同的柵長，以減小柵長誤差33第三十四頁，共三十八頁，2022年，8月28日共源共柵電流源可以抑制溝道長度調(diào)制效應(yīng)的影響選擇合適的Vb，使得VX=VY，那么VDS2=VGS1＝VGS2，則可以消除溝道調(diào)制效應(yīng)影響，ID2非常接近ID1。如何產(chǎn)生Vb，并使VX＝VY？VN＝VGS0＋VX＝VGS3＋VY

共源共柵結(jié)構(gòu)可使M2免受Vp的影響，只要VY≈VX，ID2≈ID1根據(jù)M3的尺寸選擇M0的尺寸，使VGS0＝VGS3，那么VX＝VY34第三十五頁，共三十八頁，2022年，8月28日如果設(shè)計管子的尺寸，使其滿足：那么：共源共柵電流鏡特點：（1）優(yōu)點：高的輸出阻抗，產(chǎn)生精確的電流值（2）缺點：由于VDS2=VGS2，共源共柵電流鏡消耗了一個閾值電壓的余度(兩個過驅(qū)動