模擬CMOS集成電路設(shè)計第四章差分放大器

模擬CMOS集成電路設(shè)計第四章差分放大器第一頁，共36頁。單端與差動的工作方式單端信號的參考電位為某一固定電位(通常為地電位),差動信號定義為兩個結(jié)點(diǎn)電位之差,且這兩個結(jié)點(diǎn)的電位相對于某一固定電位大小相等,極性相反。在差動信號中,中心電位稱為“共?！?CM)電平。共模電平差動工作比單端工作有什么優(yōu)點(diǎn)?2第二頁，共36頁。用差分放大器消除時鐘噪聲差動工作與單端工作相比,一個重要優(yōu)勢在于它對環(huán)境噪聲具有更強(qiáng)的抗干擾能力!!單端工作時時鐘大信號通過寄生電容干擾放大的小信號V01V02V01-

V02極性相反的兩路受干擾小信號,差動輸出時干擾消除了!對稱差動時鐘大信號通過寄生電容耦合到小信號的噪聲因極性相反而相互抵消差動工作還有什么優(yōu)點(diǎn)?3第三頁，共36頁。差分放大器的優(yōu)點(diǎn)VX-

VY電源噪聲對單端電路產(chǎn)生的干擾差動輸出時電源噪聲產(chǎn)生的干擾消除了差動信號的優(yōu)點(diǎn)：1.能有效抑制共模噪聲。2.增大了輸出電壓擺幅(是單端輸出的兩倍)。3.偏置電路更簡單(差分對可以直接耦和)、輸出線性度更高。4.缺點(diǎn)是芯片面積和功耗略有增加,但絕對物有所值!如何放大一個差分信號？4第四頁，共36頁。簡單差動電路輸入共模電平對輸出的影響將兩條相同的單端信號路徑結(jié)合起來,分別處理兩個差動相位信號Vin1和Vin2,但當(dāng)Vin1和Vin2存在很大的共模干擾或各自的直流電平設(shè)置的不好時,隨著共模電平VinCM的變化,M1

和M2的偏置電流會變化,從而導(dǎo)致跨導(dǎo)和輸出共模電平變化,跨導(dǎo)的變化會改變小信號增益,輸出共模電平相對于理想值的偏離會降低最大允許輸出擺幅,嚴(yán)重時會導(dǎo)致輸出端出現(xiàn)嚴(yán)重失真,因此,重要的是應(yīng)使M1

和M2的偏置電流受輸入共模電平的影響盡可能小。簡單差動對Vin1和Vin2是差動相位信號如何減小輸入共模電平變化的影響呢?5第五頁，共36頁?；静顒訉in1-Vin2足夠負(fù),M1截止,M2導(dǎo)通Vin1-Vin2足夠正,M1導(dǎo)通,M2截止Vin1-Vin2相差不大時,M1和M2均導(dǎo)通Vin1=Vin2

時,小信號增益(即斜率)最大△Vin6第六頁，共36頁?；静顒訉Φ闹匾匦圆顒訉Φ膬蓚€重要特性:1.輸出端的最大和最小電平是確定的(分別為VDD和VDD

-RDISS)。它們與共模輸人電平無關(guān)。2.小信號增益當(dāng)Vin1=Vin2時達(dá)到最大,且隨著|Vin1-Vin2|的增加而逐漸減小到零。也就是說,隨著輸入電壓擺幅的增大,電路變得更加非線性。當(dāng)Vin1=Vin2時,我們說電路處于平衡狀態(tài),即靜態(tài)。7第七頁，共36頁。基本差分對的共模特性VinCMmin為保證M1和M2飽和,VinCMmin=?,VinCMmax=?當(dāng)VP≤Vb-VTN時,M3工作在線性區(qū),等效于一個小電阻8第八頁，共36頁?；静罘謱Φ墓材］斎敕秶?M3飽和要求)(M1飽和要求)ISS9第九頁，共36頁。差動對小信號差動增益與共模輸入電平的關(guān)系VinCMmaxVinCMmin產(chǎn)生ISS的MOS管線性M1和M2線性10第十頁，共36頁。共模輸入電壓與輸出擺幅XYM1飽和要求:上式表明,輸入共模電平越大,允許輸出的輸出擺幅就越小。幸運(yùn)的是,因運(yùn)放通常需至少兩級放大才能獲得實際可使用的放大倍數(shù),因此對前級的擺幅要求大大降低。例:

若兩級運(yùn)放AI=100,AII=400(即AV=92dB),假定輸出V0=±10V,則第二級的輸入電壓范圍(也即第一級的輸出電壓擺幅)僅需為:±10V/400=±25mV。第一級的小信號輸入范圍僅為:±25mV/100=250μV。11第十一頁，共36頁?；静罘謱Φ亩糠治?1)在左圖的電阻負(fù)載基本差動對中,記:△Vin=Vin1-Vin2,且1=2==μnCOX(W/L),假定M1和M2均工作在飽和區(qū),ISS為理想恒流源,則由平方律關(guān)系有:兩邊平方,且考慮到ID1+ID2=ISS12第十二頁，共36頁?；静罘謱Φ亩糠治?2)這是個重要公式,可由此得出以下結(jié)論:1.靜態(tài)時,△Vin=0,∴△ID=0,即ID1=ID1=ISS/22.△ID只有在△Vin很小時,才與△Vin近視成正比,即:13第十三頁，共36頁?；静罘謱Φ亩糠治?3)為求得最大差模輸入電壓，假定△Vinmax時，M1上通過的電流恰好為ISS，M2剛好截至，即VGS2=VTN，此時有：同理，M1恰好截至，M2上通過的電流恰好為ISS時，此時有：故允許輸入的最大差模電壓范圍△VID為：（這就是電路能處理信號的最大差模電壓。）14第十四頁，共36頁。基本差分對的定量分析(4)因△ID是△Vin的奇函數(shù)，故有：上式表明，由差動信號驅(qū)動的差動電路不會產(chǎn)生偶次諧波，因此差分電路比單端電路表現(xiàn)出了更小的非線性。5.因：M1、M2的等效跨導(dǎo)Gm為：靜態(tài)時△Vin＝0，Gm為：又V01-V02＝RD

△ID＝RDGm

△Vin，故平衡態(tài)下的小信號差動電壓增益AV為：15第十五頁，共36頁。最大輸入差模電壓△VID與過驅(qū)動電壓Von的關(guān)系∵右式表明若增加△VID來使電路具有更好的線性不可避免會使M1和M2的過驅(qū)動電壓Von

，對于給定的ISS，這只能靠減小(W/L)(也即減小跨導(dǎo)，從而減小放大器增益)來實現(xiàn)。Von

會使輸入共模電壓范圍。(W/L),△VIDAV電路線性ISS,△VID，AV電路線性16第十六頁，共36頁。差分放大器的增益同單級CS放大器的增益漏極電流和Gm隨輸入電壓變化曲線17第十七頁，共36頁。差分對的小信號特性(1)這是帶負(fù)反饋電阻RS的CS放大器RD1＝RD2=RDgm1＝gm2=gm利用疊加定理,先考慮Vin1的作用,先求VX18第十八頁，共36頁。差分對的小信號特性(2)利用疊加定理,先考慮Vin1的作用,再求VYVT=Vin這是CG放大器RL1求開路電壓VT利用小信號等效電路,可求得:利用CG放大器已有公式:19第十九頁，共36頁。差分對的小信號特性(3)(VX-VY)

|Vin1=?Vin=-gmRD?Vin因電路對稱,故除了極性相反外,Vin2在X和Y點(diǎn)產(chǎn)生的作用和Vin1效果一樣:(VX-VY)

|Vin2=-?Vin=-gmRD?VinVin1和Vin2共同作用時,(VX-VY)的增益為:20第二十頁，共36頁。差分對增益與CS放大器增益的比較如果差分對的尾電流ISS與CS放大器的靜態(tài)工作電流相同,則差分對管的跨導(dǎo)gm

只有CS放大器中MOS管跨導(dǎo)的1/21/2

。即差分對的增益只有CS放大器的1/21/2

。

如果兩種放大器中MOS管的(W/L)和負(fù)載RD均相同,為了得到相同的增益,若CS放大器中靜態(tài)工作電流為ISS,則差分對中的尾電流必須等于2ISS。由此可見，差分對是以更大的功耗來獲取抗干擾能力、更好的線性。然而，若不使用差分對，即使將CS放大器功耗增加一倍，也不可能獲得與差分對相同的特性。21第二十一頁，共36頁。差動對的“虛地”概念在上圖所示的對稱電路中，其中D1和D2表示任何三端有源器件，假定Vin1從V0變化到V0+△Vin，假定Vin2從V0變化到V0-△Vin，如果電路仍保持線性，則VP值不變。由上可知，差分對在差模小信號作用下，因VP值不變，故P點(diǎn)成為“虛地”點(diǎn)，即差模小信號等效電路中P點(diǎn)可看成“交流地”。22第二十二頁，共36頁?！疤摰亍钡膽?yīng)用－差分對的半邊電路P點(diǎn)小信號時看成“交流地”顯然,VX=-gmRDVin1,VY=-gmRD(-Vin1)=gmRD1Vin123第二十三頁，共36頁。任意輸入信號的差分對采用疊加定理差模響應(yīng)共模響應(yīng)24第二十四頁，共36頁。運(yùn)放差模(共模)信號、差模(共模)增益的關(guān)系對于任意的輸入信號Vin+、Vin-，均可寫作：根據(jù)線性系統(tǒng)的疊加定理,運(yùn)放總的輸出電壓V0即是圖(A)、(B)兩個輸出的疊加,即:V0=V01+V02圖(A)圖(B)25第二十五頁，共36頁。基本差分放大器的共模響應(yīng)共模響應(yīng)時,VX=VY,即X和Y始終短接M1和M2的跨導(dǎo)并聯(lián)26第二十六頁，共36頁。例4.6共模輸入電壓變化帶來的影響左圖中用一個電阻來提供1mA的尾電流,已知(W/L)=25/0.5,nCOX=50A/V2,VT=0.6V,==0,VDD=3V。求：如果RSS上的壓降保持在0.5V,則輸入共模電平＝?計算差模增益等于5時的RD＝？3.如果輸入共模電平比(1)計算出的值大200mV，則輸出如何變化?因ID1=ID2=0.5mA，故：VinCM＝VGS1+VRSS＝1.23+0.5＝1.73V因,所以AV=5時,RD＝3.16K,此時當(dāng)VinCM增加200mV,則|VX,Y|=VinCMRD/(2RSS+1/gm)0.4VVX=VY=3-0.5*3.16=1.42V此時,Vd=1.42-0.41.02V,Vg=1.73+0.2=1.98V,M1(2)已進(jìn)入線性區(qū)。27第二十七頁，共36頁。基本差動對電阻失配對共模響應(yīng)的影響因電阻失配，共模電壓的變化在輸出端產(chǎn)生了一個差動成分，我們說電路表現(xiàn)出共模到差模的變換。此時若輸入既有差模信號又有共模噪聲，則輸入共模的變化就會損害放大的差模信號。28第二十八頁，共36頁。尾電容有限時基本差分對的共模響應(yīng)差動對的共模相應(yīng)取決于尾電流的輸出阻抗和電路的不對稱性，并表現(xiàn)為兩方面的影響：對稱電路的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。來源于尾電流自身的寄生電容和輸入對管的源襯電容即使尾電流低頻時輸出阻抗很大,高頻時因頻率的增加導(dǎo)致等效輸出阻抗減小,因此共模到差模的轉(zhuǎn)換在高頻時會變得嚴(yán)重,同時負(fù)載電阻及輸入晶體管的失配也會導(dǎo)致共模到差模的轉(zhuǎn)換,其中晶體管的失配通常比負(fù)載電阻的失配影響大得多。29第二十九頁，共36頁。基本差分對輸入對管失配時的共模響應(yīng)(gm1+gm2)(VinCM-VP)RSS=VP等效跨導(dǎo)Gm共模到差模的轉(zhuǎn)換量30第三十頁，共36頁?；静罘謱Φ墓材Ｒ种票菴MRR若只考慮gm的不匹配，左圖中:假定Vin1＝-Vin2，則有:上式中,gm=(gm1+gm2)/231第三十一頁，共36頁。MOS負(fù)載的差分放大器半