模擬cmos集成電路設(shè)計(jì)(拉扎維)第4章差分放大器

1、.,模擬集成電路原理,第4章差分放大器,董剛,微電子學(xué)院,1,.,2,小信號(hào)等效電路,MOS管的小信號(hào)模型是基礎(chǔ),MOS管的低頻小信號(hào)等效電路,西電微電子學(xué)院董剛模擬集成電路設(shè)計(jì),.,3,小信號(hào)等效電路,MOS管的高頻小信號(hào)等效電路在分析高頻特性時(shí)才用到該模型第6章“頻率特性”開(kāi)始用到,西電微電子學(xué)院董剛模擬集成電路設(shè)計(jì),.,4,小信號(hào)等效電路,實(shí)例帶源極負(fù)反饋的放大級(jí),西電微電子學(xué)院董剛模擬集成電路設(shè)計(jì),.,5,上一章,放大器基礎(chǔ)知識(shí),電阻做負(fù)載的共源級(jí),增益有非線性，電阻精度差或面積大,Av=gmRD,西電微電子學(xué)院董剛模擬集成電路設(shè)計(jì),.,6,上一章二極管接法的MOS管做負(fù)載的共源級(jí)線性

2、度好，輸出擺幅小，增益不能太大（否則擺幅小、帶寬?。?Av=,(W/L)11(W/L)21+,Av=,n(W/L)1p(W/L)2,西電微電子學(xué)院董剛模擬集成電路設(shè)計(jì),.,7,上一章,電流源做負(fù)載的共源級(jí),增益大,Av=gmro1|ro2,西電微電子學(xué)院董剛模擬集成電路設(shè)計(jì),.,W,8,上一章深線性區(qū)MOS管做負(fù)載的共源級(jí)輸出擺幅大（可以為VDD）得到精準(zhǔn)的Ron2比較困難；受工藝、溫度變化影響比較大，產(chǎn)生穩(wěn)定、精確的Vb比較難,RON2=,nC,oxL2,1(VDDVb|VTHP|),Av=gmRON2西電微電子學(xué)院董剛模擬集成電路設(shè)計(jì),.,9,上一章帶源極負(fù)反饋的共源級(jí)Rs使Gm和增益變?yōu)?/p>

3、gm的弱函數(shù)，提高線性度輸出電阻大ROUT=1+(gm+gmb)roRS+ro犧牲了增益Av=GmRD,=,gmRD1+gmRS西電微電子學(xué)院董剛模擬集成電路設(shè)計(jì),.,11,=,10,上一章共漏級(jí)源跟隨器Rin大，Rout小，輸出擺幅小，增益有百分之幾非線性；PMOS管能消除體效應(yīng)，提高線性度，但輸出阻抗大，帶寬降低；電壓緩沖器、電壓平移,Av=,gmRS1+(gm+gmb)RS,1gmRS,+(1+)1+,Av=,gm1(rO1rO1)1+gm1(rO1rO1),Rout,=,1gm+gmb,西電微電子學(xué)院董剛模擬集成電路設(shè)計(jì),.,+,11,上一章共柵級(jí)Rin小，Rout大Av=gm(1+)

4、RDRin=1/gm(1+),Rin=,RD+rORD11+(gm+gmb)rO(gm+gmb)rOgm+gmb,Rout=1+(gm+gmb)roRS+ro|RD西電微電子學(xué)院董剛模擬集成電路設(shè)計(jì),.,12,上一章共源共柵級(jí),Rout大，高增益，屏蔽特性好,Av=gm1RD,不足：輸出擺幅受一定影響主要應(yīng)用：電流源共源共柵OPA折疊共源共柵OPA等Rout=1+(gm2+gmb2)rO2rO1+rO2西電微電子學(xué)院董剛模擬集成電路設(shè)計(jì),.,13,本講,差分放大器簡(jiǎn)介簡(jiǎn)單差分放大器,基本差分對(duì)放大器,大信號(hào)差分特性大信號(hào)共模特性小信號(hào)差分特性小信號(hào)共模特性,MOS管做負(fù)載的基本差分對(duì)放大器差分

5、放大器的應(yīng)用Gilbert單元,西電微電子學(xué)院董剛模擬集成電路設(shè)計(jì),.,14,差分放大器簡(jiǎn)介,AIC中非常重要的電路模塊對(duì)兩個(gè)信號(hào)的差值進(jìn)行放大,相對(duì)于共模電平而言，差分信號(hào)的大小相,等、極性相反,優(yōu)點(diǎn)：抗干擾能力強(qiáng)，高線性度等,西電微電子學(xué)院董剛模擬集成電路設(shè)計(jì),.,15,抗干擾能力,電源線上的干擾會(huì)影響共模電平，但不影響差分輸出,西電微電子學(xué)院董剛模擬集成電路設(shè)計(jì),.,16,抗干擾能力,時(shí)鐘線上的干擾會(huì)影響共模電平，但不影響差分輸出,西電微電子學(xué)院董剛模擬集成電路設(shè)計(jì),.,17,差分放大器,優(yōu)點(diǎn),抗干擾能力強(qiáng)，高線性度等,和單端電路相比，差分電路規(guī)模加倍,與獲得的性能提高相比，這個(gè)不算做缺

6、點(diǎn),西電微電子學(xué)院董剛模擬集成電路設(shè)計(jì),.,18,本講,差分放大器簡(jiǎn)介簡(jiǎn)單差分放大器,基本差分對(duì)放大器,大信號(hào)差分特性大信號(hào)共模特性小信號(hào)差分特性小信號(hào)共模特性,MOS管做負(fù)載的基本差分對(duì)放大器差分放大器的應(yīng)用Gilbert單元,西電微電子學(xué)院董剛模擬集成電路設(shè)計(jì),.,ISS,19,簡(jiǎn)單差分電路,gm=,2IDnCOX,WL,Av=gmRDVout,CM=VDDRD2缺點(diǎn)：直流偏置電流受輸入共模電平影響大，從而影響跨導(dǎo)、增益、輸出共模電平等解決：用源端耦合對(duì)（差分對(duì)）西電微電子學(xué)院董剛模擬集成電路設(shè)計(jì),.,20,本講,差分放大器簡(jiǎn)介簡(jiǎn)單差分放大器,基本差分對(duì)放大器,大信號(hào)差分特性大信號(hào)共模特性

7、小信號(hào)差分特性小信號(hào)共模特性,MOS管做負(fù)載的基本差分對(duì)放大器差分放大器的應(yīng)用Gilbert單元,西電微電子學(xué)院董剛模擬集成電路設(shè)計(jì),.,ISS,21,基本差分對(duì)電路,Vout,CM=VDDRD,2,直流偏置電流由ISS決定，從而保證跨導(dǎo)、增益、輸,出共模電平等受輸入共模電平影響小,西電微電子學(xué)院董剛模擬集成電路設(shè)計(jì),.,22,本講,差分放大器簡(jiǎn)介簡(jiǎn)單差分放大器,基本差分對(duì)放大器,大信號(hào)差分特性大信號(hào)共模特性小信號(hào)差分特性小信號(hào)共模特性,MOS管做負(fù)載的基本差分對(duì)放大器差分放大器的應(yīng)用Gilbert單元,西電微電子學(xué)院董剛模擬集成電路設(shè)計(jì),.,23,大信號(hào)差分特性定性分析,輸出端的最大電平和最

8、小電,平分別是VDD和VDD-RDISS，,與輸入共模電平無(wú)關(guān),Vin1=Vin2附近，增益最大，線性,度好,求(Vout1-Vout2)與(Vin1-Vin2),的函數(shù)關(guān)系式,西電微電子學(xué)院董剛模擬集成電路設(shè)計(jì),.,1,2,24,大信號(hào)差分特性定量分析思路：Vout1-Vout2=-RD(ID1-ID2)；求出ID1-ID2=f(Vin1-Vin2)即可,ID,=nCOX2,WL,Vin,4ISSnCOX,WL,Vin,西電微電子學(xué)院董剛模擬集成電路設(shè)計(jì),.,1,2,W,L,25,大信號(hào)差分特性定量分析不合理,ID,=nCOX2,WL,Vin,4ISSnCOX,WL,Vin,當(dāng)Vin=0時(shí)，

9、Vout=0,當(dāng)Vin=,4ISSnCOX,時(shí)，Vout=0,西電微電子學(xué)院董剛模擬集成電路設(shè)計(jì),.,1,2,W,L,26,大信號(hào)差分特性定量分析,當(dāng)Vin=,4ISSnCOX,WL,時(shí)，Vout=0,ID,=nCOX2,WL,Vin,4ISSnCOX,WL,Vin,當(dāng)Vin,2ISSnCOX,時(shí),已有一個(gè),MOS管截止,西電微電子學(xué)院董剛模擬集成電路設(shè)計(jì),.,27,本講,差分放大器簡(jiǎn)介簡(jiǎn)單差分放大器,基本差分對(duì)放大器,大信號(hào)差分特性大信號(hào)共模特性小信號(hào)差分特性小信號(hào)共模特性,MOS管做負(fù)載的基本差分對(duì)放大器差分放大器的應(yīng)用Gilbert單元,西電微電子學(xué)院董剛模擬集成電路設(shè)計(jì),.,28,大信

10、號(hào)共模特性,VGS1+VOV3Vin,CMminVDD,RD,ISS2,+VTH,VDD,西電微電子學(xué)院董剛模擬集成電路設(shè)計(jì),.,29,本講,差分放大器簡(jiǎn)介簡(jiǎn)單差分放大器,基本差分對(duì)放大器,大信號(hào)差分特性大信號(hào)共模特性小信號(hào)差分特性小信號(hào)共模特性,MOS管做負(fù)載的基本差分對(duì)放大器差分放大器的應(yīng)用Gilbert單元,西電微電子學(xué)院董剛模擬集成電路設(shè)計(jì),.,2,1,4ISS,W,4ISS,W,2,2,30,小信號(hào)差分特性等價(jià)跨導(dǎo)公式,從大信號(hào)結(jié)果入手計(jì)算小信號(hào)差分增益,Gm=,IDVin,ID,=,12,nCOX,WL,Vin,4ISSnCOX,WL,Vin,Gm=nCOX2,WL,2VinnCO

11、XLVinnCOXL西電微電子學(xué)院董剛模擬集成電路設(shè)計(jì),.,1,4ISS,W,C,L,L,4ISS,W,W,2,2,31,小信號(hào)差分特性等價(jià)跨導(dǎo)曲線,Gm=nCOX2,WnOXnCOX,2VinVinL,Vin1=Gm,max=,2ISSnCOXnCOXL,WLISS,西電微電子學(xué)院董剛模擬集成電路設(shè)計(jì),.,=,32,小信號(hào)差分特性差模增益,Av=,VoutVin,Vout=Vout1Vout2=RDID,Av=,VoutVoutIDVinIDVin,=RDGm,全差分輸入時(shí)的增益,Av=RDnCOX,WL,ISS,西電微電子學(xué)院董剛模擬集成電路設(shè)計(jì),.,33,小信號(hào)差分特性用疊加法求全差分時(shí)

12、的差模增益從小信號(hào)角度入手，計(jì)算小信號(hào)差分增益問(wèn)題1：在電路完全對(duì)稱、直流偏置電壓相同的情況下，差分輸入端施加兩個(gè)彼此獨(dú)立的信號(hào)Vin1和Vin2，計(jì)算（Vout1-Vout2）/（Vin1-Vin2）思路：用疊加法計(jì)算。先分別計(jì)算Vin1和Vin2與Vout1-Vout2的函,數(shù)關(guān)系,西電微電子學(xué)院董剛模擬集成電路設(shè)計(jì),.,34,小信號(hào)差分特性用疊加法求全差分時(shí)的,差模增益,第一步：令Vin20，計(jì)算Vin1與Vout1-Vout2的函數(shù)關(guān)系計(jì)算Vin1與Vout1的函數(shù)關(guān)系帶負(fù)反饋的共源放大級(jí)，負(fù)反饋電阻為1/gm2,VX=西電微電子學(xué)院董剛模擬集成電路設(shè)計(jì),gmRD2,Vin1,.,35

13、,小信號(hào)差分特性用疊加法求全差分時(shí)的差模增益,計(jì)算Vin1與Vout2的函數(shù)關(guān)系用共柵級(jí)的結(jié)論,VY=,gmRD2,Vin1,戴維寧定理西電微電子學(xué)院董剛模擬集成電路設(shè)計(jì),.,gmRDgmRD,36,小信號(hào)差分特性用疊加法求全差分時(shí)的差模增益,第一步：令Vin20，計(jì)算Vin1與Vout1-Vout2的函數(shù)關(guān)系,VX=Vin1VY=Vin122(VXVY)Vin1引起的=gmRDVin1,第二步：令Vin10，計(jì)算Vin2與Vout1-Vout2的函數(shù)關(guān)系(VXVY)Vin2引起的=gmRDVin2西電微電子學(xué)院董剛模擬集成電路設(shè)計(jì),.,=gmRD,37,小信號(hào)差分特性用疊加法求全差分時(shí)的,差

14、模增益,(VXVY)Vin1引起的=gmRDVin1(VXVY)Vin2引起的=gmRDVin2,(VXVY)Vin1和Vin2共同引起的=gmRD(Vin1Vin2),第三步：,用疊加定理，求得Vin1-Vin2與Vout1-Vout2的函數(shù)關(guān)系,(VXVY)Vin1和Vin2共同引起的,Vin1Vin2,西電微電子學(xué)院董剛模擬集成電路設(shè)計(jì),.,=gmRD,38,小信號(hào)差分特性用疊加法求全差分時(shí)的差模增益(VXVY)Vin1引起的=gmRDVin1(VXVY)Vin2引起的=gmRDVin2(VXVY)Vin1和Vin2共同引起的Vin1Vin2結(jié)論：1、單邊輸入時(shí)差模增益為-gmRD2、差

15、分輸入時(shí)差模增益為-gmRD3、單邊輸入時(shí)單端輸出增益為-gmRD/2,VX=,gmRD2,Vin1VY=,gmRD2,Vin1,西電微電子學(xué)院董剛模擬集成電路設(shè)計(jì),.,39,小信號(hào)差分特性用半電路法求全差分時(shí),差模增益,證明：,如果電路完全對(duì)稱，Vin1從V0變化到V0Vin，Vin2從V0變化到V0-Vin，變化過(guò),程大小相等、方向相反且,電路仍保持為線性，則VP,的值保持不變（即為交流地）,證明過(guò)程參看教材,重要結(jié)論：,在全差分輸入的情況下，P點(diǎn)為交流地,西電微電子學(xué)院董剛模擬集成電路設(shè)計(jì),.,40,小信號(hào)差分特性用半電路法求全差分時(shí)差模增益“全差分輸入時(shí)P點(diǎn)為交流地”這一結(jié)論可簡(jiǎn)化差模

16、增益的推導(dǎo)半電路分析法,VX=gmRDVin1VY=gmRDVin1VXVYVXVY=2gmRDVin12Vin1西電微電子學(xué)院董剛模擬集成電路設(shè)計(jì),=gmRD,.,+,+,41,小信號(hào)差分特性非全差分時(shí)差模增益的計(jì)算當(dāng)輸入不是“全差分”時(shí)，計(jì)算差模增益(Vout1-Vout2)/(Vin1-Vin2)？“非全差分”的含義：輸入信號(hào)Vin1和Vin2不是大小相等、方向相反VP不是交流地，計(jì)算很復(fù)雜簡(jiǎn)化的計(jì)算方法：將輸入信號(hào)劃分為共模分量（純共模輸入部分）和差模分量（全差分輸入部分），對(duì)這兩部分分別計(jì)算后再用疊加定理,Vin1=,Vin1Vin2Vin1+Vin222,Vin2=,Vin2Vin

17、1Vin1+Vin222,西電微電子學(xué)院董剛模擬集成電路設(shè)計(jì),.,+,+,42,小信號(hào)差分特性非全差分時(shí)差模增益的計(jì)算,Vin1=,Vin1Vin2Vin1+Vin222,Vin2=,Vin2Vin1Vin1+Vin222,差模分量共模分量西電微電子學(xué)院董剛模擬集成電路設(shè)計(jì),.,43,小信號(hào)差分特性非全差分時(shí)差模增益的計(jì)算,差模分量用半電路法計(jì)算,VXVY=gm(RDrO)(Vin1Vin2),西電微電子學(xué)院董剛模擬集成電路設(shè)計(jì),.,44,小信號(hào)差分特性非全差分時(shí)差模增益的計(jì)算,共模分量,若電路完全對(duì)稱，則流過(guò)M1和M2管的直流電流總為ISS/2，不隨Vin,CM的變化而變化，因此，VX和VY

18、不變重要結(jié)論：理想差分對(duì)只放大輸入信號(hào)的差模部分，不放大共模部分實(shí)際的差分對(duì)并不“理想”，對(duì)共模部分仍有放大作用差分對(duì)的共模響應(yīng)西電微電子學(xué)院董剛模擬集成電路設(shè)計(jì),.,45,本講,差分放大器簡(jiǎn)介簡(jiǎn)單差分放大器,基本差分對(duì)放大器,大信號(hào)差分特性大信號(hào)共模特性小信號(hào)差分特性小信號(hào)共模特性,MOS管做負(fù)載的基本差分對(duì)放大器差分放大器的應(yīng)用Gilbert單元,西電微電子學(xué)院董剛模擬集成電路設(shè)計(jì),.,46,小信號(hào)共模特性共模響應(yīng),非理想性包括：,M1和M2之間有失配（W/L、VTH等），RD1和RD2之間有失配（阻值不完全相等等）；尾電流源ISS的內(nèi)阻RSS不是,無(wú)窮大,首先考慮尾電流源ISS的內(nèi)阻RS

19、S不是無(wú)窮大時(shí)對(duì)共模響,應(yīng)的影響,西電微電子學(xué)院董剛模擬集成電路設(shè)計(jì),.,47,小信號(hào)共模特性RSS對(duì)共模響應(yīng)的影響若電路完全對(duì)稱，則VP會(huì)隨Vin,CM的變化而變化，導(dǎo)致尾電流變化，Vout1和Vout2會(huì)隨之變化，但Vout1和Vout2總相等，不引入差分增益，通常不考慮共模增益為：,Av,CM=,VoutVin,CM,=西電微電子學(xué)院董剛模擬集成電路設(shè)計(jì),RD/21/(2gm)+RSS,.,48,小信號(hào)共模特性RD失配對(duì)共模響應(yīng)的影響由于M1和M2管完全對(duì)稱，因此，支路電流隨Vin,CM的變化相等（=0時(shí)）RD的失配會(huì)引入差分增益，在輸出端產(chǎn)生差模分量。這個(gè)影響比RSS不是無(wú)窮大引起的影

20、響要嚴(yán)重得多,VX=Vin,CMVY=Vin,CM,RD/21/(2gm)+RSS(RD+RD)/21/(2gm)+RSS,共模到差模的轉(zhuǎn)換,西電微電子學(xué)院董剛模擬集成電路設(shè)計(jì),.,49,小信號(hào)共模特性共模到差模轉(zhuǎn)換的危害,共模分量的噪聲不能得到有效抑制，導(dǎo)致輸出信號(hào)噪聲增大,當(dāng)信號(hào)頻率增大時(shí)，電容C1會(huì)影響直流偏置電流，不利影響更大,西電微電子學(xué)院董剛模擬集成電路設(shè)計(jì),.,50,小信號(hào)共模特性輸入管失配對(duì)共模響應(yīng)的影響,M1和M2管的尺寸和閾值電壓失配,失配會(huì)導(dǎo)致流過(guò)M1管和M2管的電流不同，跨導(dǎo)也不同，從而引起共模到差模的轉(zhuǎn)換,西電微電子學(xué)院董剛模擬集成電路設(shè)計(jì),.,51,小信號(hào)共模特性輸

21、入管失配對(duì)共模響應(yīng)的影響共模到差模轉(zhuǎn)換的增益：,ACM,DM,=,gm1gm2(gm1+gm2)RSS+1,RD,西電微電子學(xué)院董剛模擬集成電路設(shè)計(jì),.,52,小信號(hào)特性CMRRCMRR共模抑制比Common-ModeRejectionRatio用來(lái)綜合反映差分放大器的性能差分放大能力共模抑制能力用于差分放大器的性能比較,CMRR=,ADMACMDM,西電微電子學(xué)院董剛模擬集成電路設(shè)計(jì),.,53,本講,差分放大器簡(jiǎn)介簡(jiǎn)單差分放大器,基本差分對(duì)放大器,大信號(hào)差分特性大信號(hào)共模特性小信號(hào)差分特性小信號(hào)共模特性,MOS管做負(fù)載的基本差分對(duì)放大器差分放大器的應(yīng)用Gilbert單元,西電微電子學(xué)院董剛模

22、擬集成電路設(shè)計(jì),.,54,MOS管做負(fù)載的差分對(duì),二極管接法的MOS管做負(fù)載電流源做負(fù)載,西電微電子學(xué)院董剛模擬集成電路設(shè)計(jì),.,55,MOS管做負(fù)載的差分對(duì)二極管接法,Av=gmN(,1gmP,rONrOP,),gmNgmP,gm=,2ICOX,(W/L)=,2IVOV,Av,n(W/L)Np(W/L)P,=,VOVPVOVN,電壓擺幅??；增益不能太大，否則輸出擺幅很小西電微電子學(xué)院董剛模擬集成電路設(shè)計(jì),.,56,MOS管做負(fù)載的差分對(duì)電流源做負(fù)載,Av=gmN(rONrOP),電壓擺幅和增益都可以很大,西電微電子學(xué)院董剛模擬集成電路設(shè)計(jì),.,57,MOS管做負(fù)載的差分對(duì)共源共柵,Avgm1

23、(gm3rO3rO1)(gm5rO5rO7),增益更大；但適當(dāng)犧牲擺幅,西電微電子學(xué)院董剛模擬集成電路設(shè)計(jì),.,58,本講,差分放大器簡(jiǎn)介簡(jiǎn)單差分放大器,基本差分對(duì)放大器,大信號(hào)差分特性大信號(hào)共模特性小信號(hào)差分特性小信號(hào)共模特性,MOS管做負(fù)載的基本差分對(duì)放大器差分放大器的應(yīng)用Gilbert單元,西電微電子學(xué)院董剛模擬集成電路設(shè)計(jì),.,59,差分放大器的應(yīng)用Gilbert單元,一個(gè)通用的電路模塊,廣泛用于模擬系統(tǒng)和通信系統(tǒng)中,典型設(shè)計(jì)中，M1M4尺寸相同，M5和M6尺寸相同,M1和M2構(gòu)成差分對(duì)，M3和M4構(gòu)成差分對(duì)，,M5和M6構(gòu)成差分對(duì),Gilbert單元是一個(gè)增益可變的放大器，其增益受,Vcont控制；增益可從gmRD單調(diào)地變?yōu)間mRD,西電微電子學(xué)院董剛模擬集成電路設(shè)計(jì),.,60,可變?cè)鲆娣糯笃?VGAVariableGainAmplifier增益可變，隨控制電壓變化而變化用于信號(hào)擺幅變化很大的情形,Av=gmRD,簡(jiǎn)單的VGA,構(gòu)成復(fù)雜的VGA的電路,ID3=0是，增益為0；ID3最大值時(shí)，增益最大,Vout1=RDID1RDID2Vout2=RDID4RDID3,ID是交流量,西電微電子學(xué)院董剛模擬集成電路設(shè)計(jì),.,61,可變?cè)鲆娣糯笃鱒out1=RDID1RDID