拉扎維模擬集成電路精講第三講差動放大器

1、第四章 差動放大器提綱1、單端與差動的工作方式2、根本差動對3、共模響應(yīng)4、MOS為負載的差動對5、吉爾伯特單元1、單端與差動的工作方式差動信號定義為兩個結(jié)點電位之差，且這兩個結(jié)點的電位相對于某一固定電位大小相等，極性相反，結(jié)點的阻抗也必須相等。單端信號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：抗干擾能力強，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簡單線性度相對高關(guān)于差動電路和單端電路的幅員面積問題！2、根本差動對應(yīng)使器件的偏置電流受輸入共模電平的影響盡可能地?。‘?，每個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，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Vin1=Vin2 時，Vout1=Vout2=VDD-RDISS/2。當Vin1比Vin2更正時，差動對兩側(cè)情況正好與上述情況相反。差動對的兩個特性：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、小信號增益當Vin1=Vin2 時到達最大，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Vin,CM0時，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Vin,CM足夠大時，M3進入飽和區(qū)，因此電路正常工作狀態(tài)應(yīng)滿足Vin,CMVGS1+(VGS3-VTH3)Vin,CM進一步增加， Vin,CMVout1+VTH=VDD-RDISS/2+VTH， M1和M2進入三極管區(qū)因此， Vin,CM允許的范圍7/3/20227差動對的輸出電壓擺幅 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計算出ID2和ID1VP=Vin1-VGS1=Vin2-VGS2所以，假設(shè)電路是對稱的，且M1和M2均處于飽和區(qū)，且忽略二級效應(yīng)對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Vin= Vin1-Vin2= 0， ID=ID1-ID2= 0; 當|Vin| 從0開始增大，|ID |也增大； 等價Gm為當Vin= 0時，Gm最大所以，由于

5、，當Vin超過某一限定值Vin1時 ，所有ISS電流流經(jīng)一個晶體管，而另一個晶體管截止忽略亞閾值導(dǎo)通。討論續(xù)：注意：當 ， ID1-ID2等于零Vin1 實際上是電路可以“處理的最大差模輸入。7/3/202212小信號分析方法一疊加法令Vin2=0, 求Vin1對X結(jié)點的影響：電路等效為M1管構(gòu)成的帶有負反響電阻的共源級Rs1/gm2忽略二級效應(yīng)7/3/202213令Vin2 =0, 求Vin1對Y結(jié)點的影響：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形式忽略二級效應(yīng)7/3/202214只施加Vin1時總的電壓增益為整理，同理，可以得到只施加

6、Vin2時總的電壓增益為應(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點可以認為是“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因為，所以，從而，V1和Vin1變化相同，所以VP不會發(fā)生變化！輔助定理的證明2： D1和D2在P點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點虛地交流地的特點，電路可等效為兩個獨立的局部，即“半邊電路概念。7/3/202219如果輸入信號不是全差動的情況可以將此任意信號表示為差模分量和共模分量進一步，對于每種類型輸入的作用都可以用疊加法計算，對于差模工作應(yīng)用半邊電路概念。3、共模響應(yīng)差動電路對共模擾動影響具有抑制作用，理想差動電路的共模增益為0；實際上，電路既不可能完全對稱，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對的共模增益： 電路等效為帶源級負反響的共源級電路忽略二級效應(yīng)，此時，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：共模輸入的變化會擾亂偏置點，改變小信號增益，限制輸出電壓擺幅！7/3/202223電路不對稱且尾電流源的輸出電阻為有限值時，輸入共模電壓變化對電路的影響：電路不對稱情況1：漏端負載電阻不匹配，即RD1=RD，RD2=RD+RD，當輸入端共模發(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)生了一個差動成分。p7/3/202224討論： 差動對的共模響應(yīng)取決于：尾電流源的輸出阻抗，以及電路的不對稱性 差動對的影響：對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分量：共模到差模轉(zhuǎn)換的增益：電路不對稱情況2：M1和M2不匹配，導(dǎo)致流經(jīng)兩個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為負載的差動對類似單級放大器，差動對的負載也可以采用二極管連接的MOS或者電流源作負載。二極管連接的MOS作負載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點和Y點的共模電平。 解決方法：如下圖，通過減小電流而不是減小其寬長比來降低負載器 件的gm。 電流源負載的差動對7/3/202230共源共柵級差動對半邊等效共源共柵增大了電路的差動增益，但代價是消耗更多的電壓余度。7/3/2022315、吉爾伯特單元差動放大器的兩個特性：1電路的小信號增益是尾電流的函數(shù)2差動對的兩個輸入管為控制尾電流在兩個支路的流動提供了一個簡便方法一個簡單的可變增益放大器提供可變增益的兩級電路使I1和I2的變化方向相反的電路：差動對電路吉爾伯特單元討論：差動輸入的共模電平為VCM,in，那么V