第三講_差動放大器與電流鏡

1、Institute of VLSI Design, Hefei U.of Tech1差動信號定義差動信號定義為兩個節(jié)點(diǎn)電位之差，且該兩個節(jié)點(diǎn)的電位相對于某為兩個節(jié)點(diǎn)電位之差，且該兩個節(jié)點(diǎn)的電位相對于某一個固定電位大小相等，相位相反。一個固定電位大小相等，相位相反。差動信號2 與單端工作相比，對環(huán)境噪聲具有更強(qiáng)的抗干擾與單端工作相比，對環(huán)境噪聲具有更強(qiáng)的抗干擾能力。能力。差動工作特性差動工作特性3 增大了可得到的最大電壓擺幅。增大了可得到的最大電壓擺幅。單端單端X、Y點(diǎn)的最大電壓擺幅為點(diǎn)的最大電壓擺幅為Vout1VDD（VGSVTH），那么），那么VX-VY的最大擺的最大擺幅為幅為2VDD（VG

2、SVTH）。 對共模信號具有很強(qiáng)的的抑制能力，對差模信號有對共模信號具有很強(qiáng)的的抑制能力，對差模信號有很好的放大作用。很好的放大作用。4由兩個由兩個cs cs放大器構(gòu)放大器構(gòu)成，分別處理兩個成，分別處理兩個差動信號差動信號輸入共模電平若設(shè)定太低輸入共模電平若設(shè)定太低，會使輸出嚴(yán)重失真，會使輸出嚴(yán)重失真輸出直流電平受輸入共模輸出直流電平受輸入共模電平的變化影響較大電平的變化影響較大偏置電流偏置電流I ID1D1+I+ID2D2I ISSSS，它不依賴于輸入共模它不依賴于輸入共模電平，輸出受輸入共電平，輸出受輸入共模電平的影響小。模電平的影響小。簡單差動電路簡單差動電路基本差動對基本差動對5基本差

3、動對基本差動對假設(shè)假設(shè)Vin1Vin2從從變化到變化到： 1）當(dāng)）當(dāng)Vin1比比Vin2負(fù)得多，負(fù)得多，M1截止，截止，M2導(dǎo)通，導(dǎo)通，ID2=ISS，Vout1VDD，Vout2VDD-RDISS，Vout1-Vout2=RDISS 2）當(dāng)）當(dāng)Vin1比較接近比較接近Vin2時，時，M1逐漸導(dǎo)逐漸導(dǎo)通，通，RD1上有電流上有電流ID1，使，使Vout1下降，而下降，而ID2減小，減小，Vout2上升。上升。M1截止，M2導(dǎo)通M1導(dǎo)通，M1截止63）當(dāng)）當(dāng)Vin1Vin2時，時，ID1=ID2ISS/2，Vout1Vout2VDD-RDISS/2。稱為平衡狀態(tài)。稱為平衡狀態(tài)。4）當(dāng)）當(dāng)Vin1

4、比比Vin2更正時，更正時，Vin1增加，增加，ID1增加，增加，ID2減小，減小，Vout1下降，下降，Vout2上升。對于足夠大的上升。對于足夠大的Vin1Vin2，ISS所有電流都只流經(jīng)所有電流都只流經(jīng)M1管，管，M2管截止，此時，管截止，此時，Vout1VDD-RDISS，Vout2VDD。輸出端的最大電平和最小電平是完全確定輸出端的最大電平和最小電平是完全確定的，分別為的，分別為VDDVDD和和VDD-RVDD-RD DI ISSSS小信號增益在小信號增益在V Vin1in1V Vin2in2時達(dá)到最大，隨著時達(dá)到最大，隨著|V|Vin1in1-V-Vin2in2| |的增大而逐漸減

5、小為零。的增大而逐漸減小為零。斜率最大7令令Vin1Vin2Vin,CM，Vin,CM從從0變化到變化到VDD。假設(shè)電路是對稱的，。假設(shè)電路是對稱的，Vout1Vout2。1 1）當(dāng)）當(dāng)V Vin,CMin,CM=0=0時，時，MM1 1、MM2 2截止，截止，I ID1D1=I=ID2D2=0=0，I ID3D3=0=0，V Vb b為高電位，為高電位，MM3 3處于深線性區(qū)，等效為處于深線性區(qū)，等效為一個電阻。一個電阻。V Vout1out1V Vout2out2V VDDDD。2 2）當(dāng)）當(dāng)V Vin,CMin,CMVVTHTH時，時，MM1 1、MM2 2飽和導(dǎo)通，飽和導(dǎo)通，I ID1

6、D1、I ID2D2增加，增加，V VP P上升。對于足夠高的上升。對于足夠高的V Vin,CMin,CM，V VP PV VGS3GS3- -V VTH3TH3，MM3 3進(jìn)入飽和區(qū)，進(jìn)入飽和區(qū)，I ID1D1、I ID2D2之和保持為常數(shù)。之和保持為常數(shù)。3）當(dāng)）當(dāng)V Vin,CMin,CMVVout1out1+V+VTHTHVDD-RDISS/2+VTH，M1、M2進(jìn)入進(jìn)入線性區(qū)。線性區(qū)。8共模特性共模特性Vin,CM允許的范圍為允許的范圍為(M1、M2、M3工作在飽和區(qū)）：工作在飽和區(qū)）：NoticeNotice：（1 1）V Voutout的最小值為的最小值為V Vin,CMin,C

7、MV VTHTH，輸入共模電平越大，允許的輸出，輸入共模電平越大，允許的輸出電壓擺幅越小。電壓擺幅越小。（2 2）差動對的電壓增益是負(fù)載上壓降）差動對的電壓增益是負(fù)載上壓降V VRDRD的函數(shù)，若的函數(shù)，若V VRDRD比較大，比較大，V Vin,CMin,CM必須比較低以保證必須比較低以保證M1M1、M2M2工作在飽和區(qū)。工作在飽和區(qū)。9假設(shè)電路是對稱的，假設(shè)電路是對稱的，MM1 1、MM2 2均工作均工作在飽和區(qū)在飽和區(qū)VPVin1VGS1Vin2VGS2I ID1D1-I -ID2D2是是V Vin1in1V Vin2in2的奇函數(shù)，當(dāng)?shù)钠婧瘮?shù)，當(dāng)|V|Vin1in1-V-Vin2in2

8、| |從從0 0逐漸增逐漸增增大，增大，|I |ID1D1-I -ID2D2| |也逐漸增大。也逐漸增大。10Gm1 1）V Vinin0 0，平衡狀態(tài)，等效跨導(dǎo)達(dá)到最大值：，平衡狀態(tài)，等效跨導(dǎo)達(dá)到最大值：與單個與單個nmosnmos管的跨導(dǎo)相同管的跨導(dǎo)相同gm22SSVmDmDnoxDIWAG Rg RCRL 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：平衡狀態(tài)狀態(tài)下小信號差動電壓增益：112inGSTHSSnoxVVVIWCLM2幾乎截止11同理，當(dāng)同理，當(dāng)VininVin1in1時，所有的時，所有的ISSSS只流經(jīng)只流經(jīng)M1，而，而M2截止。截止。實(shí)際可以處實(shí)際可以處

9、理的最大差理的最大差模輸入模輸入兩個晶體管都導(dǎo)通12兩種方法增加最大差模輸入范圍兩種方法增加最大差模輸入范圍V Vin1in1，從而使電路線性度更好：，從而使電路線性度更好：（1 1）W/LW/L減小時，減小時，V Vin1in1增加，使兩個晶體管都導(dǎo)通的增加，使兩個晶體管都導(dǎo)通的VinVin范圍范圍增加，電路線性度好；增加，電路線性度好；（2 2）I ISSSS增加，輸入電壓范圍和輸出電流擺幅加大。增加，輸入電壓范圍和輸出電流擺幅加大。然而，然而，V Vin1in1增加會增加增加會增加M1M1和和M2M2的過驅(qū)動電壓。的過驅(qū)動電壓。13A）令Vin20，求Vin1對VX、VY的作用。忽略r0

10、M1看成帶源極負(fù)反饋的共源極RS1/gm2小信號M1、M2均工作在飽和狀態(tài)14VY的計算MM1 1管以源跟隨器的形式驅(qū)動管以源跟隨器的形式驅(qū)動MM2 2管，管，MM2 2以共柵級形式工作。以共柵級形式工作。其戴維南等效為：其戴維南等效為：VT=Vin1RT=1/gm15輸入為輸入為Vin1Vin1時，電路的電壓增益為：時，電路的電壓增益為：若B）Vin2在在X、Y點(diǎn)的作用：點(diǎn)的作用：應(yīng)用疊加法：應(yīng)用疊加法：AVNoticeNotice：1 1）無論怎樣施加）無論怎樣施加輸入信號，差動輸入信號，差動電路的增益為電路的增益為g gmmR RD D2 2）如果輸出為單邊）如果輸出為單邊輸出，則差動增

11、益輸出，則差動增益減半。減半。3 3）與共源極增益）與共源極增益相比，要達(dá)到和共相比，要達(dá)到和共源極相同的增益，源極相同的增益，總偏置電流應(yīng)為共總偏置電流應(yīng)為共源極的兩倍。源極的兩倍。差動對單差動對單端輸出時端輸出時增益減半！增益減半！16（2）利用半邊電路法求小信號增益）利用半邊電路法求小信號增益輔助定理：輔助定理：對于對稱電路，其中對于對稱電路，其中D1、D2為三端有源器件。假設(shè)為三端有源器件。假設(shè)Vin1從從V0變化到變化到V0Vin，Vin2從從V0變化到變化到V0Vin，那么，如果電路仍保持線性，那么，如果電路仍保持線性，則則VP電位不變。電位不變。也就是說也就是說Vin1和和Vin

12、2分別變化分別變化Vin和和Vin，則，則V1（VGS1）、）、V2（VGS2）變化相同的值。）變化相同的值。因此，對于小信號而言，因此，對于小信號而言，P點(diǎn)虛地。點(diǎn)虛地。交流地17Vin變化變化VGS變化變化由于由于VpVp虛地，可將電路等效為兩個獨(dú)立的虛地，可將電路等效為兩個獨(dú)立的部分，即部分，即“半邊電路半邊電路”。AV18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。地計算其增益。19任意輸入信號可以轉(zhuǎn)換為差模分量和共模分量的疊加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將差動信號

13、和共模信號分別產(chǎn)生的作用進(jìn)行疊加，便將差動信號和共模信號分別產(chǎn)生的作用進(jìn)行疊加，便可以得到電路輸入輸出特性。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。對于差模信號，可以利用半邊電路。通過疊加法，放大器的差模響應(yīng)與共通過疊加法，放大器的差模響應(yīng)與共模響應(yīng)可以獨(dú)立考慮！模響應(yīng)可以獨(dú)立考慮！21對如下電路，對如下電路，V Vin1in1V Vin2in2，求差動輸出，求差動輸出對于共模分量，由于對于共模分量，由于電路對稱，電路對稱，I ID1D1 I ID2D2I ISSSS/2/2，差動輸出與，差動輸出與V Vin,CMin,CM無關(guān)。無關(guān)。對稱差動電路只對對稱差動電路只對V Vi

14、n1in1和和V Vin2in2的差值進(jìn)行放大，的差值進(jìn)行放大，而消除了而消除了V Vin,CMin,CM的影響。的影響。22當(dāng)差動電路并不對稱，或者電流源輸出阻抗不為無窮大當(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，稱為共模輸入的變化則會傳遞到輸出端，稱為共模響應(yīng)共模響應(yīng)。V V in,CM in,CM增加，增加，I ID1D1、I ID2D2增加，增加，V VP P增加，增加，V VX X、V VY Y減小，由于電路對稱，減小，由于電路對稱，V VX XV VY Y。可用圖可用圖c c等效。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

15、倍M1、M2并聯(lián)23共模增益：共模增益：輸出共模信號24當(dāng)當(dāng)Vin,CM增加，增加，ID1、ID2變化了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)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。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：差動對的共模響應(yīng)主要表現(xiàn)為兩個方面：（1 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）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；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 2）由于電路不對稱，且具有有限電流源

16、輸出阻抗，輸入共模電平）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。變化在輸出端產(chǎn)生差模分量。后者的影響后者的影響嚴(yán)重得多，嚴(yán)重得多，共模響應(yīng)共模響應(yīng)通常考慮通?？紤]電路不匹配電路不匹配情況情況/(12)mmmssGgg R,()12mXYin CMDmSSgVVVRg R ,12mDV CMmSSgRAg R 高頻時變得嚴(yán)重25管子的失配比負(fù)載失配大得多！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，由于晶體管尺寸以及閾值電壓的失配，ID1、ID2稍微不稍微不同，則同，則gm不同。不同。26共模到差模的轉(zhuǎn)換：共模到差模的轉(zhuǎn)換：管子不匹配27

17、二極管連接的二極管連接的負(fù)載消耗了負(fù)載消耗了一個閾值電壓一個閾值電壓的電壓余度。的電壓余度。)()(pNTHGSTHGSVVVV放大器對共模輸入放大器對共模輸入擾動的抑制能力擾動的抑制能力12outoutDMinVVAV12,outoutCMDMin CMVVAV差模響應(yīng)共模響應(yīng)28如何提高增益？如何提高增益？可以通過減小可以通過減小P P管寬長比來提高增益，管寬長比來提高增益，但但P P管過驅(qū)動電壓增加，降低了輸出共模電平。管過驅(qū)動電壓增加，降低了輸出共模電平。1 1、附加電流源來提高增益、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 2、提高負(fù)載阻抗來提高增益、提高

18、負(fù)載阻抗來提高增益)()(pNTHGSTHGSVVVV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采用采用PMOSPMOS共源共柵負(fù)載的共源共柵負(fù)載的NMOSNMOS共源共柵差動放大器共源共柵差動放大器AVGmRout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。更多的電壓余度，減小輸出擺幅。1330301035505070713 03 015 05 071 ()| 1 ()() ()VmmmbmmbmmmAgggrrrggrrrggr rgr r 共源共柵差動放大器30工作在飽和區(qū)的

19、工作在飽和區(qū)的MOSMOS管可以作為管可以作為電流源使用電流源使用當(dāng)當(dāng)MOSMOS管被用做電管被用做電流源時，其偏置電流源時，其偏置電壓應(yīng)該如何去加？壓應(yīng)該如何去加？問問題題主要作用：主要作用：（1 1）為其它電路提供偏置；）為其它電路提供偏置；（2 2）作為信號處理單元；）作為信號處理單元；電流受電源電電流受電源電壓、工藝、閾壓、工藝、閾值電壓影響。值電壓影響。31產(chǎn)生穩(wěn)定的基產(chǎn)生穩(wěn)定的基準(zhǔn)電流準(zhǔn)電流通過復(fù)制，產(chǎn)通過復(fù)制，產(chǎn)生電路中所需生電路中所需的電流源的電流源ID=f（VGS）VGS=f-1(ID)若若VGSf-1(IREF)則則Ioutff-1（IREF）= IREF基本電流鏡基本電流

20、鏡在模擬電在模擬電路中，電路中，電流源的設(shè)流源的設(shè)計基于對計基于對基準(zhǔn)電流基準(zhǔn)電流的的“復(fù)制復(fù)制”32可以精確地復(fù)制電流而不可以精確地復(fù)制電流而不受工藝和溫度的影響。受工藝和溫度的影響。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：誤差：VDS1VGS1VGS2，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共源共柵電流源可以抑制溝道長度調(diào)制效應(yīng)的影響共源共柵電流源可以抑制溝道長度調(diào)制效應(yīng)的影響選擇合適的選擇合適的Vb，使得，使得VX=VY，那么那么VDS2=VGS1VGS2，則可，則可以消除溝道調(diào)

21、制效應(yīng)影響，以消除溝道調(diào)制效應(yīng)影響，ID2非常接近非常接近ID1。如何產(chǎn)生如何產(chǎn)生Vb，并使，并使VXVY？VNVGS0VXVGS3VY 共源共柵結(jié)構(gòu)可使共源共柵結(jié)構(gòu)可使MM2 2免受免受VpVp的影響，的影響，只要只要V VY YV VX X，I ID2D2I ID1D1根據(jù)根據(jù)M3M3的尺寸選擇的尺寸選擇M0M0的尺寸，使的尺寸，使V VGS0GS0V VGS3GS3，那么，那么V VX XV VY Y34如果設(shè)計管子的尺寸，使其滿足：如果設(shè)計管子的尺寸，使其滿足：那么：那么：共源共柵電流鏡特點(diǎn)：共源共柵電流鏡特點(diǎn)：（1）優(yōu)點(diǎn)：高的輸出阻抗，）優(yōu)點(diǎn)：高的輸出阻抗，產(chǎn)生精確的電流值產(chǎn)生精確的

22、電流值（2）缺點(diǎn)：由于）缺點(diǎn)：由于VDS2=VGS2，共源共柵電流鏡消耗了一個閾共源共柵電流鏡消耗了一個閾值電壓的余度值電壓的余度 (兩個過驅(qū)動電兩個過驅(qū)動電壓加一個閾值電壓壓加一個閾值電壓)。?3201DDDDIIII21(/)(/)outREFWLIIWL35選擇合適的選擇合適的V Vb b使使MM2 2、MM1 1工作在飽和狀態(tài)。工作在飽和狀態(tài)。MM2 2飽和：飽和：MM1 1飽和：飽和：Vb才有解。選擇合適的尺寸使M2的過驅(qū)動電壓閾值電壓。輸入輸出短接36實(shí)現(xiàn)方法：實(shí)現(xiàn)方法：1 1）選擇最?。┻x擇最小V Vb b=V=VGS2GS2+ +(V(VGS1GS1-V-VTH1TH1) )2

23、 2）選擇合適）選擇合適晶體管尺寸滿晶體管尺寸滿足：足：V VGS2GS2=V=VGS4GS4則：則：V Vb b=V=VGS4GS4+ +(V(VGS3GS3-V-VTH3TH3) )從而：從而：Vout= Vout= （V VGS4GS4- -V VTH4TH4）+ +(V(VGS3GS3-V-VTH3TH3) )為兩個過驅(qū)動為兩個過驅(qū)動電壓之和電壓之和 優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：若若V Vb bV VGS2GS2+(V+(VGS1GS1-V-VTH1TH1) ) = V = VGS4GS4+(V VGS3GS3-V VTH3TH3)V VA A=V=VB B，M3M3電流可以精確地鏡電流可以精確地鏡像像I IREFREF。此時，消耗的電壓余度。此時，消耗的電壓余度最小，為兩個過驅(qū)動電壓之和。最小，為兩個過驅(qū)動電壓之和。用作處理信號用作處理信號有源電流鏡作為差動對負(fù)載：有源電流鏡作為差動對負(fù)載：當(dāng)當(dāng)Vi