《模拟CMOS集成电路设计》4差分放大器.docx
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《模拟CMOS集成电路设计》4差分放大器
《模拟CMOS集成电路设计》4、差分放大器
2012-3-11第四章差分放大器1
单端与差动的工作方式
),动信号中,2012-3-11差动工作比单端工作有什么优点?
2
差分放大器的优点
差动信号的优点:
1.能有效抑制共模噪声。
2.增大了输出电压摆幅(是单端输出的两倍)。
3.偏置电路更简单(差分对可以直接耦和)、输出线性度更高。
4.缺点是芯片面积和功耗略有增加,但绝对物有所值!
2012-3-11如何放大一个差分信号?
4
简单差动电路
2012-3-11如何减小输入共模电平变化的影响呢?
5
基本差动对
6
基本差动对的重要特性
差动对的两个重要特性:
1.输出端的最大和最小电平是确定的(分别为VDD和VDD-RDISS)。
它们与共模输人电平无关。
2.小信号增益当Vin1=Vin2时达到最大,且随着|Vin1-Vin2|的增加而逐渐减小到零。
也就是说,随着输入电压摆幅的增大,电路变得更加非线性。
当Vin1=Vin2时,我们说电路处于平衡状态,即静态。
2012-3-117
基本差分对的共模特性
当VP≤Vb-VTN时,
M3工作在线性区,等
效于一个小电阻
VinCMmin
2012-3-11为保证M1和M2饱和,VinCMmin=?
VinCMmax=?
8
∴VinCM=ISSβ1
(2)2Q=inCM-VP-VTN)22+VP+VTN
(M3饱和要求)QVP≥Vb-
VTN
ISSQVX=VDD
∴VinCMmax
2012-3-11ISS-RD≥VinCM-VTN(M1饱和要求)2ISS≤VDD-RD+VTN29
差动对小信号差动增益与共模输入电平的
关系
2012-3-11
10
共模输入电压与输出摆幅
M1饱和要求:
VX≥VinCM-VTN
上式表明,输入共模电平越大,
允许输出的输出摆幅就越小。
幸运的是,因运放通常需至少两
级放大才能获得实际可使用的
放大倍数,因此对前级的摆幅要
求大大降低。
例:
若两级运放AI=100,AII=400(即AV=92dB),假定输出V0=±10V,则第二级的输入电压范围(也即第一级的输出电压摆幅)仅需为:
±10V/400=±25mV。
第一级的小信号输入范围仅为:
±25mV/100=250μV。
2012-3-1111
基本差分对的定量分析
(1)
在左图的电阻负载基本差动对中,记:
△Vin=Vin1-Vin2,且β1=β2=β=μnCOX(W/L),假定M1和M2均工作在饱和区,ISS为理想恒流源,则由平方律关系有
:
β2QID=GS-VTN)?
VGS=+VTN2
两边平方,且考∴ΔVin=VGS1-VGS2=-虑
到I+I=ID1D2SS∴ΔVin
2012-3-1122ISS4β22=-?
4ID1ID2=(ISS-ΔVin)β212
基本差分对的定量分析
(2)
2ISS4β22
QΔVin=-?
4ID1ID2=(ISS-Vin)
β2
β222222
QΔID=(ID1-ID2)=(ID1+ID2)-4ID1ID2=ISS-(ISS-ΔVin)
2
222
ββΔVin4ISS224
=?
Vin+βISSΔVin=(?
ΔVin)
β
2
1.静态时,△Vin=0,∴△ID=0,即ID1=ID1=ISS/2
β
2.△ID只有在△Vin很小时,才与△Vin近视成正比,即:
ΔID=ΔVin
2
13
2012-3-11
基本差分对的定量分析(3)
3.为求得最大差模输入电压,假定△Vinmax时,M1上通过的电流恰好为ISS,M2刚好截至,即VGS2=V
,此时有:
VVGS1=+VTN∴Δinmax=VGS1-
VGS2=同理,M1恰好截至,M2上通过的电流恰好为ISS时,此
时有:
ΔVinmax故允许输入的最大差模电压范围△V为:
ID=ΔV(这就是电路能处理信号的最大差模电压。
)ID=2012-3-1114
基本差分对的定量分析
(4)
4.因△ID是△Vin的奇函数,故有:
ΔID(t)=αΔVin(t)+αΔVin(t)+......1Vin(t)+αΔ35
上式表明,由差动信号驱动的差动电路不会产生偶次谐波,因此差分电路比单端电路表现出了更小的非线性。
35
β5.因:
ΔID=ΔVin2
又V01-V02=RD△ID=RDGm△Vin,故
平衡态下的小信号差动电压增益AV2012-3-11AV=D=D15
最大输入差模电压△VID与过驱动电压Von的
关系
(W/L)↑,△VID↓
AV↑电路线性↓∵ΔVID=
∴Von1,2ΔVID=VGS-VTN==右式表明若增加△VID来使电路具有更好的线性不可
避免会使M1和M2的过驱动
电压Von↑,对于给定的ISS,这只能靠减小(W/L)(也即减小跨导,从而减小放大器增益)来实现。
Von↑会使输入共模电压范2012-3-1116围↓。
差分放大器的增益
ΔI2I-βΔVAV=22012-3-11漏极电流和Gm随输入电压变化曲线17
差分对的小信号特性
(1)RD1=RD2=RDgm1=gm2=gm
利用叠加定理
先考虑Vin1的
作用,先求VX11RS==gm2gmgmRD
gmRDAVX=-=-1+gmRS2
gmRDVX=AVXVin1=-Vin12
182012-3-11
差分对的小信号特性
(2)
利用叠加定理,先考虑Vin1的作用,再求VY
11RT==
gm1gm
利用小信号等效电路,可求得:
Rgm1RL1RD1VRL1=Vin
1+gm1RL1
gm2RDgmRD
gm1RL1RD1AVX==
VT=limVRL1=Vin=Vin1+gR2m2TRL1→∞1+gm1RL1
gmRD
∴VY=AVXVT=Vin
2
19
2012-3-11
差分对的小信号特性(3)
gmRDVX=AVXVin1=-V
in12gmRDVY=AVXVT=Vin12
(VX-VY)|Vin1=?
Vin=-gmRD?
Vin(VX-VY)|Vin2=-?
Vin=-gmRD?
Vin因电路对称,故除了极性相反外,Vin2在X和Y点产生的作用和Vin1效果一样:
Vin1和Vin2共同作用时,(VX-VY)的增益为:
(VX-VY)|Vin1=ΔVin+(VX-VY)|Vin2=-ΔVin
Vin1-Vin2
2012-3-11-2gmRD==?
gmRDΔVin-(-ΔVin)20
差分对增益与CS放大器增益的比较?
如果差分对的尾电流ISS与CS放大器的静态工作电流相同,则差分对管的跨导gm只有CS放大器中MOS管跨导的1/21/2。
即差分对的增益只有CS放大器的1/21/2。
?
如果两种放大器中MOS管的(W/L)和负载RD均相同,为了得到相同的增益,若CS放大器中静态工作电流为ISS,则差分对中的尾电流必须等于2ISS。
?
由此可见,差分对是以更大的功耗来获取抗干扰能力、更好的线性。
然而,若不使用差分对,即使将CS放大器功耗增加一倍,也不可能获得与差分对相同的特性。
2012-3-1121
差动对的“虚地”
概念
1.在上图所示的对称电路中,其中D1和D2表示任何三端有源器件,假定Vin1从V0变化到V0+△Vin,假定Vin2从V0变化到V0-△Vin,如果电路仍保持线性,则VP值不变。
2.由上可知,差分对在差模小信号作用下,因VP值不变,故P点成为“虚地”点,即差模小信号等效电路中P点可看成“交流地”。
2012-3-1122
“虚地”的应用-差分对的半边
电路显然,VX=-gmRDVin1,VY=-gmRD(-Vin1)=gmRD1Vin1VX-VY-2gmRDVin1∴==?
gmRDVin1-Vin2Vin1-(-Vin1)
2012-3-1123
任意输入信号的差分
对
差模响应
共模响应
2012-3-1124
运放差模(共模)信号、差模(共模)增益的关系对于任意的输入信号Vin+、Vin-,均可写
作:
根据线性系统的叠加定理,
运放总的输出电压V0即是
图(A)、(B)两个输出的叠
加,即:
V=V+V图(A)
2012-3-11图(B)25
基本差分放大器的共模响应
VoutAv=Vin,CM
R/22012-3-1126
例4.6共模输入电压变化带来的影响
左图中用一个电阻来提供1mA的尾电流,已
知(W/L)=25/0.5,μnCOX=50μA/V2,VT=0.6V,
λ=γ=0,VDD=3V。
求:
1.如果RSS上的压降保持在0.5V,则输入
共模电平=?
2.计算差模增益等于5时的RD=?
3.如果输入共模电平比
(1)计算出的值大200mV,则输出如何变化?
+VTN=1.23V因ID1=ID2=0.5mA,故
:
VGS1,2=VX=VY=3-0.5*3.16=1.42V∴V=V+V=1.23+0.5=1.73V
inCMGS1RSS
因gm==1/(623Ω),所以AV=5时,RD=3.16K?
此时当VinCM增加200mV,则|?
VX,Y|=?
VinCMRD/(2RSS+1/gm)≈0.4V此时,Vd=1.42-0.4≈1.02V,Vg=1.73+0.2=1.98V,
2012-3-1127M1
(2)已进入线性区。
基本差动对电阻失配对共模响应的
影响
ΔVXgm=?
RDΔVin,CM1+2gmRSS
ΔVYgm=?
D+ΔRD)ΔVin,CM1+2gmRSS
因电阻失配,共模电压的变
化在输出端产生了一个差动
成分,我们说电路表现出共
模到差模的变换。
此时若输
入既有差模信号又有共模噪
声,则输入共模的变化就会
损害放大的差模信号。
2012-3-1128
尾电容有限时基本差分对的共模响应
差动对的共模相应取决于尾电
流的输出阻抗和电路的不对称
性,并表现为两方面的影响:
对称电路的输出共模电平变化
以及输入共模电压变化在输出
端产生差模分量。
即使尾电流低频时输出阻抗很大,高频时因频率的增加导致等效输出阻抗减小,因此共模到差模的转换在高频时会变得严重,同时负载电阻及输入晶体管的失配也会导致共模到差模的转换,其中晶体管的失配通常比负载电阻的失配影响大得多。
292012-3-11
基本差分对输入对管失配时的共模响应
(g
+g)(V-V
)R=VVP=gm1RD
VX=-gm1(VinCM-VP)RD=-V1+(gm1+gm2)RSS
gm2RD
VY=-gm2(VinCM-VP)RD=-V1+(gm1+gm2)RSS
VX-VYgm1-gm2∴ACM-DM==-RDVinCM1+(gm1+gm2)RSS2012-3-11
30
基本差分对的共模抑制比CMRRVX-VYgm1-gm2ΔgmRDACM-DM==-RD=?
VinCM1+(gm1+gm2)RSS1+(gm1+gm2)RSSADMCMRR=||若只考虑gm的不匹配,左图中:
ACM-DM
RDgm1+gm2+4gm1gm2RSS|ADM|=21+(gm1+gm2)RSS
假定Vin1=-Vin2,则有:
gm1+gm2+4gm1gm2RSSgmCMRR=≈(1+2gmRSS)2?
gm?
gm
2012-3-11上式中,gm=(gm1+gm2)/231
MOS负载的差分放大器
半电路
半电路
2012-3-11
32
MOS
负载的差分放大器Agm1V=-g≈=m32012-3-1133
MOS
负载的差分放大器Av≈gm1[(gm3ro3ro1)||
2012-3-11(gm5ro5ro7)]34
本章基本要求
?
理解并掌握差分放大器为什么具有优越的抗干扰能力、较好线性的原因。
?
理解并掌握什么是差分放大器的差模响应和共模响应,会求共模输入电压范围。
会画大信号的转移特性。
?
理解并掌握共模抑制比CMRR的意义。
?
会利用差分对的半电路概念求差分对的差模增益。
2012-3-1135
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- 模拟CMOS集成电路设计 模拟 CMOS 集成电路设计 差分放大器
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