CMOS集成电路设计-拉扎维4差分放大器讲述

输入共模电平对输出的影响
如何减小输入共模电平变化的影响呢?
4.2 基本差动对
Vin1-Vin2 足够负, M1截止, M2导通 Vin1-Vin2 相差不大 时 , M1 和 M2均导通 Vin1-Vin2 足够正, M1导通, M2截止
4.2 基本差动对
Vin1=Vin2 时,小信号增益(即斜率)最大
基本差分对的共模特性—Vin,CM
当VP≤Vb-VTN时, M3 工作在线性区,等效 于一个小电阻
VinCMmin
为保证M1和M2饱和, VinCMmin=?, VinCMmax =?
基本差分对的共模输入范围
ISS β = 1( 2)(VinCM - VP - VTN )2 2 2 ISS VinCM = + VP + VTN β 1 ( 2)
– 线性度好，输出摆幅小，增益不能太大（否 则摆幅小、带宽小）
(W / L)1 1 Av ( W / L)2 1
n (W / L)1 Av p (W / L) 2
电流源做负载的共源级 • 电流源做负载的共源级
– 增益大
Av gm ro1 || ro2
带源极负反馈的共源级 • 带源极负反馈的共源级
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=VTN，此时有：
2ISS VGS1 = + VTN β
ΔVinmax
2ISS = VGS1 - VGS2 = β
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=VTN，此时有：
定义： 差模输入电压vID = v1 - v2 共模输入电压vIC = (v1 +v2 )/2 v1 = vIC + vID/2 v2= vIC - vID/2
用差分放大器消除时钟噪声
差动工作与单端工作相比, 一个 重要优势在于它对环境噪声具有
更强的抗干扰能力!! 单端工作时时钟大 信号通过寄生电容 干扰放大的小信号
M1和M2线性
Ι ISS SS + Vb VinCM VDD R D + VTN β 2 1（2）
共模输入电压与输出摆幅
M1饱和要求: VX ≥ VinCM - VTN
X Y
上式表明, 输入共模电平越大,Vx 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。
RD rO RD 1 Rin 1 ( g m g mb )rO ( g m g mb )rO g m g mb
Rout {[1 (gm gmb )ro ] RS ro }|| RD
共源共栅级
• 共源共栅级
– Rout大，高增益，屏蔽特性好
Av gm1Rout
第四章 差分放大器
差动放大器 Ch.4 # 1
说明
– 知识结构基本完整，有一些“设计”经验后，才能够 对这门课有更好的认识 – 通过对运放的学习，运用和理解前面所学的知识
小信号等效电路
• 很多同学不会画 • 有些先修知识要靠大家课下抽时间去补
MOS管的小信号 模型是基础
MOS管的低频小信 号等效电路
2ISS 2ISS VGS1 = + VTN ΔVinmax = VGS1 - VGS2 = β β
同理，M1恰好截至，M2上通过的电流恰好为ISS时，此时有：
ΔVinmax
2ISS =β
故允许输入的最大差模电压范围△VID为：
2ISS （这就是电路能处理信号的最大差模电压。） ΔVID = β
β 2ID 2 ID = (VGS - VTN ) VGS = + VTN 2 β
ΔVin = VGS1 - VGS2
ΔVin
2
2ID1 2ID2 = β β
两边平方, 且考 虑到ID1+ ID2= ISS
2ISS 4 β 2 2 = ID1ID2 4ID1ID2 =(ISS - ΔVin ) β β 2
V01- V02
V01
V02
极性相反的两路受干 扰小信号, 差动输出 时干扰消除了!
用差分放大器消除时钟噪声
• 对称差动时钟大信号通过寄生电容耦合 到小信号的噪声因极性相反而相互抵消
差动工作还有什么优点?
差分放大器的优点
电源噪声对单端电路产生的干扰 差动信号的优点： 1. 能有效抑制共模噪声。 VX- Vy
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) 。 与共模输人电平无关。
2. Vin1= Vin2时,小信号增益最大,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。
Vin1和Vin2是差动相位信号
• 当Vin1和Vin2存在很大的 共模干扰
• 各自的直流电平设置的 不好时, 随着共模电平 VinCM变化, M1 和M2的 偏置电流会变化
简单差动电路
共模电平VinCM变化, M1 和 M2的偏置电流会变化, 导致 跨导和输出共模电平变化 跨导变化会改变小信号增益, 输出共模电平偏离会降低最 大允许输出摆幅, 导致输出端 出现严重失真 应使M1 和M2偏置电流受输 入共模电平的影响尽可能小
– Rs使Gm和增益变为gm的弱函数，提高线性度 – 输出电阻大
来自百度文库
ROUT [1 (gm gmb )ro ]RS ro
– 牺牲了增益
gmRD RD Av 1 g mRS 1 / g m RS
共漏级－源跟随器
• 共漏级－源跟随器
– Rin大，Rout小，输出摆幅小 ，增益有百分之几非线性； PMOS管能消除体效应，提高 线性度，但输出阻抗大；电压 缓冲器、电压平移
差动输出时电 源噪声产生的 干扰消除了
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!
如何放大一个差分信号？
简单差动电路
• 简单差动电路：将两条 相同的单端信号路径结 合起来,分别处理两个差 动相位信号Vin1和Vin2
2
同单级共源放大器的增益
G m = βISS = 2β( ISS ) 2
漏极电流和Gm随输入电压变化曲线
差分对的小信号特性(1)
差分对的小信号特性(1)
差分对的小信号特性(1)
差分对的小信号特性(1)
RD1＝RD2=RD gm1＝gm2=gm
利用叠加定理 ,先考虑Vin1的 作用,先求VX
1 1 RS = = g m2 g m
这是CG放大器
利用小信号等 效电路,可求得:
VRL1
g m1R L1 = Vin 1+ g m1R L1 g m1R L1 = Vin = Vin 1+ g m1R L1
VT = lim VRL1
R L1 →∞
差分对的小信号特性(2)
差分对的小信号特性(3)
gmR D VX = A VX Vin1 = Vin1 2 gmR D VY = A VX VT = Vin1 2 (VX-VY ) |Vin1=∆Vin=-gmRD ∆Vin
gmR D gmR D A VX = =1+ g m R S 2
这是带负反馈电 阻RS的CS放大器
gmR D VX = A VX Vin1 = Vin1 2
差分对的小信号特性(2)
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
1 1 RT = = g m1 g m
VT=Vin RL1 求开路电压VT
不足：输出摆幅受 一定影响
Rout [1 ( g m2 g mb 2 )rO 2 ]rO1 rO 2
第四章 差分放大器
4.1 单端与差动的工作方式
差动工作比单端工作有什么优点?
共模电平
• 单端信号的参考电位为一固定电位(常为地电位)
• 差动信号定义为两个结点电位之差, 且这两个结点 的电位相对于某一固定电位大小相等,极性相反。在 差动信号中, 中心固定电位称为“共模”(CM)电平
小信号等效电路
• MOS管的高频小信号等效电路
– 在分析高频特性时才用到该模型
小信号等效电路
• 实例－ 带源极负反馈的放大级
电阻做负载的共源级 • 电阻做负载的共源级
– 增益有非线性 – 电阻值不能太大（否则摆幅小，或所占面积 大）因此增益较小
Av g m RD
二极管接法的MOS 管做负载的共源级 • 二极管接法的MOS 管做负载的共源级
共漏级－源跟随器
源跟随器输入输出特性呈现显著的非线性。为了缓解这一问题， 可以用一个电流源代替电阻。电流源由工作在饱和区的NMOS管 来实现。电路如下图：
Rout
1 g m g mb
共栅级 • 共栅级
– Rin大，Rout小，增益高
Vout ( g m g mb ) rO 1 RD Vin rO ( g m g mb ) rO RS RS RD
差动放大器 Ch.4 # 33
基本差分对的定量分析(4)
β 4ISS 2 4. 因： ΔID = ΔVin -ΔVin 2 β
静态时△Vin ＝0， Gm为：
M1、M2的等效跨导Gm为：
ISS G m = βISS = 2β( ) 2
ΔID 2ISS -βΔVin Gm = = ΔVin 4ISS 2 -ΔVin β
基本差分对的共模特性—Vin,CM
• Vin,CM=0, M1，M2截止，Id3=0，Vout1= Vout2=Vdd
• Vin,CM↑Vin,CM> Vth时M1，M2饱和导通, M3等效为电阻， • Vin,CM足够大，M3饱和： Vin,CM≥VGS1+（VGS3-VTH3） • Vin,CM继续变大， M1，M2进入线性区 ： Vin,CM≥Vout1+VTH=VDD-RDISS/2+VTH
2
又V01-V02＝RD △ID ＝ RD Gm △Vin，故 平衡态下的小信号差动电压增益AV为：
ISS A V = βISS R D = 2β( )R D 2
差动放大器 Ch.4 # 34
差分放大器的增益
ΔID 2ISS -βΔVin Gm = = ΔVin 4ISS 2 -ΔVin β V01 - V02 ISS AV = = βISS R D = 2β( )R D Vin1 - Vin2 2
2
β 4ISS 2 ΔID = ΔVin -ΔVin 2 β
这是个重要公式, 可 由此得出以下结论:
1. 静态时, △Vin=0, ∴ △ID=0, 即ID1= ID2= ISS/2 2. △ID只有在△Vin很小时, 才与△Vin近视成正比 ΔID
ΔV βISS
in
差动放大器 Ch.4 # 31
基本差分对的定量分析(2)
2ISS 4 β 2 ΔVin = ID1ID2 4ID1ID2 =(ISS - ΔVin )2 β β 2 β 2 2 2 2 2 ΔID =(ID1 - ID2 ) =(ID1 + ID2 ) - 4ID1ID2 = ISS -(ISS - ΔVin )2 2 2 2 2 ΔV 4ISS 4 2 2 in ΔVin βISSΔVin ( ΔVin ) 4 4 β
(M3饱和要求) ISS
VinCMmin
ISS ≥ + Vb β 1(2)
(M1饱和要求)
VX = VDD
ISS R D ≥ VinCM - VTN 2
VinCMmax ≤ VDD
ISS R D + VTN 2
差动对小信号差动增益与共模输入电平的关系
VinCMmin VinCMmax
产生ISS的MOS管线性
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 =250μ V。
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1= 2= =μ nCOX(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: