电阻做负载差分放大电路

一、实验目的

1.熟练掌握使用Cadence 软件进行原理图的编辑

2.使用器件设计参数表格的数据进行电路设计

3.掌握的电阻做负载差分放大器的原理

二、实验原理

差分式放大器是由两个各项参数都相同的三端器件（包括BJT 、FET ）所组成的差分式放大电路，并在两器件下端公共接点处连接一电流源。差分式又分为差模和共模信号：输入电压Vid 为Vi1和Vi2的差成为共模电压；另外，若输入电压Vic 为VI1和Vi2的算术平方根，则称为共模电压。当输入电压是共模形式时，，即在两个输入端各加入相同的信号电压，在差分放大电路中，无论是温度变化，还是电源波动引起的变化，其效果相当于在两个输入端加入了共模信号，两输出端输出的共模电压相同，故双端输出时输出电压为零；当输入电压是差模形式时，即在电路的两个输入端各加一个大小相等、极性相反的信号电压，一管电流将增加，另一管电流则减小，所以在两输出端间有信号电压输出。而差分放大器正是利用共模输入的特点来克服噪声信号和零点漂移的。此题要求用双端差模信号输入，单端输出，相应的计算公式如下：

1. 差模输入电压：12id i i v v v =

- 2. 共模输入电压：()

122i i ic v v v += 3. 差模输出电压：12od o o v v v =-

4. 共模输出电压：122

o o oc v v v += 5. 双端输入——单端输出的差模电压增益：

2(2||v d m d s d s

A g r r = 6. 双端输入——单端输出的等效栅跨导：

222m D g K I = 222ox W u C k L ⎛⎫⎛⎫

⎪ ⎪⨯= ⎪ ⎪ ⎪ ⎪⎝⎭⎝⎭ 7. 双端输入——单端输出的等效输出电阻：

22221o ds D r r I ==

λ 44441o ds D r r I ==λ 8. 带宽公式：()2||412L o o BW C r r π=

9. 增益带宽积：2m

L g GBW C π=

图1：电路原理图

三、实验仿真分析

传统运算放大器的输入级一般都采用电阻负载的差分对。NMOS 器件M1 和M2 作为差分对管，P 沟道器件M4，M5 组成电流源负载。电流0 I 提供差分放大器的工作电流。如果M4 和M5 相匹配，那么M1 电流的大小就决定了M4 电流的大小。这个电流将镜像到M5。如果GS 1 GS 2 V =V ，则Ml 和M2 的电流相同。这样由M5 通过M2 的电流将等于是OUT I 为零时M2 所需要的电流。如果GS 1 GS 2 V >V ，由于0 D 1 D 2 I = I + I ， D 1 I 相对D 2 I 要增加。D 1 I 的增加意味着D 4 I 和D 5 I 也增大。但是，当GS 1 V 变的比GS 2 V 大时， D 2 I

应小。因此要使电

路平衡， OUT I 必须为正。输出电流OUT I 等于差分对管的差值，其最大值为0 I 。这样就使差分放大器的差分输出信号转换成单端输出信号。反之如果GS 1 GS 2 V

假设M1 和M2 差分对总工作在饱和状态，则可推导出其大信号特性。描述大信号性能的相应关系如下：

121222p p ID GS GS i i V V V =-=-ββ (7-1)

012D D I I I =+ (7-2)

式(7-1)中，ID V 表示差分输入电压。

上面假设了M1 和M2 相匹配。将式(7-1)代入(7-2)中得到一个二次方程，可解出

图7-2 是归一化的M1 的漏电流与归一化差分输入电压的关系曲线，也即是CMOS 差分放大器的大信号转移特性曲线。

图7-2 差分放大器大信号转移特性 该放大器的小信号特性参数等效跨导01011

'44m I K I W g L β==

于是该放大器的电压增益为： ()050202

||V m A g r r I 25

β==λ+λ (7-7) 从公式(7-7)虽然可以说明在一定工艺条件下晶体管参数对其的影响，但是实际上因为从输出管的漏端看到的输入阻抗最大只能达到100 K Ω ，如果该电路的输入跨导只有5mS ，那么这种结构能够提供的最大增益也只有40dB 。不能满足现在电子产品对电路的需要。

1、共模输入范围ICMR

仿真结果

图6：ICMR仿真结果

2、共模抑制比CMRR

（1）仿真电路图搭建

仿真条件设置：VDD调用analogLib中vdc

VDD：DC voltage=3.3V

VINP调用analogLib中vsin

VINP：DC voltage=1.8V，AC magitude=1V

VINN调用analogLib中vsin

VINN：DC voltage=0V，AC magitude=1V

gnd调用analogLib中gnd

（2）仿真结果

图10：CMRR仿真结果

3、电源抑制比PSRR

（1）仿真电路图搭建

仿真条件设置：VDD调用analogLib中vdc

VDD：DC voltage=3.3V，AC magitude=1V

VINP调用analogLib中vsin

VINP：DC voltage=1.8V

Gnd调用analogLib中gnd

（2）仿真结果

图12：仿真结果

四、实验总结

做实验是对课本知识的巩固和加强，经过这次实验，使我更加深刻了解了cmos，由于课本上的知识太多，平时课间的学习并不能很好的理解和运用，而且考试内容有限，所以在这次实验过程中，我们对课本知识的运用有了更多的认识，通过动手实践也让我们对仿真软件的使用印象更深刻，可以比较熟练地运用cadence软件进行仿真.

在实验的过程中也发现了自己的不足之处，对以前所学过的知识理解得不够深刻，掌握得不够牢固，期间也得到老师和同学的帮助，

在他们身上我也学到了不少实用的东西，在此一并表示感谢!