CMOS集成电路设计-拉扎维4差分放大器教程

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
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
来自百度文库栅级 • 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
– Rs使Gm和增益变为gm的弱函数，提高线性度 – 输出电阻大
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
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
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
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
基本差分对的共模特性—Vin,CM
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
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。
– 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
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
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
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