差分放大器

M1 1:B
M2
VB
i OUT = BiIN
电流镜/放大器
复旦大学 射频集成电路设计研究小组
-033-
v in i c = gm 2 差分电压放大器
唐长文
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目录
电流镜 差分对 差分电压放大器和差分电流放大器

Ref.: W. Sansen : Analog Design Essentials, Springer 2006
唐长文
Q2
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高频时的电流镜
iIN
iOUT
Rout = rds
Cdb1 M1 1 Cg M2
= (1 + B )Cgs1 Cg
g m1 1 B = ≈ fT BW 2π(Cg + Cdb1 ) 2+B
i OUT = BiIN
Ref.: Gilbert, JSSC Dec.68, 353-365
复旦大学
射频集成电路设计研究小组
-0316-
唐长文
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电流密勒效应的等效电路
密勒效应： 1 f-3dB = 2πRS AV2Cm
Cm
RL vOUT
1 RS = gm1 AV2 = gm2RL f-3dB 1 = 2π(1 + B )CmRL
vIN RS
M2
gm2 fz = − 2πCm
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差分电压放大器：直流
VDD IB/2 vo1 CL VO vin1 VB IB VSS
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-0320-
RL
IB/2 vo2 CL VO vin2 VB
= v v= 0 in1 in2 = v v= VDD − RLIB /2 O1 O2 v= v o1 − v o2 od = (v O1 − VO ) − (v O2 − VO ) =0
-0322-
AV = gmRL
与单个晶体管相同 !!
vod ic
优点： VDD的噪声： PSRRDD VSS的噪声： PSRRSS 地噪声： CMRR
唐长文
VB
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CMOS差分电压放大器：直流范围
VDD
vOd
iO1 vO1 VSS
RL
iO2
RLIB
vOd
vO2 VSS
Q2 R1
Q1 1:1
Q2 R2
Q1 1:B
Q2 R2
i OUT = BiIN
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i OUT R1 = iIN R2
-0312-
i OUT
iIN kT/q ln B = R i OUT
唐长文
Ref.: Widlar, JSSC Aug 69, 184-191
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唐长文
VSS
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双极型差分电压放大器：大信号输入
i Od v INd = tanh 2kT/q IB e x − e − x 2e x − 1 = tanh x = e x + e− x 2e x + 1
vINd为差分输入电压 iOd为差分输出电流 iod为差分小信号输出电流(gmvind) 或两倍的环路电流(gmvind/2) IB为差分对的总的直流电流 IB 注意： gm = 2kT/q
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模拟集成电路设计原理
(Principle of Analog Integrated Circuit Design, INF0130025.02)
2014年11月6日 唐长文 教授 zwtang@fudan.edu.cn http://rfic.fudan.edu.cn/Courses.htm 复旦大学/微电子学院/射频集成电路设计研究小组 版权©2014，版权保留，侵犯必究
v ind i c = gm 2
v od = 2RL i c
v od = AV = gmRL v ind
唐长文
VB
VB
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差分电压放大器
VDD iO1 vo1 CL VO vin1 vin1 VB
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RL
iO2 vo2 CL VO vin2 vin2 IB VSS
改进的电流镜
iIN iOUT Rin M3 1:B M1 1:B M2 M1 M4 M3 1:B iIN iOUT
VDS2 = VDS1
M4 Rout = rds2 gm4 rds4
VOUTmin
M2 = VGS + VDS ≈ 0.9 + 0.2 1:B = 1.1 V 反馈 T = gm1Rin 太大！！！
1 0.9 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0
0
0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4
0.05
0.1
0.15
0.2
0.25
0.3
0.35
0.4
i Od IB
复旦大学
v INd v INd 1 1− ( )2 VGS − VTH,GS 4 VGS − VTH,GS
VCE2 = VCE1
Q3 1:B Q1 1:B Q2 Q1 1:B
Ref.: Wilson, JSSC Dec.68, 341-348
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-0314-
Q4
Q3 1:B
Q4
Rout = ro2 gm4 ro4
VOUTmin = VBE + VCE ≈ 0.7 + 0.1 = 0.8 V 太大！！！
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双极型差分电压放大器：直流范围
VDD
vOd
iO1 vO1 VSS
RL
iO2
RLIB
vOd
vO2 VSS
斜率gmRL 0
RLIB 1% @6kT/q vINd -RLIB
vIN1 VSS
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vIN2 IB VSS
-0325-
kT/q决定斜率、 增益、范围 内部RE增加范围！
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-039-
唐长文
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低电压二极管连接的MOST
VRef ≈ 0.2 V
VRef
IB
VDSmin ≈ 0.2 V
M2
Rout = rds2
M1
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-0310-
唐长文
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低电压电流镜
较多的噪声！ 更好！
-035-
0
VDS
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电流镜
ID
iIN iOUT
ΔIOUT VGS
M1 1:B
M2
VDS1=VGS1
VDS2 VDS
i OUT = BiIN
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ΔIOUT VDS2 − VDS1 = IOUT VEL2
-036-
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-037-
复旦大学
射频集成电路设计研究小组
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低电压电流镜
iIN VB M3 M4 iOUT
ID VOUTmin VGS1 ROUT
M1
M2
VDS2 = VDS1 Rout = rds2 gm4 rds4
= VDS2 + VDS4 VOUTmin
VDS
≈ 0.2 + 0.2 = 0.4 V 很小！
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-0315-
唐长文
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电流密勒效应
AI = B
iIN vIN M1 RS 1:B M2 Cm RL vOUT
1 Rin = gm1 1 RS = gm1 v in ≈ iinRS gm2 B= gm1
Ref.: Rincon-Mora, JSSC Jan. 2000, 26-32
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-0326-
唐长文
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差分电压放大器：转移曲线
i Od v = tanh INd IB 2kT/q
−1% v INd ≈ 2.67 × 2kT/q = 0.14 V
1 0.9 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0
iIN
iOUT
iIN
iOUT
M3
M4
M3
M4
M1
M2
M1
M2
VOUTmin ≈ 50 mV
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-0311-
Ref.: Charlon, .., ESSCIRC 2004
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电流镜
iIN iOUT iIN iOUT iIN iOUT
Q1 1:B
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vod
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差分电压放大器:交流增益
VDD iO1 vo1 CL VO vin1 vind/2 ic RL iO2 vo2 vod CL VO vin2 vind/2 IB VSS
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-0321-
差分输入电压 ： v= v in1 − v in2 ind 环路电流 ：
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-034-
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二极管连接的MOST
VDS=VGS-VTH,GS VDS=VGS ID
ID
VGS
VDS=VGS G=D
饱和区
ID
复旦大学
W ' K n (VGS − VTH,GS )2 L
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VTH,GS dID gm = dVGS
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v INd = 2(VGS − VTH,GS ) = 2 × 0.2 V
-0327-
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增益为gmrds的差分电压放大器
IB M1 vIN1 VB M2 vO1 vO2 M2 M1 vIN2
AV = gm1(rds1 rds2 )
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两个相同的晶体管 重新定义vin 和 vo ：
v= v in1 − v in2 ind v in1 + v in2 v inc = 2 v= v o1 − v o2 od
vin1 VB
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vin2 IB VSS
-0319-
VB
v oc
v o1 + v o2 = 2
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改进的电流镜
iIN 2iB iB Q1 1:B iB Q2 Q1 1:B R iOUT iIN 2iB/β iB iB Q2 iOUT
2 误差 ∝ β
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-0313-
2 误差 ∝ 2 β
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改进的电流镜
iIN iOUT iIN iOUT
vINd为差分输入电压 iOd为差分输出电流 iod为差分小信号输出电流(gmvind) 或两倍的环路电流(gmvind/2) IB为差分对的总的直流电流 IB W ' = = 2K gm (VGS − VTH,GS ) 注意： VGS − VTH,GS L
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-0324-
斜率gmRL 0
vINd
2(VGS − VTH,GS ) -RLIB
vIN2
VGS -VTH,GS决定斜率、 范围…增益！
vIN1 VSS
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IB VSS
VSS
-0323-
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CMOS差分电压放大器：大信号输入
i Od IB v INd v INd 1 1− ( )2 VGS − VTH,GS 4 VGS − VTH,GS
-0328-
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接电阻的二极管连接MOST
2 gm
2(R rds )
R
R
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-0329-
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高增益差分电压放大器
IB
M1 vIN1 vO1 M2 R R
M1 vO2 M2 vIN2
AV = gm1(R rds )
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-031-
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差分电压放大器 差分电流放大器
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-032-
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双晶体管电路
iIN iOUT
IB + ic 2 v in 2
ic
IB − ic 2 v in 2
IB VB
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-038-
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低电压电流镜
iOUT =iIN M4
W /L n2 W /L n2
iIN VB M3
iIN IB M3 M5 M6 M1 IB
iOUT =iIN M4
M5
源自文库W /L (n + 1)2
M1
W /L
M2
W /L
M2
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-0317-
唐长文
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目录
电流镜 差分对 差分电压放大器和差分电流放大器

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-0318-
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差分电压放大器
VDD RL vo1 CL VO vod VO vo2 CL