CMOS集成电路设计-拉扎维4 差分放大器

差动放大器Ch.4#1第四章差分放大器说明–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管的低频小信号等效电路MOS管的小信号模型是基础小信号等效电路•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–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DmvRgA电阻做负载的共源级•二极管接法的MOS管做负载的共源级–线性度好，输出摆幅小，增益不能太大（否则摆幅小、带宽小）Av(W/L)1(W/L)21121)/()/(LWLWApnv二极管接法的MOS管做负载的共源级•电流源做负载的共源级–增益大Avgmro1||ro2电流源做负载的共源级•带源极负反馈的共源级–Rs使Gm和增益变为gm的弱函数，提高线性度–输出电阻大–牺牲了增益ROUT[1(gmgmb)ro]RSroSmDSmDmvRgRRgRgA/11带源极负反馈的共源级•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、电压平移共漏级－源跟随器mbmoutggR1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：•共栅级–Rin大，Rout小，增益高mbmOmbmDOmbmODinggrggRrggrRR1)()(1Rout{[1(gmgmb)ro]RSro}||RD共栅级DDSSOmbmOOmbminoutRRRRrggrrggVV)(1)(•共源共栅级–Rout大，高增益，屏蔽特性好1outvmAgR21222])(1[OOOmbmoutrrrggR不足：输出摆幅受一定影响共源共栅级第四章差分放大器4.1单端与差动的工作方式•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)电平共模电平差动工作比单端工作有什么优点?定义：差模输入电压vID=v1-v2共模输入电压vIC=(v1+v2)/2v1=vIC+vID/2v2=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V01V02V01-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输出时电源噪声产生的干扰消除了差动信号的优点：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!如何放大一个差分信号？VX-Vy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•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Vin1和Vin2是差动相位信号简单差动电路输入共模电平对输出的影响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足够正,M1导通,M2截止Vin1-Vin2相差不大时,M1和M2均导通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。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,CMVth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基本差分对的共模特性—Vin,CMVinCMmin为保证M1和M2饱和,VinCMmin=?,VinCMmax=?当VP≤Vb-VTN时,M3工作在线性区,等效于一个小电阻基本差分对的共模输入范围122()SSinCMPTNβI=(V-V-V)2212SSinCMPTN()IV=+V+VβSSinCMminb1(2)IV≥+VβSSXDDDinCMTNIV=V-R≥V-V2SSinCMmaxDDDTNIV≤V-R+V2(M3饱和要求)(M1饱和要求)ISS差动对小信号差动增益与共模输入电平的关系VinCMmaxVinCMminSSSSbinCMDDDTN1（2）ΙI+VVV-R+Vβ2产生ISS的MOS管线性M1和M2线性共模输入电压与输出摆幅XYXinCMTNV≥V-VM1饱和要求: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。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。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==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:2DDGSTNGSTNβ2II=(V-V)V=+V2βD1D2inGS1GS22I2IΔV=V-V=-ββ两边平方,且考虑到ID1+ID2=ISS222SSinD1D2D1D2SSin2I4βΔV=-II4II=(I-ΔV)ββ2差动放大器Ch.4#31基本差分对的定量分析(2)222SSinD1D2D1D2SSin2I4βΔV=-II4II=(I-ΔV)ββ2222222DD1D2D1D2D1D2SSSSinβΔI=(I-I)=(I+I)-4II=I-(I-ΔV)22244()44222inSSinSSininΔVIΔVβIΔVΔVβ2SSDininβ4IΔI=ΔV-ΔV2β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/22.△ID只有在△Vin很小时,才与△Vin近视成正比SSDinΔIΔVβI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：SSGS1TN2IV=+VβSSinmaxGS1GS22IΔV=V-V=β差动放大器Ch.4#33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：SSGS1TN2IV=+VβSSinmaxGS1GS22IΔV=V-V=β同理，M1恰好截至，M2上通过的电流恰好为ISS时，此时有：SSinmax2IΔV=-β故允许输入的最大差模电压范围△VID为：SSID2IΔV=β（这就是电路能处理信号的最大差模电压。）差动放大器Ch.4#34基本差分对的定量分析(4)2SSDininβ4IΔI=ΔV-ΔV2β2DSSinm2inSSinΔI2I-βΔVG==ΔV4I-ΔVβ4.因：M1、M2的等效跨导Gm为：静态时△Vin＝0，Gm为：SSmSSIG=βI=2β()2又V01-V02＝RD△ID＝RDGm△Vin，故平衡态下的小信号差动电压增益AV为：SSVSSDDIA=βIR=2β()R2差分放大器的增益2DSSinm2inSSinΔI2I-βΔVG==ΔV4I-ΔVβ0102SSVSSDDin1in2V-VIA==βIR=2β()RV-V2同单级共源放大器的增益SSmSSIG=βI=2β()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)Sm2m11R==ggmDmDVXmSgRgRA=-=-1+gR2这是带负反馈电阻RS的CS放大器RD1＝RD2=RDgm1＝gm2=gmmDXVXinin11gRV=AV=-V2利用叠加定理,先考虑Vin1的作用,先求VX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VYVT=VinTm1m11R==gg这是CG放大器RL1求开路电压VT利用小信号等效电路,可求得:L1L1m1L1TRininR→∞m1L1gRV=limV=V=V1+gRL1m1L1Rinm1L1gRV=V1+gR差分对的小信号特性(2)差分对的小信号特性(3)mDYVXTin1gRV=AV=V2mDXVXinin11gRV=AV=-V2(VX-VY)|Vin1=∆Vin=-gmRD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:(VX-VY)|Vin2=-∆Vin=-gmRDVin1和Vin2共同作用时,(VX-VY)的增益为:in1inin2inXYV=ΔVXYV=-ΔVmDmDin1in2inin(V-V)|+(V-V)|-2gR=gRV-VΔV-(-ΔV)∆Vin∆Vin∆Vin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1/2。即差分对的增益只有CS放大器的1/2。•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。•差分对是以更大的功耗来获取抗干扰能力、更好的线性。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。SSmSSIG=βI=2β()2•方法二（半边电路）辅助定理：考虑图中所示的对称电路，其中D1和D2代表任何三端有源器件。假设Vin1从V0变化到V0+ΔVin，Vin2从V0变化到V0-ΔVin，那么，如果电路仍保持线性，则Vp值保持不变。假定λ＝0。辅助定理说明了P点可以认为是“交流地”，即“虚地”。差动对的“虚地”概念1.上图，D1和D2表示任何三端有源器件，假定Vin1从V0变化到V0+△Vin，Vin2从V0变化到V0-△Vin，如果电路仍保持线性，则VP值不变。2.在差模小信号作用下，差分对VP值不变，P点为“虚地”点，即差模小信号等效电路中P点可看成“交流地”。利用P点虚地（交流地）的特点，电路可等效为两个独立的部分，即“半边电路”概念。“虚地”的应用－差分对的半边电路VX=-gmRDVin1,VY=-gmRD(-