模拟cmos集成电路设计(拉扎维)第4章差分放大器

模拟集成电路原理第4章差分放大器董刚[e-mail]微电子学院12小信号等效电路MOS管的小信号模型是基础MOS管的低频小信号等效电路西电微电子学院－董刚－模拟集成电路设计3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第6章“频率特性”开始用到西电微电子学院－董刚－模拟集成电路设计4小信号等效电路实例－带源极负反馈的放大级西电微电子学院－董刚－模拟集成电路设计5上一章放大器基础知识电阻做负载的共源级增益有非线性，电阻精度差或面积大Av=gmRD西电微电子学院－董刚－模拟集成电路设计6上一章二极管接法的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)11(W/L)21+Av=n(W/L)1p(W/L)2西电微电子学院－董刚－模拟集成电路设计7上一章电流源做负载的共源级增益大Av=mro1||ro2西电微电子学院－董刚－模拟集成电路设计W8上一章深线性区MOS管做负载的共源级输出摆幅大（可以为VDD）得到精准的Ron2比较困难；受工艺、温度变化影响比较大，产生稳定、精确的Vb比较难RON2=nCoxL21(VDDVb|VTHP|)Av=mRON2西电微电子学院－董刚－模拟集成电路设计9上一章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ROUT=[1+(gm+gmb)ro]RS+ro牺牲了增益Av=GmRD=gmRD1+gmRS西电微电子学院－董刚－模拟集成电路设计11=10上一章共漏级－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，带宽降低；电压缓冲器、电压平移Av=gmRS1+(gm+gmb)RS1gmRS+(1+)1+Av=gm1(rO1rO1)1+gm1(rO1rO1)Rout=1gm+gmb西电微电子学院－董刚－模拟集成电路设计+11上一章共栅级Rin小，Rout大Av=gm(1+)RDRin=1/[gm(1+)]Rin=RD+rORD11+(gm+gmb)rO(gm+gmb)rOgm+gmbRout={[1+(gm+gmb)ro]RS+ro}||RD西电微电子学院－董刚－模拟集成电路设计12上一章共源共栅级Rout大，高增益，屏蔽特性好Av=gm1RD不足：输出摆幅受一定影响主要应用：电流源共源共栅OPA折叠共源共栅OPA等Rout=[1+(gm2+gmb2)rO2]rO1+rO2西电微电子学院－董刚－模拟集成电路设计13本讲差分放大器简介简单差分放大器基本差分对放大器大信号差分特性大信号共模特性小信号差分特性小信号共模特性MOS管做负载的基本差分对放大器差分放大器的应用－Gilbert单元西电微电子学院－董刚－模拟集成电路设计14差分放大器简介AIC中非常重要的电路模块对两个信号的差值进行放大相对于共模电平而言，差分信号的大小相等、极性相反优点：抗干扰能力强，高线性度等西电微电子学院－董刚－模拟集成电路设计15抗干扰能力电源线上的干扰会影响共模电平，但不影响差分输出西电微电子学院－董刚－模拟集成电路设计16抗干扰能力时钟线上的干扰会影响共模电平，但不影响差分输出西电微电子学院－董刚－模拟集成电路设计17差分放大器优点抗干扰能力强，高线性度等和单端电路相比，差分电路规模加倍与获得的性能提高相比，这个不算做缺点西电微电子学院－董刚－模拟集成电路设计18本讲差分放大器简介简单差分放大器基本差分对放大器大信号差分特性大信号共模特性小信号差分特性小信号共模特性MOS管做负载的基本差分对放大器差分放大器的应用－Gilbert单元西电微电子学院－董刚－模拟集成电路设计ISS19简单差分电路gm=2IDnCOXWLAv=gmRDVout,CM=VDDRD2缺点：直流偏置电流受输入共模电平影响大，从而影响跨导、增益、输出共模电平等解决：用源端耦合对（差分对）西电微电子学院－董刚－模拟集成电路设计20本讲差分放大器简介简单差分放大器基本差分对放大器大信号差分特性大信号共模特性小信号差分特性小信号共模特性MOS管做负载的基本差分对放大器差分放大器的应用－Gilbert单元西电微电子学院－董刚－模拟集成电路设计ISS21基本差分对电路Vout,CM=VDDRD2直流偏置电流由ISS决定，从而保证跨导、增益、输出共模电平等受输入共模电平影响小西电微电子学院－董刚－模拟集成电路设计22本讲差分放大器简介简单差分放大器基本差分对放大器大信号差分特性大信号共模特性小信号差分特性小信号共模特性MOS管做负载的基本差分对放大器差分放大器的应用－Gilbert单元西电微电子学院－董刚－模拟集成电路设计23大信号差分特性－定性分析输出端的最大电平和最小电平分别是VDD和VDD-RDISS，与输入共模电平无关Vin1=Vin2附近，增益最大，线性度好求(Vout1-Vout2)与(Vin1-Vin2)的函数关系式西电微电子学院－董刚－模拟集成电路设计1224大信号差分特性－定量分析思路：Vout1-Vout2=-RD(ID1-ID2)；求出ID1-ID2=f(Vin1-Vin2)即可ID=nCOX2WLVin4ISSnCOXWLVin西电微电子学院－董刚－模拟集成电路设计12WL25大信号差分特性－定量分析不合理ID=nCOX2WLVin4ISSnCOXWLVin当ΔVin=0时，out=0当Vin=4ISSnCOX时，Vout=0西电微电子学院－董刚－模拟集成电路设计12WL26大信号差分特性－定量分析当Vin=4ISSnCOXWL时，Vout=0ID=nCOX2WLVin4ISSnCOXWLVin当Vin2ISSnCOX时,已有一个MOS管截止西电微电子学院－董刚－模拟集成电路设计27本讲差分放大器简介简单差分放大器基本差分对放大器大信号差分特性大信号共模特性小信号差分特性小信号共模特性MOS管做负载的基本差分对放大器差分放大器的应用－Gilbert单元西电微电子学院－董刚－模拟集成电路设计28大信号共模特性VGS1+VOV3Vin,CMmin[VDDRDISS2+VTH,VDD]西电微电子学院－董刚－模拟集成电路设计29本讲差分放大器简介简单差分放大器基本差分对放大器大信号差分特性大信号共模特性小信号差分特性小信号共模特性MOS管做负载的基本差分对放大器差分放大器的应用－Gilbert单元西电微电子学院－董刚－模拟集成电路设计214ISSW4ISSW2230小信号差分特性－等价跨导公式从大信号结果入手计算小信号差分增益Gm=IDVinID=12nCOXWLVin4ISSnCOXWLVinGm=nCOX2WL2VinnCOXLVinnCOXL西电微电子学院－董刚－模拟集成电路设计14ISSWCLL4ISSWW2231小信号差分特性－等价跨导曲线Gm=nCOX2WnOXnCOX2VinVinLVin1=Gm,max=2ISSnCOXnCOXLWLISS西电微电子学院－董刚－模拟集成电路设计=32小信号差分特性－差模增益Av=VoutVinVout=Vout1Vout2=RDIDAv=VoutVoutIDVinIDVin=RDGm全差分输入时的增益Av=RDnCOXWLISS西电微电子学院－董刚－模拟集成电路设计33小信号差分特性－用叠加法求全差分时的差模增益从小信号角度入手，计算小信号差分增益问题1：在电路完全对称、直流偏置电压相同的情况下，差分输入端施加两个彼此独立的信号Vin1和Vin2，计算（Vout1-Vout2）/（Vin1-Vin2）思路：用叠加法计算。先分别计算Vin1和Vin2与Vout1-Vout2的函数关系西电微电子学院－董刚－模拟集成电路设计34小信号差分特性－用叠加法求全差分时的差模增益第一步：令Vin2＝0，计算Vin1与Vout1-Vout2的函数关系计算Vin1与Vout1的函数关系带负反馈的共源放大级，负反馈电阻为1/gm2VX=西电微电子学院－董刚－模拟集成电路设计gmRD2Vin135小信号差分特性－用叠加法求全差分时的差模增益计算Vin1与Vout2的函数关系用共栅级的结论VY=gmRD2Vin1戴维宁定理西电微电子学院－董刚－模拟集成电路设计gmRDgmRD36小信号差分特性－用叠加法求全差分时的差模增益第一步：令Vin2＝0，计算Vin1与Vout1-Vout2的函数关系VX=Vin1VY=Vin122(VXVY)Vin1引起的=gmRDVin1第二步：令Vin1＝0，计算Vin2与Vout1-Vout2的函数关系(VXVY)Vin2引起的=gmRDVin2西电微电子学院－董刚－模拟集成电路设计=gmRD37小信号差分特性－用叠加法求全差分时的差模增益(VXVY)Vin1引起的=gmRDVin1(VXVY)Vin2引起的=gmRDVin2(VXVY)Vin1和Vin2共同引起的=gmRD(Vin1Vin2)第三步：用叠加定理，求得Vin1-Vin2与Vout1-Vout2的函数关系(VXVY)Vin1和Vin2共同引起的Vin1Vin2西电微电子学院－董刚－模拟集成电路设计=gmRD38小信号差分特性－用叠加法求全差分时的差模增益(VXVY)Vin1引起的=gmRDVin1(VXVY)Vin2引起的=gmRDVin2(VXVY)Vin1和Vin2共同引起的Vin1Vin2结论：1、单边输入时差模增益为-gmRD2、差分输入时差模增益为-gmRD3、单边输入时单端输出增益为-gmRD/2VX=gmRD2Vin1VY=gmRD2Vin1西电微电子学院－董刚－模拟集成电路设计39小信号差分特性－用半电路法求全差分时差模增益证明：如果电路完全对称，Vin1从V0变化到V0＋ΔVin，Vin2从V0变化到V0-ΔVin，变化过程大小相等、方向相反且电路仍保持为线性，则VP的值保持不变（即为交流地）证明过程参看教材重要结论：在全差分输入的情况下，P点为交流地西电微电子学院－董刚－模拟集成电路设计40小信号差分特性－用半电路法求全差分时差模增益“全差分输入时P点为交流地”这一结论可简化差模增益的推导半电路分析法VX=gmRDVin1VY=gmRDVin1VXVYVXVY=2gmRDVin12Vin1西电微电子学院－董刚－模拟集成电路设计=gmRD++41小信号差分特性—非全差分时差模增益的计算当输入不是“全差分”时，计算差模增益(Vout1-Vout2)/(Vin1-Vin2)？“非全差分”的含义：输入信号Vin1和Vin2不是大小相等、方向相反VP不是交流地，计算很复杂简化的计算方法：将输入信号划分为共模分量（纯共模输入部分）和差模分量（全差分输入部分），对这两部分分别计算后再用叠加定理Vin1=Vin1Vin2Vin1+Vin222Vin2=Vin2Vin1Vin1+Vin222西电微电子学院－董刚－模拟集成电路设计++42小信号差分特性—非全差分时差模增益的计算Vin1=Vin1Vin2Vin1+Vin222Vin2=Vin2Vin1Vin1+Vin222差模分量共模分量西电微电子学院－董刚－模拟集成电路设计43小信号差分特性—非全差分时差模增益的计算差模分量用半电路法计算VXVY=gm(RDrO)(Vin1Vin2)西电微电子学院－董刚－模拟集成电路设计44小信号差分特性—非全差分时差模增益的计算共模分量若电路完全对称，则流过M1和M2管的直流电流总为ISS/2，不随Vin,CM的变化而变化，因此，VX和VY不变重要结论：理想差分对只放大输入信号的差模部分，不放大共模部分实际的差分对并不“理想”，对共模部分仍有