CMOS集成電路設(shè)計(jì)-拉扎維4差分放大器

1、 差動放大器差動放大器Ch.4 # 1第四章第四章差分放大器差分放大器說說 明明 知識結(jié)構(gòu)基本完整，有一些知識結(jié)構(gòu)基本完整，有一些“設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)”經(jīng)驗(yàn)后，才能夠經(jīng)驗(yàn)后，才能夠?qū)@門課有更好的認(rèn)識對這門課有更好的認(rèn)識 通過對運(yùn)放的學(xué)習(xí)，運(yùn)用和理解前面所學(xué)的知識通過對運(yùn)放的學(xué)習(xí)，運(yùn)用和理解前面所學(xué)的知識小信號等效電路小信號等效電路 很多同學(xué)不會畫很多同學(xué)不會畫 有些先修知識要靠大家課下抽時間去補(bǔ)有些先修知識要靠大家課下抽時間去補(bǔ)MOS管的低頻小信管的低頻小信號等效電路號等效電路MOS管的小信號管的小信號模型是基礎(chǔ)模型是基礎(chǔ)小信號等效電路小信號等效電路 MOS管的高頻小信號等效電路管的高頻小信號等效電路

2、 在分析高頻特性時才用到該模型在分析高頻特性時才用到該模型小信號等效電路小信號等效電路 實(shí)例實(shí)例 帶源極負(fù)反饋的放大級帶源極負(fù)反饋的放大級 電阻做負(fù)載的共源級電阻做負(fù)載的共源級 增益有非線性增益有非線性 電阻值不能太大（否則擺幅小，或所占面積電阻值不能太大（否則擺幅小，或所占面積大）因此增益較小大）因此增益較小DmvRgA 電阻做負(fù)載的共源級電阻做負(fù)載的共源級 二極管接法的二極管接法的MOS 管做負(fù)載的共源級管做負(fù)載的共源級 線性度好，輸出擺幅小，增益不能太大（否線性度好，輸出擺幅小，增益不能太大（否則擺幅小、帶寬小）則擺幅小、帶寬?。〢v (W / L)1(W / L)21121)/()/(

3、LWLWApnv二極管接法的二極管接法的MOS 管做負(fù)載的共源級管做負(fù)載的共源級 電流源做負(fù)載的共源級電流源做負(fù)載的共源級 增益大增益大Av gmro1| ro2電流源做負(fù)載的共源級電流源做負(fù)載的共源級 帶源極負(fù)反饋的共源級帶源極負(fù)反饋的共源級 Rs使使Gm和增益變?yōu)楹驮鲆孀優(yōu)間m的弱函數(shù)，提高線性度的弱函數(shù)，提高線性度 輸出電阻大輸出電阻大 犧牲了增益犧牲了增益ROUT 1 (gm gmb)roRS roSmDSmDmvRgRRgRgA/1 1帶源極負(fù)反饋的共源級帶源極負(fù)反饋的共源級 共漏級源跟隨器共漏級源跟隨器 Rin大，大，Rout小，輸出擺幅小小，輸出擺幅小，增益有百分之幾非線性；，增

4、益有百分之幾非線性；PMOS管能消除體效應(yīng)，提高管能消除體效應(yīng)，提高線性度，但輸出阻抗大；電壓線性度，但輸出阻抗大；電壓緩沖器、電壓平移緩沖器、電壓平移共漏級源跟隨器共漏級源跟隨器mbmoutggR1共漏級源跟隨器共漏級源跟隨器源跟隨器輸入輸出特性呈現(xiàn)顯著的非線性。為了緩解這一問題，源跟隨器輸入輸出特性呈現(xiàn)顯著的非線性。為了緩解這一問題，可以用一個電流源代替電阻。電流源由工作在飽和區(qū)的可以用一個電流源代替電阻。電流源由工作在飽和區(qū)的NMOS管管來實(shí)現(xiàn)。電路如下圖：來實(shí)現(xiàn)。電路如下圖： 共柵級共柵級 Rin大，大，Rout小，增益高小，增益高mbmOmbmDOmbmODinggrggRrggrR

5、R1)()(1Rout1 (gm gmb)roRS ro| RD共柵級共柵級DDSSOmbmOOmbminoutRRRRrggrrggVV)(1)( 共源共柵級共源共柵級 Rout大，高增益，屏蔽特性好大，高增益，屏蔽特性好1outvmAgR21222)(1OOOmbmoutrrrggR不足：輸出擺幅受不足：輸出擺幅受一定影響一定影響共源共柵級共源共柵級第四章第四章差分放大器差分放大器4.1 單端與差動的工作方式單端與差動的工作方式單端信號的參考電位為一固定電位單端信號的參考電位為一固定電位(常為地電位常為地電位) 差動信號定義為兩個結(jié)點(diǎn)電位之差差動信號定義為兩個結(jié)點(diǎn)電位之差, 且這兩個結(jié)點(diǎn)且

6、這兩個結(jié)點(diǎn)的電位相對于某一的電位相對于某一固定電位固定電位大小大小相等相等,極性極性相反相反。在。在差動信號中差動信號中, 中心中心固定電位固定電位稱為稱為“共模共模”(CM)電平電平共模電平共模電平差動工作比單端工作有什么優(yōu)點(diǎn)差動工作比單端工作有什么優(yōu)點(diǎn)?定義： 差模輸入電壓vID = v1 - v2 共模輸入電壓vIC = (v1 +v2 )/2v1 = vIC + vID/2v2= vIC - vID/2用差分放大器消除時鐘噪聲用差分放大器消除時鐘噪聲差動工作與單端工作相比差動工作與單端工作相比, 一個一個重要優(yōu)勢在于它對環(huán)境噪聲具有重要優(yōu)勢在于它對環(huán)境噪聲具有更強(qiáng)的抗干擾能力更強(qiáng)的抗干

7、擾能力!單端工作時時鐘大單端工作時時鐘大信號通過寄生電容信號通過寄生電容干擾放大的小信號干擾放大的小信號V01V02V01- V02極性相反的兩路受干極性相反的兩路受干擾小信號擾小信號, 差動輸出差動輸出時干擾消除了時干擾消除了!用差分放大器消除時鐘噪聲用差分放大器消除時鐘噪聲 對稱差動時鐘大信號通過寄生電容耦合對稱差動時鐘大信號通過寄生電容耦合到小信號的噪聲因極性相反而相互抵消到小信號的噪聲因極性相反而相互抵消差動工作還有什么優(yōu)點(diǎn)差動工作還有什么優(yōu)點(diǎn)?差分放大器的優(yōu)點(diǎn)差分放大器的優(yōu)點(diǎn)電源噪聲電源噪聲對單端電路產(chǎn)生的干擾對單端電路產(chǎn)生的干擾差動輸出時電差動輸出時電源噪聲產(chǎn)生的源噪聲產(chǎn)生的干擾消

8、除了干擾消除了差動信號的優(yōu)點(diǎn)：差動信號的優(yōu)點(diǎn)：1. 能有效抑制共模噪聲。能有效抑制共模噪聲。2. 增大了輸出電壓擺幅增大了輸出電壓擺幅(是單端輸出的兩倍是單端輸出的兩倍)。3. 偏置電路更簡單偏置電路更簡單(差分對可以直接耦和差分對可以直接耦和)、輸出線性度更高。、輸出線性度更高。4. 缺點(diǎn)是芯片面積和功耗略有增加缺點(diǎn)是芯片面積和功耗略有增加, 但絕對物有所值但絕對物有所值!如何放大一個差分信號？如何放大一個差分信號？VX- Vy簡單差動電路簡單差動電路簡單差動電路：將兩條簡單差動電路：將兩條相同的單端信號路徑結(jié)相同的單端信號路徑結(jié)合起來合起來,分別處理分別處理兩個差兩個差動相位信號動相位信號

9、Vin1和和Vin2當(dāng)當(dāng)Vin1和和Vin2存在很大的存在很大的共模干擾共模干擾各自的直流電平設(shè)置的各自的直流電平設(shè)置的不好時不好時, 隨著共模電平隨著共模電平VinCM變化變化, M1 和和M2的的偏置電流會變化偏置電流會變化Vin1和和Vin2是差動相位信號是差動相位信號簡單差動電路簡單差動電路輸入共模電平對輸出的影響輸入共模電平對輸出的影響 共模電平共模電平VinCM變化變化, M1 和和M2的偏置電流會變化的偏置電流會變化, 導(dǎo)致導(dǎo)致跨導(dǎo)跨導(dǎo)和和輸出共模電平輸出共模電平變化變化 跨導(dǎo)變化會改變小信號跨導(dǎo)變化會改變小信號增益增益, 輸出共模電平偏離會降低最輸出共模電平偏離會降低最大允許輸

10、出大允許輸出擺幅擺幅, 導(dǎo)致輸出端導(dǎo)致輸出端出現(xiàn)嚴(yán)重失真出現(xiàn)嚴(yán)重失真 應(yīng)使應(yīng)使M1 和和M2偏置電流偏置電流受輸受輸入共模電平的影響盡可能小入共模電平的影響盡可能小如何減小輸入共模電平變化的影響呢如何減小輸入共模電平變化的影響呢?4.2 基本差動對基本差動對Vin1-Vin2足夠負(fù)足夠負(fù), M1截止截止, M2導(dǎo)通導(dǎo)通Vin1-Vin2足夠正足夠正, M1導(dǎo)通導(dǎo)通, M2截止截止Vin1-Vin2相差不大相差不大時時, M1和和M2均導(dǎo)通均導(dǎo)通4.2 基本差動對基本差動對Vin1=Vin2 時時,小信號增益小信號增益(即斜率即斜率)最大最大基本差動對的重要特性基本差動對的重要特性差動對的兩個重

11、要特性差動對的兩個重要特性:1. 輸出輸出端的最大和最小端的最大和最小電平電平是確是確定的定的(分別為分別為VDD和和VDD -RDISS) 。與共模輸人電平無關(guān)。與共模輸人電平無關(guān)。2. Vin1= Vin2時時,小信號增益最大小信號增益最大,隨隨著著| Vin1- Vin2 | 的增加而逐漸減小到的增加而逐漸減小到零。也就是說零。也就是說, 隨著隨著輸入電壓輸入電壓擺幅擺幅的的增大增大,電路變得更加電路變得更加非線性非線性。當(dāng)當(dāng)Vin1= Vin2時時, 我們說電路處于平我們說電路處于平衡狀態(tài)衡狀態(tài), 即即靜態(tài)。靜態(tài)?；静罘謱Φ墓材Ｌ匦曰静罘謱Φ墓材Ｌ匦訴in,CM Vin,CM=0,

12、 M1，M2截止，截止，Id3=0，Vout1= Vout2=Vdd Vin,CMVin,CM Vth時時M1，M2飽和飽和導(dǎo)通導(dǎo)通, M3等效為電阻，等效為電阻， Vin,CM足夠大，足夠大，M3飽和：飽和： Vin,CMVGS1+（VGS3-VTH3） Vin,CM繼續(xù)變大，繼續(xù)變大， M1，M2進(jìn)入進(jìn)入線性區(qū)線性區(qū) ： Vin,CMVout1+VTH=VDD-RDISS/2+VTH基本差分對的共模特性基本差分對的共模特性Vin,CMVinCMmin為保證為保證M1和和M2飽和飽和, VinCMmin=?, VinCMmax =?當(dāng)當(dāng)VPVb-VTN時時, M3工作在線性區(qū)工作在線性區(qū),等

13、效等效于一個小電阻于一個小電阻基本差分對的共模輸入范圍基本差分對的共模輸入范圍1 22 2( () )S SS Si in nC CM MP PT TN NI I= =( (V V- - V V - - V V) )2 22 21 2S S S Si i n n C C M MP PT T N N( () )I IV V= =+ + V V+ + V VS S S Si i n n C C M M m m i i n nb b1 1 ( ( 2 2 ) )I IV V+ + V VS SS SX XD DD DD Di in nC CM MT TN NI IV V= = V V- -R R V

14、 V- - V V2 2S S S Si i n n C C M M m m a a x xD D D DD DT T N NI IV V V V- -R R+ + V V2 2(M3飽和要求飽和要求)(M1飽和要求飽和要求)ISS差動對小信號差動增益與共模輸入電平的關(guān)系差動對小信號差動增益與共模輸入電平的關(guān)系VinCMmaxVinCMminS SS SS SS Sb bi in nC CM MD DD DD DT TN N1 1（ 2 2）I I+ + V VV VV V- -R R+ + V V2 2產(chǎn)生產(chǎn)生ISS的的MOS管線性管線性M1和和M2線性線性共模輸入電壓與輸出擺幅共模輸入電壓

15、與輸出擺幅XYX Xi in nC CM MT TN NV V V V- - V VM1飽和要求飽和要求:上式表明上式表明, 輸入共模電平越大輸入共模電平越大,Vx 越大，越大， 允許輸出的輸出擺幅就允許輸出的輸出擺幅就越小。幸運(yùn)的是越小。幸運(yùn)的是, 因運(yùn)放通常需因運(yùn)放通常需至少兩級放大才能獲得實(shí)際可至少兩級放大才能獲得實(shí)際可使用的放大倍數(shù)使用的放大倍數(shù), 因此對前級的因此對前級的擺幅要求大大降低。擺幅要求大大降低。例例: 若兩級運(yùn)放若兩級運(yùn)放AI=100, AII=400(即即AV=92dB), 假定輸出假定輸出V0=10V, 則第二級的輸入電壓范圍則第二級的輸入電壓范圍(也即第一級的輸出也

16、即第一級的輸出電壓擺幅電壓擺幅)僅需為僅需為: 10V/400= 25mV。第一級的小信號。第一級的小信號輸入范圍僅為輸入范圍僅為: 25mV/100 =250VV?；静罘謱Φ亩糠治龌静罘謱Φ亩糠治?1)在左圖的電阻負(fù)載基本差動對中在左圖的電阻負(fù)載基本差動對中, 記記: Vin=Vin1-Vin2, 且且 1= 2= =n nC COXOX(W/L)(W/L) , ,假定假定M M1 1和和M M2 2均工作在飽和區(qū)均工作在飽和區(qū),I,ISSSS為理想為理想恒流源恒流源, ,則由平方律關(guān)系有則由平方律關(guān)系有: :2 2D DDGSTNGSTNDGSTNGSTN2I2II =(V -V

17、)V=+VI =(V -V )V=+V22D1D2D1D2inGS1GS2inGS1GS22I2I2I2IV= V-V=-V= V-V=-兩邊平方兩邊平方, 且考且考慮到慮到ID1+ ID2= ISS22222 2SSSSinD1 D2D1 D2SSininD1 D2D1 D2SSin2I42I4V=-I I4I I=(I-V)V=-I I4I I=(I-V)22 差動放大器差動放大器Ch.4 # 31基本差分對的定量分析基本差分對的定量分析(2)22222 2SSSSinD1 D2D1 D2SSininD1 D2D1 D2SSin2I42I4V=-I I4I I=(I-V)V=-I I4I

18、I=(I-V)22222222222222DD1D2D1D2D1 D2SSSSinDD1D2D1D2D1 D2SSSSinI=(I-I ) =(I+I ) -4I I=I-(I-V)I=(I-I ) =(I+I ) -4I I=I-(I-V)2 22244()44 2 22222inSSinSSinSSinininSSininVIVIVI VVVI VV2 2SSSSDininDinin4I4II =V-VI =V-V22這是個重要公式這是個重要公式, 可可由此得出以下結(jié)論由此得出以下結(jié)論:1. 靜態(tài)時靜態(tài)時, Vin=0, ID=0, 即即ID1= ID2= ISS/22. ID只有在只有在

19、Vin很小時很小時, 才與才與Vin近視成正比近視成正比SSD Di in nI IV VI I基本差分對的定量分析基本差分對的定量分析(3)3. 為求得最大差模輸入電壓，假定為求得最大差模輸入電壓，假定Vinmax時，時，M1上通過的電上通過的電流恰好為流恰好為ISS，M2剛好截至，即剛好截至，即VGS2=VTN，此時有：，此時有：S SS SG GS S1 1T TN N2 2I IV V= =+ +V VS SS Si in nm ma ax xG GS S1 1G GS S2 22 2I I V V= = V V - -V V= = 差動放大器差動放大器Ch.4 # 33基本差分對的定

20、量分析基本差分對的定量分析(3)3. 為求得最大差模輸入電壓，假定為求得最大差模輸入電壓，假定Vinmax時，時，M1上通過的電上通過的電流恰好為流恰好為ISS，M2剛好截至，即剛好截至，即VGS2=VTN，此時有：，此時有：S SS SG GS S1 1T TN N2 2I IV V= =+ +V VS SS Si in nm ma ax xG GS S1 1G GS S2 22 2I I V V= = V V - -V V= =同理，同理，M1恰好截至，恰好截至，M2上通過的電流恰好為上通過的電流恰好為ISS時，此時有：時，此時有：S SS Si in nm ma ax x2 2I I V

21、 V= = - -故允許輸入的最大差模電壓范圍故允許輸入的最大差模電壓范圍VID為：為：S SS SI ID D2 2I I V V = =（這就是電路能處理信號的最大差模電壓。）（這就是電路能處理信號的最大差模電壓。） 差動放大器差動放大器Ch.4 # 34基本差分對的定量分析基本差分對的定量分析(4)2 2S SS SD Di in ni in n4 4I II I = = V V- -V V2 22 2D DS SS Si in nm m2 2i in nS SS Si in nI I2 2I I- -V VG G = = =V V4 4I I- -V V4. 因：因：M1、M2的等效跨

22、導(dǎo)的等效跨導(dǎo)Gm為：為：靜態(tài)時靜態(tài)時Vin 0， Gm為：為：SSSSmSSmSSI IG = I=2()G = I=2()2 2又又V01-V02RD ID RD Gm Vin，故，故平衡態(tài)下的小信號差動電壓增益平衡態(tài)下的小信號差動電壓增益AV為：為：SSSSVSSDDVSSDDI IA = I R =2()RA = I R =2()R2 2差分放大器的增益差分放大器的增益2 2D DS SS Si in nm m2 2i in nS SS Si in nI I2 2I I- -V VG G = = =V V4 4I I- -V V0 01 10 02 2S SS SV VS SS SD D

23、D Di in n1 1i in n2 2V V - -V VI IA A = = = I I R R = =2 2( () )R RV V- -V V2 2同單級共源放大器的增益同單級共源放大器的增益S SS Sm mS SS SI IG G= =I I= =2 2( () )2 2漏極電流和漏極電流和Gm隨輸入電壓變化曲線隨輸入電壓變化曲線差分對的小信號特性差分對的小信號特性(1)差分對的小信號特性差分對的小信號特性(1)差分對的小信號特性差分對的小信號特性(1)差分對的小信號特性差分對的小信號特性(1)S Sm m2 2m m1 11 1R R= = =g gg gm mD Dm mD

24、DV VX Xm mS Sg g R Rg g R RA A = =- -= =- -1 1+ +g g R R2 2這是帶負(fù)反饋電這是帶負(fù)反饋電阻阻RS的的CS放大器放大器RD1RD2=RD gm1gm2=gmm mD DX XV VX X i in ni in n1 11 1g g R RV V = =A A V V= =- -V V2 2利用疊加定理利用疊加定理,先考慮先考慮Vin1的的作用作用,先求先求VX差分對的小信號特性差分對的小信號特性(2)差分對的小信號特性差分對的小信號特性(2)利用疊加定理利用疊加定理,先考慮先考慮Vin1的的作用作用,再求再求VYVT=VinT Tm m1

25、 1m m1 11 1R R = = =g gg g這是這是CG放大器放大器RL1求開路電壓求開路電壓VT利用小信號等利用小信號等效電路效電路,可求得可求得:L L1 1L L1 1m m1 1L L1 1T TR Ri in ni in nR Rm m1 1L L1 1g g R RV V = = l li im m V V= =V V= = V V1 1+ + g g R RL L1 1m m1 1L L1 1R Ri in nm m1 1L L1 1g g R RV V= =V V1 1+ + g g R R差分對的小信號特性差分對的小信號特性(2)差分對的小信號特性差分對的小信號特性(

26、3)m mD DY YV VX XT Ti in n1 1g g R RV V = = A A V V = =V V2 2m mD DX XV VX X i in ni in n1 11 1g g R RV V = = A A V V= = - -V V2 2(VX-VY ) |Vin1=Vin=-gmRD因電路對稱因電路對稱,故除了極性相反外故除了極性相反外,Vin2在在X和和Y點(diǎn)產(chǎn)生的作用和點(diǎn)產(chǎn)生的作用和Vin1效果一樣效果一樣:(VX-VY ) |Vin2=-Vin=-gmRD Vin1和和Vin2共同作用時共同作用時, (VX-VY )的增益為的增益為: i in n1 1i in n

27、i in n2 2i in nX XY YV V= =V VX XY YV V= =- -V Vm mD Dm mD Di in n1 1i in n2 2i in ni in n( (V V - -V V ) )| |+ +( (V V - -V V ) )| |- -2 2g g R R= =g g R RV V- -V VV V - -( (- -V V ) )VinVinVin差分對增益與差分對增益與CS放大器增益的比較放大器增益的比較 如果差分對的尾電流如果差分對的尾電流ISS與與CS放大器的靜態(tài)工作電流相放大器的靜態(tài)工作電流相同同, 則差分對管的跨導(dǎo)則差分對管的跨導(dǎo) gm 只有只有

28、CS放大器中放大器中MOS管跨導(dǎo)管跨導(dǎo)的的 1/2。即差分對的增益只有。即差分對的增益只有CS放大器的放大器的1/2 。 如果兩種放大器中如果兩種放大器中MOS管的管的(W/L)和負(fù)載和負(fù)載RD均相同均相同, 為為了得到相同的增益了得到相同的增益, 若若 CS 放大器中靜態(tài)工作電流為放大器中靜態(tài)工作電流為ISS, 則差分對中的尾電流必須等于則差分對中的尾電流必須等于 2ISS 。 差分對是以更大的功耗來獲取抗干擾能力、更好的線性差分對是以更大的功耗來獲取抗干擾能力、更好的線性。若不使用差分對，即使將若不使用差分對，即使將CS放大器功耗增加一倍，放大器功耗增加一倍，也不可能獲得與差分對相同的特性

29、。也不可能獲得與差分對相同的特性。S SS Sm mS SS SI IG G= =I I= =2 2( () )2 2 方法二（方法二（半邊電路半邊電路）輔助定理：輔助定理： 考慮圖中所示的考慮圖中所示的對稱電路對稱電路，其中，其中D1和和D2代表任何三端有代表任何三端有源器件。假設(shè)源器件。假設(shè)Vin1從從V0變化到變化到V0+ Vin， Vin2從從V0變化到變化到V0-Vin，那么，如果電路仍保持線性，則，那么，如果電路仍保持線性，則Vp值保持不變。值保持不變。假定假定0。輔助定理說明了輔助定理說明了P點(diǎn)可以認(rèn)為是點(diǎn)可以認(rèn)為是“交流地交流地”，即，即“虛地虛地”。差動對的差動對的“虛地虛地

30、”概念概念1. 上圖，上圖，D1和和D2表示任何三端有源器件，假定表示任何三端有源器件，假定Vin1從從V0變化變化到到V0+Vin，Vin2從從V0變化到變化到 V0-Vin，如果電路仍保持，如果電路仍保持線性，則線性，則VP值不變值不變。2. 在差模小信號作用下，差分對在差模小信號作用下，差分對VP值不變，值不變，P點(diǎn)為點(diǎn)為“虛地虛地”點(diǎn)，即差模小信號等效電路中點(diǎn)，即差模小信號等效電路中P點(diǎn)可看成點(diǎn)可看成“交流地交流地”。利用利用P點(diǎn)虛地（交流地）的特點(diǎn)，電路可等效為兩個點(diǎn)虛地（交流地）的特點(diǎn)，電路可等效為兩個獨(dú)立的部分，即獨(dú)立的部分，即“半邊電路半邊電路”概念。概念。“虛地虛地”的應(yīng)用差

31、分對的半邊電路的應(yīng)用差分對的半邊電路VX=-gmRDVin1, VY=-gmRD (-Vin1 )= gmRDVin1 X XY Ym mD D i in n1 1m mD Di in n1 1i in n2 2i in n1 1i in n1 1V V - -V V- -2 2g g R R V V= =g g R RV V- -V VV V- -( (- -V V) )任意輸入信號的差分對任意輸入信號的差分對采用疊加定理采用疊加定理差模響應(yīng)差模響應(yīng)共模響應(yīng)共模響應(yīng) 如果兩個差動對的輸入信號不是全差動的，可以將此如果兩個差動對的輸入信號不是全差動的，可以將此任意信號表示為差模分量和共模分量。

32、任意信號表示為差模分量和共模分量。非全差分輸入電路非全差分輸入電路運(yùn)放差模運(yùn)放差模(共模共模)信號、差模信號、差模(共模共模)增益的關(guān)系增益的關(guān)系如果兩個差動對的輸入信號不是全差動的，對于任意的輸入信號Vin+、Vin-，均可寫作：根據(jù)線性系統(tǒng)的疊加定理根據(jù)線性系統(tǒng)的疊加定理,運(yùn)放總的輸出電壓運(yùn)放總的輸出電壓V0即是即是圖圖(A)、 (B)兩個輸出的疊兩個輸出的疊加加, 即即:V0=V01+V02圖圖(A)圖圖(B)非理想性包括：非理想性包括：尾電流源尾電流源ISS的內(nèi)阻的內(nèi)阻RSS不是無窮大不是無窮大電路不對稱電路不對稱RD1和和RD2之間有失配之間有失配 M1和和M2之間有失配（之間有失配

33、（W/L、VTH等）等）差動電路對共模擾動影響具有抑制作用，理想差動電路的共模增益為0；但是實(shí)際上有以下一些非理想的因素4.3 差分放大器的共模響應(yīng)差分放大器的共模響應(yīng)小信號共模特性小信號共模特性RSS對共模響應(yīng)的影響對共模響應(yīng)的影響假設(shè)電路完全對稱，假設(shè)電路完全對稱，VP隨隨Vin,CM的變化而的變化而變化。若變化。若Rss為有限大小，則尾電流隨為有限大小，則尾電流隨VP增加而增加，增加而增加， Vout1和和Vout2會隨之減小。會隨之減小。但但Vout1和和Vout2仍然相等，不引入差分增益仍然相等，不引入差分增益小信號共模特性小信號共模特性RSS對共模響應(yīng)的影響對共模響應(yīng)的影響4.3

34、差分放大器的共模響應(yīng)差分放大器的共模響應(yīng)SSSSm mD DCMCMin,in,outoutv vR R) )1/(2g1/(2g/2/2R R V VV VA A共模響應(yīng)時共模響應(yīng)時,VX=VY,即即X和和Y始終短接始終短接M1和和M2的跨導(dǎo)并聯(lián)的跨導(dǎo)并聯(lián)共模增益為：共模增益為：例例 共模輸入電壓變化帶來的影響共模輸入電壓變化帶來的影響左圖中用一個電阻來提供左圖中用一個電阻來提供1mA的尾電流的尾電流,已知已知(W/L)=25/0.5, nCOX=50 A/V2,VT=0.6V, = =0, VDD=3V。求：。求：1. 如果如果RSS上的壓降保持在上的壓降保持在0.5V,則輸入則輸入共模電

35、平共模電平?2. 計(jì)算差模增益等于計(jì)算差模增益等于5時的時的RD？3. 如果輸入共模電平比如果輸入共模電平比(1)計(jì)算出的值大計(jì)算出的值大200mV，則輸出如何變化，則輸出如何變化?因因ID1= ID2=0.5mA，故：，故：S SS SG GS S1 1, ,2 2T TN NI IV V= =+ + V V= = 1 1. .2 23 3V V VinCMVGS1+VRSS1.23+0.51.73V因因m mD D1 1g g = =2 2I I= = 1 1 / /( (6 63 32 2) ), 所以所以AV=5時時, RD3.16K , 此時此時當(dāng)當(dāng)VinCM增加增加200mV, 則

36、則| VX,Y|= VinCMRD/(2RSS+1/gm) 0.4VVX=VY=3-0.5*3.16=1.42V此時此時,Vout=1.42-0.4 1.02V, Vg=1.73+0.2=1.98V, M1(2)已進(jìn)入線性區(qū)。已進(jìn)入線性區(qū)?；静顒訉﹄娮枋鋵材ｍ憫?yīng)的影響基本差動對電阻失配對共模響應(yīng)的影響 ) )R R(R(RR R2g2g1 1g gV VV VR RR R2g2g1 1g gV VV VD DD DSSSSm mm mCMCMin,in,Y YD DSSSSm mm mCMCMin,in,X X基本差分對輸入管失配時的共模響應(yīng)基本差分對輸入管失配時的共模響應(yīng)基本差分對輸入

37、管失配時的共模響應(yīng)基本差分對輸入管失配時的共模響應(yīng)基本差分對輸入管失配時的共模響應(yīng)基本差分對輸入管失配時的共模響應(yīng)基本差分對輸入管失配時的共模響應(yīng)基本差分對輸入管失配時的共模響應(yīng)ID1.2=gm1.2（Vin-Vp）(gm1+gm2)(VinCM-VP)RSS=VP X XY Ym m1 1m m2 2m mD DC CM M- -D DM MD Di in nC CM Mm m1 1m m2 2S SS Sm m1 1m m2 2S SS SV V - -V Vg g- -g gg g R RA A= = - -R RV V1 1+ +( (g g+ +g g ) )R R1 1+ +( (

38、g g+ +g g ) )R Rm m1 1m m2 2S SS SP Pi in nC CM Mm m1 1m m2 2S SS S( (g g + +g g ) )R RV V = =V V1 1+ +( (g g + +g g ) )R Rm m2 2D DY Ym m2 2i in nC CM MP PD Di in nC CM Mm m1 1m m2 2S SS Sg g R RV V = =- -g g ( (V V- -V V ) )R R = =- -V V1 1+ +( (g g + +g g ) )R Rm m1 1D DX Xm m1 1i in nC CM MP PD Di in nC CM Mm m1 1m m2 2S SS Sg g R RV V = =- -g g ( (V V- -V V ) )R R = =- -V V1 1+ +( (g g + +