第4章差分放大器

1、模擬集成電路原理第4章 差分放大器董剛微電子學(xué)院12小信號等效電路MOS管的小信管的小信號模型是基礎(chǔ)MOS管的低頻小管的低頻小信號等效電路西電微電子學(xué)院董剛模擬集成電路設(shè)計3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在分析高頻特性時才用到該模型第6章“頻率特性”開始用到西電微電子學(xué)院董剛模擬集成電路設(shè)計4小信號等效電路實例 帶源極負(fù)反饋的放大級西電微電子學(xué)院董剛模擬集成電路設(shè)計5上一章放大器基礎(chǔ)知識電阻做負(fù)載的共源級增益有非線性，電阻精度差或面積大A v = g m R D西電微電子學(xué)院董剛模擬集成電路設(shè)計6上一章二極管接法的MOS 管做負(fù)載的共源級線性度好，輸出擺幅小，

2、增益不能太大（否則擺幅小、帶寬小）Av = (W / L)1 1(W / L)2 1 + A v = n (W / L ) 1 p (W / L ) 2西電微電子學(xué)院董剛模擬集成電路設(shè)計7上一章電流源做負(fù)載的共源級增益大Av = gm ro1 | ro2西電微電子學(xué)院董剛模擬集成電路設(shè)計 W 8上一章深線性區(qū)MOS管做負(fù)載的共源級輸出擺幅大（可以為VDD）得到精準(zhǔn)的Ron2比較困難；受工藝、溫度變化影響比較大，產(chǎn)生穩(wěn)定、精確的Vb比較難RON 2 =nCox L 21(VDD Vb | VTHP |)Av = gm RON2西電微電子學(xué)院董剛模擬集成電路設(shè)計9上一章帶源極負(fù)反饋的共源級Rs使G

3、m和增益變?yōu)間m的弱函數(shù)，提高線性度輸出電阻大ROUT = 1 + (gm + gmb )ro RS + ro犧牲了增益A v = G m R D= g m R D1 + g m R S西電微電子學(xué)院董剛模擬集成電路設(shè)計1 1=10上一章共漏級源跟隨器Rin大，大，Rout小，輸出擺幅小，輸出擺幅小，增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，帶寬降低；電壓緩沖器、電壓平移Av =gm RS1+ (gm + gmb )RS1gm RS+ (1+) 1+Av =g m1 (rO1 rO1 )1 + g m1 (rO1 rO1 )Rout=1g m

4、+ g mb西電微電子學(xué)院董剛模擬集成電路設(shè)計+11上一章共柵級Rin小，小，Rout大大Av = gm(1+)RDRin = 1/gm (1+)Rin =RD + rO RD 11 + ( g m + g mb )rO ( g m + g mb )rO g m + g mbRout = 1 + (gm + gmb )ro RS + ro | RD西電微電子學(xué)院董剛模擬集成電路設(shè)計12上一章共源共柵級Rout大，高增益，屏蔽特性好大，高增益，屏蔽特性好A v = g m 1 R D不足：輸出擺幅受一定影響主要應(yīng)用：電流源共源共柵OPA折疊共源共柵OPA等等R out = 1 + ( g m 2

5、 + g mb 2 ) rO 2 rO 1 + rO 2西電微電子學(xué)院董剛模擬集成電路設(shè)計13本講差分放大器簡介簡單差分放大器基本差分對放大器大信號差分特性大信號共模特性小信號差分特性小信號共模特性MOS管做負(fù)載的基本差分對放大器管做負(fù)載的基本差分對放大器差分放大器的應(yīng)用Gilbert單元西電微電子學(xué)院董剛模擬集成電路設(shè)計14差分放大器簡介AIC中非常重要的電路模塊中非常重要的電路模塊對兩個信號的差值進(jìn)行放大相對于共模電平而言，差分信號的大小相等、極性相反優(yōu)點：抗干擾能力強(qiáng)，高線性度等西電微電子學(xué)院董剛模擬集成電路設(shè)計15抗干擾能力電源線上的干擾會影響共模電平，但不影響差分輸出西電微電子學(xué)院董

6、剛模擬集成電路設(shè)計16抗干擾能力時鐘線上的干擾會影響共模電平，但不影響差分輸出西電微電子學(xué)院董剛模擬集成電路設(shè)計17差分放大器優(yōu)點抗干擾能力強(qiáng)，高線性度等和單端電路相比，差分電路規(guī)模加倍與獲得的性能提高相比，這個不算做缺點西電微電子學(xué)院董剛模擬集成電路設(shè)計18本講差分放大器簡介簡單差分放大器基本差分對放大器大信號差分特性大信號共模特性小信號差分特性小信號共模特性MOS管做負(fù)載的基本差分對放大器管做負(fù)載的基本差分對放大器差分放大器的應(yīng)用Gilbert單元西電微電子學(xué)院董剛模擬集成電路設(shè)計ISS19簡單差分電路g m =2 I D n C OXWLAv = g m R DVout,CM = VDD

7、 RD2缺點：直流偏置電流受輸入共模電平影響大，從而影響跨導(dǎo)、增益、輸出共模電平等解決：用源端耦合對（差分對）西電微電子學(xué)院董剛模擬集成電路設(shè)計20本講差分放大器簡介簡單差分放大器基本差分對放大器大信號差分特性大信號共模特性小信號差分特性小信號共模特性MOS管做負(fù)載的基本差分對放大器管做負(fù)載的基本差分對放大器差分放大器的應(yīng)用Gilbert單元西電微電子學(xué)院董剛模擬集成電路設(shè)計ISS21基本差分對電路Vout,CM =VDD RD2直流偏置電流由ISS決定，從而保證跨導(dǎo)、增益、輸出共模電平等受輸入共模電平影響小西電微電子學(xué)院董剛模擬集成電路設(shè)計22本講差分放大器簡介簡單差分放大器基本差分對放大器

8、大信號差分特性大信號共模特性小信號差分特性小信號共模特性MOS管做負(fù)載的基本差分對放大器管做負(fù)載的基本差分對放大器差分放大器的應(yīng)用Gilbert單元西電微電子學(xué)院董剛模擬集成電路設(shè)計23大信號差分特性定性分析輸出端的最大電平和最小電平分別是VDD和VDD-RDISS，與輸入共模電平無關(guān)Vin1=Vin2附近，增益最大，線性度好求(Vout1-Vout2)與與(Vin1-Vin2)的函數(shù)關(guān)系式西電微電子學(xué)院董剛模擬集成電路設(shè)計1224大信號差分特性定量分析思路：Vout1-Vout2=-RD(ID1-ID2)；求出；求出ID1-ID2=f(Vin1-Vin2)即可即可 I D= n C OX2W

9、L V in4 I SS n C OXWL V in西電微電子學(xué)院董剛模擬集成電路設(shè)計12WL25大信號差分特性定量分析不合理 I D= n C OX2WL V in4 I SS n C OXWL V in當(dāng)Vin=0時，時， Vout=0當(dāng) V in =4 I SS n C OX時， V out = 0西電微電子學(xué)院董剛模擬集成電路設(shè)計12WL26大信號差分特性定量分析當(dāng) Vin =4 I SS n C OXWL時， Vout = 0 I D= n C OX2WL V in4 I SS n C OXWL V in當(dāng) V in 2 I SS n C OX時 ,已有一個MOS 管截止西電微電子學(xué)

10、院董剛模擬集成電路設(shè)計27本講差分放大器簡介簡單差分放大器基本差分對放大器大信號差分特性大信號共模特性小信號差分特性小信號共模特性MOS管做負(fù)載的基本差分對放大器管做負(fù)載的基本差分對放大器差分放大器的應(yīng)用Gilbert單元西電微電子學(xué)院董剛模擬集成電路設(shè)計28大信號共模特性VGS 1 + VOV 3 Vin ,CM minVDD RD I SS2+ VTH ,VDD 西電微電子學(xué)院董剛模擬集成電路設(shè)計29本講差分放大器簡介簡單差分放大器基本差分對放大器大信號差分特性大信號共模特性小信號差分特性小信號共模特性MOS管做負(fù)載的基本差分對放大器管做負(fù)載的基本差分對放大器差分放大器的應(yīng)用Gilbert

11、單元西電微電子學(xué)院董剛模擬集成電路設(shè)計214 I SSW4 I SSW2230小信號差分特性等價跨導(dǎo)公式從大信號結(jié)果入手計算小信號差分增益Gm =I DVin I D=12 n C OXWL V in4 I SS n C OXWL V inGm = n COX2WL 2 Vin n C OXL Vin n COXL西電微電子學(xué)院董剛模擬集成電路設(shè)計14 I SSW CLL4 I SSWW2231小信號差分特性等價跨導(dǎo)曲線Gm = n COX2W n OX n COX 2 Vin VinL Vin1 =G m , max =2 I SS n C OX n C OXLWLI SS西電微電子學(xué)院董剛

12、模擬集成電路設(shè)計=32小信號差分特性差模增益Av =VoutVinVout = Vout 1 Vout 2 = RD I DAv =Vout Vout I DVin I D Vin= RD Gm全差分輸入時的增益Av = RD n C OXWLI SS西電微電子學(xué)院董剛模擬集成電路設(shè)計33小信號差分特性用疊加法求全差分時的差模增益從小信號角度入手，計算小信號差分增益問題1：在電路完全對稱、直流偏置電壓相同的情況下，差分輸入端施加兩個彼此獨立的信號Vin1和Vin2，計算（Vout1-Vout2）/ （Vin1-Vin2）思路：用疊加法計算。先分別計算Vin1和Vin2與Vout1-Vout2的

13、函數(shù)關(guān)系西電微電子學(xué)院董剛模擬集成電路設(shè)計34小信號差分特性用疊加法求全差分時的差模增益第一步：令Vin20，計算Vin1與Vout1-Vout2的函數(shù)關(guān)系計算Vin1與Vout1的函數(shù)關(guān)系帶負(fù)反饋的共源放大級，負(fù)反饋電阻為1/gm2VX =西電微電子學(xué)院董剛模擬集成電路設(shè)計 g m RD2Vin135小信號差分特性用疊加法求全差分時的差模增益計算Vin1與Vout2的函數(shù)關(guān)系用共柵級的結(jié)論VY =g m RD2Vin1戴維寧定理西電微電子學(xué)院董剛模擬集成電路設(shè)計 gm RD g m RD36小信號差分特性用疊加法求全差分時的差模增益第一步：令Vin20，計算Vin1與Vout1-Vout2的

14、函數(shù)關(guān)系VX = Vin1 VY = Vin12 2(VX VY )Vin 1引起的 = g m RDVin1第二步：令Vin10，計算Vin2與Vout1-Vout2的函數(shù)關(guān)系(V X VY )Vin 2引起的 = g m RDVin 2西電微電子學(xué)院董剛模擬集成電路設(shè)計= gmRD37小信號差分特性用疊加法求全差分時的差模增益(VX VY )Vin1引起的 = gm RDVin1 (VX VY )Vin 2引起的 = gm RDVin2(VX VY )Vin1和Vin2共同引起的= gmRD (Vin1 Vin2 )第三步：用疊加定理，求得Vin1-Vin2與Vout1-Vout2的函數(shù)關(guān)

15、系(VX VY )Vin1和Vin2共同引起的Vin1 Vin2西電微電子學(xué)院董剛模擬集成電路設(shè)計= gmRD38小信號差分特性用疊加法求全差分時的差模增益(VX VY )Vin1引起的 = gm RDVin1 (VX VY )Vin 2引起的 = gm RDVin2(VX VY )Vin1和Vin2共同引起的Vin1 Vin2結(jié)論：1、單邊輸入時差模增益為、單邊輸入時差模增益為-gmRD2、差分輸入時差模增益為、差分輸入時差模增益為-gmRD3、單邊輸入時單端輸出增益為、單邊輸入時單端輸出增益為-gmRD/2VX = g m RD2Vin1 VY =g m RD2Vin1西電微電子學(xué)院董剛模

16、擬集成電路設(shè)計39小信號差分特性用半電路法求全差分時差模增益證明：如果電路完全對稱，Vin1從V0變化到V0Vin，Vin2從V0變化到V0-Vin，變化過程大小相等、方向相反且電路仍保持為線性，則VP的值保持不變（即為交流地）證明過程參看教材重要結(jié)論：在全差分輸入的情況下，P點為交流地西電微電子學(xué)院董剛模擬集成電路設(shè)計40小信號差分特性用半電路法求全差分時差模增益“全差分輸入時全差分輸入時P點為交流地點為交流地”這一結(jié)論可簡化差這一結(jié)論可簡化差模增益的推導(dǎo)半電路分析法VX = g m RDVin1 VY = g m RDVin1 VX VYVX VY = 2 g m RDVin1 2Vin1

17、西電微電子學(xué)院董剛模擬集成電路設(shè)計= g m RD+41小信號差分特性非全差分時差模增益的計算當(dāng)輸入不是“全差分”時，計算差模增益(Vout1-Vout2)/(Vin1-Vin2)？“非全差分非全差分”的含義：的含義：輸入信號Vin1和Vin2不是大小相等、方向相反VP不是交流地，計算很復(fù)雜簡化的計算方法：將輸入信號劃分為共模分量（純共模輸入部分）和差模分量（全差分輸入部分），對這兩部分分別計算后再用疊加定理Vin1 =Vin1 Vin 2 Vin1 + Vin 22 2Vin 2 =Vin 2 Vin1 Vin1 + Vin 22 2西電微電子學(xué)院董剛模擬集成電路設(shè)計+42小信號差分特性非全

18、差分時差模增益的計算Vin1 =Vin1 Vin 2 Vin1 + Vin22 2Vin 2 =Vin 2 Vin1 Vin1 + Vin 22 2差模分量共模分量西電微電子學(xué)院董剛模擬集成電路設(shè)計43小信號差分特性非全差分時差模增益的計算差模分量用半電路法計算VX VY = g m ( RD r O )(Vin1 Vin 2 )西電微電子學(xué)院董剛模擬集成電路設(shè)計44小信號差分特性非全差分時差模增益的計算共模分量若電路完全對稱，則流過M1和M2管的直流電流總為ISS/2，不隨，不隨Vin,CM的變化而變化，因此，VX和VY不變重要結(jié)論：理想差分對只放大輸入信號的差模部分，不放大共模部分實際的差

19、分對并不“理想”，對共模部分仍有放大作用差分對的共模響應(yīng)西電微電子學(xué)院董剛模擬集成電路設(shè)計45本講差分放大器簡介簡單差分放大器基本差分對放大器大信號差分特性大信號共模特性小信號差分特性小信號共模特性MOS管做負(fù)載的基本差分對放大器管做負(fù)載的基本差分對放大器差分放大器的應(yīng)用Gilbert單元西電微電子學(xué)院董剛模擬集成電路設(shè)計46小信號共模特性共模響應(yīng)非理想性包括：M1和和M2之間有失配（之間有失配（W/L、VTH等），RD1和RD2之間有失配（阻值不完全相等等）；尾電流源ISS的內(nèi)阻RSS不是無窮大首先考慮尾電流源ISS的內(nèi)阻RSS不是無窮大時對共模響應(yīng)的影響西電微電子學(xué)院董剛模擬集成電路設(shè)計4

20、7小信號共模特性RSS對共模響應(yīng)的影響若電路完全對稱，則VP會隨Vin,CM的變化而變化，導(dǎo)致尾電流變化， Vout1和Vout2會隨之變化，但Vout1和Vout2總相等，不引入差分增益，通常不考慮共模增益為：A v , CM =V outV in , CM= 西電微電子學(xué)院董剛模擬集成電路設(shè)計R D / 21 /( 2 g m ) + R SS48小信號共模特性RD失配對共模響應(yīng)的影響由于M1和M2管完全對稱，因此，支路電流隨Vin,CM的變化相等（ =0時）RD的失配會引入差分增益，在輸出端產(chǎn)生差模分量。這個影響比RSS不是無窮大引起的影響要嚴(yán)重得多 V X = V in , CM V

21、Y = V in , CMR D / 21 /( 2 g m ) + R SS( R D + R D ) / 21 /( 2 g m ) + R SS共模到差模的轉(zhuǎn)換西電微電子學(xué)院董剛模擬集成電路設(shè)計49小信號共模特性共模到差模轉(zhuǎn)換的危害共模分量的噪聲不能得到有效抑制，導(dǎo)致輸出信號噪聲增大當(dāng)信號頻率增大時，電容C1會影響直流偏置電流，不利影響更大西電微電子學(xué)院董剛模擬集成電路設(shè)計50小信號共模特性輸入管失配對共模響應(yīng)的影響M1和和M2管的尺寸和閾值電壓失配管的尺寸和閾值電壓失配失配會導(dǎo)致流過M1管和M2管的電流不同，跨導(dǎo)也不同，從而引起共模到差模的轉(zhuǎn)換西電微電子學(xué)院董剛模擬集成電路設(shè)計51小信

22、號共模特性輸入管失配對共模響應(yīng)的影響共模到差模轉(zhuǎn)換的增益：ACM DM= g m 1 g m 2( g m 1 + g m 2 ) R SS + 1 R D西電微電子學(xué)院董剛模擬集成電路設(shè)計52小信號特性CMRRCMRR共模抑制比共模抑制比Common-Mode Rejection Ratio用來綜合反映差分放大器的性能差分放大能力共模抑制能力用于差分放大器的性能比較CMRR =A DMACM DM西電微電子學(xué)院董剛模擬集成電路設(shè)計53本講差分放大器簡介簡單差分放大器基本差分對放大器大信號差分特性大信號共模特性小信號差分特性小信號共模特性MOS管做負(fù)載的基本差分對放大器管做負(fù)載的基本差分對放大

23、器差分放大器的應(yīng)用Gilbert單元西電微電子學(xué)院董剛模擬集成電路設(shè)計54MOS管做負(fù)載的差分對管做負(fù)載的差分對二極管接法的MOS管做負(fù)載電流源做負(fù)載西電微電子學(xué)院董剛模擬集成電路設(shè)計55MOS管做負(fù)載的差分對二極管接法管做負(fù)載的差分對二極管接法A v = g mN (1g mPrON rOP) g mNg mPg m =2 IC OX(W / L ) =2 IVOVAv n (W / L) N p (W / L) P= VOVPVOVN電壓擺幅小；增益不能太大，否則輸出擺幅很小西電微電子學(xué)院董剛模擬集成電路設(shè)計56MOS管做負(fù)載的差分對電流源做負(fù)載管做負(fù)載的差分對電流源做負(fù)載A v = g

24、mN ( rON rOP )電壓擺幅和增益都可以很大西電微電子學(xué)院董剛模擬集成電路設(shè)計57MOS管做負(fù)載的差分對共源共柵管做負(fù)載的差分對共源共柵A v g m 1 ( g m 3 rO 3 rO 1 ) ( g m 5 rO 5 rO 7 ) 增益更大；但適當(dāng)犧牲擺幅西電微電子學(xué)院董剛模擬集成電路設(shè)計58本講差分放大器簡介簡單差分放大器基本差分對放大器大信號差分特性大信號共模特性小信號差分特性小信號共模特性MOS管做負(fù)載的基本差分對放大器管做負(fù)載的基本差分對放大器差分放大器的應(yīng)用Gilbert單元西電微電子學(xué)院董剛模擬集成電路設(shè)計59差分放大器的應(yīng)用Gilbert單元一個通用的電路模塊廣泛用于

25、模擬系統(tǒng)和通信系統(tǒng)中典型設(shè)計中，M1M4尺寸相同，M5和M6尺寸相同M1和和M2構(gòu)成差分對，構(gòu)成差分對，M3和和M4構(gòu)成差分對，構(gòu)成差分對，M5和和M6構(gòu)成差分對構(gòu)成差分對Gilbert單元是一個增益可單元是一個增益可變的放大器，其增益受Vcont控制；增益可從gmRD單調(diào)地變?yōu)間mRD西電微電子學(xué)院董剛模擬集成電路設(shè)計60可變增益放大器VGAVariable Gain Amplifier增益可變，隨控制電壓變化而變化用于信號擺幅變化很大的情形Av = g m RD簡單的VGA構(gòu)成復(fù)雜的VGA的電路ID3=0是，增益為是，增益為0；ID3最大值時，增益最大Vout 1 = R D I D 1 R D I D 2Vout 2 = RD I D 4 RD I D 3ID是交流量西電微電子學(xué)院董剛模擬集成電路設(shè)計61可變增益放大器Vout 1 = R D I D 1