哈爾濱工業(yè)大學CMOS模擬集成電路設計-ch

CMOS模擬集成電路設計差動放大器1/13/20231提綱1、單端與差動的工作方式2、基本差動對3、共模響應4、MOS為負載的差動對1/13/202321、單端與差動的工作方式差動信號定義為兩個結點電位之差，且這兩個結點的電位相對于某一固定電位大小相等，極性相等，結點的阻抗也必須相等。差動工作方式優(yōu)點：抑制共模噪聲增大了可得到的最大電壓擺幅偏置電路相對簡單線性對相對高1/13/20233單端與差動的工作方式2、基本差動對2.1定性分析差模特性（假定Vin1-Vin2

從-變化到+）Vin1比Vin2更負，M1截止，M2導通，ID2=ISS，因此Vout1=VDD,Vout2=VDD-RDISSVin1逐漸增大，M1開始導通，Vout1減小，由于ID1+ID2=ISS，M2流經(jīng)的電流減小，Vout2增大；當Vin1=Vin2

時，Vout1=Vout2=VDD-RDISS/2。當Vin1比Vin2更正時，差動對兩側(cè)情況正好與上述情況相反。1/13/20234基本差動對共模特性采用NMOS提供尾電流ISS，Vin,CM從0開始增加。當Vin,CM＝0時，ID1=ID2=ID3=0Vin,CM增加，M3導通，處于三極管區(qū)；當Vin,CM足夠大時，M3進入飽和區(qū)，因此電路正常工作狀態(tài)應滿足Vin,CMVGS1+(VGS3-VTH3)Vin,CM進一步增加，Vin,CM>Vout1+VTH，M1和M2進入三極管區(qū)因此，Vin,CM允許的范圍1/13/20235基本差動對2.2定量分析大信號分析如果RD1=RD2=RD，則Vout1-Vout2=RD(ID2-ID1)，可以用Vin1和Vin2計算出ID2和ID1（假設電路是對稱的，且M1和M2均處于飽和區(qū)，且忽略二級效應）討論：當ΔVin=Vin1-Vin2=0，ΔID=ID1-ID2=0;當|ΔVin

|從0開始增大，|ΔID|也增大；等價Gm為1/13/20236基本差動對討論（續(xù)）當ΔVin=0時，Gm最大因此，當ΔVin超過某一限定值（ΔVin1）時，所有ISS電流流經(jīng)一個晶體管，而另一個晶體管截止（忽略亞閾值導通），ΔVin1實際上也是電路可以“處理”的最大差模輸入。1/13/20237基本差動對小信號分析方法一（疊加法）令Vin2=0,求Vin1對X結點的影響：電路等效為M1管構成的帶有負反饋電阻的共源級Rs＝1/gm2忽略二級效應1/13/20238基本差動對令Vin2=0,求Vin1對Y結點的影響：先利用戴維南定理處理M1管和Vin1，VT=Vin1,RT=1/gm1；則電路等效為共柵級形式忽略二級效應1/13/20239基本差動對只施加Vin1時總的電壓增益為整理，同理，可以得到只施加Vin2時總的電壓增益為應用疊加法，得到1/13/202310基本差動對方法二（半邊電路）輔助定理：考慮圖中所示的對稱電路，其中D1和D2代表任何三端有源器件。假設Vin1從V0變化到V0+ΔVin，Vin2從V0變化到V0-ΔVin，那么，如果電路仍保持線性，則Vp值保持不變。假定λ＝0。輔助定理說明了P點可以認為是“交流地”，即“虛地”。1/13/202311基本差動對利用P點虛地（交流地）的特點，，電路可等效為兩個獨立的部分，即“半邊電路”概念。1/13/202312基本差動對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。差模增益：若ISS是理想電流源，共模增益為0；如果考慮溝道長度調(diào)制效應，請同學們課后計算差動增益。（例4.4和4.5）1/13/202313基本差動對3、共模響應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；實際上，電路既不可能完全對稱，電流源的輸出電阻也不可能為無窮大，結果，共模輸入的變化會或多或少傳遞到輸出上。1/13/202314共模響應電流源具有有限電阻的差動對的共模增益：電路等效為帶源級負反饋的共源級電路忽略二級效應，此時，共模增益為：1/13/202315共模響應電路不對稱且尾電流源的輸出電阻為有限值時，輸入共模電壓變化對電路的影響：電路不對稱情況1：RD1=RD，RD2=RD+ΔRD，當輸入端共模發(fā)生變化，VX、VY的變化不相等，輸出端產(chǎn)生了一個差動成分。1/13/202316共模響應電路不對稱情況2：M1和M2不匹配，導致流經(jīng)兩個晶體管的電流稍微不同，因而跨導不同，由此可得：得到輸出電壓輸出端的差動分量：共模到差模轉(zhuǎn)換的增益1/13/202317共模響應總之，差動對的共模響應取決于尾電流源的輸出電阻和電路的不對稱性，表現(xiàn)的兩方面的影響：對稱電路的輸出共模電平變化；輸入共模電壓變化在輸出端產(chǎn)生差模分量?！肮材Ｒ种票取保–MRR）1/13/202318共模響應4、MOS為負載的差動對類似單級放大器，差動對的負載也可以采用二極管連接的MOS或者電流源作負載。二極管連接的MOS作負載（忽略體效應）1/13/202319MOS為負載的差動