第三講差動放大器與電流鏡演示文稿

第三講差動放大器與電流鏡演示文稿現(xiàn)在是1頁\一共有36頁\編輯于星期一優(yōu)選第三講差動放大器與電流鏡現(xiàn)在是2頁\一共有36頁\編輯于星期一差動信號定義為兩個節(jié)點電位之差，且該兩個節(jié)點的電位相對于某一個固定電位大小相等，相位相反。差動信號2現(xiàn)在是3頁\一共有36頁\編輯于星期一

與單端工作相比，對環(huán)境噪聲具有更強的抗干擾能力。差動工作特性3現(xiàn)在是4頁\一共有36頁\編輯于星期一

增大了可得到的最大電壓擺幅。單端X、Y點的最大電壓擺幅為Vout1＝VDD－（VGS－VTH），那么VX-VY的最大擺幅為2[VDD－（VGS－VTH）]。對共模信號具有很強的的抑制能力，對差模信號有很好的放大作用。4現(xiàn)在是5頁\一共有36頁\編輯于星期一3.1基本差動對由兩個cs放大器構(gòu)成，分別處理兩個差動信號輸入共模電平若設定太低，會使輸出嚴重失真輸出直流電平受輸入共模電平的變化影響較大偏置電流ID1+ID2＝ISS，它不依賴于輸入共模電平，輸出受輸入共模電平的影響小。簡單差動電路基本差動對5現(xiàn)在是6頁\一共有36頁\編輯于星期一1、差模輸入輸出特性分析基本差動對假設Vin1－Vin2從－∞變化到＋∞：1）當Vin1比Vin2負得多，M1截止，M2導通，ID2=ISS，Vout1＝VDD，Vout2＝VDD-RDISS，Vout1-Vout2=RDISS2）當Vin1比較接近Vin2時，M1逐漸導通，RD1上有電流ID1，使Vout1下降，而ID2減小，Vout2上升。M1截止，M2導通M1導通，M1截止6現(xiàn)在是7頁\一共有36頁\編輯于星期一3）當Vin1＝Vin2時，ID1=ID2＝ISS/2，Vout1＝Vout2＝VDD-RDISS/2。稱為平衡狀態(tài)。4）當Vin1比Vin2更正時，Vin1增加，ID1增加，ID2減小，Vout1下降，Vout2上升。對于足夠大的Vin1－Vin2，ISS所有電流都只流經(jīng)M1管，M2管截止，此時，Vout1＝VDD-RDISS，Vout2＝VDD。輸出端的最大電平和最小電平是完全確定的，分別為VDD和VDD-RDISS小信號增益在Vin1＝Vin2時達到最大，隨著|Vin1-Vin2|的增大而逐漸減小為零。斜率最大7現(xiàn)在是8頁\一共有36頁\編輯于星期一2、共模特性令Vin1＝Vin2＝Vin,CM，Vin,CM從0變化到VDD。假設電路是對稱的，Vout1＝Vout2。1）當Vin,CM=0時，M1、M2截止，ID1=ID2=0，ID3=0，Vb為高電位，M3處于深線性區(qū)，等效為一個電阻。Vout1＝Vout2＝VDD。2）當Vin,CM>VTH時，M1、M2飽和導通，ID1、ID2增加，VP上升。對于足夠高的Vin,CM，VP≥VGS3-VTH3，M3進入飽和區(qū)，ID1、ID2之和保持為常數(shù)。3）當Vin,CM>Vout1+VTH＝VDD-RDISS/2+VTH，M1、M2進入線性區(qū)。8現(xiàn)在是9頁\一共有36頁\編輯于星期一共模特性Vin,CM允許的范圍為(M1、M2、M3工作在飽和區(qū)）：Notice：（1）Vout的最小值為Vin,CM－VTH，輸入共模電平越大，允許的輸出電壓擺幅越小。（2）差動對的電壓增益是負載上壓降VRD的函數(shù)，若VRD比較大，Vin,CM必須比較低以保證M1、M2工作在飽和區(qū)。9現(xiàn)在是10頁\一共有36頁\編輯于星期一3、定量分析假設電路是對稱的，M1、M2均工作在飽和區(qū)VP＝Vin1－VGS1＝Vin2－VGS2ID1-ID2是Vin1－Vin2的奇函數(shù)，當|Vin1-Vin2|從0逐漸增增大，|ID1-ID2|也逐漸增大。10現(xiàn)在是11頁\一共有36頁\編輯于星期一等效跨導GmGm＝1）△Vin＝0，平衡狀態(tài)，等效跨導達到最大值：與單個nmos管的跨導相同＝gm差動信號差動信號的小信號變化量平衡狀態(tài)狀態(tài)下小信號差動電壓增益：M2幾乎截止11現(xiàn)在是12頁\一共有36頁\編輯于星期一同理，當△Vin<-△Vin1，所有的ISS只流經(jīng)M2，而M1截止。3）當△Vin＝△Vin1時，Gm＝02）當△Vin>△Vin1時，所有的ISS只流經(jīng)M1，而M2截止。實際可以處理的最大差模輸入兩個晶體管都導通12現(xiàn)在是13頁\一共有36頁\編輯于星期一兩種方法增加最大差模輸入范圍△Vin1，從而使電路線性度更好：（1）W/L減小時，△Vin1增加，使兩個晶體管都導通的△Vin范圍增加，電路線性度好；（2）ISS增加，輸入電壓范圍和輸出電流擺幅加大。然而，△Vin1增加會增加M1和M2的過驅(qū)動電壓。13現(xiàn)在是14頁\一共有36頁\編輯于星期一4、小信號特性分析（1）利用疊加法求小信號增益A）令Vin2＝0，求Vin1對VX、VY的作用。忽略r0M1看成帶源極負反饋的共源極RS＝1/gm2小信號M1、M2均工作在飽和狀態(tài)14現(xiàn)在是15頁\一共有36頁\編輯于星期一VY的計算M1管以源跟隨器的形式驅(qū)動M2管，M2以共柵級形式工作。其戴維南等效為：VT=Vin1RT=1/gm15現(xiàn)在是16頁\一共有36頁\編輯于星期一輸入為Vin1時，電路的電壓增益為：若B）Vin2在X、Y點的作用：應用疊加法：AV＝Notice：1）無論怎樣施加輸入信號，差動電路的增益為gmRD2）如果輸出為單邊輸出，則差動增益減半。3）與共源極增益相比，要達到和共源極相同的增益，總偏置電流應為共源極的兩倍。差動對單端輸出時增益減半！16現(xiàn)在是17頁\一共有36頁\編輯于星期一（2）利用半邊電路法求小信號增益輔助定理：對于對稱電路，其中D1、D2為三端有源器件。假設Vin1從V0變化到V0＋△Vin，Vin2從V0變化到V0－△Vin，那么，如果電路仍保持線性，則VP電位不變。也就是說Vin1和Vin2分別變化＋△Vin和－△Vin，則V1（VGS1）、V2（VGS2）變化相同的值。因此，對于小信號而言，P點虛地。交流地17Vin變化VGS變化現(xiàn)在是18頁\一共有36頁\編輯于星期一由于Vp虛地，可將電路等效為兩個獨立的部分，即“半邊電路”。AV＝18現(xiàn)在是19頁\一共有36頁\編輯于星期一如果考慮溝道長度調(diào)制效應，利用半邊電路可以非常方便地計算其增益。19現(xiàn)在是20頁\一共有36頁\編輯于星期一5、當輸入信號不是全差動信號時任意輸入信號可以轉(zhuǎn)換為差模分量和共模分量的疊加差模分量，為全差動信號共模分量20現(xiàn)在是21頁\一共有36頁\編輯于星期一將差動信號和共模信號分別產(chǎn)生的作用進行疊加，便可以得到電路輸入輸出特性。對于差模信號，可以利用半邊電路。21現(xiàn)在是22頁\一共有36頁\編輯于星期一對如下電路，Vin1≠－Vin2，求差動輸出對于共模分量，由于電路對稱，ID1

＝ID2＝ISS/2，差動輸出與Vin,CM無關(guān)。對稱差動電路只對Vin1和Vin2的差值進行放大，而消除了Vin,CM的影響。22現(xiàn)在是23頁\一共有36頁\編輯于星期一3.2共模響應當差動電路并不對稱，或者電流源輸出阻抗不為無窮大共模輸入的變化則會傳遞到輸出端，稱為共模響應。1、考慮電路對稱，而電流源具有有限阻抗RSS的情況。Vin,CM增加，ID1、ID2增加，VP增加，VX、VY減小，由于電路對稱，VX＝VY。可用圖c等效。合并后，寬度為單管的兩倍，電流為單管兩倍，因此gm為單管兩倍M1、M2并聯(lián)23現(xiàn)在是24頁\一共有36頁\編輯于星期一共模增益：2、考慮電路不對稱，且尾電流源輸出阻抗有限的情況（1）考慮負載失配，管子對稱的情況輸出共模信號24現(xiàn)在是25頁\一共有36頁\編輯于星期一當Vin,CM增加，ID1、ID2變化了輸入共模電平的變化在輸出端產(chǎn)生一個差動成分，表現(xiàn)出共模到差模的轉(zhuǎn)換。差動對的共模響應主要表現(xiàn)為兩個方面：（1）電路對稱，但由于尾電流源的有限輸出阻抗，輸入共模電平變化對輸出共模電平有影響，即改變小信號增益或限制輸出電壓擺幅；（2）由于電路不對稱，且具有有限電流源輸出阻抗，輸入共模電平變化在輸出端產(chǎn)生差模分量。后者的影響嚴重得多，共模響應通?？紤]電路不匹配情況高頻時變得嚴重25現(xiàn)在是26頁\一共有36頁\編輯于星期一（2）考慮M1、M2不匹配情況管子的失配比負載失配大得多！由于晶體管尺寸以及閾值電壓的失配，ID1、ID2稍微不同，則gm不同。26現(xiàn)在是27頁\一共有36頁\編輯于星期一共模到差模的轉(zhuǎn)換：管子不匹配27現(xiàn)在是28頁\一共有36頁\編輯于星期一3、共模抑制比CMRR（CommonModeRejectionRatio）3.3以MOS為負載的差動對二極管連接的負載消耗了一個閾值電壓的電壓余度?！址糯笃鲗材］斎霐_動的抑制能力差模響應共模響應28現(xiàn)在是29頁\一共有36頁\編輯于星期一如何提高增益？可以通過減小P管寬長比來提高增益，但P管過驅(qū)動電壓增加，降低了輸出共模電平。1、附加電流源來提高增益通過減小P管電流，來減小gmp，從而提高增益。2、提高負載阻抗來提高增益≈增益提高了5倍（電流減小5倍，過驅(qū)不變，則寬長比減小5倍）29現(xiàn)在是30頁\一共有36頁\編輯于星期一采用PMOS共源共柵負載的NMOS共源共柵差動放大器AV＝－GmRout共源共柵結(jié)構(gòu)具有高的輸出阻抗，可以提高增益，代價是消耗更多的電壓余度，減小輸出擺幅。共源共柵差動放大器30現(xiàn)在是31頁\一共有36頁\編輯于星期一3.4電流鏡工作在飽和區(qū)的MOS管可以作為電流源使用主要作用：（1）為其它電路提供偏置；（2）作為信號處理單元；電流受電源電壓、工藝、閾值電壓影響。31現(xiàn)在是32頁\一共有36頁\編輯于星期一1、基本電流鏡產(chǎn)生穩(wěn)定的基準電流通過復制，產(chǎn)生電路中所需的電流源ID=f（VGS）VGS=f-1(ID)若VGS＝f-1(IREF)則Iout＝ff-1（IREF）=IREF基本電流鏡在模擬電路中，電流源的設計基于對基準電流的“復制”32現(xiàn)在是33頁\一共有36頁\編輯于星期一可以精確地復制電流而不受工藝和溫度的影響。2、普通共源共柵電流鏡溝道長度調(diào)制效應會使基本電流鏡鏡像的電流產(chǎn)生誤差：VDS1＝VGS1＝VGS2，但M2受負載影響，VDS2可能≠VGS2電流鏡中所有晶體管通常采用相同的柵長，以減小柵長誤差33現(xiàn)在是34頁\一共有36頁\編輯于星期一共源共柵電流源可以抑制溝道長度調(diào)制效應的影響選擇合適的Vb，使得VX=VY，那么VDS2=VGS1＝VGS2，則可以消除溝道調(diào)制效應影響，ID2非常接近ID1。如何產(chǎn)生Vb，并使VX＝VY？VN＝VGS0＋VX＝V