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本文檔共36頁；當(dāng)前第1頁；編輯于星期二\19點(diǎn)13分優(yōu)選第三講差動放大器與電流鏡本文檔共36頁；當(dāng)前第2頁；編輯于星期二\19點(diǎn)13分差動信號定義為兩個節(jié)點(diǎn)電位之差，且該兩個節(jié)點(diǎn)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本文檔共36頁；當(dāng)前第3頁；編輯于星期二\19點(diǎn)13分

與單端工作相比，對環(huán)境噪聲具有更強(qiáng)的抗干擾能力。差動工作特性3本文檔共36頁；當(dāng)前第4頁；編輯于星期二\19點(diǎn)13分

增大了可得到的最大電壓擺幅。單端X、Y點(diǎn)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(qiáng)的的抑制能力，對差模信號有很好的放大作用。4本文檔共36頁；當(dāng)前第5頁；編輯于星期二\19點(diǎn)13分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(shè)定太低，會使輸出嚴(yán)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本文檔共36頁；當(dāng)前第6頁；編輯于星期二\19點(diǎn)13分1、差模輸入輸出特性分析基本差動對假設(shè)Vin1－Vin2從－∞變化到＋∞：1）當(dāng)Vin1比Vin2負(fù)得多，M1截止，M2導(dǎo)通，ID2=ISS，Vout1＝VDD，Vout2＝VDD-RDISS，Vout1-Vout2=RDISS2）當(dāng)Vin1比較接近Vin2時，M1逐漸導(dǎo)通，RD1上有電流ID1，使Vout1下降，而ID2減小，Vout2上升。M1截止，M2導(dǎo)通M1導(dǎo)通，M1截止6本文檔共36頁；當(dāng)前第7頁；編輯于星期二\19點(diǎn)13分3）當(dāng)Vin1＝Vin2時，ID1=ID2＝ISS/2，Vout1＝Vout2＝VDD-RDISS/2。稱為平衡狀態(tài)。4）當(dāng)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(dá)到最大，隨著|Vin1-Vin2|的增大而逐漸減小為零。斜率最大7本文檔共36頁；當(dāng)前第8頁；編輯于星期二\19點(diǎn)13分2、共模特性令Vin1＝Vin2＝Vin,CM，Vin,CM從0變化到VDD。假設(shè)電路是對稱的，Vout1＝Vout2。1）當(dāng)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(dāng)Vin,CM>VTH時，M1、M2飽和導(dǎo)通，ID1、ID2增加，VP上升。對于足夠高的Vin,CM，VP≥VGS3-VTH3，M3進(jìn)入飽和區(qū)，ID1、ID2之和保持為常數(shù)。3）當(dāng)Vin,CM>Vout1+VTH＝VDD-RDISS/2+VTH，M1、M2進(jìn)入線性區(qū)。8本文檔共36頁；當(dāng)前第9頁；編輯于星期二\19點(diǎn)13分共模特性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(fù)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本文檔共36頁；當(dāng)前第10頁；編輯于星期二\19點(diǎn)13分3、定量分析假設(shè)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(dāng)|Vin1-Vin2|從0逐漸增增大，|ID1-ID2|也逐漸增大。10本文檔共36頁；當(dāng)前第11頁；編輯于星期二\19點(diǎn)13分等效跨導(dǎo)GmGm＝1）△Vin＝0，平衡狀態(tài)，等效跨導(dǎo)達(dá)到最大值：與單個nmos管的跨導(dǎo)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本文檔共36頁；當(dāng)前第12頁；編輯于星期二\19點(diǎn)13分同理，當(dāng)△Vin<-△Vin1，所有的ISS只流經(jīng)M2，而M1截止。3）當(dāng)△Vin＝△Vin1時，Gm＝02）當(dāng)△Vin>△Vin1時，所有的ISS只流經(jīng)M1，而M2截止。實(shí)際可以處理的最大差模輸入兩個晶體管都導(dǎo)通12本文檔共36頁；當(dāng)前第13頁；編輯于星期二\19點(diǎn)13分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(dǎo)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本文檔共36頁；當(dāng)前第14頁；編輯于星期二\19點(diǎn)13分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(fù)反饋的共源極RS＝1/gm2小信號M1、M2均工作在飽和狀態(tài)14本文檔共36頁；當(dāng)前第15頁；編輯于星期二\19點(diǎn)13分VY的計(jì)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本文檔共36頁；當(dāng)前第16頁；編輯于星期二\19點(diǎn)13分輸入為Vin1時，電路的電壓增益為：若B）Vin2在X、Y點(diǎn)的作用：應(yīng)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(dá)到和共源極相同的增益，總偏置電流應(yīng)為共源極的兩倍。差動對單端輸出時增益減半！16本文檔共36頁；當(dāng)前第17頁；編輯于星期二\19點(diǎn)13分（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(shè)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(diǎn)虛地。交流地17Vin變化VGS變化本文檔共36頁；當(dāng)前第18頁；編輯于星期二\19點(diǎn)13分由于Vp虛地，可將電路等效為兩個獨(dú)立的部分，即“半邊電路”。AV＝18本文檔共36頁；當(dāng)前第19頁；編輯于星期二\19點(diǎn)13分如果考慮溝道長度調(diào)制效應(yīng)，利用半邊電路可以非常方便地計(jì)算其增益。19本文檔共36頁；當(dāng)前第20頁；編輯于星期二\19點(diǎn)13分5、當(dāng)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本文檔共36頁；當(dāng)前第21頁；編輯于星期二\19點(diǎn)13分將差動信號和共模信號分別產(chǎn)生的作用進(jìn)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本文檔共36頁；當(dāng)前第22頁；編輯于星期二\19點(diǎn)13分對如下電路，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(jìn)行放大，而消除了Vin,CM的影響。22本文檔共36頁；當(dāng)前第23頁；編輯于星期二\19點(diǎn)13分3.2共模響應(yīng)當(dāng)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(yīng)。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?？捎脠Dc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本文檔共36頁；當(dāng)前第24頁；編輯于星期二\19點(diǎn)13分共模增益：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(fù)載失配，管子對稱的情況輸出共模信號24本文檔共36頁；當(dāng)前第25頁；編輯于星期二\19點(diǎn)13分當(dāng)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(yīng)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(yán)重得多，共模響應(yīng)通常考慮電路不匹配情況高頻時變得嚴(yán)重25本文檔共36頁；當(dāng)前第26頁；編輯于星期二\19點(diǎn)13分（2）考慮M1、M2不匹配情況管子的失配比負(fù)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本文檔共36頁；當(dāng)前第27頁；編輯于星期二\19點(diǎn)13分共模到差模的轉(zhuǎn)換：管子不匹配27本文檔共36頁；當(dāng)前第28頁；編輯于星期二\19點(diǎn)13分3、共模抑制比CMRR（CommonModeRejectionRatio）3.3以MOS為負(fù)載的差動對二極管連接的負(fù)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(yīng)共模響應(yīng)28本文檔共36頁；當(dāng)前第29頁；編輯于星期二\19點(diǎn)13分如何提高增益？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(fù)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本文檔共36頁；當(dāng)前第30頁；編輯于星期二\19點(diǎn)13分采用PMOS共源共柵負(fù)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本文檔共36頁；當(dāng)前第31頁；編輯于星期二\19點(diǎn)13分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本文檔共36頁；當(dāng)前第32頁；編輯于星期二\19點(diǎn)13分1、基本電流鏡產(chǎn)生穩(wěn)定的基準(zhǔn)電流通過復(fù)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(shè)計(jì)基于對基準(zhǔn)電流的“復(fù)制”32本文檔共36頁；當(dāng)前第33頁；編輯于星期二\19點(diǎn)13分可以精確地復(fù)制電流而不受工藝和溫度的影響。2