模拟CMOS集成电路设计差分放大器PPT学习教案

1、会计学1 模拟模拟CMOS集成电路设计差分放大器集成电路设计差分放大器 差动放大器4 # 2 单端信号的参考电位为某一固定电位单端信号的参考电位为某一固定电位(通常为地电位通常为地电位 ), 差动信号定义为两个结点电位之差差动信号定义为两个结点电位之差, 且这两个结点且这两个结点 的电位相对于某一固定电位大小的电位相对于某一固定电位大小相等相等,极性极性相反相反。在。在 差动信号中差动信号中, 中心电位称为中心电位称为“共模共模”(CM)电平。电平。 共模电平共模电平 差动工作比单端工作有什么优点差动工作比单端工作有什么优点 ? 第1页/共35页 差动放大器4 # 3 差动工作与单端工作相比差

2、动工作与单端工作相比, 一个重要优势在于它对环境一个重要优势在于它对环境 噪声具有更强的抗干扰能力噪声具有更强的抗干扰能力 ! 单端工作时时钟大信号通过单端工作时时钟大信号通过 寄生电容干扰放大的小信号寄生电容干扰放大的小信号 V01 V02 V01- V02 极性相反的两路受干扰小信号极性相反的两路受干扰小信号, 差动输出时干扰消除了差动输出时干扰消除了! 对称差动时钟大信号通过寄对称差动时钟大信号通过寄 生电容耦合到小信号的噪声生电容耦合到小信号的噪声 因极性相反而相互抵消因极性相反而相互抵消 差动工作还有什么优点差动工作还有什么优点? 第2页/共35页 差动放大器4 # 4 VX- VY

3、 电源噪声对单端电路产生的干扰电源噪声对单端电路产生的干扰 差动输出时电源噪声产生的干扰消除了差动输出时电源噪声产生的干扰消除了 差动信号的优点：差动信号的优点： 1. 能有效抑制共模噪声。能有效抑制共模噪声。 2. 增大了输出电压摆幅增大了输出电压摆幅(是单端输出的两倍是单端输出的两倍)。 3. 偏置电路更简单偏置电路更简单(差分对可以直接耦和差分对可以直接耦和)、输出线性度更高。、输出线性度更高。 4. 缺点是芯片面积和功耗略有增加缺点是芯片面积和功耗略有增加, 但绝对物有所值但绝对物有所值! 如何放大一个差分信号？如何放大一个差分信号？ 第3页/共35页 差动放大器4 # 5 输入共模电

4、平对输出的影响输入共模电平对输出的影响 将两条相同的单端信号路径结合起来将两条相同的单端信号路径结合起来,分别处理两个差动相位信号分别处理两个差动相位信号Vin1和和Vin2, 但当但当Vin1和和Vin2存在很大的共模干扰或各自的直流电平设置的不好时存在很大的共模干扰或各自的直流电平设置的不好时, 随着共模电平随着共模电平VinCM的变化的变化, M1 和和M2的偏置电流会变化的偏置电流会变化, 从而导致跨导和输出共模电平变化从而导致跨导和输出共模电平变化, 跨导的变化会改变小信号增益跨导的变化会改变小信号增益, 输出共模电平相对于理想值的偏离会降低最大允许输出摆幅输出共模电平相对于理想值的

5、偏离会降低最大允许输出摆幅, 严重时会导致输出端出现严重失真严重时会导致输出端出现严重失真, 因此因此, 重要的是应使重要的是应使M1 和和M2的偏置电流受输入共模电平的影响尽可能小。的偏置电流受输入共模电平的影响尽可能小。 简单差动对简单差动对 Vin1和和Vin2是差动相位信是差动相位信 号号 如何减小输入共模电平变化的影响呢如何减小输入共模电平变化的影响呢? 第4页/共35页 差动放大器4 # 6 Vin1-Vin2足够负足够负, M1截止截止, M2导通导通 Vin1-Vin2足够正足够正, M1导通导通, M2截止截止 Vin1-Vin2相差不大时相差不大时, M1和和M2均导通均导

6、通 Vin1=Vin2 时时,小信号增益小信号增益(即斜率即斜率)最大最大 S SS S i in n n nO OX X 2 2I I V V = = W W C C L L Vin 第5页/共35页 差动放大器4 # 7 差动对的两个重要特性差动对的两个重要特性: 1. 输出端的最大和最小电平是确定的输出端的最大和最小电平是确定的(分别为分别为VDD和和VDD -RDISS) 。它们与共模输人电平无关。它们与共模输人电平无关。 2. 小信号增益当小信号增益当Vin1= Vin2时达到最大时达到最大,且随着且随着| Vin1- Vin2 | 的增加而逐渐减小到零的增加而逐渐减小到零。也就是说

7、也就是说, 随着输入电压摆幅的增大随着输入电压摆幅的增大,电路变得更加非线性。当电路变得更加非线性。当Vin1= Vin2时时, 我们说电路处于平衡状态我们说电路处于平衡状态, 即静态。即静态。 第6页/共35页 差动放大器4 # 8 VinCMmin 为保证为保证M1和和M2饱和饱和, VinCMmin=?, VinCMmax =? 当当VPVb-VTN时时, M3工作在线性区工作在线性区,等效于一个小电阻等效于一个小电阻 第7页/共35页 差动放大器4 # 9 1 2 2 2( () ) S SS S i in nC CM MP PT TN N I I = =( (V V- - V V -

8、 - V V) ) 2 22 2 P Pb bT TN N V V V V - - V V 1 2 S S S S i i n n C C M MP PT T N N ( () ) I I V V= =+ + V V+ + V V S S S S i i n n C C M M m m i i n nb b 1 1 ( ( 2 2 ) ) I I V V+ + V V S SS S X XD DD DD Di in nC CM MT TN N I I V V= = V V- -R R V V- - V V 2 2 S SS S i in nC CM Mm ma ax xD DD DD DT T

9、N N I I V V V V- -R R+ + V V 2 2 (M3饱和要求饱和要求) (M1饱和要求饱和要求) ISS 第8页/共35页 差动放大器4 # 10 VinCMmaxVinCMmin S SS SS SS S b bi in nC CM Mm ma ax xD DD DD DT TN N 1 1（ 2 2） I I + + V V V V V V- -R R+ + V V 2 2 产生产生ISS的的MOS管线性管线性M1和和M2线性线性 第9页/共35页 差动放大器4 # 11 XY X Xi in nC CM MT TN N V V V V- - V V M1饱和要求饱和要

10、求: 上式表明上式表明, 输入共模电平越大输入共模电平越大, 允许输出的输出摆幅就越小。幸运的是允许输出的输出摆幅就越小。幸运的是, 因运放通常需至少两级放大才能获得实际可使用的放大倍数因运放通常需至少两级放大才能获得实际可使用的放大倍数, 因此对前级的摆幅要求大大降低。因此对前级的摆幅要求大大降低。 例例: 若两级运放若两级运放AI=100, AII=400(即即AV=92dB), 假定输出假定输出V0=10V, 则第二级的输入电压范围则第二级的输入电压范围(也即第一级的输出电压摆幅也即第一级的输出电压摆幅)仅需为仅需为: 10V/400= 25mV。第一级的小信号输入范围仅为。第一级的小信

11、号输入范围仅为: 25mV/100 =250VV。 第10页/共35页 差动放大器4 # 12 在左图的电阻负载基本差动对中在左图的电阻负载基本差动对中, 记记: 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均工作在饱和区均工作在饱和区,I,ISSSS为理想恒流源为理想恒流源, ,则由平方律关系有则由平方律关系有: : 2 2 D D DGSTNGSTNDGSTNGSTN 2I2I I =(V -V )V=+VI =(V -V )V=+V 22 D1D2D1D2 inGS1GS2inGS1GS2 2I2I

12、2I2I V= V-V=-V= V-V=- 两边平方两边平方, 且考虑到且考虑到ID1+ ID2= ISS 2222 2 2 SSSS inD1 D2D1 D2SSininD1 D2D1 D2SSin 2I42I4 V=-I I4I I=(I-V)V=-I I4I I=(I-V) 22 第11页/共35页 差动放大器4 # 13 2222 2 2 SSSS inD1 D2D1 D2SSininD1 D2D1 D2SSin 2I42I4 V=-I I4I I=(I-V)V=-I I4I I=(I-V) 22 222222 222222 DD1D2D1D2D1 D2SSSSinDD1D2D1D2D

13、1 D2SSSSin I=(I-I ) =(I+I ) -4I I=I-(I-V)I=(I-I ) =(I+I ) -4I I=I-(I-V) 2 2 22 4 4 () 44 2 2 2222 inSSinSS inSSinininSSinin VIVI VI VVVI VV 2 2 SSSS DininDinin 4I4I I =V-VI =V-V 22 这是个重要公式这是个重要公式, 可由此得出以下结论可由此得出以下结论: 1. 静态时静态时, Vin=0, ID=0, 即即ID1= ID1= ISS/2 2. ID只有在只有在Vin很小时很小时, 才与才与Vin近视成正比近视成正比,

14、即即: D Di in n I I = =V V 2 2 第12页/共35页 差动放大器4 # 14 3.为求得最大差模输入电压，假定为求得最大差模输入电压，假定Vinmax时，时，M1上通过的上通过的 电流恰好为电流恰好为ISS，M2刚好截至，即刚好截至，即VGS2=VTN，此时有：此时有： S SS S G GS S1 1T TN N 2 2I I V V= =+ +V V S SS S i in nm ma ax xG GS S1 1G GS S2 2 2 2I I V V= = V V - -V V= = 同理，同理，M1恰好截至，恰好截至，M2上通过的电流恰好为上通过的电流恰好为IS

15、S时，此时有：时，此时有： S SS S i in nm ma ax x 2 2I I V V= = - - 故允许输入的最大差模电压范围故允许输入的最大差模电压范围VID为：为： S SS S I ID D 2 2I I V V = = （这就是电路能处理信号的最大差模电压。）（这就是电路能处理信号的最大差模电压。） 第13页/共35页 差动放大器4 # 15 2 2 S SS S D Di in ni in n 4 4I I I I = = V V- -V V 2 2 4.因因ID是是Vin的奇函数，故有：的奇函数，故有： 3535 D1in3in5inD1in3in5in I (t)=V

16、 (t)+V (t)+V (t)+.I (t)=V (t)+V (t)+V (t)+. 上式表明，由差动信号驱动的差动电路不会产生偶次谐波，因此差分电路比单端电路表现出了更小的非线性。上式表明，由差动信号驱动的差动电路不会产生偶次谐波，因此差分电路比单端电路表现出了更小的非线性。 2 2 D DS SS Si in n m m 2 2 i in n S SS S i in n I I2 2I I- -V V G G = = = V V4 4I I - -V V 5. 因：因： M1、M2的等效跨导的等效跨导Gm为：为： 静态时静态时Vin 0， Gm为：为： SSSS mSSmSS I I G

17、 = I=2()G = I=2() 2 2 又又V01-V02RD ID RD Gm Vin，故平衡态下的小信号差动电压增益，故平衡态下的小信号差动电压增益AV为：为： SSSS VSSDDVSSDD I I A = I R =2()RA = I R =2()R 2 2 第14页/共35页 差动放大器4 # 16 S SS S I ID D 2 2I I V V= = S SS SI ID D o on n1 1, , 2 2G GS ST TN N I IV V V V= = V V - - V V= = = 2 2 右式表明若增加右式表明若增加VID来使电路具有更好的线性不可避免会使来使电

18、路具有更好的线性不可避免会使M1和和M2的过驱动的过驱动 电压电压Von ，对于给定的对于给定的ISS，这只能靠减小这只能靠减小(W/L) (也即减小跨导，从而减小放大器增益也即减小跨导，从而减小放大器增益)来实现。来实现。Von 会使输入共模电压范围会使输入共模电压范围 。 (W/L) ,VID AV 电路线性电路线性 ISS ,VID ， AV 电路线性电路线性 第15页/共35页 差动放大器4 # 17 2 2 D DS SS Si in n m m 2 2 i in n S SS S i in n I I2 2I I- -V V G G = = = V V4 4I I - -V V 0

19、 01 10 02 2S SS S V VS SS SD DD D i in n1 1i in n2 2 V V - -V VI I A A = = = I I R R = =2 2( () )R R V V- -V V2 2 同单级同单级CS放大器的增益放大器的增益 S SS S m mS SS S I I G G= =I I= =2 2( () ) 2 2 漏极电流和漏极电流和Gm随输入电压变化曲线随输入电压变化曲线 第16页/共35页 差动放大器4 # 18 S S m2mm2m 1111 R =R = gggg m mD Dm mD D V VX X m mS S g g R Rg g

20、 R R A A = =- -= =- - 1 1+ +g g R R2 2 这是带负反馈电这是带负反馈电 阻阻RS的的CS放大放大 器器 RD1 RD2=RD gm1 gm2=gm m mD D X XV VX X i in ni in n1 11 1 g g R R V V = =A A V V= =- -V V 2 2 利用叠加定利用叠加定 理理,先考虑先考虑Vin1 的作用的作用,先求先求 VX 第17页/共35页 差动放大器4 # 19 利用叠加定利用叠加定 理理,先考虑先考虑Vin1 的作用的作用,再求再求 VY VT=Vin T T m m1 1m m 1 11 1 R R =

21、= = g gg g 这是这是CG放大器放大器 RL1 求开路电压求开路电压VT 利用小信号等效电路利用小信号等效电路,可求得可求得: L L1 1 m m1 1L L1 1D D1 1 R Ri in n m m1 1L L1 1 g g R R R R V V= =V V 1 1+ + g g R R L L1 1 L L1 1 m m1 1L L1 1D D1 1 T TR Ri in ni in n R R m m1 1L L1 1 g g R R R R V V = = l li im m V V= =V V= = V V 1 1+ + g g R R 利用利用CG放大器已有公式放大

22、器已有公式: m m2 2D Dm mD D V VX X m m2 2T T g g R Rg g R R A A = = = 1 1+ +g g R R2 2 m mD D Y YV VX X T T g g R R V V = =A A V V = =V Vi in n 2 2 第18页/共35页 差动放大器4 # 20 m mD D Y YV VX XT Ti in n1 1 g g R R V V = = A A V V = =V V 2 2 m mD D X XV VX X i in ni in n1 11 1 g g R R V V = = A A V V= = - -V V 2

23、 2 (VX-VY ) |Vin1=Vin=-gmRD Vin 因电路对称因电路对称,故除了极性相反外故除了极性相反外,Vin2在在X和和Y点产生的作用和点产生的作用和Vin1效果一样效果一样 : (VX-VY ) |Vin2=-Vin=-gmRD Vin Vin1和和Vin2共同作用时共同作用时, (VX-VY )的增益为的增益为: i in n1 1i in ni in n2 2i in n X XY YV V= =V VX XY YV V= =- -V V m mD D m mD D i in n1 1i in n2 2i in ni in n ( (V V - -V V ) )| |+

24、 +( (V V - -V V ) )| | - -2 2g g R R = =g g R R V V- -V VV V - -( (- -V V ) ) 第19页/共35页 差动放大器4 # 21 如果差分对的尾电流如果差分对的尾电流ISS与与CS放大器的静态工作放大器的静态工作 电流相同电流相同, 则差分对管的跨导则差分对管的跨导 gm 只有只有CS放大器放大器 中中MOS管跨导的管跨导的 1/21/2 。即差分对的增益只有即差分对的增益只有 CS放大器的放大器的1/21/2 。 如果两种放大器中如果两种放大器中MOS管的管的(W/L)和负载和负载RD均相均相 同同, 为了得到相同的增益为

25、了得到相同的增益, 若若 CS 放大器中静态工放大器中静态工 作电流为作电流为ISS, 则差分对中的尾电流必须等于则差分对中的尾电流必须等于 2ISS 。 由此可见，差分对是以更大的功耗来获取抗干扰由此可见，差分对是以更大的功耗来获取抗干扰 能力、更好的线性。能力、更好的线性。然而，若不使用差分对，即然而，若不使用差分对，即 使将使将CS放大器功耗增加一倍，也不可能获得与放大器功耗增加一倍，也不可能获得与 差分对相同的特性。差分对相同的特性。 第20页/共35页 差动放大器4 # 22 1.在上图所示的对称电路中，其中在上图所示的对称电路中，其中D1和和D2表示任何三端表示任何三端 有源器件，

26、假定有源器件，假定Vin1从从V0变化到变化到V0+Vin，假定假定Vin2从从 V0变化到变化到 V0-Vin，如果电路仍保持线性，则如果电路仍保持线性，则VP值不变值不变 。 2.由上可知，差分对在差模小信号作用下，因由上可知，差分对在差模小信号作用下，因VP值不变值不变 ，故，故P点成为点成为“虚地虚地”点，即差模小信号等效电路中点，即差模小信号等效电路中P 点可看成点可看成“交流地交流地”。 第21页/共35页 差动放大器4 # 23 显然显然, VX=-gmRDVin1, VY=-gmRD (-Vin1 )= gmRD1Vin1 X XY Ym mD D i in n1 1 m mD

27、 D i in n1 1i in n2 2i in n1 1i in n1 1 V V - -V V- -2 2g g R R V V = =g g R R V V- -V VV V- -( (- -V V) ) 第22页/共35页 差动放大器4 # 24 采用叠加定理采用叠加定理 差模响应差模响应 共模响应共模响应 第23页/共35页 差动放大器4 # 25 对于任意的输入信号对于任意的输入信号Vin+、Vin-，均可写作，均可写作 ： 根据线性系统的叠加定理根据线性系统的叠加定理, 运放总的输出电压运放总的输出电压V0即是即是 图图(A)、 (B)两个输出的叠两个输出的叠 加加, 即即:V

28、0=V01+V02 图图(A)图图(B) 第24页/共35页 差动放大器4 # 26 SSSSm m D D CMCMin,in, outout v v R R) )1/(2g1/(2g /2/2R R V V V V A A 共模响应时共模响应时,VX=VY, 即即X和和Y始终短接始终短接 M1和和M2的跨导并联的跨导并联 第25页/共35页 差动放大器4 # 27 左图中用一个电阻来提供左图中用一个电阻来提供1mA的尾电流的尾电流,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上的压降保持在上的压降保持

29、在0.5V,则输入则输入 共模电平共模电平? 2.计算差模增益等于计算差模增益等于5时的时的RD？ 3. 如果输入共模电平比如果输入共模电平比(1)计算出的值大计算出的值大200mV，则输出如何变化则输出如何变化 ? 因因ID1= ID2=0.5mA，故：故： S SS S G GS S1 1, ,2 2T TN N I I V V= =+ + V V= = 1 1. .2 23 3V V VinCMVGS1+VRSS1.23+0.51.73V 因因 m mD D1 1 g g = =2 2I I= = 1 1/ /( (6 62 23 3) ) , 所以所以AV=5时时, RD3.16K ,

30、 此时此时 当当VinCM增加增加200mV, 则则| VX,Y|= VinCMRD/(2RSS+1/gm) 0.4V VX=VY=3- 0.5*3.16=1.42V 此时此时,Vd=1.42-0.4 1.02V, Vg=1.73+0.2=1.98V, M1(2)已进入线性区。已进入线性区。 第26页/共35页 差动放大器4 # 28 ) )R R(R(R R R2g2g1 1 g g V V V V R R R R2g2g1 1 g g V V V V D DD D SSSSm m m m CMCMin,in, Y Y D D SSSSm m m m CMCMin,in, X X 因电阻失配

31、，共模电压的变化在输出端产生了一个差动成分，我们说电路表现出共模到差模的变换。因电阻失配，共模电压的变化在输出端产生了一个差动成分，我们说电路表现出共模到差模的变换。此时若输入既有差模信号又有共模噪声，则输入共模的变化就会损害放大的差模信号。此时若输入既有差模信号又有共模噪声，则输入共模的变化就会损害放大的差模信号。 第27页/共35页 差动放大器4 # 29 差动对的共模相应取决于尾电流的输出阻抗和电路的不对称性，差动对的共模相应取决于尾电流的输出阻抗和电路的不对称性，并表现为两方面的影响：对称电路的输出共模电平变化以及输入共模电压变化在输出端产生差模分量。并表现为两方面的影响：对称电路的输

32、出共模电平变化以及输入共模电压变化在输出端产生差模分量。 来源于尾电来源于尾电 流自身的寄流自身的寄 生电容和输生电容和输 入对管的源入对管的源 衬电容衬电容 即使尾电流低频时输出阻抗很大即使尾电流低频时输出阻抗很大, 高频时因频率的增加导致等效输出阻抗减小高频时因频率的增加导致等效输出阻抗减小, 因此共模到差模的转换在高频时会变得严重因此共模到差模的转换在高频时会变得严重, 同时负载电阻及输入晶体管的失配也会导致共模到差模的转换同时负载电阻及输入晶体管的失配也会导致共模到差模的转换, 其中晶体管的失配通常比负载电阻的失配影响大得多。其中晶体管的失配通常比负载电阻的失配影响大得多。 第28页/

33、共35页 差动放大器4 # 30 (gm1+gm2)(VinCM-VP)RSS=VP X XY Ym m1 1m m2 2m mD D C CM M- -D DM MD D i in nC CM Mm m1 1m m2 2S SS Sm m1 1m m2 2S SS S V V - -V Vg g- -g gg g R R A A= = - -R R V V1 1+ +( (g g+ +g g ) )R R1 1+ +( (g g+ +g g ) )R R m m1 1m m2 2S SS S P Pi in nC CM M m m1 1m m2 2S SS S ( (g g + +g g )

34、 )R R V V = =- -V V 1 1+ +( (g g + +g g ) )R R m m2 2D D Y Ym m2 2i in nC CM MP PD Di in nC CM M m m1 1m m2 2S SS S g g R R V V = =- -g g ( (V V- -V V ) )R R = =- -V V 1 1+ +( (g g + +g g ) )R R m m1 1D D X Xm m1 1i in nC CM MP PD Di in nC CM M m m1 1m m2 2S SS S g g R R V V = =- -g g ( (V V- -V V ) )R R = =- -V V 1 1+ +( (g g + +g g ) )R R 等效跨导等效跨导Gm 共模