第4章差分放大器

1、模拟集成电路原理第4章 差分放大器董刚微电子学院12小信号等效电路MOS管的小信管的小信号模型是基础MOS管的低频小管的低频小信号等效电路西电微电子学院董刚模拟集成电路设计3小信号等效电路MOS管的高频小信号等效电路管的高频小信号等效电路在分析高频特性时才用到该模型第6章“频率特性”开始用到西电微电子学院董刚模拟集成电路设计4小信号等效电路实例 带源极负反馈的放大级西电微电子学院董刚模拟集成电路设计5上一章放大器基础知识电阻做负载的共源级增益有非线性，电阻精度差或面积大A v = g m R D西电微电子学院董刚模拟集成电路设计6上一章二极管接法的MOS 管做负载的共源级线性度好，输出摆幅小，

2、增益不能太大（否则摆幅小、带宽小）Av = (W / L)1 1(W / L)2 1 + A v = n (W / L ) 1 p (W / L ) 2西电微电子学院董刚模拟集成电路设计7上一章电流源做负载的共源级增益大Av = gm ro1 | ro2西电微电子学院董刚模拟集成电路设计 W 8上一章深线性区MOS管做负载的共源级输出摆幅大（可以为VDD）得到精准的Ron2比较困难；受工艺、温度变化影响比较大，产生稳定、精确的Vb比较难RON 2 =nCox L 21(VDD Vb | VTHP |)Av = gm RON2西电微电子学院董刚模拟集成电路设计9上一章带源极负反馈的共源级Rs使G

3、m和增益变为gm的弱函数，提高线性度输出电阻大ROUT = 1 + (gm + gmb )ro RS + ro牺牲了增益A v = G m R D= g m R D1 + g m R S西电微电子学院董刚模拟集成电路设计1 1=10上一章共漏级源跟随器Rin大，大，Rout小，输出摆幅小，输出摆幅小，增益有百分之几非线性；PMOS管能消除体效应，提高管能消除体效应，提高线性度，但输出阻抗大，带宽降低；电压缓冲器、电压平移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西电微电子学院董刚模拟集成电路设计+11上一章共栅级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西电微电子学院董刚模拟集成电路设计12上一章共源共栅级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：输出摆幅受一定影响主要应用：电流源共源共栅OPA折叠共源共栅OPA等等R out = 1 + ( g m 2

5、 + g mb 2 ) rO 2 rO 1 + rO 2西电微电子学院董刚模拟集成电路设计13本讲差分放大器简介简单差分放大器基本差分对放大器大信号差分特性大信号共模特性小信号差分特性小信号共模特性MOS管做负载的基本差分对放大器管做负载的基本差分对放大器差分放大器的应用Gilbert单元西电微电子学院董刚模拟集成电路设计14差分放大器简介AIC中非常重要的电路模块中非常重要的电路模块对两个信号的差值进行放大相对于共模电平而言，差分信号的大小相等、极性相反优点：抗干扰能力强，高线性度等西电微电子学院董刚模拟集成电路设计15抗干扰能力电源线上的干扰会影响共模电平，但不影响差分输出西电微电子学院董

6、刚模拟集成电路设计16抗干扰能力时钟线上的干扰会影响共模电平，但不影响差分输出西电微电子学院董刚模拟集成电路设计17差分放大器优点抗干扰能力强，高线性度等和单端电路相比，差分电路规模加倍与获得的性能提高相比，这个不算做缺点西电微电子学院董刚模拟集成电路设计18本讲差分放大器简介简单差分放大器基本差分对放大器大信号差分特性大信号共模特性小信号差分特性小信号共模特性MOS管做负载的基本差分对放大器管做负载的基本差分对放大器差分放大器的应用Gilbert单元西电微电子学院董刚模拟集成电路设计ISS19简单差分电路g m =2 I D n C OXWLAv = g m R DVout,CM = VDD

7、 RD2缺点：直流偏置电流受输入共模电平影响大，从而影响跨导、增益、输出共模电平等解决：用源端耦合对（差分对）西电微电子学院董刚模拟集成电路设计20本讲差分放大器简介简单差分放大器基本差分对放大器大信号差分特性大信号共模特性小信号差分特性小信号共模特性MOS管做负载的基本差分对放大器管做负载的基本差分对放大器差分放大器的应用Gilbert单元西电微电子学院董刚模拟集成电路设计ISS21基本差分对电路Vout,CM =VDD RD2直流偏置电流由ISS决定，从而保证跨导、增益、输出共模电平等受输入共模电平影响小西电微电子学院董刚模拟集成电路设计22本讲差分放大器简介简单差分放大器基本差分对放大器

8、大信号差分特性大信号共模特性小信号差分特性小信号共模特性MOS管做负载的基本差分对放大器管做负载的基本差分对放大器差分放大器的应用Gilbert单元西电微电子学院董刚模拟集成电路设计23大信号差分特性定性分析输出端的最大电平和最小电平分别是VDD和VDD-RDISS，与输入共模电平无关Vin1=Vin2附近，增益最大，线性度好求(Vout1-Vout2)与与(Vin1-Vin2)的函数关系式西电微电子学院董刚模拟集成电路设计1224大信号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西电微电子学院董刚模拟集成电路设计12WL25大信号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当Vin=0时，时， Vout=0当 V in =4 I SS n C OX时， V out = 0西电微电子学院董刚模拟集成电路设计12WL26大信号差分特性定量分析当 Vin =4 I SS n C OXWL时， Vout = 0 I D= n C OX2WL V in4 I SS n C OXWL V in当 V in 2 I SS n C OX时 ,已有一个MOS 管截止西电微电子学

10、院董刚模拟集成电路设计27本讲差分放大器简介简单差分放大器基本差分对放大器大信号差分特性大信号共模特性小信号差分特性小信号共模特性MOS管做负载的基本差分对放大器管做负载的基本差分对放大器差分放大器的应用Gilbert单元西电微电子学院董刚模拟集成电路设计28大信号共模特性VGS 1 + VOV 3 Vin ,CM minVDD RD I SS2+ VTH ,VDD 西电微电子学院董刚模拟集成电路设计29本讲差分放大器简介简单差分放大器基本差分对放大器大信号差分特性大信号共模特性小信号差分特性小信号共模特性MOS管做负载的基本差分对放大器管做负载的基本差分对放大器差分放大器的应用Gilbert

11、单元西电微电子学院董刚模拟集成电路设计214 I SSW4 I SSW2230小信号差分特性等价跨导公式从大信号结果入手计算小信号差分增益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西电微电子学院董刚模拟集成电路设计14 I SSW CLL4 I SSWW2231小信号差分特性等价跨导曲线Gm = n COX2W n OX n COX 2 Vin VinL Vin1 =G m , max =2 I SS n C OX n C OXLWLI SS西电微电子学院董刚

12、模拟集成电路设计=32小信号差分特性差模增益Av =VoutVinVout = Vout 1 Vout 2 = RD I DAv =Vout Vout I DVin I D Vin= RD Gm全差分输入时的增益Av = RD n C OXWLI SS西电微电子学院董刚模拟集成电路设计33小信号差分特性用叠加法求全差分时的差模增益从小信号角度入手，计算小信号差分增益问题1：在电路完全对称、直流偏置电压相同的情况下，差分输入端施加两个彼此独立的信号Vin1和Vin2，计算（Vout1-Vout2）/ （Vin1-Vin2）思路：用叠加法计算。先分别计算Vin1和Vin2与Vout1-Vout2的

13、函数关系西电微电子学院董刚模拟集成电路设计34小信号差分特性用叠加法求全差分时的差模增益第一步：令Vin20，计算Vin1与Vout1-Vout2的函数关系计算Vin1与Vout1的函数关系带负反馈的共源放大级，负反馈电阻为1/gm2VX =西电微电子学院董刚模拟集成电路设计 g m RD2Vin135小信号差分特性用叠加法求全差分时的差模增益计算Vin1与Vout2的函数关系用共栅级的结论VY =g m RD2Vin1戴维宁定理西电微电子学院董刚模拟集成电路设计 gm RD g m RD36小信号差分特性用叠加法求全差分时的差模增益第一步：令Vin20，计算Vin1与Vout1-Vout2的

14、函数关系VX = Vin1 VY = Vin12 2(VX VY )Vin 1引起的 = g m RDVin1第二步：令Vin10，计算Vin2与Vout1-Vout2的函数关系(V X VY )Vin 2引起的 = g m RDVin 2西电微电子学院董刚模拟集成电路设计= gmRD37小信号差分特性用叠加法求全差分时的差模增益(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：用叠加定理，求得Vin1-Vin2与Vout1-Vout2的函数关

15、系(VX VY )Vin1和Vin2共同引起的Vin1 Vin2西电微电子学院董刚模拟集成电路设计= gmRD38小信号差分特性用叠加法求全差分时的差模增益(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结论：1、单边输入时差模增益为、单边输入时差模增益为-gmRD2、差分输入时差模增益为、差分输入时差模增益为-gmRD3、单边输入时单端输出增益为、单边输入时单端输出增益为-gmRD/2VX = g m RD2Vin1 VY =g m RD2Vin1西电微电子学院董刚模

16、拟集成电路设计39小信号差分特性用半电路法求全差分时差模增益证明：如果电路完全对称，Vin1从V0变化到V0Vin，Vin2从V0变化到V0-Vin，变化过程大小相等、方向相反且电路仍保持为线性，则VP的值保持不变（即为交流地）证明过程参看教材重要结论：在全差分输入的情况下，P点为交流地西电微电子学院董刚模拟集成电路设计40小信号差分特性用半电路法求全差分时差模增益“全差分输入时全差分输入时P点为交流地点为交流地”这一结论可简化差这一结论可简化差模增益的推导半电路分析法VX = g m RDVin1 VY = g m RDVin1 VX VYVX VY = 2 g m RDVin1 2Vin1

17、西电微电子学院董刚模拟集成电路设计= g m RD+41小信号差分特性非全差分时差模增益的计算当输入不是“全差分”时，计算差模增益(Vout1-Vout2)/(Vin1-Vin2)？“非全差分非全差分”的含义：的含义：输入信号Vin1和Vin2不是大小相等、方向相反VP不是交流地，计算很复杂简化的计算方法：将输入信号划分为共模分量（纯共模输入部分）和差模分量（全差分输入部分），对这两部分分别计算后再用叠加定理Vin1 =Vin1 Vin 2 Vin1 + Vin 22 2Vin 2 =Vin 2 Vin1 Vin1 + Vin 22 2西电微电子学院董刚模拟集成电路设计+42小信号差分特性非全

18、差分时差模增益的计算Vin1 =Vin1 Vin 2 Vin1 + Vin22 2Vin 2 =Vin 2 Vin1 Vin1 + Vin 22 2差模分量共模分量西电微电子学院董刚模拟集成电路设计43小信号差分特性非全差分时差模增益的计算差模分量用半电路法计算VX VY = g m ( RD r O )(Vin1 Vin 2 )西电微电子学院董刚模拟集成电路设计44小信号差分特性非全差分时差模增益的计算共模分量若电路完全对称，则流过M1和M2管的直流电流总为ISS/2，不随，不随Vin,CM的变化而变化，因此，VX和VY不变重要结论：理想差分对只放大输入信号的差模部分，不放大共模部分实际的差

19、分对并不“理想”，对共模部分仍有放大作用差分对的共模响应西电微电子学院董刚模拟集成电路设计45本讲差分放大器简介简单差分放大器基本差分对放大器大信号差分特性大信号共模特性小信号差分特性小信号共模特性MOS管做负载的基本差分对放大器管做负载的基本差分对放大器差分放大器的应用Gilbert单元西电微电子学院董刚模拟集成电路设计46小信号共模特性共模响应非理想性包括：M1和和M2之间有失配（之间有失配（W/L、VTH等），RD1和RD2之间有失配（阻值不完全相等等）；尾电流源ISS的内阻RSS不是无穷大首先考虑尾电流源ISS的内阻RSS不是无穷大时对共模响应的影响西电微电子学院董刚模拟集成电路设计4

20、7小信号共模特性RSS对共模响应的影响若电路完全对称，则VP会随Vin,CM的变化而变化，导致尾电流变化， Vout1和Vout2会随之变化，但Vout1和Vout2总相等，不引入差分增益，通常不考虑共模增益为：A v , CM =V outV in , CM= 西电微电子学院董刚模拟集成电路设计R D / 21 /( 2 g m ) + R SS48小信号共模特性RD失配对共模响应的影响由于M1和M2管完全对称，因此，支路电流随Vin,CM的变化相等（ =0时）RD的失配会引入差分增益，在输出端产生差模分量。这个影响比RSS不是无穷大引起的影响要严重得多 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共模到差模的转换西电微电子学院董刚模拟集成电路设计49小信号共模特性共模到差模转换的危害共模分量的噪声不能得到有效抑制，导致输出信号噪声增大当信号频率增大时，电容C1会影响直流偏置电流，不利影响更大西电微电子学院董刚模拟集成电路设计50小信号共模特性输入管失配对共模响应的影响M1和和M2管的尺寸和阈值电压失配管的尺寸和阈值电压失配失配会导致流过M1管和M2管的电流不同，跨导也不同，从而引起共模到差模的转换西电微电子学院董刚模拟集成电路设计51小信

22、号共模特性输入管失配对共模响应的影响共模到差模转换的增益：ACM DM= g m 1 g m 2( g m 1 + g m 2 ) R SS + 1 R D西电微电子学院董刚模拟集成电路设计52小信号特性CMRRCMRR共模抑制比共模抑制比Common-Mode Rejection Ratio用来综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较CMRR =A DMACM DM西电微电子学院董刚模拟集成电路设计53本讲差分放大器简介简单差分放大器基本差分对放大器大信号差分特性大信号共模特性小信号差分特性小信号共模特性MOS管做负载的基本差分对放大器管做负载的基本差分对放大

23、器差分放大器的应用Gilbert单元西电微电子学院董刚模拟集成电路设计54MOS管做负载的差分对管做负载的差分对二极管接法的MOS管做负载电流源做负载西电微电子学院董刚模拟集成电路设计55MOS管做负载的差分对二极管接法管做负载的差分对二极管接法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电压摆幅小；增益不能太大，否则输出摆幅很小西电微电子学院董刚模拟集成电路设计56MOS管做负载的差分对电流源做负载管做负载的差分对电流源做负载A v = g

24、mN ( rON rOP )电压摆幅和增益都可以很大西电微电子学院董刚模拟集成电路设计57MOS管做负载的差分对共源共栅管做负载的差分对共源共栅A v g m 1 ( g m 3 rO 3 rO 1 ) ( g m 5 rO 5 rO 7 ) 增益更大；但适当牺牲摆幅西电微电子学院董刚模拟集成电路设计58本讲差分放大器简介简单差分放大器基本差分对放大器大信号差分特性大信号共模特性小信号差分特性小信号共模特性MOS管做负载的基本差分对放大器管做负载的基本差分对放大器差分放大器的应用Gilbert单元西电微电子学院董刚模拟集成电路设计59差分放大器的应用Gilbert单元一个通用的电路模块广泛用于

25、模拟系统和通信系统中典型设计中，M1M4尺寸相同，M5和M6尺寸相同M1和和M2构成差分对，构成差分对，M3和和M4构成差分对，构成差分对，M5和和M6构成差分对构成差分对Gilbert单元是一个增益可单元是一个增益可变的放大器，其增益受Vcont控制；增益可从gmRD单调地变为gmRD西电微电子学院董刚模拟集成电路设计60可变增益放大器VGAVariable Gain Amplifier增益可变，随控制电压变化而变化用于信号摆幅变化很大的情形Av = g m RD简单的VGA构成复杂的VGA的电路ID3=0是，增益为是，增益为0；ID3最大值时，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是交流量西电微电子学院董刚模拟集成电路设计61可变增益放大器Vout 1 = R D I D 1