第三讲差动放大器与电流镜

第三讲差动放大器与电流镜差动信号定义为两个节点电位之差,且该两个节点得电位相对于某一个固定电位大小相等,相位相反。差动信号2

与单端工作相比,对环境噪声具有更强得抗干扰能力。差动工作特性3

增大了可得到得最大电压摆幅。单端X、Y点得最大电压摆幅为Vout1＝VDD－(VGS－VTH),那么VX-VY得最大摆幅为2[VDD－(VGS－VTH)]。对共模信号具有很强得得抑制能力,对差模信号有很好得放大作用。43、1基本差动对由两个cs放大器构成,分别处理两个差动信号输入共模电平若设定太低,会使输出严重失真输出直流电平受输入共模电平得变化影响较大偏置电流ID1+ID2＝ISS,它不依赖于输入共模电平,输出受输入共模电平得影响小。简单差动电路基本差动对51、差模输入输出特性分析基本差动对假设Vin1－Vin2从－∞变化到＋∞:1)当Vin1比Vin2负得多,M1截止,M2导通,ID2=ISS,Vout1＝VDD,Vout2＝VDD-RDISS,Vout1-Vout2=RDISS2)当Vin1比较接近Vin2时,M1逐渐导通,RD1上有电流ID1,使Vout1下降,而ID2减小,Vout2上升。M1截止,M2导通M1导通,M1截止63)当Vin1＝Vin2时,ID1=ID2＝ISS/2,Vout1＝Vout2＝VDD-RDISS/2。称为平衡状态。4)当Vin1比Vin2更正时,Vin1增加,ID1增加,ID2减小,Vout1下降,Vout2上升。对于足够大得Vin1－Vin2,ISS所有电流都只流经M1管,M2管截止,此时,Vout1＝VDD-RDISS,Vout2＝VDD。输出端得最大电平与最小电平就是完全确定得,分别为VDD与VDD-RDISS小信号增益在Vin1＝Vin2时达到最大,随着|Vin1-Vin2|得增大而逐渐减小为零。斜率最大72、共模特性令Vin1＝Vin2＝Vin,CM,Vin,CM从0变化到VDD。假设电路就是对称得,Vout1＝Vout2。1)当Vin,CM=0时,M1、M2截止,ID1=ID2=0,ID3=0,Vb为高电位,M3处于深线性区,等效为一个电阻。Vout1＝Vout2＝VDD。2)当Vin,CM>VTH时,M1、M2饱与导通,ID1、ID2增加,VP上升。对于足够高得Vin,CM,VP≥VGS3-VTH3,M3进入饱与区,ID1、ID2之与保持为常数。3)当Vin,CM>Vout1+VTH＝VDD-RDISS/2+VTH,M1、M2进入线性区。8共模特性Vin,CM允许得范围为(M1、M2、M3工作在饱与区):Notice:(1)Vout得最小值为Vin,CM－VTH,输入共模电平越大,允许得输出电压摆幅越小。(2)差动对得电压增益就是负载上压降VRD得函数,若VRD比较大,Vin,CM必须比较低以保证M1、M2工作在饱与区。93、定量分析假设电路就是对称得,M1、M2均工作在饱与区VP＝Vin1－VGS1＝Vin2－VGS2ID1-ID2就是Vin1－Vin2得奇函数,当|Vin1-Vin2|从0逐渐增增大,|ID1-ID2|也逐渐增大。10等效跨导GmGm＝1)△Vin＝0,平衡状态,等效跨导达到最大值:与单个nmos管得跨导相同＝gm差动信号差动信号得小信号变化量平衡状态状态下小信号差动电压增益:M2几乎截止1112大家应该也有点累了，稍作休息大家有疑问的，可以询问和交流同理,当△Vin<-△Vin1,所有得ISS只流经M2,而M1截止。3)当△Vin＝△Vin1时,Gm＝02)当△Vin>△Vin1时,所有得ISS只流经M1,而M2截止。实际可以处理得最大差模输入两个晶体管都导通12两种方法增加最大差模输入范围△Vin1,从而使电路线性度更好:(1)W/L减小时,△Vin1增加,使两个晶体管都导通得△Vin范围增加,电路线性度好;(2)ISS增加,输入电压范围与输出电流摆幅加大。然而,△Vin1增加会增加M1与M2得过驱动电压。134、小信号特性分析(1)利用叠加法求小信号增益A)令Vin2＝0,求Vin1对VX、VY得作用。忽略r0M1瞧成带源极负反馈得共源极RS＝1/gm2小信号M1、M2均工作在饱与状态14VY得计算M1管以源跟随器得形式驱动M2管,M2以共栅级形式工作。其戴维南等效为:VT=Vin1RT=1/gm15输入为Vin1时,电路得电压增益为:若B)Vin2在X、Y点得作用:应用叠加法:AV＝Notice:1)无论怎样施加输入信号,差动电路得增益为gmRD2)如果输出为单边输出,则差动增益减半。3)与共源极增益相比,要达到与共源极相同得增益,总偏置电流应为共源极得两倍。差动对单端输出时增益减半！16(2)利用半边电路法求小信号增益辅助定理:对于对称电路,其中D1、D2为三端有源器件。假设Vin1从V0变化到V0＋△Vin,Vin2从V0变化到V0－△Vin,那么,如果电路仍保持线性,则VP电位不变。也就就是说Vin1与Vin2分别变化＋△Vin与－△Vin,则V1(VGS1)、V2(VGS2)变化相同得值。因此,对于小信号而言,P点虚地。交流地17Vin变化VGS变化由于Vp虚地,可将电路等效为两个独立得部分,即“半边电路”。AV＝18如果考虑沟道长度调制效应,利用半边电路可以非常方便地计算其增益。195、当输入信号不就是全差动信号时任意输入信号可以转换为差模分量与共模分量得叠加差模分量,为全差动信号共模分量20将差动信号与共模信号分别产生得作用进行叠加,便可以得到电路输入输出特性。对于差模信号,可以利用半边电路。21对如下电路,Vin1≠－Vin2,求差动输出对于共模分量,由于电路对称,ID1

＝ID2＝ISS/2,差动输出与Vin,CM无关。对称差动电路只对Vin1与Vin2得差值进行放大,而消除了Vin,CM得影响。223、2共模响应当差动电路并不对称,或者电流源输出阻抗不为无穷大共模输入得变化则会传递到输出端,称为共模响应。1、考虑电路对称,而电流源具有有限阻抗RSS得情况。Vin,CM增加,ID1、ID2增加,VP增加,VX、VY减小,由于电路对称,VX＝VY。可用图c等效。合并后,宽度为单管得两倍,电流为单管两倍,因此gm为单管两倍M1、M2并联23共模增益:2、考虑电路不对称,且尾电流源输出阻抗有限得情况(1)考虑负载失配,管子对称得情况输出共模信号24当Vin,CM增加,ID1、ID2变化了输入共模电平得变化在输出端产生一个差动成分,表现出共模到差模得转换。差动对得共模响应主要表现为两个方面:(1)电路对称,但由于尾电流源得有限输出阻抗,输入共模电平变化对输出共模电平有影响,即改变小信号增益或限制输出电压摆幅;(2)由于电路不对称,且具有有限电流源输出阻抗,输入共模电平变化在输出端产生差模分量。后者得影响严重得多,共模响应通常考虑电路不匹配情况高频时变得严重25(2)考虑M1、M2不匹配情况管子得失配比负载失配大得多！由于晶体管尺寸以及阈值电压得失配,ID1、ID2稍微不同,则gm不同。26共模到差模得转换:管子不匹配273、共模抑制比CMRR(monModeRejectionRatio)3、3以MOS为负载得差动对二极管连接得负载消耗了一个阈值电压得电压余度。≈放大器对共模输入扰动得抑制能力差模响应共模响应28如何提高增益？可以通过减小P管宽长比来提高增益,但P管过驱动电压增加,降低了输出共模电平。1、附加电流源来提高增益通过减小P管电流,来减小gmp,从而提高增益。2、提高负载阻抗来提高增益≈增益提高了5倍(电流减小5倍,过驱不变,则宽长比减小5倍)29采用PMOS共源共栅负载得NMOS共源共栅差动放大器AV＝－GmRout共源共栅结构具有高得输出阻抗,可以提高增益,代价就是消耗更多得电压余度,减小输出摆幅。共源共栅差动放大器303、4电流镜工作在饱与区得MOS管可以作为电流源使用主要作用:(1)为其它电路提供偏置;(2)作为信号处理单元;电流受电源电压、工艺、阈值电压影响。311、基本电流镜产生稳定得基准电流通过复制,产生电路中所需得电流源ID=f(VGS)VGS=f-1(ID)若VGS＝f-1(IREF)则Iout＝ff-1(IREF)=IREF基本电流镜在模拟电路中,电流源得设计基于对基准电流得“复制”32可以精确地复制电流而不受工艺与温度得影响。2、普通共源共栅电流镜沟道长度调制效应会使基本电流镜镜像得电流产生误差:VDS1＝VGS1＝VGS2,但M2受负载影响,VDS2可能≠VGS2电流镜中所有晶体管通常采用相同得栅长,以减小栅长误差33共源共栅电流源可以抑制沟道长度调制效应得影响选择