CMOS集成电路设计-拉扎维4差分放大器教程.ppt

差动放大器差动放大器Ch.4#1第四章第四章差分放大器差分放大器说说 明明知识结构基本完整，有一些知识结构基本完整，有一些“设计设计”经验后，才能够经验后，才能够对这门课有更好的认识对这门课有更好的认识通过对运放的学习，运用和理解前面所学的知识通过对运放的学习，运用和理解前面所学的知识小信号等效电路小信号等效电路很多同学不会画很多同学不会画有些先修知识要靠大家课下抽时间去补有些先修知识要靠大家课下抽时间去补MOS管的低频小信管的低频小信号等效电路号等效电路MOS管的小信号管的小信号模型是基础模型是基础小信号等效电路小信号等效电路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在分析高频特性时才用到该模型小信号等效电路小信号等效电路实例实例 带源极负反馈的放大级带源极负反馈的放大级电阻做负载的共源级电阻做负载的共源级增益有非线性增益有非线性电阻值不能太大（否则摆幅小，或所占面积电阻值不能太大（否则摆幅小，或所占面积大）因此增益较小大）因此增益较小 电阻做负载的共源级电阻做负载的共源级二极管接法的二极管接法的MOS 管做负载的共源级管做负载的共源级线性度好，输出摆幅小，增益不能太大（否线性度好，输出摆幅小，增益不能太大（否则摆幅小、带宽小）则摆幅小、带宽小）二极管接法的二极管接法的MOS 管做负载的共源级管做负载的共源级电流源做负载的共源级电流源做负载的共源级增益大增益大电流源做负载的共源级电流源做负载的共源级带源极负反馈的共源级带源极负反馈的共源级Rs使使Gm和增益变为和增益变为gm的弱函数，提高线性度的弱函数，提高线性度输出电阻大输出电阻大牺牲了增益牺牲了增益带源极负反馈的共源级带源极负反馈的共源级共漏级源跟随器共漏级源跟随器Rin大，大，Rout小，输出摆幅小，小，输出摆幅小，增益有百分之几非线性；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；电压线性度，但输出阻抗大；电压缓冲器、电压平移缓冲器、电压平移共漏级源跟随器共漏级源跟随器共漏级源跟随器共漏级源跟随器源跟随器输入输出特性呈现显著的非线性。为了缓解这一问题，源跟随器输入输出特性呈现显著的非线性。为了缓解这一问题，可以用一个电流源代替电阻。电流源由工作在饱和区的可以用一个电流源代替电阻。电流源由工作在饱和区的NMOS管管来实现。电路如下图：来实现。电路如下图：共栅级共栅级Rin大，大，Rout小，增益高小，增益高共栅级共栅级共源共栅级共源共栅级Rout大，高增益，屏蔽特性好大，高增益，屏蔽特性好不足：输出摆幅受不足：输出摆幅受一定影响一定影响共源共栅级共源共栅级第四章第四章差分放大器差分放大器4.1 单端与差动的工作方式单端与差动的工作方式单端信号的参考电位为一固定电位单端信号的参考电位为一固定电位(常为地电位常为地电位)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,且这两个结点的且这两个结点的电位相对于某一电位相对于某一固定电位固定电位大小大小相等相等,极性极性相反相反。在差。在差动信号中动信号中,中心中心固定电位固定电位称为称为“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?定义：差模输入电压vID=v1-v2 共模输入电压vIC=(v1+v2)/2v1=vIC+vID/2v2=vIC -vID/2用差分放大器消除时钟噪声用差分放大器消除时钟噪声差动工作与单端工作相比差动工作与单端工作相比,一个重一个重要优势在于它对环境噪声具有要优势在于它对环境噪声具有更更强的抗干扰能力强的抗干扰能力!单端工作时时钟大信单端工作时时钟大信号通过寄生电容干扰号通过寄生电容干扰放大的小信号放大的小信号V01V02V01-V02极性相反的两路受干极性相反的两路受干扰小信号扰小信号,差动输出差动输出时干扰消除了时干扰消除了!用差分放大器消除时钟噪声用差分放大器消除时钟噪声对称差动时钟大信号通过寄生电容耦合对称差动时钟大信号通过寄生电容耦合到小信号的噪声因极性相反而相互抵消到小信号的噪声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?差分放大器的优点差分放大器的优点电源噪声电源噪声对单端电路产生的干扰对单端电路产生的干扰差动输出时电差动输出时电源噪声产生的源噪声产生的干扰消除了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？VX-Vy简单差动电路简单差动电路简单差动电路：将两条简单差动电路：将两条相同的单端信号路径结相同的单端信号路径结合起来合起来,分别处理分别处理两个差两个差动相位信号动相位信号Vin1和和Vin2当当Vin1和和Vin2存在很大的存在很大的共模干扰共模干扰各自的直流电平设置的各自的直流电平设置的不好时不好时,随着共模电平随着共模电平VinCM变化变化,M1 和和M2的的偏置电流会变化偏置电流会变化Vin1和和Vin2是差动相位信号是差动相位信号简单差动电路简单差动电路输入共模电平对输出的影响输入共模电平对输出的影响共模电平共模电平VinCM变化变化,M1 和和M2的偏置电流会变化的偏置电流会变化,导致导致跨跨导导和和输出共模电平输出共模电平变化变化 跨导变化会改变小信号跨导变化会改变小信号增益增益,输出共模电平偏离会降低最输出共模电平偏离会降低最大允许输出大允许输出摆幅摆幅,导致输出端导致输出端出现严重失真出现严重失真应使应使M1 和和M2偏置电流偏置电流受输受输入共模电平的影响尽可能小入共模电平的影响尽可能小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?4.2 基本差动对基本差动对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相相差差不不大大时时,M1和和M2均导通均导通4.2 基本差动对基本差动对Vin1=Vin2 时时,小信号增益小信号增益(即斜率即斜率)最大最大基本差动对的重要特性基本差动对的重要特性差动对的两个重要特性差动对的两个重要特性:1.输出输出端的最大和最小端的最大和最小电平电平是确是确定的定的(分别为分别为VDD和和VDD-RDISS)。与共模输人电平无关。与共模输人电平无关。2.Vin1=Vin2时时,小信号增益最大小信号增益最大,随着随着|Vin1-Vin2|的增加而逐渐减小的增加而逐渐减小到零。也就是说到零。也就是说,随着随着输入电压输入电压摆摆幅的幅的增大增大,电路变得更加电路变得更加非线性非线性。当当Vin1=Vin2时时,我们说电路处于平我们说电路处于平衡状态衡状态,即即静态。静态。基本差分对的共模特性基本差分对的共模特性Vin,CMVin,CM=0,M1，M2截止，截止，Id3=0，Vout1=Vout2=VddVin,CMVin,CM Vth时时M1，M2饱和饱和导通导通,M3等效为电阻，等效为电阻，Vin,CM足够大，足够大，M3饱和：饱和：Vin,CMVGS1+（VGS3-VTH3）Vin,CM继续变大，继续变大，M1，M2进入进入线性区线性区：Vin,CMVout1+VTH=VDD-RDISS/2+VTH基本差分对的共模特性基本差分对的共模特性Vin,CMVinCMmin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,等等效于一个小电阻效于一个小电阻基本差分对的共模输入范围基本差分对的共模输入范围(M3饱和要求饱和要求)(M1饱和要求饱和要求)ISS差动对小信号差动增益与共模输入电平的关系差动对小信号差动增益与共模输入电平的关系VinCMmaxVinCMmin产生产生ISS的的MOS管线性管线性M1和和M2线性线性共模输入电压与输出摆幅共模输入电压与输出摆幅XYM1饱和要求饱和要求:上式表明上式表明,输入共模电平越大输入共模电平越大,Vx 越大，越大，允许输出的输出摆幅就允许输出的输出摆幅就越小。幸运的是越小。幸运的是,因运放通常需因运放通常需至少两级放大才能获得实际可使至少两级放大才能获得实际可使用的放大倍数用的放大倍数,因此对前级的摆因此对前级的摆幅要求大大降低。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也即第一级的输出电压摆幅压摆幅)仅需为仅需为:10V/400=25mV。第一级的小信号输入。第一级的小信号输入范围仅为范围仅为:25mV/100=250VV。基本差分对的定量分析基本差分对的定量分析(1)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为理想为理想恒流源恒流源,则由平方律关系有则由平方律关系有:两边平方两边平方,且考且考虑到虑到ID1+ID2=ISS 差动放大器差动放大器Ch.4#31基本差分对的定量分析基本差分对的定量分析(2)这是个重要公式这是个重要公式,可可由此得出以下结论由此得出以下结论:1.静态时静态时,Vin=0,ID=0,即即ID1=ID2=ISS/22.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基本差分对的定量分析基本差分对的定量分析(3)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上通过的电上通过的电流恰好为流恰好为ISS，M2刚好截至，即刚好截至，即VGS2=VTN，此时有：，此时有：差动放大器差动放大器Ch.4#33基本差分对的定量分析基本差分对的定量分析(3)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上通过的电上通过的电流恰好为流恰好为ISS，M2刚好截至，即刚好截至，即VGS2=VTN，此时有：，此时有：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ISS时，此时有：时，此时有：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：（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。）差动放大器差动放大器Ch.4#34基本差分对的定量分析基本差分对的定量分析(4)4.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：又又V01-V02RD ID RD Gm Vin，故，故平衡态下的小信号差动电压增益平衡态下的小信号差动电压增益AV为：为：差分放大器的增益差分放大器的增益同单级共源放大器的增益同单级共源放大器的增益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差分对的小信号特性差分对的小信号特性(1)差分对的小信号特性差分对的小信号特性(1)差分对的小信号特性差分对的小信号特性(1)差分对的小信号特性差分对的小信号特性(1)这是带负反馈电这是带负反馈电阻阻RS的的CS放大器放大器RD1RD2=RD gm1gm2=gm利用叠加定理利用叠加定理,先考虑先考虑Vin1的的作用作用,先求先求VX差分对的小信号特性差分对的小信号特性(2)差分对的小信号特性差分对的小信号特性(2)利用叠加定理利用叠加定理,先考虑先考虑Vin1的的作用作用,再求再求VYVT=Vin这是这是CG放大器放大器RL1求开路电压求开路电压VT利用小信号等利用小信号等效电路效电路,可求得可求得:差分对的小信号特性差分对的小信号特性(2)差分对的小信号特性差分对的小信号特性(3)(VX-VY)|Vin1=Vin=-gmRD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 Vin1和和Vin2共同作用时共同作用时,(VX-VY)的增益为的增益为:VinVinVin差分对增益与差分对增益与CS放大器增益的比较放大器增益的比较如果差分对的尾电流如果差分对的尾电流ISS与与CS放大器的静态工作电流相放大器的静态工作电流相同同,则差分对管的跨导则差分对管的跨导 gm 只有只有CS放大器中放大器中MOS管跨导管跨导的的 1/2。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1/2。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均相同均相同,为为了得到相同的增益了得到相同的增益,若若 CS 放大器中静态工作电流为放大器中静态工作电流为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。差分对是以更大的功耗来获取抗干扰能力、更好的线性。差分对是以更大的功耗来获取抗干扰能力、更好的线性。若不使用差分对，即使将若不使用差分对，即使将CS放大器功耗增加一倍，也放大器功耗增加一倍，也不可能获得与差分对相同的特性。不可能获得与差分对相同的特性。方法二（方法二（半边电路半边电路）辅助定理：辅助定理：考虑图中所示的考虑图中所示的对称电路对称电路，其中，其中D1和和D2代表任何三端有代表任何三端有源器件。假设源器件。假设Vin1从从V0变化到变化到V0+Vin，Vin2从从V0变化到变化到V0-Vin，那么，如果电路仍保持线性，则，那么，如果电路仍保持线性，则Vp值保持不变。值保持不变。假定假定0。辅助定理说明了辅助定理说明了P点可以认为是点可以认为是“交流地交流地”，即，即“虚地虚地”。差动对的差动对的“虚地虚地”概念概念1.上图，上图，D1和和D2表示任何三端有源器件，假定表示任何三端有源器件，假定Vin1从从V0变化变化到到V0+Vin，Vin2从从V0变化到变化到 V0-Vin，如果电路仍保持，如果电路仍保持线性，则线性，则VP值不变值不变。2.在差模小信号作用下，差分对在差模小信号作用下，差分对VP值不变，值不变，P点为点为“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”。利用利用P点虚地（交流地）的特点，电路可等效为两个点虚地（交流地）的特点，电路可等效为两个独立的部分，即独立的部分，即“半边电路半边电路”概念。概念。“虚地虚地”的应用差分对的半边电路的应用差分对的半边电路VX=-gmRDVin1,VY=-gmRD(-Vin1)=gmRDVin1任意输入信号的差分对任意输入信号的差分对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如果两个差动对的输入信号不是全差动的，可以将此如果两个差动对的输入信号不是全差动的，可以将此任意信号表示为差模分量和共模分量。任意信号表示为差模分量和共模分量。非全差分输入电路非全差分输入电路运放差模运放差模(共模共模)信号、差模信号、差模(共模共模)增益的关系增益的关系如果两个差动对的输入信号不是全差动的，对于任意的输入信号Vin+、Vin-，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:V0=V01+V02图图(A)图图(B)非理想性包括：非理想性包括：尾电流源尾电流源ISS的内阻的内阻RSS不是无穷大不是无穷大电路不对称电路不对称RD1和和RD2之间有失配之间有失配 M1和和M2之间有失配（之间有失配（W/L、VTH等）等）差动电路对共模扰动影响具有抑制作用，理想差动电路的共模增益为0；但是实际上有以下一些非理想的因素4.3 差分放大器的共模响应差分放大器的共模响应小信号共模特性小信号共模特性RSS对共模响应的影响对共模响应的影响假设电路完全对称，假设电路完全对称，VP随随Vin,CM的变化而的变化而变化。若变化。若Rss为有限大小，则尾电流随为有限大小，则尾电流随VP增加而增加，增加而增加，Vout1和和Vout2会随之减小。会随之减小。但但Vout1和和Vout2仍然相等，不引入差分增益仍然相等，不引入差分增益小信号共模特性小信号共模特性RSS对共模响应的影响对共模响应的影响4.3 差分放大器的共模响应差分放大器的共模响应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共模增益为：共模增益为：例例 共模输入电压变化带来的影响共模输入电压变化带来的影响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,已已知知(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：VinCMVGS1+VRSS1.23+0.51.73V因因,所以所以AV=5时时,RD3.16K,此时此时当当VinCM增加增加200mV,则则|VX,Y|=VinCMRD/(2RSS+1/gm)0.4VVX=VY=3-0.5*3.16=1.42V此时此时,Vout=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。基本差动对电阻失配对共模响应的影响基本差动对电阻失配对共模响应的影响基本差分对输入管失配时的共模响应基本差分对输入管失配时的共模响应基本差分对输入管失配时的共模响应基本差分对输入管失配时的共模响应基本差分对输入管失配时的共模响应基本差分对输入管失配时的共模响应基本差分对输入管失配时的共模响应基本差分对输入管失配时的共模响应ID1.2=gm1.2（Vin-Vp）(gm1+gm2)(VinCM-VP)RSS=VP等效跨导等效跨导Gm共模到差模共模到差模的转换量，的转换量，转换增益转换增益基本差分对的共模抑制比基本差分对的共模抑制比CMRR若只考虑若只考虑gm的不匹配，左图中的不匹配，左图中:假定假定Vin1-Vin2，则有，则有:上式中上式中,gm=(gm1+gm2)/2用用CMRR来综合反映差分放来综合反映差分放大能力和共模抑制能力大能力和共模抑制能力4.4 MOS负载的差分放大器负载的差分放大器半电路半电路半半电电路路设计时：在摆幅、增益和输入共模设计时：在摆幅、增益和输入共模范围三者之间的合理折衷。范围三者之间的合理折衷。4.4 MOS负载的差分放大器负载的差分放大器半半电电路路类似单级放大器，差动对的负载也可以采用类似单级放大器，差动对的负载也可以采用二极管连接的二极管连接的MOS或者电流源作负载或者电流源作负载二极管连接的二极管连接的MOS作负载作负载MOS负载的差分放大器负载的差分放大器MOS负载的差分放大器负载的差分放大器结结 束束