模拟CMOS集成电路设计第四章差分放大器.

差动放大器4#1第四章差分放大器差动放大器4#2单端与差动的工作方式单端信号的参考电位为某一固定电位(通常为地电位),差动信号定义为两个结点电位之差,且这两个结点的电位相对于某一固定电位大小相等,极性相反。在差动信号中,中心电位称为“共模”(CM)电平。共模电平差动工作比单端工作有什么优点?差动放大器4#3用差分放大器消除时钟噪声差动工作与单端工作相比,一个重要优势在于它对环境噪声具有更强的抗干扰能力!!单端工作时时钟大信号通过寄生电容干扰放大的小信号V01V02V01-V02极性相反的两路受干扰小信号,差动输出时干扰消除了!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差动工作还有什么优点?差动放大器4#4差分放大器的优点VX-VY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信号的优点：1.能有效抑制共模噪声。2.增大了输出电压摆幅(是单端输出的两倍)。3.偏置电路更简单(差分对可以直接耦和)、输出线性度更高。4.缺点是芯片面积和功耗略有增加,但绝对物有所值!如何放大一个差分信号？差动放大器4#5简单差动电路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,分别处理两个差动相位信号Vin1和Vin2,但当Vin1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,随着共模电平VinCM的变化,M1和M2的偏置电流会变化,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,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,严重时会导致输出端出现严重失真,因此,重要的是应使M1和M2的偏置电流受输入共模电平的影响尽可能小。简单差动对Vin1和Vin2是差动相位信号如何减小输入共模电平变化的影响呢?差动放大器4#6基本差动对Vin1-Vin2足够负,M1截止,M2导通Vin1-Vin2足够正,M1导通,M2截止Vin1-Vin2相差不大时,M1和M2均导通Vin1=Vin2时,小信号增益(即斜率)最大SSinnOX2IΔV=WμCL△Vin差动放大器4#7基本差动对的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(分别为VDD和VDD-RDISS)。它们与共模输人电平无关。2.小信号增益当Vin1=Vin2时达到最大,且随着|Vin1-Vin2|的增加而逐渐减小到零。也就是说,随着输入电压摆幅的增大,电路变得更加非线性。当Vin1=Vin2时,我们说电路处于平衡状态,即静态。差动放大器4#8基本差分对的共模特性VinCMmin为保证M1和M2饱和,VinCMmin=?,VinCMmax=?当VP≤Vb-VTN时,M3工作在线性区,等效于一个小电阻差动放大器4#9基本差分对的共模输入范围122()SSinCMPTNβI=(V-V-V)22PbTNV≥V-V12SSinCMPTN()IV=+V+VβSSinCMminb1(2)IV≥+VβSSXDDDinCMTNIV=V-R≥V-V2SSinCMmaxDDDTNIV≤V-R+V2(M3饱和要求)(M1饱和要求)ISS差动放大器4#10差动对小信号差动增益与共模输入电平的关系VinCMmaxVinCMminSSSSbinCMmaxDDDTN1（2）ΙI+V≤V≤V-R+Vβ2产生ISS的MOS管线性M1和M2线性差动放大器4#11共模输入电压与输出摆幅XYXinCMTNV≥V-VM1饱和要求:上式表明,输入共模电平越大,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,因此对前级的摆幅要求大大降低。例:若两级运放AI=100,AII=400(即AV=92dB),假定输出V0=±10V,则第二级的输入电压范围(也即第一级的输出电压摆幅)仅需为:±10V/400=±25mV。第一级的小信号输入范围仅为:±25mV/100=250μV。差动放大器4#12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,记:△Vin=Vin1-Vin2,且1=2==μnCOX(W/L),假定M1和M2均工作在饱和区,ISS为理想恒流源,则由平方律关系有:2DDGSTNGSTNβ2II=(V-V)V=+V2βD1D2inGS1GS22I2IΔV=V-V=-ββ两边平方,且考虑到ID1+ID2=ISS222SSinD1D2D1D2SSin2I4βΔV=-II4II=(I-ΔV)ββ2差动放大器4#13基本差分对的定量分析(2)222SSinD1D2D1D2SSin2I4βΔV=-II4II=(I-ΔV)ββ2222222DD1D2D1D2D1D2SSSSinβΔI=(I-I)=(I+I)-4II=I-(I-ΔV)22244()44222inSSinSSininΔVIΔVβIΔVΔVβ2SSDininβ4IΔI=ΔV-ΔV2β这是个重要公式,可由此得出以下结论:1.静态时,△Vin=0,∴△ID=0,即ID1=ID1=ISS/22.△ID只有在△Vin很小时,才与△Vin近视成正比,即:DinβΔI=ΔV2差动放大器4#14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△Vinmax时，M1上通过的电流恰好为ISS，M2刚好截至，即VGS2=VTN，此时有：SSGS1TN2IV=+VβSSinmaxGS1GS22IΔV=V-V=β同理，M1恰好截至，M2上通过的电流恰好为ISS时，此时有：SSinmax2IΔV=-β故允许输入的最大差模电压范围△VID为：SSID2IΔV=β（这就是电路能处理信号的最大差模电压。）差动放大器4#15基本差分对的定量分析(4)2SSDininβ4IΔI=ΔV-ΔV2β4.因△ID是△Vin的奇函数，故有：35D1in3in5inΔI(t)=αΔV(t)+αΔV(t)+αΔV(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。2DSSinm2inSSinΔI2I-βΔVG==ΔV4I-ΔVβ5.因：M1、M2的等效跨导Gm为：静态时△Vin＝0，Gm为：SSmSSIG=βI=2β()2又V01-V02＝RD△ID＝RDGm△Vin，故平衡态下的小信号差动电压增益AV为：SSVSSDDIA=βIR=2β()R2差动放大器4#16最大输入差模电压△VID与过驱动电压Von的关系SSID2IΔV=βSSIDon1,2GSTNIΔVV=V-V==β2∵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M1和M2的过驱动电压Von，对于给定的ISS，这只能靠减小(W/L)(也即减小跨导，从而减小放大器增益)来实现。Von会使输入共模电压范围。(W/L),△VIDAV电路线性ISS,△VID，AV电路线性差动放大器4#17差分放大器的增益2DSSinm2inSSinΔI2I-βΔVG==ΔV4I-ΔVβ0102SSVSSDDin1in2V-VIA==βIR=2β()RV-V2同单级CS放大器的增益SSmSSIG=βI=2β()2漏极电流和Gm随输入电压变化曲线差动放大器4#18差分对的小信号特性(1)Sm2m11R==ggmDmDVXmSgRgRA=-=-1+gR2这是带负反馈电阻RS的CS放大器RD1＝RD2=RDgm1＝gm2=gmmDXVXinin11gRV=AV=-V2利用叠加定理,先考虑Vin1的作用,先求VX差动放大器4#19差分对的小信号特性(2)利用叠加定理,先考虑Vin1的作用,再求VYVT=VinTm1m11R==gg这是CG放大器RL1求开路电压VT利用小信号等效电路,可求得:L1m1L1D1Rinm1L1gRRV=V1+gRL1L1m1L1D1TRininR→∞m1L1gRRV=limV=V=V1+gR利用CG放大器已有公式:m2DmDVXm2TgRgRA==1+gR2mDYVXTgRV=AV=Vin2差动放大器4#20差分对的小信号特性(3)mDYVXTin1gRV=AV=V2mDXVXinin11gRV=AV=-V2(VX-VY)|Vin1=∆Vin=-gmRD∆Vin因电路对称,故除了极性相反外,Vin2在X和Y点产生的作用和Vin1效果一样:(VX-VY)|Vin2=-∆Vin=-gmRD∆VinVin1和Vin2共同作用时,(VX-VY)的增益为:in1inin2inXYV=ΔVXYV=-ΔVmDmDin1in2inin(V-V)|+(V-V)|-2gR=gRV-VΔV-(-ΔV)差动放大器4#21差分对增益与CS放大器增益的比较•如果差分对的尾电流ISS与CS放大器的静态工作电流相同,则差分对管的跨导gm只有CS放大器中MOS管跨导的1/21/2。即差分对的增益只有CS放大器的1/21/2。•如果两种放大器中MOS管的(W/L)和负载RD均相同,为了得到相同的增益,若CS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2ISS。•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。然而，若不使用差分对，即使将CS放大器功耗增加一倍，也不可能获得与差分对相同的特性。差动放大器4#22差动对的“虚地”概念1.在上图所示的对称电路中，其中D1和D2表示任何三端有源器件，假定Vin1从V0变化到V0+△Vin，假定Vin2从V0变化到V0-△Vin，如果电路仍保持线性，则VP值不变。2.由上可知，差分对在差模小信号作用下，因VP值不变，故P点成为“虚地”点，即差模小信号等效电路中P点可看成“交流地”。差动放大器4#23“虚地”的应用－差分对的半边电路显然,VX=-gmRDVin1,VY=-gmRD(-Vin1)=gmRD1Vin1XYmDin1mDin1in2in1in1V-V-2gRV=gRV-VV-(-V)差动放大器4#24任意输入信号的差分对差模响应共模响应差动放大器4#25运放差模(共模)信号、差模(共模)增益的关系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,运放总的输出电压V0即是图(A)、(B)两个输出的叠加,即:V0=V01+V02图(A)图(B)差动放大器4#26基本差分放大器的共模响应SSmDCMin,outvR)1/(2g/2RVVA共模响应时,VX=VY,即X和Y始终短接差动放大器4#27例4.6共模输入电压变化带来的影响左图中用一个电阻来提供1mA的尾电流,已知(W/L)=25/0.5,nCOX=50A/V2,VT=0.6V,==0,VDD=3V。求：1.如果RSS上的压降保持在0.5V,则输入共模电平＝?2.计算差模增益等于5时的RD＝？3.如果输入共模电平比(1)计算出的值大200mV，则输出如何变化?因ID1=ID2=0.5mA，故：SSGS1,2TNIV=+V=1.23VβVinCM＝VGS1+VRSS＝1.23+0.5＝1.73V因mD1g=2βI=1/(623Ω),所以AV=5时,RD＝3.16K,此时当VinCM增加200mV,则|VX,Y|=VinCMRD/(2RSS+1/gm)0.4VVX=VY=3-0.5*3.16=1.42V此时,Vd=1.42-0.41.02V,Vg=1.73+0.2=1.98V,M1(2)已进入线性区。差动放大器4#28基本差动对电阻失配对共模响应的影响)ΔR(RR2g1gΔVΔVRR2g1gΔVΔVDDSSmmCMin,YDSSmmCMin,X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。差动放大器4#29尾电容有限时基本差分对的共模响应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。来源于尾电