4CMOS模拟集成电路设计_ch4.ppt

05 03 2020 1 提纲 1 单端与差动的工作方式2 基本差动对3 共模响应4 MOS为负载的差动对 单端与差动的工作方式 05 03 2020 2 1 单端与差动的工作方式 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 极性相等 结点的阻抗也必须相等 差动工作方式优点 抑制共模噪声增大了可得到的最大电压摆幅偏置电路相对简单线性对相对高 基本差动对 05 03 2020 3 2 基本差动对 2 1定性分析差模特性 假定Vin1 Vin2从 变化到 Vin1比Vin2更负 M1截止 M2导通 ID2 ISS 因此Vout1 VDD Vout2 VDD RDISS Vin1逐渐增大 M1开始导通 Vout1减小 由于ID1 ID2 ISS M2流经的电流减小 Vout2增大 当Vin1 Vin2时 Vout1 Vout2 VDD RDISS 2 当Vin1比Vin2更正时 差动对两侧情况正好与上述情况相反 基本差动对 05 03 2020 4 共模特性采用NMOS提供尾电流ISS Vin CM从0开始增加 当Vin CM 0时 ID1 ID2 ID3 0 Vin CM增加 M3导通 处于三极管区 当Vin CM足够大时 M3进入饱和区 因此电路正常工作状态应满足Vin CM VGS1 VGS3 VTH3 Vin CM进一步增加 Vin CM Vout1 VTH M1和M2进入三极管区 因此 Vin CM允许的范围 基本差动对 05 03 2020 5 2 2定量分析大信号分析如果RD1 RD2 RD 则Vout1 Vout2 RD ID2 ID1 可以用Vin1和Vin2计算出ID2和ID1 假设电路是对称的 且M1和M2均处于饱和区 且忽略二级效应 讨论 当 Vin Vin1 Vin2 0 ID ID1 ID2 0 当 Vin 从0开始增大 ID 也增大 等价Gm为 基本差动对 05 03 2020 6 讨论 续 当 Vin 0时 Gm最大 因此 当 Vin超过某一限定值 Vin1 时 所有ISS电流流经一个晶体管 而另一个晶体管截止 忽略亚阈值导通 Vin1实际上也是电路可以 处理 的最大差模输入 基本差动对 05 03 2020 7 小信号分析方法一 叠加法 令Vin2 0 求Vin1对X结点的影响 电路等效为M1管构成的带有负反馈电阻的共源级 Rs 1 gm2 忽略二级效应 基本差动对 05 03 2020 8 令Vin2 0 求Vin1对Y结点的影响 先利用戴维南定理处理M1管和Vin1 VT Vin1 RT 1 gm1 则电路等效为共栅级形式 忽略二级效应 基本差动对 05 03 2020 9 只施加Vin1时总的电压增益为 整理 同理 可以得到只施加Vin2时总的电压增益为 应用叠加法 得到 基本差动对 05 03 2020 10 方法二 半边电路 辅助定理 考虑图中所示的对称电路 其中D1和D2代表任何三端有源器件 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值保持不变 假定 0 辅助定理说明了P点可以认为是 交流地 即 虚地 基本差动对 05 03 2020 11 利用P点虚地 交流地 的特点 电路可等效为两个独立的部分 即 半边电路 概念 基本差动对 05 03 2020 12 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 差模增益 若ISS是理想电流源 共模增益为0 如果考虑沟道长度调制效应 请同学们课后计算差动增益 例4 4和4 5 共模响应 05 03 2020 13 3 共模响应 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 实际上 电路既不可能完全对称 电流源的输出电阻也不可能为无穷大 结果 共模输入的变化会或多或少传递到输出上 共模响应 05 03 2020 14 电流源具有有限电阻的差动对的共模增益 电路等效为带源级负反馈的共源级电路 忽略二级效应 此时 共模增益为 共模响应 05 03 2020 15 电路不对称且尾电流源的输出电阻为有限值时 输入共模电压变化对电路的影响 电路不对称情况1 RD1 RD RD2 RD RD 当输入端共模发生变化 VX VY的变化不相等 输出端产生了一个差动成分 共模响应 05 03 2020 16 电路不对称情况2 M1和M2不匹配 导致流经两个晶体管的电流稍微不同 因而跨导不同 由此可得 得到输出电压 输出端的差动分量 共模到差模转换的增益 共模响应 05 03 2020 17 总之 差动对的共模响应取决于尾电流源的输出电阻和电路的不对称性 表现的两方面的影响 对称电路的输出共模电平变化 输入共模电压变化在输出端产生差模分量 共模抑制比 CMRR MOS为负载的差动对 05 03 2020 18 4 MOS为负载的差动对 类似单级放大器 差动对的负载也可以采用二极管连接的MOS或者电流源作负载 二极管连接的MOS作负载 忽略体效应 MOS为负载的差动对 05 03