第四章差分放大器

1、 差动放大器差动放大器4 # 1第四章第四章差动放大器差动放大器 差动放大器差动放大器4 # 24.1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某一固定电位单端信号的参考电位为某一固定电位(通常为地电位通常为地电位), 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, 且这两个结点且这两个结点的电位相对于某一固定电位大小的电位相对于某一固定电位大小相等相等,极性极性相反相反。在。在差动信号中差动信号中, 中心电位称为中心电位称为“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? 差动放大器差动放大器4 #

2、3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, 一一个重要优势在于它对环境噪个重要优势在于它对环境噪声具有更强的抗干扰能力声具有更强的抗干扰能力!单端工作时时钟大信号通过单端工作时时钟大信号通过寄生电容干扰放大的小信号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极性相反的两路受干扰小信号, 差动输出时干扰消除了差动输出时干扰消除了!对称差动时钟大信号通过寄对称差动时钟大信号通过寄生电容耦合到小信号的噪声生电容耦合到小信号的噪声因极性相反而相互抵消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

3、动放大器差动放大器4 # 4小结：差分放大器的优点小结：差分放大器的优点VX- VY电源噪声对单端电路产生的干扰电源噪声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

4、大一个差分信号？ 差动放大器差动放大器4 # 54.2 基本差动对基本差动对输入共模电平对输出的影响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将两条相同的单端信号路径结合起来来,分别处理两个差动相位信号分别处理两个差动相位信号Vin1和和Vin2, 但当但当Vin1和和Vin2存在很大的共存在很大的共模干扰或各自的直流电平设置的不模干扰或各自的直流电平设置的不好时好时, 随着共模电平随着共模电平VinCM的变化的变化, M1 和和M2的偏置电流会变化的偏置电流会变化, 从而导从而导致跨导和输出共模电平变化致跨导和输出共模电平变化, 跨导跨导的变化会改变小信号增益的变化会改变小信号增

5、益, 输出共输出共模电平相对于理想值的偏离会降低模电平相对于理想值的偏离会降低最大允许输出摆幅最大允许输出摆幅, 严重时会导致严重时会导致输出端出现严重失真输出端出现严重失真, 因此因此, 重要的重要的是应使是应使M1 和和M2的偏置电流受输入的偏置电流受输入共模电平的影响尽可能小。共模电平的影响尽可能小。简单差动对简单差动对Vin1和和Vin2是差动相位信号是差动相位信号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? 差动放大器差动放大器4 # 6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

6、通, M2截止截止Vin1-Vin2相差不相差不大时大时, M1和和M2均均导通导通Vin1=Vin2 时时,小信号增益小信号增益(即斜率即斜率)最大最大S SS Si in nn nO OX X2 2I IV V = =W WC CL LVin 差动放大器差动放大器4 # 7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. 输出端的最大和最小电平是确输出端的最大和最小电平是确定的定的(分别为分别为VDD和和VDD -RDISS) 。它们与共模输人电平无关。它们与共模输人电平无关。2. 小信号增益当小信号增益当Vin1= Vin2时达到最时达到最大大,且随

7、着且随着| Vin1- Vin2 | 的增加而逐渐的增加而逐渐减小到零减小到零。也就是说也就是说, 随着输入电随着输入电压摆幅的增大压摆幅的增大,电路变得更加非线性电路变得更加非线性。当。当Vin1= Vin2时时, 我们说电路处于我们说电路处于平衡状态平衡状态, 即静态。即静态。 差动放大器差动放大器4 # 8基本差分对的共模特性基本差分对的共模特性VinCMmin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,等效等效于一个小电阻于一个小电阻 差动放大器差动放大器4 # 9差动对小信号差动增益与共模

8、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VinCMmaxVinCMminS SS SS SS Sb bi in nC CM Mm ma ax xD DD DD DT TN N1 1（ 2 2）I I+ + V V V V V V- -R R+ + V V2 2产生产生ISS的的MOS管线性管线性M1和和M2线性线性 差动放大器差动放大器4 # 10共模输入电压与输出摆幅共模输入电压与输出摆幅XYX Xi in nC CM MT TN NV V V V- - V VM1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, 允许输出的输出摆幅就越小。允许输出的输出

9、摆幅就越小。幸运的是幸运的是, 因运放通常需至少两因运放通常需至少两级放大才能获得实际可使用的级放大才能获得实际可使用的放大倍数放大倍数, 因此对前级的摆幅要因此对前级的摆幅要求大大降低。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(也即第一级的输出也即第一级的输出电压摆幅电压摆幅)仅需为仅需为: 10V/400= 25mV。第一级的小信号。第一级的小信号输入范围仅为输入范围仅为: 25mV/100 =250VV。 差动放大器差动放大器4 # 11基本差分对的定量分析

10、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: :2 2D DD DG GS ST TN NG GS ST TN N2 2I II I = =( (V V - -V V ) )V V= =+ +V V2 2D D1 1D D2 2i in nG GS S1 1G GS S2 22 2I I2 2I IV V

11、 = = V V- -V V= =- -两边平方两边平方, 且考且考虑到虑到ID1+ ID2= ISS2 22 22 2S SS Si in nD D1 1 D D2 2D D1 1 D D2 2S SS Si in n2 2I I4 4V V= =- -I I I I4 4I I I I= =( (I I- -V V) )2 2 差动放大器差动放大器4 # 12基本差分对的定量分析基本差分对的定量分析(2)2 22 22 2S SS Si in nD D1 1D D2 2D D1 1D D2 2S SS Si in n2 2I I4 4V V= =- -I I I I4 4I I I I=

12、=( (I I- -V V) )2 22 22 22 22 22 22 2D DD D1 1D D2 2D D1 1D D2 2D D1 1 D D2 2S SS SS SS Si in nI I= =( (I I- -I I ) ) = =( (I I + +I I ) ) - -4 4I I I I= =I I- -( (I I- -V V) )2 22244()44 2 22 22 2i in nS SS Si in nS SS Si in ni in nV VI IV VI I V VV V2 2S SS SD Di in ni in n4 4I II I = =V V- -V V2

13、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:求：最大差模输入电压是多少？求：最大差模输入电压是多少？ 差动放大器差动放大器4 # 13基本差分对的定量分析基本差分对的定量分析(3)求最大差模输入电压求最大差模输入电压.假定假定Vinmax时，时，M1上通过的电流恰好上通过的电流恰好为为ISS，M2刚好截至，即刚好截至，即VGS2=VTN，此时有：此时有：S SS SG GS S1 1T TN N2 2I IV V= =+ +V VS SS Si in nm ma ax xG GS S1 1G GS S2 22 2I I V V= = V V - -V V= =同理，

14、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：S SS Si in nm ma ax x2 2I I V V= = - -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：S SS SI ID D2 2I I V V = =（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4 # 14基本差分对的定量分析基本差分对的定量分析(4)2 2S SS SD Di in ni in n4 4I II I = = V V- -V V2 2因因ID是是Vin的奇函数的奇函数，故有：

15、，故有：3 35 5D D1 1i in n3 3i in n5 5i in nI I ( (t t) )= =V V ( (t t) )+ +V V ( (t t) )+ +V V ( (t 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。，因此差分电路比单端电路表现出了更小的非线性。2 2D DS SS Si in nm m2 2i in nS SS Si in nI I2 2I I- -V VG G = = =V V4 4I I- -V V5. 因：因

16、：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：S SS Sm mS SS SI IG G = = I I= =2 2( () )2 2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：S SS SV VS SS SD DD DI IA A = = I I R R = =2 2( () )R R2 2 差动放大器差动放大器4 # 15最大输入差模电压最大输入差模电压VID与过驱动电压与过驱动电压Von的关系的关系S SS SI ID D2 2I IV V= =S SS SI ID Do

17、on n1 1, , 2 2G GS ST TN NI IV VV V= = V V - - V V= = =2 2右式表明若增加右式表明若增加VID来使来使电路具有更好的线性不可电路具有更好的线性不可避免会使避免会使M1和和M2的过驱动的过驱动电压电压Von ，对于给定的对于给定的ISS，这只能靠减小这只能靠减小(W/L) (也即减小跨也即减小跨导，从而减小放大器增益导，从而减小放大器增益)来实现。来实现。Von 会使输入共模电压会使输入共模电压范围范围 。(W/L) ,VID AV 电路线性电路线性 ISS ,VID ， AV 电路线性电路线性 差动放大器差动放大器4 # 16差分放大器的

18、增益差分放大器的增益2 2D DS SS Si in nm m2 2i in nS SS Si in nI I2 2I I- -V VG G = = =V V4 4I I- -V V0102SS0102SSVSSDDVSSDDin1in2in1in2V -VIV -VIA = I R =2()RA = I R =2()RV-V2V-V2同单级同单级CS放大器的增益放大器的增益S SS Sm mS SS SI IG G= =I I= =2 2( () )2 2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 差动放大器差动放大器4 # 17差分对的小信号特性差分对的小信号特性(1)S

19、 Sm2mm2m1111R =R =ggggm mD Dm mD DV VX Xm mS Sg g R Rg g R RA A = =- -= =- -1 1+ +g g R R2 2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=gmm mD DX XV VX X i in ni in n1 11 1g g R RV V = =A A V V= =- -V V2 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,先求先求VX 差动放大器差动放大器4 # 18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V

20、in1的的作用作用,再求再求VYVT=VinT Tm m1 1m m1 11 1R R = = =g gg g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:L L1 1m m1 1L L1 1D D1 1R Ri in nm m1 1L L1 1g g R R R RV V= =V V1 1+ + g g R RL L1 1L L1 1m m1 1L L1 1D D1 1T TR Ri in ni in nR Rm m1 1L L1 1g g R R R RV V = = l li im m V V= =V V= = V V1 1+

21、+ g g R R利用利用CG放大器已有公式放大器已有公式:m m2 2D Dm mD DV VX Xm m2 2T Tg g R Rg g R RA A = = =1 1+ +g g R R2 2m mD DY YV VX X T Tg g R RV V = =A A V V = =V Vi in n2 2 差动放大器差动放大器4 # 19差分对的小信号特性差分对的小信号特性(3)m mD DY YV VX XT Ti in n1 1g g R RV V = = A A V V = =V V2 2m mD DX XV VX X i in ni in n1 11 1g g R RV V = =

22、 A A V V= = - -V V2 2(VX-VY ) |Vin1=Vin=-gmRD Vin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 VinVin1和和Vin2共同作用时共同作用时, (VX-VY )的增益为的增益为: i in n1 1i in ni in n2 2i in nX XY YV V= =V VX XY YV V= =- -V Vm mD Dm mD Di in n1 1i in n2 2i in ni in n( (V V - -V

23、V ) )| |+ +( (V V - -V V ) )| |- -2 2g g R R= =g g R RV V- -V VV V - -( (- -V V ) ) 差动放大器差动放大器4 # 20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放大器的静态工作电流相同流相同, 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管跨导的管跨导的 1/21/2 。即差分对的增益只有即差分对的增益只有CS放放大器的大器的1/21/2 。 如果两种放大器中如果两种放大器中MOS管的管的(W/L

24、)和负载和负载RD均相均相同同, 为了得到相同的增益为了得到相同的增益, 若若 CS 放大器中静态工作放大器中静态工作电流为电流为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 。 由此可见，差分对是以更大的功耗来获取抗干扰由此可见，差分对是以更大的功耗来获取抗干扰能力、更好的线性。能力、更好的线性。然而，若不使用差分对，即然而，若不使用差分对，即使将使将CS放大器功耗增加一倍，也不可能获得与差放大器功耗增加一倍，也不可能获得与差分对相同的特性。分对相同的特性。 差动放大器差动放大器4 # 21差动对的差动对的“虚地虚地”概念概念在上图所示的对称电路中，其中在上图所示

25、的对称电路中，其中D1和和D2表示任何三端有表示任何三端有源器件，假定源器件，假定Vin1从从V0变化到变化到V0+Vin，假定假定Vin2从从V0变变化到化到 V0-Vin，如果电路仍保持线性，则如果电路仍保持线性，则VP值不变。值不变。由上可知，差分对在差模小信号作用下，因由上可知，差分对在差模小信号作用下，因VP值不变，值不变，故故P点成为点成为“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点可点可看成看成“交流地交流地”。 差动放大器差动放大器4 # 22“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显然显然, VX=-gmRDVin1, VY=-gmRD

26、 (-Vin1 )= gmRD1Vin1 X XY Ym mD D i in n1 1m mD Di in n1 1i in n2 2i in n1 1i in n1 1V V - -V V- -2 2g g R R V V= =g g R RV V- -V VV V- -( (- -V V) ) 差动放大器差动放大器4 # 23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 差动放大器差动放大器4 # 24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对于任意的输入信号对于任意的输入信号Vin+、Vin-，均

27、可写作：，均可写作： 差动放大器差动放大器4 # 25基本差分放大器的共模响应基本差分放大器的共模响应SSSSm mD DCMCMin,in,outoutv vR R) )1/(2g1/(2g/2/2R R V VV VA A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 差动放大器差动放大器4 # 26例例4.6 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：

28、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?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：S SS SG GS S1 1, ,2 2T TN NI IV V= =+ + V V= = 1 1. .2 23 3V V VinCMVGS1+VRSS1.23+0.51.73V因因m mD D1 1g g = =2 2I I= = 1 1/ /( (6 62 23 3) ), 所以所以AV=5时时, RD3.

29、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,Vd=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。 差动放大器差动放大器4 # 27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 ) )R R(R(RR R2g2g1 1g gV VV VR RR R2g2g1 1g gV VV VD DD DSSSSm mm mCMCMin,in,Y YD DSSSSm mm mCMCMin,i

30、n,X X因电阻失配，共模电压的变因电阻失配，共模电压的变化在输出端产生了一个差动化在输出端产生了一个差动成分，我们说电路表现出共成分，我们说电路表现出共模到差模的变换。模到差模的变换。此时若输此时若输入既有差模信号又有共模噪入既有差模信号又有共模噪声，则输入共模的变化就会声，则输入共模的变化就会损害放大的差模信号。损害放大的差模信号。 差动放大器差动放大器4 # 28尾电容有限时基本差分对的共模响应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流的输出阻抗和电路的不对称性，性，并表现为两方面的影响：并表现为两方面的影响：对称电路

31、的输出共模电平变化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以及输入共模电压变化在输出端产生差模分量。端产生差模分量。来源于尾电来源于尾电流自身的寄流自身的寄生电容和输生电容和输入对管的源入对管的源衬电容衬电容即使尾电流低频时输出阻抗很大即使尾电流低频时输出阻抗很大, 高频时因高频时因频率的增加导致等效输出阻抗减小频率的增加导致等效输出阻抗减小, 因此共因此共模到差模的转换在高频时会变得严重模到差模的转换在高频时会变得严重, 同时同时负载电阻及输入晶体管的失配也会导致共负载电阻及输入晶体管的失配也会导致共模到差模的转换模到差模的转换, 其中晶体管的失配通常比其中晶体管的失配通常比负载

32、电阻的失配影响大得多。负载电阻的失配影响大得多。 差动放大器差动放大器4 # 29基本差分对输入对管失配时的共模响应基本差分对输入对管失配时的共模响应(gm1+gm2)(VinCM-VP)RSS=VP X XY Ym m1 1m m2 2m mD DC CM M- -D DM MD Di in nC CM Mm m1 1m m2 2S SS Sm m1 1m m2 2S SS SV V - -V Vg g- -g gg g R RA A= = - -R RV V1 1+ +( (g g+ +g g ) )R R1 1+ +( (g g+ +g g ) )R Rm m1 1m m2 2S SS

33、SP Pi in nC CM Mm m1 1m m2 2S SS S( (g g + +g g ) )R RV V = =- -V V1 1+ +( (g g + +g g ) )R Rm m2 2D DY Ym m2 2i in nC CM MP PD Di in nC CM Mm m1 1m m2 2S SS Sg g R RV V = =- -g g ( (V V- -V V ) )R R = =- -V V1 1+ +( (g g + +g g ) )R Rm m1 1D DX Xm m1 1i in nC CM MP PD Di in nC CM Mm m1 1m m2 2S SS

34、Sg g R RV V = =- -g g ( (V V- -V V ) )R R = =- -V V1 1+ +( (g g + +g g ) )R R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 差动放大器差动放大器4 # 30基本差分对的共模抑制比基本差分对的共模抑制比CMRR X XY Ym m1 1m m2 2m mD DC CM M- -D DM MD Di in nC CM Mm m1 1m m2 2S SS Sm m1 1m m2 2S SS SV V - -V Vg g- -g gg g R RA A= = - -R RV V1 1+ +( (g g+ +g g ) )R R