第三讲_差动放大器与电流镜

1、Institute of VLSI Design, Hefei U.of Tech1差动信号定义差动信号定义为两个节点电位之差，且该两个节点的电位相对于某为两个节点电位之差，且该两个节点的电位相对于某一个固定电位大小相等，相位相反。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的抗干扰与单端工作相比，对环境噪声具有更强的抗干扰能力。能力。差动工作特性差动工作特性3 增大了可得到的最大电压摆幅。增大了可得到的最大电压摆幅。单端单端X、Y点的最大电压摆幅为点的最大电压摆幅为Vout1VDD（VGSVTH），那么），那么VX-VY的最大摆的最大摆幅为幅为2VDD（VG

2、SVTH）。 对共模信号具有很强的的抑制能力，对差模信号有对共模信号具有很强的的抑制能力，对差模信号有很好的放大作用。很好的放大作用。4由两个由两个cs cs放大器构放大器构成，分别处理两个成，分别处理两个差动信号差动信号输入共模电平若设定太低输入共模电平若设定太低，会使输出严重失真，会使输出严重失真输出直流电平受输入共模输出直流电平受输入共模电平的变化影响较大电平的变化影响较大偏置电流偏置电流I ID1D1+I+ID2D2I ISSSS，它不依赖于输入共模它不依赖于输入共模电平，输出受输入共电平，输出受输入共模电平的影响小。模电平的影响小。简单差动电路简单差动电路基本差动对基本差动对5基本差

3、动对基本差动对假设假设Vin1Vin2从从变化到变化到： 1）当）当Vin1比比Vin2负得多，负得多，M1截止，截止，M2导通，导通，ID2=ISS，Vout1VDD，Vout2VDD-RDISS，Vout1-Vout2=RDISS 2）当）当Vin1比较接近比较接近Vin2时，时，M1逐渐导逐渐导通，通，RD1上有电流上有电流ID1，使，使Vout1下降，而下降，而ID2减小，减小，Vout2上升。上升。M1截止，M2导通M1导通，M1截止63）当）当Vin1Vin2时，时，ID1=ID2ISS/2，Vout1Vout2VDD-RDISS/2。称为平衡状态。称为平衡状态。4）当）当Vin1

4、比比Vin2更正时，更正时，Vin1增加，增加，ID1增加，增加，ID2减小，减小，Vout1下降，下降，Vout2上升。对于足够大的上升。对于足够大的Vin1Vin2，ISS所有电流都只流经所有电流都只流经M1管，管，M2管截止，此时，管截止，此时，Vout1VDD-RDISS，Vout2VDD。输出端的最大电平和最小电平是完全确定输出端的最大电平和最小电平是完全确定的，分别为的，分别为VDDVDD和和VDD-RVDD-RD DI ISSSS小信号增益在小信号增益在V Vin1in1V Vin2in2时达到最大，随着时达到最大，随着|V|Vin1in1-V-Vin2in2| |的增大而逐渐减

5、小为零。的增大而逐渐减小为零。斜率最大7令令Vin1Vin2Vin,CM，Vin,CM从从0变化到变化到VDD。假设电路是对称的，。假设电路是对称的，Vout1Vout2。1 1）当）当V Vin,CMin,CM=0=0时，时，MM1 1、MM2 2截止，截止，I ID1D1=I=ID2D2=0=0，I ID3D3=0=0，V Vb b为高电位，为高电位，MM3 3处于深线性区，等效为处于深线性区，等效为一个电阻。一个电阻。V Vout1out1V Vout2out2V VDDDD。2 2）当）当V Vin,CMin,CMVVTHTH时，时，MM1 1、MM2 2饱和导通，饱和导通，I ID1

6、D1、I ID2D2增加，增加，V VP P上升。对于足够高的上升。对于足够高的V Vin,CMin,CM，V VP PV VGS3GS3- -V VTH3TH3，MM3 3进入饱和区，进入饱和区，I ID1D1、I ID2D2之和保持为常数。之和保持为常数。3）当）当V Vin,CMin,CMVVout1out1+V+VTHTHVDD-RDISS/2+VTH，M1、M2进入进入线性区。线性区。8共模特性共模特性Vin,CM允许的范围为允许的范围为(M1、M2、M3工作在饱和区）：工作在饱和区）：NoticeNotice：（1 1）V Voutout的最小值为的最小值为V Vin,CMin,C

7、MV VTHTH，输入共模电平越大，允许的输出，输入共模电平越大，允许的输出电压摆幅越小。电压摆幅越小。（2 2）差动对的电压增益是负载上压降）差动对的电压增益是负载上压降V VRDRD的函数，若的函数，若V VRDRD比较大，比较大，V Vin,CMin,CM必须比较低以保证必须比较低以保证M1M1、M2M2工作在饱和区。工作在饱和区。9假设电路是对称的，假设电路是对称的，MM1 1、MM2 2均工作均工作在饱和区在饱和区VPVin1VGS1Vin2VGS2I ID1D1-I -ID2D2是是V Vin1in1V Vin2in2的奇函数，当的奇函数，当|V|Vin1in1-V-Vin2in2

8、| |从从0 0逐渐增逐渐增增大，增大，|I |ID1D1-I -ID2D2| |也逐渐增大。也逐渐增大。10Gm1 1）V Vinin0 0，平衡状态，等效跨导达到最大值：，平衡状态，等效跨导达到最大值：与单个与单个nmosnmos管的跨导相同管的跨导相同gm22SSVmDmDnoxDIWAG Rg RCRL 差动信号差动信号的小信号变化量平衡状态状态下小信号差动电压增益：平衡状态状态下小信号差动电压增益：112inGSTHSSnoxVVVIWCLM2几乎截止11同理，当同理，当VininVin1in1时，所有的时，所有的ISSSS只流经只流经M1，而，而M2截止。截止。实际可以处实际可以处

9、理的最大差理的最大差模输入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两种方法增加最大差模输入范围V Vin1in1，从而使电路线性度更好：，从而使电路线性度更好：（1 1）W/LW/L减小时，减小时，V Vin1in1增加，使两个晶体管都导通的增加，使两个晶体管都导通的VinVin范围范围增加，电路线性度好；增加，电路线性度好；（2 2）I ISSSS增加，输入电压范围和输出电流摆幅加大。增加，输入电压范围和输出电流摆幅加大。然而，然而，V Vin1in1增加会增加增加会增加M1M1和和M2M2的过驱动电压。的过驱动电压。13A）令Vin20，求Vin1对VX、VY的作用。忽略r0

10、M1看成带源极负反馈的共源极RS1/gm2小信号M1、M2均工作在饱和状态14VY的计算MM1 1管以源跟随器的形式驱动管以源跟随器的形式驱动MM2 2管，管，MM2 2以共栅级形式工作。以共栅级形式工作。其戴维南等效为：其戴维南等效为：VT=Vin1RT=1/gm15输入为输入为Vin1Vin1时，电路的电压增益为：时，电路的电压增益为：若B）Vin2在在X、Y点的作用：点的作用：应用叠加法：应用叠加法：AVNoticeNotice：1 1）无论怎样施加）无论怎样施加输入信号，差动输入信号，差动电路的增益为电路的增益为g gmmR RD D2 2）如果输出为单边）如果输出为单边输出，则差动增

11、益输出，则差动增益减半。减半。3 3）与共源极增益）与共源极增益相比，要达到和共相比，要达到和共源极相同的增益，源极相同的增益，总偏置电流应为共总偏置电流应为共源极的两倍。源极的两倍。差动对单差动对单端输出时端输出时增益减半！增益减半！16（2）利用半边电路法求小信号增益）利用半边电路法求小信号增益辅助定理：辅助定理：对于对称电路，其中对于对称电路，其中D1、D2为三端有源器件。假设为三端有源器件。假设Vin1从从V0变化到变化到V0Vin，Vin2从从V0变化到变化到V0Vin，那么，如果电路仍保持线性，那么，如果电路仍保持线性，则则VP电位不变。电位不变。也就是说也就是说Vin1和和Vin

12、2分别变化分别变化Vin和和Vin，则，则V1（VGS1）、）、V2（VGS2）变化相同的值。）变化相同的值。因此，对于小信号而言，因此，对于小信号而言，P点虚地。点虚地。交流地17Vin变化变化VGS变化变化由于由于VpVp虚地，可将电路等效为两个独立的虚地，可将电路等效为两个独立的部分，即部分，即“半边电路半边电路”。AV18如果考虑沟道长度调制效应，利用半边电路可以非常方便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。地计算其增益。19任意输入信号可以转换为差模分量和共模分量的叠加任意输入信号可以转换为差模分量和共模分量的叠加差模分量，为全差动信号共模分量20将差动信号

13、和共模信号分别产生的作用进行叠加，便将差动信号和共模信号分别产生的作用进行叠加，便可以得到电路输入输出特性。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。对于差模信号，可以利用半边电路。通过叠加法，放大器的差模响应与共通过叠加法，放大器的差模响应与共模响应可以独立考虑！模响应可以独立考虑！21对如下电路，对如下电路，V Vin1in1V Vin2in2，求差动输出，求差动输出对于共模分量，由于对于共模分量，由于电路对称，电路对称，I ID1D1 I ID2D2I ISSSS/2/2，差动输出与，差动输出与V Vin,CMin,CM无关。无关。对称差动电路只对对称差动电路只对V Vi

14、n1in1和和V Vin2in2的差值进行放大，的差值进行放大，而消除了而消除了V Vin,CMin,CM的影响。的影响。22当差动电路并不对称，或者电流源输出阻抗不为无穷大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的变化则会传递到输出端，称为共模输入的变化则会传递到输出端，称为共模响应共模响应。V V in,CM in,CM增加，增加，I ID1D1、I ID2D2增加，增加，V VP P增加，增加，V VX X、V VY Y减小，由于电路对称，减小，由于电路对称，V VX XV VY Y。可用图可用图c c等效。等效。合并后，宽度为单管的两倍，电流为单管两倍，因此gm为单管两

15、倍M1、M2并联23共模增益：共模增益：输出共模信号24当当Vin,CM增加，增加，ID1、ID2变化了变化了输入共模电平的变化在输出端产生一个差动成分，表现输入共模电平的变化在输出端产生一个差动成分，表现出共模到差模的转换。出共模到差模的转换。差动对的共模响应主要表现为两个方面：差动对的共模响应主要表现为两个方面：（1 1）电路对称，但由于尾电流源的有限输出阻抗，输入共模电平变）电路对称，但由于尾电流源的有限输出阻抗，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；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 2）由于电路不对称，且具有有限电流源

16、输出阻抗，输入共模电平）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。变化在输出端产生差模分量。后者的影响后者的影响严重得多，严重得多，共模响应共模响应通常考虑通常考虑电路不匹配电路不匹配情况情况/(12)mmmssGgg R,()12mXYin CMDmSSgVVVRg R ,12mDV CMmSSgRAg R 高频时变得严重25管子的失配比负载失配大得多！管子的失配比负载失配大得多！由于晶体管尺寸以及阈值电压的失配，由于晶体管尺寸以及阈值电压的失配，ID1、ID2稍微不稍微不同，则同，则gm不同。不同。26共模到差模的转换：共模到差模的转换：管子不匹配27

17、二极管连接的二极管连接的负载消耗了负载消耗了一个阈值电压一个阈值电压的电压余度。的电压余度。)()(pNTHGSTHGSVVVV放大器对共模输入放大器对共模输入扰动的抑制能力扰动的抑制能力12outoutDMinVVAV12,outoutCMDMin CMVVAV差模响应共模响应28如何提高增益？如何提高增益？可以通过减小可以通过减小P P管宽长比来提高增益，管宽长比来提高增益，但但P P管过驱动电压增加，降低了输出共模电平。管过驱动电压增加，降低了输出共模电平。1 1、附加电流源来提高增益、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 2、提高负载阻抗来提高增益、提高

18、负载阻抗来提高增益)()(pNTHGSTHGSVVVV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采用采用PMOSPMOS共源共栅负载的共源共栅负载的NMOSNMOS共源共栅差动放大器共源共栅差动放大器AVGmRout共源共栅结构具有高的输出阻抗，可以提高增益，代价是消耗共源共栅结构具有高的输出阻抗，可以提高增益，代价是消耗更多的电压余度，减小输出摆幅。更多的电压余度，减小输出摆幅。1330301035505070713 03 015 05 071 ()| 1 ()() ()VmmmbmmbmmmAgggrrrggrrrggr rgr r 共源共栅差动放大器30工作在饱和区的

19、工作在饱和区的MOSMOS管可以作为管可以作为电流源使用电流源使用当当MOSMOS管被用做电管被用做电流源时，其偏置电流源时，其偏置电压应该如何去加？压应该如何去加？问问题题主要作用：主要作用：（1 1）为其它电路提供偏置；）为其它电路提供偏置；（2 2）作为信号处理单元；）作为信号处理单元；电流受电源电电流受电源电压、工艺、阈压、工艺、阈值电压影响。值电压影响。31产生稳定的基产生稳定的基准电流准电流通过复制，产通过复制，产生电路中所需生电路中所需的电流源的电流源ID=f（VGS）VGS=f-1(ID)若若VGSf-1(IREF)则则Ioutff-1（IREF）= IREF基本电流镜基本电流

20、镜在模拟电在模拟电路中，电路中，电流源的设流源的设计基于对计基于对基准电流基准电流的的“复制复制”32可以精确地复制电流而不可以精确地复制电流而不受工艺和温度的影响。受工艺和温度的影响。沟道长度调制效应会使基本电流镜镜像的电流产生沟道长度调制效应会使基本电流镜镜像的电流产生误差：误差：VDS1VGS1VGS2，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的栅长，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的影响共源共栅电流源可以抑制沟道长度调制效应的影响选择合适的选择合适的Vb，使得，使得VX=VY，那么那么VDS2=VGS1VGS2，则可，则可以消除沟道调

21、制效应影响，以消除沟道调制效应影响，ID2非常接近非常接近ID1。如何产生如何产生Vb，并使，并使VXVY？VNVGS0VXVGS3VY 共源共栅结构可使共源共栅结构可使MM2 2免受免受VpVp的影响，的影响，只要只要V VY YV VX X，I ID2D2I ID1D1根据根据M3M3的尺寸选择的尺寸选择M0M0的尺寸，使的尺寸，使V VGS0GS0V VGS3GS3，那么，那么V VX XV VY Y34如果设计管子的尺寸，使其满足：如果设计管子的尺寸，使其满足：那么：那么：共源共栅电流镜特点：共源共栅电流镜特点：（1）优点：高的输出阻抗，）优点：高的输出阻抗，产生精确的电流值产生精确的

22、电流值（2）缺点：由于）缺点：由于VDS2=VGS2，共源共栅电流镜消耗了一个阈共源共栅电流镜消耗了一个阈值电压的余度值电压的余度 (两个过驱动电两个过驱动电压加一个阈值电压压加一个阈值电压)。?3201DDDDIIII21(/)(/)outREFWLIIWL35选择合适的选择合适的V Vb b使使MM2 2、MM1 1工作在饱和状态。工作在饱和状态。MM2 2饱和：饱和：MM1 1饱和：饱和：Vb才有解。选择合适的尺寸使M2的过驱动电压阈值电压。输入输出短接36实现方法：实现方法：1 1）选择最小）选择最小V Vb b=V=VGS2GS2+ +(V(VGS1GS1-V-VTH1TH1) )2

23、 2）选择合适）选择合适晶体管尺寸满晶体管尺寸满足：足：V VGS2GS2=V=VGS4GS4则：则：V Vb b=V=VGS4GS4+ +(V(VGS3GS3-V-VTH3TH3) )从而：从而：Vout= Vout= （V VGS4GS4- -V VTH4TH4）+ +(V(VGS3GS3-V-VTH3TH3) )为两个过驱动为两个过驱动电压之和电压之和 优点：优点：若若V Vb bV VGS2GS2+(V+(VGS1GS1-V-VTH1TH1) ) = V = VGS4GS4+(V VGS3GS3-V VTH3TH3)V VA A=V=VB B，M3M3电流可以精确地镜电流可以精确地镜像像I IREFREF。此时，消耗的电压余度。此时，消耗的电压余度最小，为两个过驱动电压之和。最小，为两个过驱动电压之和。用作处理信号用作处理信号有源电流镜作为差动对负载：有源电流镜作为差动对负载：当当Vi