第三讲-差动放大器与电流镜

第三讲_差动放大器与电流镜第一页，共45页。第三讲差动放大器与电流镜1第二页，共45页。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一个固定电位大小相等，相位相反。差动信号2第三页，共45页。

与单端工作相比，对环境噪声具有更强的抗干扰能力。差动工作特性3第四页，共45页。

增大了可得到的最大电压摆幅。单端X、Y点的最大电压摆幅为Vout1＝VDD－（VGS－VTH），那么VX-VY的最大摆幅为2[VDD－（VGS－VTH）]。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。4第五页，共45页。3.1基本差动对由两个cs放大器构成，分别处理两个差动信号输入共模电平若设定太低，会使输出严重失真输出直流电平受输入共模电平的变化影响较大偏置电流ID1+ID2＝ISS，它不依赖于输入共模电平，输出受输入共模电平的影响小。简单差动电路基本差动对5第六页，共45页。1、差模输入输出特性分析基本差动对假设Vin1－Vin2从－∞变化到＋∞：1）当Vin1比Vin2负得多，M1截止，M2导通，ID2=ISS，Vout1＝VDD，Vout2＝VDD-RDISS，Vout1-Vout2=RDISS2）当Vin1比较接近Vin2时，M1逐渐导通，RD1上有电流ID1，使Vout1下降，而ID2减小，Vout2上升。M1截止，M2导通M1导通，M1截止6第七页，共45页。3）当Vin1＝Vin2时，ID1=ID2＝ISS/2，Vout1＝Vout2＝VDD-RDISS/2。称为平衡状态。4）当Vin1比Vin2更正时，Vin1增加，ID1增加，ID2减小，Vout1下降，Vout2上升。对于足够大的Vin1－Vin2，ISS所有电流都只流经M1管，M2管截止，此时，Vout1＝VDD-RDISS，Vout2＝VDD。输出端的最大电平和最小电平是完全确定的，分别为VDD和VDD-RDISS小信号增益在Vin1＝Vin2时达到最大，随着|Vin1-Vin2|的增大而逐渐减小为零。斜率最大7第八页，共45页。2、共模特性令Vin1＝Vin2＝Vin,CM，Vin,CM从0变化到VDD。假设电路是对称的，Vout1＝Vout2。1）当Vin,CM=0时，M1、M2截止，ID1=ID2=0，ID3=0，Vb为高电位，M3处于深线性区，等效为一个电阻。Vout1＝Vout2＝VDD。2）当Vin,CM>VTH时，M1、M2饱和导通，ID1、ID2增加，VP上升。对于足够高的Vin,CM，VP≥VGS3-VTH3，M3进入饱和区，ID1、ID2之和保持为常数。3）当Vin,CM>Vout1+VTH＝VDD-RDISS/2+VTH，M1、M2进入线性区。8第九页，共45页。共模特性Vin,CM允许的范围为(M1、M2、M3工作在饱和区）：Notice：（1）Vout的最小值为Vin,CM－VTH，输入共模电平越大，允许的输出电压摆幅越小。（2）差动对的电压增益是负载上压降VRD的函数，若VRD比较大，Vin,CM必须比较低以保证M1、M2工作在饱和区。9第十页，共45页。3、定量分析假设电路是对称的，M1、M2均工作在饱和区VP＝Vin1－VGS1＝Vin2－VGS2ID1-ID2是Vin1－Vin2的奇函数，当|Vin1-Vin2|从0逐渐增增大，|ID1-ID2|也逐渐增大。10第十一页，共45页。等效跨导GmGm＝1）△Vin＝0，平衡状态，等效跨导达到最大值：与单个nmos管的跨导相同＝gm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：M2几乎截止11第十二页，共45页。同理，当△Vin<-△Vin1，所有的ISS只流经M2，而M1截止。3）当△Vin＝△Vin1时，Gm＝02）当△Vin>△Vin1时，所有的ISS只流经M1，而M2截止。实际可以处理的最大差模输入两个晶体管都导通12第十三页，共45页。两种方法增加最大差模输入范围△Vin1，从而使电路线性度更好：（1）W/L减小时，△Vin1增加，使两个晶体管都导通的△Vin范围增加，电路线性度好；（2）ISS增加，输入电压范围和输出电流摆幅加大。然而，△Vin1增加会增加M1和M2的过驱动电压。13第十四页，共45页。4、小信号特性分析（1）利用叠加法求小信号增益A）令Vin2＝0，求Vin1对VX、VY的作用。忽略r0M1看成带源极负反馈的共源极RS＝1/gm2小信号M1、M2均工作在饱和状态14第十五页，共45页。VY的计算M1管以源跟随器的形式驱动M2管，M2以共栅级形式工作。其戴维南等效为：VT=Vin1RT=1/gm15第十六页，共45页。输入为Vin1时，电路的电压增益为：若B）Vin2在X、Y点的作用：应用叠加法：AV＝Notice：1）无论怎样施加输入信号，差动电路的增益为gmRD2）如果输出为单边输出，则差动增益减半。3）与共源极增益相比，要达到和共源极相同的增益，总偏置电流应为共源极的两倍。差动对单端输出时增益减半！16第十七页，共45页。（2）利用半边电路法求小信号增益辅助定理：对于对称电路，其中D1、D2为三端有源器件。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电位不变。也就是说Vin1和Vin2分别变化＋△Vin和－△Vin，则V1（VGS1）、V2（VGS2）变化相同的值。因此，对于小信号而言，P点虚地。交流地17Vin变化VGS变化第十八页，共45页。由于Vp虚地，可将电路等效为两个独立的部分，即“半边电路”。AV＝18第十九页，共45页。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。19第二十页，共45页。5、当输入信号不是全差动信号时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第二十一页，共45页。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。对于差模信号，可以利用半边电路。21第二十二页，共45页。对如下电路，Vin1≠－Vin2，求差动输出对于共模分量，由于电路对称，ID1

＝ID2＝ISS/2，差动输出与Vin,CM无关。对称差动电路只对Vin1和Vin2的差值进行放大，而消除了Vin,CM的影响。22第二十三页，共45页。3.2共模响应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，称为共模响应。1、考虑电路对称，而电流源具有有限阻抗RSS的情况。Vin,CM增加，ID1、ID2增加，VP增加，VX、VY减小，由于电路对称，VX＝VY。可用图c等效。合并后，宽度为单管的两倍，电流为单管两倍，因此gm为单管两倍M1、M2并联23第二十四页，共45页。共模增益：2、考虑电路不对称，且尾电流源输出阻抗有限的情况（1）考虑负载失配，管子对称的情况输出共模信号24第二十五页，共45页。当Vin,CM增加，ID1、ID2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：（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）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。后者的影响严重得多，共模响应通常考虑电路不匹配情况高频时变得严重25第二十六页，共45页。（2）考虑M1、M2不匹配情况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，ID1、ID2稍微不同，则gm不同。26第二十七页，共45页。共模到差模的转换：管子不匹配27第二十八页，共45页。3、共模抑制比CMRR（CommonModeRejectionRatio）3.3以MOS为负载的差动对二极管连接的负载消耗了一个阈值电压的电压余度。≈放大器对共模输入扰动的抑制能力差模响应共模响应28第二十九页，共45页。如何提高增益？可以通过减小P管宽长比来提高增益，但P管过驱动电压增加，降低了输出共模电平。1、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、提高负载阻抗来提高增益≈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第三十页，共45页。采用PMOS共源共栅负载的NMOS共源共栅差动放大器AV＝－GmRout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。共源共栅差动放大器30第三十一页，共45页。3.4电流镜工作在饱和区的MOS管可以作为电流源使用主要作用：（1）为其它电路提供偏置；（2）作为信号处理单元；电流受电源电压、工艺、阈值电压影响。31第三十二页，共45页。1、基本电流镜产生稳定的基准电流通过复制，产生电路中所需的电流源ID=f（VGS）VGS=f-1(ID)若VGS＝f-1(IREF)则Iout＝ff-1（IREF）=IREF基本电流镜在模拟电路中，电流源的设计基于对基准电流的“复制”32第三十三页，共45页。可以精确地复制电流而不受工艺和温度的影响。2、普通共源共栅电流镜沟道长度调制效应会使基本电流镜镜像的电流产生误差：VDS1＝VGS1＝VGS2，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第三十四页，共45页。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Vb，使得VX=VY，那么VDS2=VGS1＝VGS2，则可以消除沟道调制效应影响，ID2非常接近ID1。如何产生Vb，并使VX＝VY？VN＝VGS0＋VX＝VGS3＋VY

共源共栅结构可使M2免受Vp的影响，只要VY≈VX，ID2≈ID1根据M3的尺寸选择M0的尺寸，使VGS0＝VGS3，那么VX＝VY34第三十五页，共45页。如果设计管子的尺寸，使其满足：那么：共源共栅电流镜特点：（1）优点：高的输出阻抗，产生精确的电流值（2）缺点：由于VDS2=VGS2，共源共栅电流镜消耗了一个阈值电压的余度(两个过驱动电压加一个阈值电压)。?35第三十六页，共45页。3、低压共源共栅电流镜选择合适的Vb使M2、M1工作在饱和状态。M2饱和：M1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：1）选择最小Vb=VGS2+(VGS1-VTH1)2）选择合适晶体管尺寸满足：VGS2=VGS4则：Vb=VGS4+(VGS3-VTH3)从而：Vout=（VGS4-VTH4）+(VGS3-VTH3)为两个过驱动电压之和第三十七页，共45页。优点：若Vb＝VGS2+(VGS1-VTH1)=VGS4+(VGS3-VTH3)VA=VB，M3电流可以精确地镜像IREF。此时，消耗的电压余度最小，为两个过驱动电压之和。4、有源电流镜用作处理信号有源电流镜作为差动对负载：当Vin1增加时，ID1增加△I，ID3、ID4也增加了△I，ID2减小。