chapter4差动放大器.ppt

1、Chapter4 差动放大器,2,学习内容,分析基本差分对的大信号特性和小信号特性; 引入共模抑制的概念,介绍差分对的共模特性; 二极管负载的差分对,电流源负载的差分对以及以cascode为负载的差分对,以电流镜为负载的差分对的学习放在第五章. Gilbert cell(吉尔伯特单元),3,4.1 single ended and differential operation,1)单端信号:是指相对于某一固定电平(通常是电源电位VDD或者地电位VSS)的信号. 2)双端信号:由两个单端信号构成,但这两个单端信号包含了一个差动信号和一个共模信号的信息. 差动信号:两个单

2、端电位之差,且这两个单端电位相对于某一固定电位来说具有大小相等、极性相反的特性.这个固定电位就叫做共模信号.,4,5,由(a)和(b)可以得到Vid、Vic与Vin1、Vin2的关系:,Vin1=Vic+Vid/2,Vid=Vin1-Vin2,Vin2=Vic-Vid/2,Vic=(Vin1+Vin2)/2,或者,在这个原则下,我们引入Vid和Vic两个电平.如下图:,6,(3) 为什么要使用差分信号的放大器?,.差分信号与单端信号相比,一个很重要的优势在于它对于环境噪声有更强的抗干扰能力,例如:,7,信号线用差分形式传输，可消除干扰：,两个信号的共模电平被干扰，但是差动输出没有被损坏，抑制了

3、共模噪声。,8,时钟用差分形式传输,可消除干扰:,时钟差分传输,9,.对电源电压波动产生的噪声电平也有很强的抑制作用.,.差分信号最大的优势是极大地增加了可得到的电压摆幅, 且双端输出摆幅是单端输出的2倍.,10,4.2 基本的差分对,1)差模特性的大信号分析( ),因为,(3)如果 足够小,(2)如果 足够大,(1),4.2.1 定性的分析(直流大信号分析),因此得到差模情况下的传输曲线：,11,12,13,14,15,差动对的两个重要特性：,输出端的最大电平和最小电平是完全确定的，与输入共模电平无关。,小信号电压增益当Vin1= Vin2时达到最大,且随着Vin1- Vin2的增大而逐渐减

4、小为0.,当Vin1= Vin2时，电路处于平衡状态。,尾电流源的作用：抑制输入共模电平的变化对M1管和M2管的工作以及输出电平的影响。,16,2) 共模特性的大信号分析,Vin1、Vin2相对的共模电平的选择是相当重要的,应该选择多大的共模电平呢?这时我们需要考虑具体的电路.因为恒流源上的压降影响了共模电平的大小.(如下图:由M3构成的恒流源),(1),(2),到饱和区,恒流源开始工作,这时有, M3由深三极管区进入,17,(3),M1、M2脱离饱和区,不处于放大区域了.,因此,输入的共模电平的范围为:,因此得到共模情况下的传输曲线：,18,19,20,21,3) 差模+共模特性的大信号分析

5、,共模电平不能选的太低,一定要使M3处于饱和区,提供恒定电流,否则电路的放大将失真. (2)共模电平也不能选的太高,容易使M1(M2)脱离饱和,不在正常的放大范围. 因此共模信号的选择非常重要,从输出端来看,输出电压范围为,如果共模电平选的太高,输出摆幅将会减小.,22,交流小信号分析,4.2.2 定量分析,(1)由电流电压方程导出小信号跨导及增益,差分放大器的三个器件都工作在放大区,我们找出这个放大器的等效跨导Gm .,Gm的定义如下:,23,因为:,令,因此:,两边平方，且 ID1+ ID2 = ISS ，于是得到,24,因为:,，对上式两边再平方,(4.1),若要求:,只要满足:,或者,

6、问：后面这种情况是否可能发生？为什么？,25,讨论:,(1)当,时,又因为:,这个增益和,时的单管增益值是一样的.,(4.2),(4.3),由(4.1)式得到:,26,于是，我们可以得到漏极电流和总跨导随输入电压变化的曲线如图所示：,问:为什么 时,?,(2),时，,27,(2) 叠加法分析小信号特性,a. 当Vin20 时,研究Vin1在Vout1, Vout2两端的响应.(考虑RD1=RD2=RD),叠加法的思想：分别令Vin10和 Vin20 ,求得Vin在Vout1和Vout2的响应,然后再将两个响应叠加.,28,(1)先求Vin1在Vout1的响应,将M2看作是M1的等效RS.,其中

7、,因为带源极负反馈电阻的共源放大器的增益为:,因此上图中Vx相对于Vin1的增益为:,(4.4),29,(2) 接着我们求Vin1在Vout2的响应,用戴维南定理作出M1的等效电路,如下图,其中,这时M2为信号源为Vin1,信号源内阻为RT的CG放大器,它的增益为:,(4.5),30,由(4.4)和(4.5)可知,b.那么当Vin1 =0 ,Vin2在Vx和Vy端的响应是多少呢?,思路一:按前面的过程来推导; 思路二:因为Vin2在Vx及Vy端的响应与Vin1符号相反,所以,(4.6),(4.7),31,则Vin1、Vin2两个信号源对(Vx-Vy)的响应,用叠加原理可以得到:,若,则,所以有

8、:,32,(3)半边电路法分析小信号特性,如果一个完全对称的差动电路中,两个输入相对于平衡值的变化大小相等,方向相反,则可以用半边电路的概念. 辅助定理:,电路对称，假设Vin1从V0变化到V0 ，Vin1从V0变化到 V0 ，如果电路仍保持线性，则VP值不变。,33,34,4.3 共模响应,共模响应是指差分输入端共模信号在输出端的响应.理想情况下,输出端不受共模输入变化的影响(包括直流电平波动、耦合到输出口的电源噪声等).而在实际的差分电路中,由于有限恒流源的输出电阻、电路中器件不对称等原因,输出端的直流电平会产生波动,并且有有害的差分信号产生.因此,共模响应主要研究由于恒流源的有限输出电阻

9、、电路元件不对称等原因在输出端造成的影响.,35,(1) 有限恒流源输出电阻引起的共模响应,令尾电流源有一个等效电阻RSS,则当差分电路理想对称时,可等效于下边的电路:,36,这种情况下, Vout会随 Vin,CM 产生共模漂移, 要使 Vout不随 Vin,CM产生共模漂移,应使 .,于是有,有限RSS对电路的影响主要体现在输出直流电平的变化上,这种变化有时会破坏放大器的正常的工作偏置状态,或影响差模输出电压摆幅.,37,单输出端对 的响应如下:,当 和 相差 时, 且尾电流源的输出阻抗有限时，输入共模电平的变化对输出有什么影响呢？,(2) 负载不对称引起的共模响应,38,可见，当 和 相

10、差 时, 和 除了有公共的漂 移部分 外,还出现了差模信号 ,并有,即将输入共模信号转换成了差模信号.,39,从实际输入输出电压情况来看：共模电平的波动在输出端产生了有害的差分信号，这会干扰正常的差分输出电平。,40,下面计算输入共模信号 对 X点和 Y点输出的影响：,(3)器件不对称引起的共模响应,因为:,41,所以:,即,从而每端的输出电压为:,42,因而输出端的差动分量可由下式得到:,所以相当于共模转化为差模的增益为:,43,(4)共模抑制比,即差模增益与共模-差模增益之比,与过去差模增益与共模增益之比不同. CMRR越大,电路性能越好.,a)在差分放大器中,器件的非对称性是产生不应有的

11、差分输出的根本原因.尾电流输出电阻的大小也影响这种响应.,讨论:,44,c)按照此处CMRR的定义,它的计算很复杂,因为涉及到多方面不对称的影响,尤其是在gm1和gm2不相等时,是需要通过复杂的叠加原理来计算的.,b)尾电流输出电阻对共模抑制及减小共模/差模转换都很重要.一般来说, RSS由恒流源取代.即使是理想恒流源,在高频工作时, 由于与RSS并联的电容产生的作用, RSS会失去作用.,练习:求电流源内阻为 ,且 时,差动放大器的CMRR.,45,4.4 MOS为负载的差动对,以MOS二极管为负载的简单差分放大器和以恒流源为负载的简单差分放大器.,二极管负载,恒流源负载,46,(2) 二极

12、管连接的MOS负载并联恒流源连接的MOS负载的简单差分放大器可以提高增益:,思考：对于给定的 这个放大器的增益较原来没有连接恒流源器件的差分放大器的增益提高了多少呢？器件尺寸一定的情况下，小信号增益又提高了多少呢？,47,(3) 以级联结构作为负载的差分放大器,半边电路的分析方法: 从输出端向下看到的输出阻抗是:,从输出端向上看到的输出阻抗是:,因此这个放大器的增益为:,48,4.5 吉尔伯特单元,从前面对差分放大器的分析,差分放大器主要体现三个重要的功能: 就小信号增益而言,电路的小信号增益是尾电流的函数，可以通过改变偏置电流来调节增益的大小. 就大信号特点而言,输入信号可以操控尾电流在不同

13、支路的流动. 通过不同的连接,可以得到正的增益和负的增益,即容易获得两相位互补的输出信号.,49,根据上述第（1）和第（3）点的功能，我们可以得到VGA（variable gain Amplifier),如下图（a）所示。,也可以得到正增益和负增益的VGA，如上图（b）所示。,50,如果将正负增益结合在一起并通过 和 来选择 正负增益和调节增益的大小，则可通过下面的电路来实现：,51,所以,该电路的电压增益：,式中 代表M1、M2差分放大器（反向输出）的等效跨导. 代表M3、M4差分放大器（同向输出）的等效跨导.,由上图知道：,52,要使 反方向变化,以保证放大器的增益单调变化,怎么样实现了?下面的两个图