差动电路介绍.ppt

1、Chapter 12,差動及多級放大器,2,本章重點一覽,12.1 基本想法 12.2 信號分析 大信號分析 小信號分析 同模增益 12.3 差動放大器的非理想特性 輸入漂移電壓 輸入漂移電流 輸入電壓範圍,3,本章重點一覽,12.4 電流源 基本電流源 精密電流源 輸出電阻 Wilson電流鏡 Widlar電流鏡 12.5 主動負載 12.6 MOSFET差動放大器 信號分析 輸入漂移電壓 電流源 主動負載,4,本章重點一覽,12.7 多級放大器 第一級差動放大器 第二級差動放大器 輸出CC放大器 12.8 結語,5,12.1 基本想法,差動放大器設計上主要基於瓜分電流想法：,假定Q1和Q2

2、皆工作在active mode，則 其中 是個固定電流，所以一方電流大，則另一方電流就少。IC1和IC2的大小與V1和V2有關。,6,12.1 基本想法,當V1 = V2，不管V1 或V2的大小為何，合理的結果都是因此決定IC1、IC2的並不是V1、V2的大小，而是它們彼此間的差異。 假設 。如果 為正值，顯然Q1的VBE大於Q2 (因為它們的E極電壓相同)，因此 ，即IC1 瓜分到較多的電流反之亦然而兩者瓜分電流的比例和 有關。,7,12.1 基本想法,IC1、IC2的變動受輸入電壓差( )控制並且因此可以藉 控制輸出電流(IC1，IC2)，以達到信號放大的目的。 即使V1和V2皆為DC信號

3、，也能將它們的電壓差加以放大，所以是個直流放大器，有非常好的低頻響應。,Vo1 = VCC IC1RC Vo2 = VCC IC2RC,8,12.2 信號分析,大信號分析(假設兩顆BJT的特性相同且皆工作於 active mode)，則可得到以下關係式 ：再加上 ，則：,9,12.2 信號分析,由以上分析顯示 IC1、IC2 完全受Vd 控制： 利用這個結果將Vd轉化為IC1、IC2電流變動，再利用電阻將電流化為電壓變動，達成信號放大的目的。,當 ， 當 ，IC1增加IC2下降 當 ，IC1下降IC2增加,10,12.2 信號分析,小信號分析(差動放大器的傳導係數標記為 ) 假設兩個輸入端的直

4、流偏壓相等 ，所以。現在假如兩個輸入端之間加入一個交流小號 ，所以IC1的變動(IC1)和Vd的變動( Vd)之間的關係為： 同理IC2和Vd的變動關係為：,11,12.2 信號分析,單端差動增益(single-ended differential gain),對Q1來說： 對Q2來說：,12,12.2 信號分析,若輸出信號取兩個輸出信號的差，則： Ad 稱為雙端差動增益(double-ended differential gain)。,13,12.2 信號分析,假設電流源的輸出電阻很大可視為斷路，Vd剛好跨在兩顆BJT的B-E junction上，由於B-E junction的小信號等效電阻

5、為r，所以輸入電阻(Rin)為：,14,12.2 信號分析,同模增益：差動放大器的兩個輸入信號通常有一個共同的直流電壓，即：,Vd 為差動電壓(differential-mode voltage) Vm 是它們共同的直流電壓，稱為同模電壓(common-mode voltage),15,12.2 信號分析,理論上差動放大器的輸出僅與Vd有關而與Vm 無關，但實際電路不可能完全對稱，故輸出電壓會受Vm影響。,如左圖，將兩個輸入端短路使得Vd = 0，並接到一個信號源Vm。假設RC1 = RC，RC2 = RC + RC，並且電流源I0的輸出電阻為R。,RC,16,12.2 信號分析,當Vm改變時

6、，由於VBE 0.7V的特性，所以Vm的變動(Vm)約等於Q1和Q2的E極電壓變動(VE)，結果造成I0的電流變動(I0)； 因此I0的變動造成IC1與IC2同樣的變動(IC1 與IC2)，而造成了Vo1、Vo2以及Vo的變動； 定義同模增益(common-mode gain)Acm 為：,17,12.2 信號分析,理想的差動放大器的Acm = 0，表示Vo完全與Vm無關；而實際的差動放大器由於RC很小且R很大，所以Acm通常遠小於1。 Common-Mode Rejection Ratio(CMRR)來表示差動增益和同模增益的比值：在實用上，CMRR愈大愈好。而理想差動放大器的CMRR趨近於

7、無窮大。,18,12.3 差動放大器的非理想特性,輸入漂移電壓(input offset voltage) 在實際上，差動放大器不可能完全對稱，所以當V1 = V2 時，Vo1 Vo2，Vo 0。 欲使Vo = 0，我們可以在輸入端加入一個電壓VOS，稱為輸入漂移電壓，以此來消除因元件不對稱所產生的誤差。,19,12.3 差動放大器的非理想特性,例題1.,左圖中假如Q1 和Q2特性完全相同但RC1 = R+R，求VOS。,20,12.3 差動放大器的非理想特性,例題2.,左圖中假如Q1和Q2 的特性有些不同，其中IS1=IS，IS2=IS+IS，求VOS。,21,12.3 差動放大器的非理想特

8、性,輸入漂移電流(input offset current) 假如兩顆電晶體並非對稱，特別是 值不相等時：此時輸入電流不相等而產生輸入漂移電流(IOS)為：,22,12.3 差動放大器的非理想特性,輸入電壓範圍,Q1、Q2必須工作在active mode才能使差動放大器正常運作。 假若輸入電壓太高，電晶體會進入 saturation mode，太低則會使電流源工作不正常，所以輸入電壓範圍有所限制。,23,12.3 差動放大器的非理想特性,例題3.,左圖中，假如VCC = 10V，VEE = 10V，RC = 4K，電流源I0 = 2mA，且Q1和Q2的E極電壓VE 必須大於 ，電流源才能正常運

9、作。請估算輸入電壓V1的正常工作範圍。,24,12.4 電流源,基本電流源：VBE相等時，其IC亦相同,假設Q1、Q2的特性相同且皆工作於active mode。由於Q1、Q2的B極和E極分別連在一起：所以故輸出電流Io由IC1決定，大小與輸出端電壓無關。,25,12.4 電流源,若忽略IB的影響，由電路結構得到：所以IC1完全由Rref 決定。由於Io = IC1，只要Q2工作於active mode，Io幾乎保持定值。 由於Iref和Io好像是一面鏡子的內外兩個影像，所以亦稱為電流鏡(current mirror)。,26,12.4 電流源,若將IB考慮進來，則Io與Iref會有些差距：由

10、於 通常很大，所以Io與Iref 的誤差很小。,27,12.4 電流源,電流源的一個重要特點，也是一項優點，就是同一個參考電流(Iref)可以提供許多電路使用。,例如左圖的電路中，我們利用並聯的方式使得四顆BJT的VBE 相等，故一個參考電流可供三個電流源使用。 在實際IC製作中，可以利用不同的B-E junction面積來得到和參考電流不同的電流源。,28,12.4 電流源,精密電流源：基本電流源加上一顆電晶體(Q3),由於基本電流源Io與Iref的誤差由IB所造成，所以此電路的設計觀點是利用Q3以降低IB的影響。,29,12.4 電流源,精密電流源： 由電路結構：則Iref和Io的關係為：

11、Io與Iref的誤差由2/ 降至2/2。,30,12.4 電流源,輸出電阻Ro： 理想電流源的Ro趨近於無窮大，所以其輸出電流完全不受Vo影響。 由小信號模型得知，基本電流源和精密電流源兩者的Ro 相同，皆為Q2由於Early effect 造成的小信號等效電阻ro：,31,12.4 電流源,例題4.,假設左圖中Io = 1mA，電晶體的VA = 100V，當輸出端電壓Vo 變動1V，求對應Io的變動。,32,12.4 電流源,Wilson電流鏡,不僅降低Io與Iref的誤差，同時大幅提高Ro，使輸出電流更穩定,33,12.4 電流源,Wilson電流鏡： 由電路結構知：Io與Iref的關係為

12、：Io與Iref的關係與精密電流源相同。,34,12.4 電流源,Wilson電流源由於Q3與Q2為串聯的型態，可以大幅增加輸出電阻：Ro遠比精密電流源高 倍。,35,12.4 電流源,例題5.,假設Wilson電流鏡的Io = 1mA，BJT的VA = 100V， = 100。當輸出端電壓Vo 變動1V，請計算輸出電流的變動。,36,12.4 電流源,Widlar電流鏡,比基本電流源多加一顆電阻RE，以此簡單的方式獲得與參考電流差距很大的電流源，使得電路設計的自由度大增,37,12.4 電流源,Widlar電流鏡 Iref和Io的關係為：以RE打破VBE1 = VBE2的關係，利用BJT 電

13、壓電流呈指數關係的特性。,38,12.4 電流源,例題6.,左圖為Widlar電路，假設VCC = 12V。欲得到Iref=1mA，Io = 10uA，請設計Rref 及RE。,39,12.5 主動負載,利用兩顆pnp電晶體(Q3，Q4)組成一個電流源以取代 RC作為差動放大器的負載。,由於是以電晶體作為負載，所以稱為主動負載(active load) 使用電流源的原因是因為有非常大的輸出電阻，等效上好像是一顆很大的RC，但卻無RC伴隨而來的直流偏壓下降的問題。,40,12.5 主動負載,經由簡化分析後，最後的差動增益為：因為Q2、Q4的偏壓電流相同，所以： 假如 則：由於VA通常很大，故能獲

14、致非常高的增益。,41,12.6 MOSFET差動放大器,利用MOSFET作差動放大器的工作原理與BJT完全相同。,使用MOSFET的好處是輸入電阻趨近於無窮大，但缺點是Gm較小，所以增益較低。,42,12.6 MOSFET差動放大器,信號分析(假設兩顆FET的特性完全相同且皆工作於 saturation mode) 由電路分析可以得知：假如偏壓電流ID1 = ID2 = I0/2，則ID1對Vd的小信號變動關係為：,43,12.6 MOSFET差動放大器,信號分析則Gm為：由於 ，故：,44,12.6 MOSFET差動放大器,小信號情形下的差動增益：由於FET的Gm較BJT小，所以在相同的偏

15、壓電流及負載電阻下，其增益亦較小。,45,12.6 MOSFET差動放大器,輸入漂移電壓：假如差動放大器不是完全對稱的結構，當V1 = V2時， 。此時可以在輸入端加入輸入漂移電壓VOS使得 。,46,12.6 MOSFET差動放大器,例題7.,左圖中假如Q1和Q2特性完全相同但RD1=R，RD2=R+R，求VOS。,47,12.6 MOSFET差動放大器,例題8.,左圖中假如Q1和Q2的臨界電壓不同，Vt1 = Vt，Vt2 = Vt + Vt，求VOS。,48,12.6 MOSFET差動放大器,電流源 利用兩顆相同的FET在VGS相同的狀況下，若忽略 channel modulation

16、effect 其ID亦相等,FET的IG = 0，所以無IB造成誤差的問題。 FET沒有VBE(on) = 0.7V的特性。,和BJT電流源的差異：,49,12.6 MOSFET差動放大器,例題9.,在左圖的電流源中，設計Rref使得Iref=1mA。 假定：VDD = 10V，Q1 和Q2 的k = 1mA/V2，Vt = 1V。,50,12.6 MOSFET差動放大器,若欲增加電流源的輸出電阻，可採用下圖Wilson電流鏡，利用電晶體Q3可以大幅增加輸出電阻。,由小信號分析可以推得：,51,12.6 MOSFET差動放大器,主動負載 利用電流源取代 RD的FET差動放大器，以獲得高增益：,

17、基於和BJT相同的工作原理，其差動增益為：由於Q2、Q4的偏壓電流相同，所以：假如 RL，則：,52,12.7 多級放大器,下圖為三級放大器，由A1、A2和A3三個放大器所組成。,可串聯多級放大器以得到高增益,53,12.7 多級放大器,各級放大器的功用： A1是輸入放大器，通常希望具高輸入阻抗使信號源(VS)不受外接A1的影響，當然也希望有適當增益以放大信號。所以可能考慮採用含射極電阻的CE放大器，以增加輸入阻抗。 A2的作用通常只是放大信號，所以增益是最重要考量，因此選擇無射極電阻的CE放大器。 A3是輸出放大器，通常經前兩級放大之後增益已經足夠，在輸出端重要的是有足夠的電流推負載RL(特別是當RL阻值很小的時候)。故CC放大器是自然的選擇，它的電壓增益雖然小於1但電流增益很大。,54,12.7 多級放大器,兩級差動放大及一級CC放大器作為輸出：,55,12.7 多級放大器,第一級差動放大器,由Q1、Q2構成差動放大器而Q3、Q4則作為電流源,56,12.7 多級放大器,第二級差動放大器,此級的作用除進一步提升增益外，還將兩個差