CMOS集成电路设计-拉扎维4差分放大器.ppt

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CMOS集成电路设计-拉扎维4差分放大器

基本差分对的共模抑制比CMRR 若只考虑gm的不匹配,左图中: 假定Vin1 =- Vin2 ,则有: 上式中,gm=(gm1+gm2)/2 用CMRR来综合反映差分放大能力和共模抑制能力 4.4 MOS负载的差分放大器 半电路 半电路 设计时:在摆幅、增益和输入共模 范围三者之间的合理折衷。 4.4 MOS负载的差分放大器 半电路 类似单级放大器,差动对的负载也可以采用二极管连接的MOS或者电流源作负载 二极管连接的MOS作负载 MOS负载的差分放大器 MOS负载的差分放大器 结 束 * 基本差分对的定量分析(3) 为求得最大差模输入电压,假定△Vinmax时,M1上通过的电流恰好为ISS,M2刚好截至,即VGS2=VTN,此时有: 差动放大器 Ch.4 # * 基本差分对的定量分析(3) 为求得最大差模输入电压,假定△Vinmax时,M1上通过的电流恰好为ISS,M2刚好截至,即VGS2=VTN,此时有: 同理,M1恰好截至,M2上通过的电流恰好为ISS时,此时有: 故允许输入的最大差模电压范围△VID为: (这就是电路能处理信号的最大差模电压。) 差动放大器 Ch.4 # * 基本差分对的定量分析(4) 4. 因: M1、M2的等效跨导Gm为: 静态时△Vin =0, Gm为: 又V01-V02=RD △ID = RD Gm △Vin,故平衡态下的小信号差动电压增益AV为: 差分放大器的增益 同单级共源放大器的增益 漏极电流和Gm随输入电压变化曲线 差分对的小信号特性(1) 差分对的小信号特性(1) 差分对的小信号特性(1) 差分对的小信号特性(1) 这是带负反馈电阻RS的CS放大器 RD1=RD2=RD gm1=gm2=gm 利用叠加定理,先考虑Vin1的作用,先求VX 差分对的小信号特性(2) 差分对的小信号特性(2) 利用叠加定理,先考虑Vin1的作用,再求VY VT=Vin 这是CG放大器 RL1 求开路电压VT 利用小信号等效电路,可求得: 差分对的小信号特性(2) 差分对的小信号特性(3) (VX-VY ) |Vin1=?Vin=-gmRD 因电路对称,故除了极性相反外,Vin2在X和Y点产生的作用和Vin1效果一样: (VX-VY ) |Vin2=-?Vin=-gmRD Vin1和Vin2共同作用时, (VX-VY )的增益为: ?Vin ?Vin ?Vin 差分对增益与CS放大器增益的比较 如果差分对的尾电流ISS与CS放大器的静态工作电流相同, 则差分对管的跨导 gm 只有CS放大器中MOS管跨导的 1/2。即差分对的增益只有CS放大器的1/2 。 如果两种放大器中MOS管的(W/L)和负载RD均相同, 为了得到相同的增益, 若 CS 放大器中静态工作电流为ISS, 则差分对中的尾电流必须等于 2ISS 。 差分对是以更大的功耗来获取抗干扰能力、更好的线性。若不使用差分对,即使将CS放大器功耗增加一倍,也不可能获得与差分对相同的特性。 方法二(半边电路) 辅助定理: 考虑图中所示的对称电路,其中D1和D2代表任何三端有源器件。假设Vin1从V0变化到V0+ ΔVin, Vin2从V0变化到V0-ΔVin,那么,如果电路仍保持线性,则Vp值保持不变。假定λ=0。 辅助定理说明了P点可以认为是“交流地”,即“虚地”。 差动对的“虚地”概念 上图,D1和D2表示任何三端有源器件,假定Vin1从V0变化到V0+△Vin,Vin2从V0变化到 V0-△Vin,如果电路仍保持线性,则VP值不变。 在差模小信号作用下,差分对VP值不变,P点为“虚地”点,即差模小信号等效电路中P点可看成“交流地”。 利用P点虚地(交流地)的特点,电路可等效为两个 独立的部分,即“半边电路”概念。 “虚地”的应用-差分对的半边电路 VX=-gmRDVin1, VY=-gmRD (-Vin1 )= gmRDVin1 任意输入信号的差分对 采用叠加定理 差模响应 共模响应 如果两个差动对的输入信号不是全差动的,可以将此任意信号表示为差模分量和共模分量。 非全差分输入电路 运放差模(共模)信号、差模(共模)增益的关系 如果两个差动对的输入信号不是全差动的,对于任意的输入信号Vin+、Vin-,均可写作: 根据线性系统的叠加定理,运放总的输出电压V0即是图(A)、 (B)两个输出的叠加, 即:V0=V01+V02 图(A) 图(B) 非理想性包括: 尾电流源ISS的内阻RSS不是无穷大 电路不对称 RD1和RD2之间有失配 M1和M2之间有失配(W/L、VTH等) 差动电路对共模扰动影响具有抑制作用,理想差动电路的共模增益为0;但是实际上有以下一些非理想的因素 4.3 差分放大器的共模响应 小信号共模特性

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