會計(jì)學(xué)1cmos與習(xí)題chapter差動(dòng)放大器實(shí)用2023/1/172學(xué)習(xí)內(nèi)容分析基本差分對的大信號特性和小信號特性;引入共模抑制的概念,介紹差分對的共模特性;二極管負(fù)載的差分對,電流源負(fù)載的差分對以及以cascode為負(fù)載的差分對,以電流鏡為負(fù)載的差分對的學(xué)習(xí)放在第五章.Gilbertcell(吉爾伯特單元)第1頁/共53頁2023/1/1734.1singleendedanddifferentialoperation1)單端信號:是指相對于某一固定電平(通常是電源電位VDD或者地電位VSS)的信號.2)雙端信號:由兩個(gè)單端信號構(gòu)成,但這兩個(gè)單端信號包含了一個(gè)差動(dòng)信號和一個(gè)共模信號的信息.＊差動(dòng)信號:兩個(gè)單端電位之差,且這兩個(gè)單端電位相對于某一固定電位來說具有大小相等、極性相反的特性.這個(gè)固定電位就叫做共模信號.第2頁/共53頁2023/1/174第3頁/共53頁2023/1/175VoutVin1Vin2+_GND(a)VoutVin1Vin2+_GND__+++_Vid/2VicVid/2(b)由(a)和(b)可以得到Vid、Vic與Vin1、Vin2的關(guān)系:Vin1=Vic+Vid/2Vid=Vin1-Vin2Vin2=Vic-Vid/2Vic=(Vin1+Vin2)/2或者在這個(gè)原則下,我們引入Vid和Vic兩個(gè)電平.如下圖:第4頁/共53頁2023/1/176(3)為什么要使用差分信號的放大器?Ⅰ.差分信號與單端信號相比,一個(gè)很重要的優(yōu)勢在于它對于環(huán)境噪聲有更強(qiáng)的抗干擾能力,例如:第5頁/共53頁2023/1/177S1S2clockS1-S2差分信號傳輸信號線用差分形式傳輸，可消除干擾：第6頁/共53頁2023/1/178M1L1L2L3時(shí)鐘用差分形式傳輸,可消除干擾:時(shí)鐘差分傳輸?shù)?頁/共53頁2023/1/179Ⅱ.對電源電壓波動(dòng)產(chǎn)生的噪聲電平也有很強(qiáng)的抑制作用.Ⅲ.差分信號最大的優(yōu)勢是極大地增加了可得到的電壓擺幅,且雙端輸出擺幅是單端輸出的2倍.第8頁/共53頁2023/1/17104.2基本的差分對1)差模特性的大信號分析()因?yàn)?3)如果足夠小,(2)如果足夠大,(1)4.2.1定性的分析(直流大信號分析)因此得到差模情況下的傳輸曲線：M1M2Vin1Vin2Vout1Vout2RD1RD2VDDISSxy第9頁/共53頁2023/1/1711第10頁/共53頁2023/1/1712第11頁/共53頁2023/1/1713第12頁/共53頁2023/1/1714第13頁/共53頁2023/1/17152)共模特性的大信號分析Vin1、Vin2相對的共模電平的選擇是相當(dāng)重要的,應(yīng)該選擇多大的共模電平呢?這時(shí)我們需要考慮具體的電路.因?yàn)楹懔髟瓷系膲航涤绊懥斯材ｋ娖降拇笮?(如下圖:由M3構(gòu)成的恒流源)(1)(2)到飽和區(qū),恒流源開始工作,這時(shí)有,M3由深三極管區(qū)進(jìn)入第14頁/共53頁2023/1/1716(3)M1、M2脫離飽和區(qū),不處于放大區(qū)域了.因此,輸入的共模電平的范圍為:因此得到共模情況下的傳輸曲線：第15頁/共53頁2023/1/1717第16頁/共53頁2023/1/1718第17頁/共53頁2023/1/1719第18頁/共53頁2023/1/17203)差模+共模特性的大信號分析

共模電平不能選的太低,一定要使M3處于飽和區(qū),提供恒定電流,否則電路的放大將失真.(2)共模電平也不能選的太高,容易使M1(M2)脫離飽和,不在正常的放大范圍.因此共模信號的選擇非常重要,從輸出端來看,輸出電壓范圍為如果共模電平選的太高,輸出擺幅將會減小.第19頁/共53頁2023/1/1721★交流小信號分析4.2.2定量分析(1)由電流電壓方程導(dǎo)出小信號跨導(dǎo)及增益差分放大器的三個(gè)器件都工作在放大區(qū),我們找出這個(gè)放大器的等效跨導(dǎo).的定義如下:第20頁/共53頁2023/1/1722因?yàn)?,令因此:兩邊平方，且，于是得到第21頁/共53頁2023/1/1723因?yàn)?，對上式兩邊再平方(4.1)若要求:只要滿足:或者問：后面這種情況是否可能發(fā)生？為什么？第22頁/共53頁2023/1/1724討論:(1)當(dāng)時(shí),,又因?yàn)?所以,這個(gè)增益和時(shí)的單管增益值是一樣的.(4.2)(4.3)由(4.1)式得到:第23頁/共53頁2023/1/1725于是，我們可以得到漏極電流和總跨導(dǎo)隨輸入電壓變化的曲線如圖所示：問:為什么時(shí),?(2)時(shí)，第24頁/共53頁2023/1/1726(2)疊加法分析小信號特性疊加法的思想:分別令和,求得在和的響應(yīng),然后再將兩個(gè)響應(yīng)疊加.a.當(dāng)時(shí),研究在,兩端的響應(yīng).(考慮RD1=RD2=RD)第25頁/共53頁2023/1/1727(1)先求在Vout1的響應(yīng),將M2看作是M1的等效Rs.其中,因?yàn)閹г礃O負(fù)反饋電阻的共源放大器的增益為:因此上圖中Vx相對于Vin1的增益為:(4.4)第26頁/共53頁2023/1/1728(2)接著我們求Vin1在Vout2的響應(yīng),用戴維南定理作出M1的等效電路,如下圖其中,這時(shí)M2為信號源為Vin1,信號源內(nèi)阻為RT的CG放大器,它的增益為:(4.5)第27頁/共53頁2023/1/1729由(4.4)和(4.5)可知b.那么當(dāng),Vin2在Vx和Vy端的響應(yīng)是多少呢?思路一:按前面的過程來推導(dǎo);思路二:因?yàn)閂in2在Vx及Vy端的響應(yīng)與Vin1符號相反,所以(4.6)(4.7)第28頁/共53頁2023/1/1730則Vin1、Vin2兩個(gè)信號源對(Vx-Vy)的響應(yīng),用疊加原理可以得到:若,則所以有:第29頁/共53頁2023/1/1731(3)半邊電路法分析小信號特性＊如果一個(gè)完全對稱的差動(dòng)電路中,兩個(gè)輸入相對于平衡值的變化大小相等,方向相反,則可以用半邊電路的概念.＊輔助定理:假設(shè)Vin1從V0變化，Vin1從V0變化到如果電路仍保持線性，則VP值不變。第30頁/共53頁2023/1/1732第31頁/共53頁2023/1/17334.3共模響應(yīng)共模響應(yīng)是指差分輸入端共模信號在輸出端的響應(yīng).理想情況下,輸出端不受共模輸入變化的影響(包括直流電平波動(dòng)、耦合到輸出口的電源噪聲等).而在實(shí)際的差分電路中,由于有限恒流源的輸出電阻、電路中器件不對稱等原因,輸出端的直流電平會產(chǎn)生波動(dòng),并且有有害的差分信號產(chǎn)生.因此,共模響應(yīng)主要研究由于恒流源的有限輸出電阻、電路元件不對稱等原因在輸出端造成的影響.第32頁/共53頁2023/1/1734(1)有限恒流源輸出電阻引起的共模響應(yīng)

令尾電流源有一個(gè)等效電阻RSS,則當(dāng)差分電路理想對稱時(shí),可等效于下邊的電路:第33頁/共53頁2023/1/1735這種情況下,會隨產(chǎn)生共模漂移,要使不隨產(chǎn)生共模漂移,應(yīng)使.于是有

有限RSS對電路的影響主要體現(xiàn)在輸出直流電平的變化上,這種變化有時(shí)會破壞放大器的正常的工作偏置狀態(tài),或影響差模輸出電壓擺幅.第34頁/共53頁2023/1/1736單輸出端對的響應(yīng)如下:當(dāng)和相差時(shí),且尾電流源的輸出阻抗有限時(shí)，輸入共模電平的變化對輸出有什么影響呢？(2)負(fù)載不對稱引起的共模響應(yīng)第35頁/共53頁2023/1/1737可見，當(dāng)和相差時(shí),和除了有公共的漂移部分外,還出現(xiàn)了差模信號,并有即將輸入共模信號轉(zhuǎn)換成了差模信號.第36頁/共53頁2023/1/1738從實(shí)際輸入輸出電壓情況來看：共模電平的波動(dòng)在輸出端產(chǎn)生了有害的差分信號，這會干擾正常的差分輸出電平。第37頁/共53頁2023/1/1739下面計(jì)算輸入共模信號對X點(diǎn)和Y點(diǎn)輸出的影響：(3)器件不對稱引起的共模響應(yīng)因?yàn)?第38頁/共53頁2023/1/1740所以:即從而每端的輸出電壓為:第39頁/共53頁2023/1/1741因而輸出端的差動(dòng)分量可由下式得到:所以相當(dāng)于共模轉(zhuǎn)化為差模的增益為:第40頁/共53頁2023/1/1742(4)共模抑制比

即差模增益與共模-差模增益之比,與過去差模增益與共模增益之比不同.CMRR越大,電路性能越好.a)在差分放大器中,器件的非對稱性是產(chǎn)生不應(yīng)有的差分輸出的根本原因.尾電流輸出電阻的大小也影響這種響應(yīng).討論:第41頁/共53頁2023/1/1743c)按照此處CMRR的定義,它的計(jì)算很復(fù)雜,因?yàn)樯婕暗蕉喾矫娌粚ΨQ的影響,尤其是在gm1和gm2不相等時(shí),是需要通過復(fù)雜的疊加原理來計(jì)算的.b)尾電流輸出電阻對共模抑制及減小共模/差模轉(zhuǎn)換都很重要.一般來說,RSS由恒流源取代.即使是理想恒流源,在高頻工作時(shí),由于與RSS并聯(lián)的電容產(chǎn)生的作用,RSS會失去作用.練習(xí):求電流源內(nèi)阻為,且時(shí),差動(dòng)放大器的CMRR.第42頁/共53頁2023/1/17444.4MOS為負(fù)載的差動(dòng)對以MOS二極管為負(fù)載的簡單差分放大器和以恒流源為負(fù)載的簡單差分放大器.VinM1M2M3M4xyVoutVDDISS二極管負(fù)載VinM1M2M3M4xyVoutVDDISSVb恒流源負(fù)載第43頁/共53頁2023/1/1745(2)二極管連接的MOS負(fù)載并聯(lián)恒流源連接的MOS負(fù)載的簡單差分放大器可以提高增益:思考：對于給定的這個(gè)放大器的增益較原來沒有連接恒流源器件的差分放大器的增益提高了多少呢？器件尺寸一定的情況下，小信號增益又提高了多少呢？第44頁/共53頁2023/1/1746(3)以級聯(lián)結(jié)構(gòu)作為負(fù)載的差分放大器Vb1Vb2Vb3VoutVinISSM1M3M6M5M8M7M2M4VDDM1M3M5M7VoutVb3Vb2Vb1VinVDD半邊電路的分析方法:從輸出端向下看到的輸出阻抗是:從輸出端向上看到的輸出阻抗是:因此這個(gè)放大器的增益為:第45頁/共53頁2023/1/17474.5吉爾伯特單元從前面對差分放大器的分析,差分放大器主要體現(xiàn)三個(gè)重要的功能:就小信號增益而言,電路的小信號增益是尾電流的函數(shù)，可以通過改變偏置電流來調(diào)節(jié)增益的大小.就大信號特點(diǎn)而言,輸入信號可以操控尾電流在不同支路的流動(dòng).通過不同的連接,可以得到正的增益和負(fù)的增益,即容易獲得兩相位互補(bǔ)的輸出信號.第46頁/共53頁2023/1/1748根據(jù)上述第（1）和第（3）點(diǎn)的功能，我們可以得到VGA（variablegainAmplifier),如下圖（