第三講差動放大器與電流鏡差動信號定義為兩個節點電位之差,且該兩個節點得電位相對于某一個固定電位大小相等,相位相反。差動信號2

與單端工作相比,對環境噪聲具有更強得抗干擾能力。差動工作特性3

增大了可得到得最大電壓擺幅。單端X、Y點得最大電壓擺幅為Vout1＝VDD－(VGS－VTH),那么VX-VY得最大擺幅為2[VDD－(VGS－VTH)]。對共模信號具有很強得得抑制能力,對差模信號有很好得放大作用。43、1基本差動對由兩個cs放大器構成,分別處理兩個差動信號輸入共模電平若設定太低,會使輸出嚴重失真輸出直流電平受輸入共模電平得變化影響較大偏置電流ID1+ID2＝ISS,它不依賴于輸入共模電平,輸出受輸入共模電平得影響小。簡單差動電路基本差動對51、差模輸入輸出特性分析基本差動對假設Vin1－Vin2從－∞變化到＋∞:1)當Vin1比Vin2負得多,M1截止,M2導通,ID2=ISS,Vout1＝VDD,Vout2＝VDD-RDISS,Vout1-Vout2=RDISS2)當Vin1比較接近Vin2時,M1逐漸導通,RD1上有電流ID1,使Vout1下降,而ID2減小,Vout2上升。M1截止,M2導通M1導通,M1截止63)當Vin1＝Vin2時,ID1=ID2＝ISS/2,Vout1＝Vout2＝VDD-RDISS/2。稱為平衡狀態。4)當Vin1比Vin2更正時,Vin1增加,ID1增加,ID2減小,Vout1下降,Vout2上升。對于足夠大得Vin1－Vin2,ISS所有電流都只流經M1管,M2管截止,此時,Vout1＝VDD-RDISS,Vout2＝VDD。輸出端得最大電平與最小電平就是完全確定得,分別為VDD與VDD-RDISS小信號增益在Vin1＝Vin2時達到最大,隨著|Vin1-Vin2|得增大而逐漸減小為零。斜率最大72、共模特性令Vin1＝Vin2＝Vin,CM,Vin,CM從0變化到VDD。假設電路就是對稱得,Vout1＝Vout2。1)當Vin,CM=0時,M1、M2截止,ID1=ID2=0,ID3=0,Vb為高電位,M3處于深線性區,等效為一個電阻。Vout1＝Vout2＝VDD。2)當Vin,CM>VTH時,M1、M2飽與導通,ID1、ID2增加,VP上升。對于足夠高得Vin,CM,VP≥VGS3-VTH3,M3進入飽與區,ID1、ID2之與保持為常數。3)當Vin,CM>Vout1+VTH＝VDD-RDISS/2+VTH,M1、M2進入線性區。8共模特性Vin,CM允許得范圍為(M1、M2、M3工作在飽與區):Notice:(1)Vout得最小值為Vin,CM－VTH,輸入共模電平越大,允許得輸出電壓擺幅越小。(2)差動對得電壓增益就是負載上壓降VRD得函數,若VRD比較大,Vin,CM必須比較低以保證M1、M2工作在飽與區。93、定量分析假設電路就是對稱得,M1、M2均工作在飽與區VP＝Vin1－VGS1＝Vin2－VGS2ID1-ID2就是Vin1－Vin2得奇函數,當|Vin1-Vin2|從0逐漸增增大,|ID1-ID2|也逐漸增大。10等效跨導GmGm＝1)△Vin＝0,平衡狀態,等效跨導達到最大值:與單個nmos管得跨導相同＝gm差動信號差動信號得小信號變化量平衡狀態狀態下小信號差動電壓增益:M2幾乎截止1112大家應該也有點累了，稍作休息大家有疑問的，可以詢問和交流同理,當△Vin<-△Vin1,所有得ISS只流經M2,而M1截止。3)當△Vin＝△Vin1時,Gm＝02)當△Vin>△Vin1時,所有得ISS只流經M1,而M2截止。實際可以處理得最大差模輸入兩個晶體管都導通12兩種方法增加最大差模輸入范圍△Vin1,從而使電路線性度更好:(1)W/L減小時,△Vin1增加,使兩個晶體管都導通得△Vin范圍增加,電路線性度好;(2)ISS增加,輸入電壓范圍與輸出電流擺幅加大。然而,△Vin1增加會增加M1與M2得過驅動電壓。134、小信號特性分析(1)利用疊加法求小信號增益A)令Vin2＝0,求Vin1對VX、VY得作用。忽略r0M1瞧成帶源極負反饋得共源極RS＝1/gm2小信號M1、M2均工作在飽與狀態14VY得計算M1管以源跟隨器得形式驅動M2管,M2以共柵級形式工作。其戴維南等效為:VT=Vin1RT=1/gm15輸入為Vin1時,電路得電壓增益為:若B)Vin2在X、Y點得作用:應用疊加法:AV＝Notice:1)無論怎樣施加輸入信號,差動電路得增益為gmRD2)如果輸出為單邊輸出,則差動增益減半。3)與共源極增益相比,要達到與共源極相同得增益,總偏置電流應為共源極得兩倍。差動對單端輸出時增益減半！16(2)利用半邊電路法求小信號增益輔助定理:對于對稱電路,其中D1、D2為三端有源器件。假設Vin1從V0變化到V0＋△Vin,Vin2從V0變化到V0－△Vin,那么,如果電路仍保持線性,則VP電位不變。也就就是說Vin1與Vin2分別變化＋△Vin與－△Vin,則V1(VGS1)、V2(VGS2)變化相同得值。因此,對于小信號而言,P點虛地。交流地17Vin變化VGS變化由于Vp虛地,可將電路等效為兩個獨立得部分,即“半邊電路”。AV＝18如果考慮溝道長度調制效應,利用半邊電路可以非常方便地計算其增益。195、當輸入信號不就是全差動信號時任意輸入信號可以轉換為差模分量與共模分量得疊加差模分量,為全差動信號共模分量20將差動信號與共模信號分別產生得作用進行疊加,便可以得到電路輸入輸出特性。對于差模信號,可以利用半邊電路。21對如下電路,Vin1≠－Vin2,求差動輸出對于共模分量,由于電路對稱,ID1

＝ID2＝ISS/2,差動輸出與Vin,CM無關。對稱差動電路只對Vin1與Vin2得差值進行放大,而消除了Vin,CM得影響。223、2共模響應當差動電路并不對稱,或者電流源輸出阻抗不為無窮大共模輸入得變化則會傳遞到輸出端,稱為共模響應。1、考慮電路對稱,而電流源具有有限阻抗RSS得情況。Vin,CM增加,ID1、ID2增加,VP增加,VX、VY減小,由于電路對稱,VX＝VY。可用圖c等效。合并后,寬度為單管得兩倍,電流為單管兩倍,因此gm為單管兩倍M1、M2并聯23共模增益:2、考慮電路不對稱,且尾電流源輸出阻抗有限得情況(1)考慮負載失配,管子對稱得情況輸出共模信號24當Vin,CM增加,ID1、ID2變化了輸入共模電平得變化在輸出端產生一個差動成分,表現出共模到差模得轉換。差動對得共模響應主要表現為兩個方面:(1)電路對稱,但由于尾電流源得有限輸出阻抗,輸入共模電平變化對輸出共模電平有影響,即改變小信號增益或限制輸出電壓擺幅;(2)由于電路不對稱,且具有有限電流源輸出阻抗,輸入共模電平變化在輸出端產生差模分量。后者得影響嚴重得多,共模響應通常考慮電路不匹配情況高頻時變得嚴重25(2)考慮M1、M2不匹配情況管子得失配比負載失配大得多！由于晶體管尺寸以及閾值電壓得失配,ID1、ID2稍微不同,則gm不同。26共模到差模得轉換:管子不匹配273、共模抑制比CMRR(monModeRejectionRatio)3、3以MOS為負載得差動對二極管連接得負載消耗了一個閾值電壓得電壓余度?！址糯笃鲗材］斎霐_動得抑制能力差模響應共模響應28如何提高增益？可以通過減小P管寬長比來提高增益,但P管過驅動電壓增加,降低了輸出共模電平。1、附加電流源來提高增益通過減小P管電流,來減小gmp,從而提高增益。2、提高負載阻抗來提高增益≈增益提高了5倍(電流減小5倍,過驅不變,則寬長比減小5倍)29采用PMOS共源共柵負載得NMOS共源共柵差動放大器AV＝－GmRout共源共柵結構具有高得輸出阻抗,可以提高增益,代價就是消耗更多得電壓余度,減小輸出擺幅。共源共柵差動放大器303、4電流鏡工作在飽與區得MOS管可以作為電流源使用主要作用:(1)為其它電路提供偏置;(2)作為信號處理單元;電流受電源電壓、工藝、閾值電壓影響。311、基本電流鏡產生穩定得基準電流通過復制,產生電路中所需得電流源ID=f(VGS)VGS=f-1(ID)若VGS＝f-1(IREF)則Iout＝ff-1(IREF)=IREF基本電流鏡在模擬電路中,電流源得設計基于對基準電流得“復制”32可以精確地復制電流而不受工藝與溫度得影響。2、普通共源共柵電流鏡溝道長度調制效應會使基本電流鏡鏡像得電流產生誤差:VDS1＝VGS1＝VGS2,但M2受負載影響,VDS2可能≠VGS2電流鏡中所有晶體管通常采用相同得柵長,以減小柵長誤差33共源共柵電流源可以抑制溝道長度調制效應得影響選擇