模拟cmos集成电路设计(拉扎维)第4章差分放大器ppt课件

模拟集成电路原理第4章差分放大器董刚gdong@mail.xidian.edu.cn微电子学院1.2小信号等效电路MOS管的小信号模型是基础MOS管的低频小信号等效电路西电微电子学院－董刚－模拟集成电路设计.3小信号等效电路MOS管的高频小信号等效电路在分析高频特性时才用到该模型第6章“频率特性”开始用到西电微电子学院－董刚－模拟集成电路设计.4小信号等效电路实例－带源极负反馈的放大级西电微电子学院－董刚－模拟集成电路设计.5上一章放大器基础知识电阻做负载的共源级增益有非线性，电阻精度差或面积大Av=gmRD西电微电子学院－董刚－模拟集成电路设计.6上一章二极管接法的MOS管做负载的共源级线性度好，输出摆幅小，增益不能太大（否则摆幅小、带宽小）Av=−(W/L)11(W/L)21+ηAv=−μn(W/L)1μp(W/L)2西电微电子学院－董刚－模拟集成电路设计.7上一章电流源做负载的共源级增益大Av=−gmro1||ro2西电微电子学院－董刚－模拟集成电路设计.⎛W⎞8上一章深线性区MOS管做负载的共源级输出摆幅大（可以为VDD）得到精准的Ron2比较困难；受、温度变化影响比较大，产生稳定、精确的Vb比较难RON2=μnCox⎜⎟⎝L⎠21(VDD−Vb−|VTHP|)Av=−gmRON2西电微电子学院－董刚－模拟集成电路设计.9上一章带源极负反馈的共源级Rs使Gm和增益变为gm的弱函数，提高线性度输出电阻大ROUT=[1+(gm+gmb)ro]RS+ro牺牲了增益Av=−GmRD=−gmRD1+gmRS西电微电子学院－董刚－模拟集成电路设计.11=10上一章共漏级－源跟随器Rin大，Rout小，输出摆幅小，增益有百分之几非线性；PMOS管能消除体效应，提高线性度，但输出阻抗大，带宽降低；电压缓冲器、电压平移Av=gmRS1+(gm+gmb)RS1gmRS≈+(1+η)1+ηAv=gm1(rO1rO1)1+gm1(rO1rO1)Rout=1gm+gmb西电微电子学院－董刚－模拟集成电路设计.≈+11上一章共栅级Rin小，Rout大Av=gm(1+η)RDRin=1/[gm(1+η)]Rin=RD+rORD11+(gm+gmb)rO(gm+gmb)rOgm+gmbRout={[1+(gm+gmb)ro]RS+ro}||RD西电微电子学院－董刚－模拟集成电路设计.12上一章共源共栅级Rout大，高增益，屏蔽特性好Av=gm1RD不足：输出摆幅受一定影响主要应用：电流源共源共栅OPA折叠共源共栅OPA等Rout=[1+(gm2+gmb2)rO2]rO1+rO2西电微电子学院－董刚－模拟集成电路设计.13本讲差分放大器简介简单差分放大器基本差分对放大器大信号差分特性大信号共模特性小信号差分特性小信号共模特性MOS管做负载的基本差分对放大器差分放大器的应用－Gilbert单元西电微电子学院－董刚－模拟集成电路设计.14差分放大器简介AIC中非常重要的电路模块对两个信号的差值进行放大相对于共模电平而言，差分信号的大小相等、极性相反优点：抗干扰能力强，高线性度等西电微电子学院－董刚－模拟集成电路设计.15抗干扰能力电源线上的干扰会影响共模电平，但不影响差分输出西电微电子学院－董刚－模拟集成电路设计.16抗干扰能力时钟线上的干扰会影响共模电平，但不影响差分输出西电微电子学院－董刚－模拟集成电路设计.17差分放大器优点抗干扰能力强，高线性度等和单端电路相比，差分电路规模加倍与获得的性能提高相比，这个不算做缺点西电微电子学院－董刚－模拟集成电路设计.18本讲差分放大器简介简单差分放大器基本差分对放大器大信号差分特性大信号共模特性小信号差分特性小信号共模特性MOS管做负载的基本差分对放大器差分放大器的应用－Gilbert单元西电微电子学院－董刚－模拟集成电路设计.ISS19简单差分电路gm=2IDμnCOXWLAv=−gmRDVout,CM=VDD−⋅RD2缺点：直流偏置电流受输入共模电平影响大，从而影响跨导、增益、输出共模电平等解决：用源端耦合对（差分对）西电微电子学院－董刚－模拟集成电路设计.20本讲差分放大器简介简单差分放大器基本差分对放大器大信号差分特性大信号共模特性小信号差分特性小信号共模特性MOS管做负载的基本差分对放大器差分放大器的应用－Gilbert单元西电微电子学院－董刚－模拟集成电路设计.ISS21基本差分对电路Vout,CM=VDD−⋅RD2直流偏置电流由ISS决定，从而保证跨导、增益、输出共模电平等受输入共模电平影响小西电微电子学院－董刚－模拟集成电路设计.22本讲差分放大器简介简单差分放大器基本差分对放大器大信号差分特性大信号共模特性小信号差分特性小信号共模特性MOS管做负载的基本差分对放大器差分放大器的应用－Gilbert单元西电微电子学院－董刚－模拟集成电路设计.23大信号差分特性－定性分析输出端的最大电平和最小电平分别是VDD和VDD-RDISS，与输入共模电平无关Vin1=Vin2附近，增益最大，线性度好求(Vout1-Vout2)与(Vin1-Vin2)的函数关系式西电微电子学院－董刚－模拟集成电路设计.1224大信号差分特性－定量分析思路：Vout1-Vout2=-RD(ID1-ID2)；求出ID1-ID2=f(Vin1-Vin2)即可ΔID=μnCOX2WLΔVin4ISSμnCOXWL−ΔVin西电微电子学院－董刚－模拟集成电路设计.12WL25大信号差分特性－定量分析不合理ΔID=μnCOX2WLΔVin4ISSμnCOXWL−ΔVin当ΔVin=0时，ΔVout=0当ΔVin=4ISSμnCOX时，ΔVout=0西电微电子学院－董刚－模拟集成电路设计.12WL26大信号差分特性－定量分析当ΔVin=4ISSμnCOXWL时，ΔVout=0ΔID=μnCOX2WLΔVin4ISSμnCOXWL−ΔVin当ΔVin≥2ISSμnCOX时,已有一个MOS管截止西电微电子学院－董刚－模拟集成电路设计.27本讲差分放大器简介简单差分放大器基本差分对放大器大信号差分特性大信号共模特性小信号差分特性小信号共模特性MOS管做负载的基本差分对放大器差分放大器的应用－Gilbert单元西电微电子学院－董刚－模拟集成电路设计.28大信号共模特性VGS1+VOV3≤Vin,CM≤min[VDD−RD⋅ISS2+VTH,VDD]西电微电子学院－董刚－模拟集成电路设计.29本讲差分放大器简介简单差分放大器基本差分对放大器大信号差分特性大信号共模特性小信号差分特性小信号共模特性MOS管做负载的基本差分对放大器差分放大器的应用－Gilbert单元西电微电子学院－董刚－模拟集成电路设计.214ISSW4ISSW2230小信号差分特性－等价跨导公式从大信号结果入手计算小信号差分增益Gm=∂ΔID∂ΔVinΔID=12μnCOXWLΔVin4ISSμnCOXWL−ΔVinGm=μnCOX2WL−2ΔVinμnCOXL−ΔVinμnCOXL西电微电子学院－董刚－模拟集成电路设计.14ISSWμCLL4ISSWW2231小信号差分特性－等价跨导曲线Gm=μnCOX2WnOXμnCOX−2ΔVin−ΔVinLΔVin1=Gm,max=2ISSμnCOXμnCOXLWLISS西电微电子学院－董刚－模拟集成电路设计.⋅=32小信号差分特性－差模增益Av=∂ΔVout∂ΔVinΔVout=Vout1−Vout2=−RDΔIDAv=∂ΔVout∂ΔVout∂ΔID∂ΔVin∂ΔID∂ΔVin=−RD⋅Gm全差分输入时的增益Av=−RD⋅μnCOXWLISS西电微电子学院－董刚－模拟集成电路设计.33小信号差分特性－用叠加法求全差分时的差模增益从小信号角度入手，计算小信号差分增益问1：在电路完全对称、直流偏置电压相同的情况下，差分输入端施加两个彼此独立的信号Vin1和Vin2，计算（Vout1-Vout2）/（Vin1-Vin2）思路：用叠加法计算。先分别计算Vin1和Vin2与Vout1-Vout2的函数关系西电微电子学院－董刚－模拟集成电路设计.34小信号差分特性－用叠加法求全差分时的差模增益第一步：令Vin2＝0，计算Vin1与Vout1-Vout2的函数关系计算Vin1与Vout1的函数关系带负反馈的共源放大级，负反馈电阻为1/gm2VX=西电微电子学院－董刚－模拟集成电路设计−gmRD2Vin1.35小信号差分特性－用叠加法求全差分时的差模增益计算Vin1与Vout2的函数关系用共栅级的结论VY=gmRD2Vin1戴维宁定理西电微电子学院－董刚－模拟集成电路设计.−gmRDgmRD36小信号差分特性－用叠加法求全差分时的差模增益第一步：令Vin2＝0，计算Vin1与Vout1-Vout2的函数关系VX=Vin1VY=Vin122(VX−VY)Vin1引起的=−gmRDVin1第二步：令Vin1＝0，计算Vin2与Vout1-Vout2的函数关系(VX−VY)Vin2引起的=gmRDVin2西电微电子学院－董刚－模拟集成电路设计.=−gmRD37小信号差分特性－用叠加法求全差分时的差模增益(VX−VY)Vin1引起的=−gmRDVin1(VX−VY)Vin2引起的=gmRDVin2(VX−VY)Vin1和Vin2共同引起的=−gmRD(Vin1−Vin2)第三步：用叠加定理，求得Vin1-Vin2与Vout1-Vout2的函数关系(VX−VY)Vin1和Vin2共同引起的Vin1−Vin2西电微电子学院－董刚－模拟集成电路设计.=−gmRD38小信号差分特性－用叠加法求全差分时的差模增益(VX−VY)Vin1引起的=−gmRDVin1(VX−VY)Vin2引起的=gmRDVin2(VX−VY)Vin1和Vin2共同引起的Vin1−Vin2结论：1、单边输入时差模增益为-gmRD2、差分输入时差模增益为-gmRD3、单边输入时单端输出增益为-gmRD/2VX=−gmRD2Vin1VY=gmRD2Vin1西电微电子学院－董刚－模拟集成电路设计.39小信号差分特性－用半电路法求全差分时差模增益证明：如果电路完全对称，Vin1从V0变化到V0＋ΔVin，Vin2从V0变化到V0-ΔVin，变化过程大小相等、方向相反且电路仍保持为线性，则VP的值保持不变（即为交流地）证明过程参看教材重要结论：在全差分输入的情况下，P点为交流地西电微电子学院－董刚－模拟集成电路设计.40小信号差分特性－用半电路法求全差分时差模增益“全差分输入时P点为交流地”这一结论可简化差模增益的推导半电路分析法VX=−gmRDVin1VY=gmRDVin1VX−VYVX−VY=−2gmRDVin12Vin1西电微电子学院－董刚－模拟集成电路设计=−gmRD.++41小信号差分特性—非全差分时差模增益的计算当输入不是“全差分”时，计算差模增益(Vout1-Vout2)/(Vin1-Vin2)？“非全差分”的含义：输入信号Vin1和Vin2不是大小相等、方向相反VP不是交流地，计算很复杂简化的计算方法：将输入信号划分为共模分量（纯共模输入部分）和差模分量（全差分输入部分），对这两部分分别计算后再用叠加定理Vin1=Vin1−Vin2Vin1+Vin222Vin2=Vin2−Vin1Vin1+Vin222西电微电子学院－董刚－模拟集成电路设计.++42小信号差分特性—非全差分时差模增益的计算Vin1=Vin1−Vin2Vin1+Vin222Vin2=Vin2−Vin1Vin1+Vin222差模分量共模分量西电微电子学院－董刚－模拟集成电路设计.43小信号差分特性—非全差分时差模增益的计算差模分量用半电路法计算VX−VY=−gm(RDrO)(Vin1−Vin2)西电微电子学院－董刚－模拟集成电路设计.44小信号差分特性—非全差分时差模增益的计算共模分量若电路完全对称，则流过M1和M2管的直流电流总为ISS/2，不随Vin,CM的变化而变化，因此，VX和VY不变重要结论：理想差分对只放大输入信号的差模部分，不放大共模部分实际的差分对并不“理想”，对共模部分仍有放大作用——差分对的共模响应西电微电子学院－董刚－模拟集成电路设计.45本讲差分放大器简介简单差分放大器基本差分对放大器大信号差分特性大信号共模特性小信号差分特性小信号共模特性MOS管做负载的基本差分对放大器差分放大器的应用－Gilbert单元西电微电子学院－董刚－模拟集成电路设计.46小信号共模特性—共模响应非理想性包括：M1和M2之间有失配（W/L、VTH等），RD1和RD2之间有失配（阻值不完全相等等）；尾电流源ISS的内阻RSS不是无穷大首先考虑尾电流源ISS的内阻RSS不是无穷大时对共模响应的影响西电微电子学院－董刚－模拟集成电路设计.47小信号共模特性—RSS对共模响应的影响若电路完全对称，则VP会随Vin,CM的变化而变化，导致尾电流变化，Vout1和Vout2会随之变化，但Vout1和Vout2总相等，不引入差分增益，通常不考虑共模增益为：Av,CM=VoutVin,CM=−西电微电子学院－董刚－模拟集成电路设计RD/21/(2gm)+RSS.⋅⋅48小信号共模特性—RD失配对共模响应的影响由于M1和M2管完全对称，因此，支路电流随Vin,CM的变化相等（λ=0时）RD的失配会引入差分增益，在输出端产生差模分量。这个影响比RSS不是无穷大引起的影响要严重得多ΔVX=−ΔVin,CMΔVY=−ΔVin,CMRD/21/(2gm)+RSS(RD+ΔRD)/21/(2gm)+RSS共模到差模的转换西电微电子学院－董刚－模拟集成电路设计.49小信号共模特性—共模到差模转换的危害共模分量的噪声不能得到有效抑制，导致输出信号噪声增大当信号频率增大时，电容C1会影响直流偏置电流，不利影响更大西电微电子学院－董刚－模拟集成电路设计.50小信号共模特性—输入管失配对共模响应的影响M1和M2管的尺寸和阈值电压失配失配会导致流过M1管和M2管的电流不同，跨导也不同，从而引起共模到差模的转换西电微电子学院－董刚－模拟集成电路设计.51小信号共模特性—输入管失配对共模响应的影响共模到差模转换的增益：ACM−DM=−gm1−gm2(gm1+gm2)RSS+1⋅RD西电微电子学院－董刚－模拟集成电路设计.52小信号特性—CMRRCMRR－共模抑制比Common-ModeRejectionRatio用来综合反映差分放大器的性能差分放大能力共模抑制能力用于差分放大器的性能比较CMRR=ADMACM−DM西电微电子学院－董刚－模拟集成电路设计.53本讲差分放大器简介简单差分放大器基本差分对放大器大信号差分特性大信号共模特性小信号差分特性小信号共模特性MOS管做负载的基本差分对放大器差分放大器的应用－Gilbert单元西电微电子学院－董刚－模拟集成电路设计.54MOS管做负载的差分对二极管接法的MOS管做负载电流源做负载西电微电子学院－董刚－模拟集成电路设计.55MOS管做负载的差分对－二极管接法Av=−gmN(1gmPrONrOP)≈−gmNgmPgm=2IμCOX(W/L)=2IVOVAv≈−μn(W/L)Nμp(W/L)P=−VOVPVOVN电压摆幅小；增益不能太大，否则输出摆幅很小西电微电子学院－董刚－模拟集成电路设计.56MOS管做负载的差分对－电流源做负载Av=−gmN(rONrOP)电压摆幅和增益都可以很大西电微电子学院－董刚－模拟集成电路设计.57MOS管做负载的差分对－共源共栅Av≈−gm1[(gm3rO3rO1)(gm5rO5rO7)]增益更大；但适当牺牲摆幅西电微电子学院－董刚－模拟集成电路设计.58本讲差分放大器简介简单差分放大器基本差分对放大器大信号差分特性大信号共模特性小信号差分特性小信号共模特性MOS管做负载的基本差分对放大器差分放大器的应用－Gilbert单元西电微电子学院－董刚－模拟集成电路设计.59差分放大器的应用——Gilbert单元一个通用的电路模块广泛用于模拟系统和通信系统中典型设计中，M1~M4尺寸相同，M5和M6尺寸相同M1和M2构成差分对，M3和M4构成差分对，M5和M6构成差分对Gilbert单元是一个增益可变的放大器，其增益受Vcont控制；增益可从－gmRD单调地变为＋gmRD西电微电子学院－董刚－模拟集成电路设计.60可变增益放大器VGA－VariableGainAmplifier增益可变，随控制电压变化而变化用于信号摆幅变化很大的情形Av=−gmRD简单的VGA构成复杂的VGA的电路ID3=0是，增益为0；ID3最大值时，增益最大Vout1=RDID1−RDID2Vout2=RDID4−RDID3ID是交流量西电微电子学院－董刚－模拟集成电路设计.61可变增益放大器Vout1=RDID1−RDID2Vout2=RDID4−RDID3Vout=Vout1+Vout2=RD(ID1+ID4)−RD(ID2+ID3)Vout=A1Vin+A2VinA1和A2分别受Vcont1和Vcont2控制西电微电子学院－董刚－模拟集成电路设计.62复杂的可变增益放大器若I1=0，则Vout=gm3RDVin若I2=0，则Vout=−gm1RDVin若I1=I2，则Vout=0，增益为0在Vcont1和Vcont2控制下，若I1和I2的变化方向相反，则增益可从负值单调地变为正值西电微电子学院－董刚－模拟集成电路设计.63Gilbert单元用差分对实现I1和I2的变化方向相反，从而增益从负值单调地变为正值Gilbert单元西电微电子学院－董刚－模拟集成电路设计.64总结差分放大器简介简单差分放大器基本差分对放大器大信号差分特性大信号共模特性小信号差分特性小信号共模特性MOS管做负载的基本差分对放大器差分放大器的应用－Gilbert单元西电微电子学院－董刚－模拟集成电路设计.65作业4.5，4.14应用本讲西电微电子学院－董刚－模拟集成电路设计.噪声反馈66下一讲绪论器件物理基础单级放大器差动放大器无源/有源电流镜放大器的频率特性运算放大器稳定性和频率补偿带隙基准源重要性、一般概念MOSFET结构、IV特性、二级效应、器件模型共源、共漏、共栅、共源共栅定性分析、定量分析、共模响应、吉尔伯特单元基本/共源共栅/有源电流镜弥勒效应、极点与节点关系、各类单级放大器频率特性分析统计特性、类型、电路示、各类单级放大器噪声分析、噪声带宽特性、四种反馈结构、负载影响、对噪声的影响性能参数、一级运放、两级运放、各指标分析多极点系统、相位裕度、频率补偿与电源无关、与温度无关、PTAT电流、恒Gm、速度与噪声西电微电子学院－董刚－模拟集成电路设计.