拉扎维模拟集成电路精讲ppt第三讲差动放大器.pptVIP

第四章 差动放大器 提纲 1、单端与差动的工作方式 2、基本差动对 3、共模响应 4、MOS为负载的差动对 5、吉尔伯特单元 单端与差动的工作方式 1、单端与差动的工作方式 差动信号定义为两个结点电位之差，且这两个结点的电位相对于某一固定电位大小相等，极性相反，结点的阻抗也必须相等。 单端信号的参考电位为某一固定电位（通常为地电位） 差动工作方式优点： 抗干扰能力强，抑制共模噪声 增大了可得到的最大电压摆幅 偏置电路相对简单 线性度相对高 关于差动电路和单端电路的版图面积问题！ 2、基本差动对 应使器件的偏置电流受输入共模电平的影响尽可能地小！ 当 ，每个晶体管的偏置电流都等于 ，输出共模电平等于 基本差动对 2.1 定性分析 差模特性 （假定Vin1-Vin2 从-?变化到+ ? ） Vin1比Vin2更负，M1截止，M2导通，ID2=ISS，因此Vout1=VDD, Vout2=VDD-RDISS Vin1逐渐增大，M1开始导通，Vout1减小，由于ID1+ID2=ISS，M2流经的电流减小，Vout2增大；当Vin1=Vin2 时，Vout1=Vout2=VDD-RDISS/2。 当Vin1比Vin2更正时，差动对两侧情况正好与上述情况相反。 差动对的两个特性： 1、输出端的最大电平和最小电平是确定的，分别是VDD和VDD-RDISS与输入共模电平无关 2、小信号增益当Vin1=Vin2 时达到最大，且随着|Vin1-Vin2|的增大而逐渐减小为零 基本差动对 共模特性 采用NMOS提供尾电流ISS，Vin,CM从0开始增加。 当Vin,CM＝0时，ID1=ID2=ID3=0，M3处于深线性区 Vin,CM增加，M3导通，处于三极管区；当Vin,CM足够大时，M3进入饱和区，因此电路正常工作状态应满足Vin,CM?VGS1+(VGS3-VTH3) Vin,CM进一步增加， Vin,CMVout1+VTH=VDD-RDISS/2+VTH， M1和M2进入三极管区 因此， Vin,CM允许的范围 差动对的输出电压摆幅 每一端的输出电压最高为VDD，最低为Vin,CM-VTH 输入共模电平越大，允许的输出摆幅就越小 基本差动对 2.2 定量分析 大信号分析 Vout1=VDD-RD1ID1, Vout2=VDD-RD2ID2 如果RD1=RD2=RD，则 Vout1-Vout2=RD2ID2-RD1ID1=RD(ID2-ID1)， 可以用Vin1和Vin2计算出ID2和ID1 VP=Vin1-VGS1=Vin2-VGS2 所以， 假设电路是对称的，且M1和M2均 处于饱和区，且忽略二级效应 对于平方律器件有 因此， 两边平方，并考虑到ID1+ID2=ISS ，得 两边平方，并注意到 因此， 讨论： 当ΔVin= Vin1-Vin2= 0， ΔID=ID1-ID2= 0; 当|ΔVin| 从0开始增大，|ΔID |也增大； 等价Gm为 当ΔVin= 0时，Gm最大 所以， 由于， 基本差动对 当ΔVin超过某一限定值（ΔVin1）时 ，所有ISS电流流经一个晶体管，而另一个晶体管截止（忽略亚阈值导通）。 讨论（续）： 注意：当 ， ID1-ID2等于零 ΔVin1 实际上是电路可以“处理”的最大差模输入。 基本差动对 小信号分析 方法一 （叠加法） 令Vin2=0, 求Vin1对X结点的影响： 电路等效为M1管构成的带有负反馈电阻的共源级 Rs＝1/gm2 忽略二级效应 基本差动对 令Vin2 =0, 求Vin1对Y结点的影响： 先利用戴维南定理处理M1管和Vin1，VT= Vin1,RT=1/gm1；则电路等效为共栅级形式 忽略二级效应 基本差动对 只施加Vin1时总的电压增益为 整理， 同理，可以得到只施加Vin2时总的电压增益为 应用叠加法，得到 基本差动对 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”。 辅助定理的证明（1）： 假定V1和V2平衡时都等于Va，且分别变化ΔV1和ΔV2， 则输出电流分别不变化gm ΔV1和gmΔV2 因为， 所以， 从而， V1和Vin1变化相同，所以VP不会发生变化！ 辅助定理的证明（2）： D1和D2在P点的作用用戴维南等效来表示 VT1和VT