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1、,模拟集成电路原理,第4章 差分放大器,董刚,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,A v = g m R D,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
2、，输出摆幅小，增益不能太大（否则摆幅小、带宽小）,Av = ,(W / L)1 1(W / L)2 1 + ,A v = , n (W / L ) 1 p (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 = gm ro1 | 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；受工艺、温度变化影响比较大，产生稳定、精确的Vb比较难,RON 2 =,nC,ox L 2,1(VDD Vb | VTHP |),Av = gm RON2西电微电子学院董
3、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A v = G m R D,= ,g m R D1 + g m R S西电微电子学院董刚模拟集成电路设计,1 1,=,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 =,gm RS1+ (gm + gmb )RS,1gm RS,+ (1+) 1+,Av =,g m1 (rO1 rO1 )1 + g
4、m1 (rO1 rO1 ),Rout,=,1g m + g mb,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+)RDRin = 1/gm (1+),Rin =,RD + rO RD 11 + ( g m + g mb )rO ( g m + g mb )rO g m + g mb,Rout = 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,A v = g m 1 R D,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
5、OPA等R out = 1 + ( g m 2 + g mb 2 ) rO 2 rO 1 + rO 2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
6、，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,ISS,19,简单差分电路,g m =,2 I D n C O
7、X,WL,Av = g m R DVout,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,ISS,21,基本差分对电路,Vout,CM =VDD RD,2,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
8、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,1,2,24,大信号差分特性定量分析思路：Vout1-Vout2=-RD(ID1-ID2)；求出ID
9、1-ID2=f(Vin1-Vin2)即可, I D,= n C OX2,WL, V in,4 I SS n C OX,WL, V in,西电微电子学院董刚模拟集成电路设计,1,2,W,L,25,大信号差分特性定量分析不合理, I D,= n C OX2,WL, V in,4 I SS n C OX,WL, V in,当Vin=0时， Vout=0,当 V in =,4 I SS n C OX,时， V out = 0,西电微电子学院董刚模拟集成电路设计,1,2,W,L,26,大信号差分特性定量分析,当 Vin =,4 I SS n C OX,WL,时， Vout = 0, I D,= n C
10、OX2,WL, V in,4 I SS n C OX,WL, V in,当 V in ,2 I SS n C OX,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,VGS 1 + VOV 3 Vin ,CM minVDD, RD ,I SS2,+ 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
11、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,2,1,4 I SS,W,4 I SS,W,2,2,30,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 =,I DVin, I D,=,12, n C OX,WL, V in,4 I SS n C OX,WL, V in,Gm = n COX2,WL, 2 Vin n C OXL Vin n COXL西电微电子学院董刚模拟集成电路设计,1,4 I SS,W, C,L,L,4 I SS
12、,W,W,2,2,31,小信号差分特性等价跨导曲线,Gm = n COX2,W n OX n COX, 2 Vin VinL, Vin1 =G m , max =,2 I SS n C OX n C OXL,WLI SS,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 =,VoutVin,Vout = Vout 1 Vout 2 = RD I D,Av =,Vout Vout I DVin I D Vin,= RD Gm,全差分输入时的增益,Av = RD n C OX,WL,I SS,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
13、增益从小信号角度入手，计算小信号差分增益问题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Vin20，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/gm2,VX =西电微电子学院董刚模拟集成电路设计, g m RD2,Vin1,35,小
14、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 =,g m RD2,Vin1,戴维宁定理西电微电子学院董刚模拟集成电路设计, gm RD g m RD,36,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Vin20，计算Vin1与Vout1-Vout2的函数关系,VX = Vin1 VY = Vin12 2(VX VY )Vin 1引起的 = g m RDVin1,第二步：令Vin10，计算Vin2与Vout1-Vout2的函数关系(V X VY )Vin 2引起的 = g m RDVin 2西电微电子学院董刚模拟集成电路设计,= gm
15、RD,37,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 = gm RDVin1 (VX VY )Vin 2引起的 = gm RDVin2,(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,= gmRD,38,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 = gm RDVin1 (VX VY )Vin 2引起的 = gm
16、RDVin2(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/2,VX =, g m RD2,Vin1 VY =,g m RD2,Vin1,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V0Vin，Vin2从V0变化到V0-Vin，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
17、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 = g m RDVin1 VY = g m RDVin1 VX VYVX VY = 2 g m RDVin1 2Vin1西电微电子学院董刚模拟集成电路设计,= g m RD,+,+,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
18、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 Vin 2 Vin1 + Vin 22 2,Vin 2 =,Vin 2 Vin1 Vin1 + Vin 22 2,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 Vin 2 Vin1 + Vin22 2,Vin 2 =,Vin 2 Vin1 Vin1 + Vin 22 2,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 = g m (
19、 RD r O )(Vin1 Vin 2 ),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
20、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：,A v , CM =,V outV in , CM,= 西电微电子学院董刚模
21、拟集成电路设计,R D / 21 /( 2 g m ) + R SS,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（ =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, V X = V in , CM V Y = V in , CM,R D / 21 /( 2 g m ) + R SS( R D + R D ) / 21 /( 2 g m ) + R SS,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
22、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,= ,g m 1 g m 2( g m 1 + g m 2 ) R SS + 1, R D,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-Mode
23、Rejection Ratio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 =,A DMACM 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,54,MOS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,55,MOS管做负载的差分对二极管接法,A v = g mN (,1g mP,rON rOP
24、,) ,g mNg mP,g m =,2 IC OX,(W / L ) =,2 IVOV,Av , n (W / L) N p (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,56,MOS管做负载的差分对电流源做负载,A v = g mN ( rON rOP ),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,57,MOS管做负载的差分对共源共栅,A v g m 1 ( g m 3 rO 3 rO 1 ) ( g m 5 rO 5 rO 7 ) ,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
25、,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，M1M4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,VG
26、AVariable Gain Amplifier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 = g m RD,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,Vout 1 = R D I D 1 R D I D 2Vout 2 = RD I D 4 RD I D 3,ID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Vout 1 = R D I D 1 R D I D 2 Vout 2 = RD I D 4 RD I D 3Vout = Vout1 + Vout 2 = RD (I D1 + I D 4 ) RD
27、(I D 2 + I D3 ),Vout = A1Vin + A2Vin,A1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 = gm3 RDVin若I 2 = 0，则Vout = gm1RDVin若I1 = I 2，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,63,Gilbert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
28、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,应用本讲内容,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、电路表示、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,
