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1、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,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,2.1 定性分析差模特性（假定Vin
2、1-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
3、零,共模特性采用NMOS提供尾电流ISS，Vin,CM从0开始增加。,当Vin,CM0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,CMVGS1+(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,2.2 定量分析大信号分析Vout1=VDD-R
4、D1ID1,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ID1VP=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Vin=Vin1-Vin2=0，ID=ID1-ID2=0;当|Vin|从0开始增大，|ID|也增大；等价Gm为,当Vin=0时，Gm最大,所以，,由于，,当Vin超过某一限定值（Vin1）
5、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,Vin1 实际上是电路可以“处理”的最大差模输入。,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,Rs1/gm2,忽略二级效应,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,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,方法二（半边电路）辅助定
6、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+Vin，Vin2从V0变化到V0-Vin，那么，如果电路仍保持线性，则Vp值保持不变。假定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V1和V2，则输出电流分别不变化gm V1和gmV2,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VT2变化的大小相等而方向相反，RT1等于RT2，则VP保持为常数,利用P点虚地（交流地）的特
7、点，电路可等效为两个独立的部分，即“半边电路”概念。,如果输入信号不是全差动的情况,可以将此任意信号表示为差模分量和共模分量,进一步，,对于每种类型输入的作用都可以用叠加法计算，对于差模工作应用半边电路概念。,3、共模响应,差动电路对共模扰动影响具有抑制作用，理想差动电路的共模增益为0；实际上，电路既不可能完全对称，电流源的输出电阻也不可能为无穷大，结果，共模输入的变化会或多或少传递到输出上。,电流源具有有限电阻的差动对的共模增益：电路等效为带源级负反馈的共源级电路,忽略二级效应，此时，共模增益为：,M1+M2宽度增为单管的2倍，偏置电流增为单管的2倍，从而其跨导同样增为单管的2倍,注意：共模
8、输入的变化会扰乱偏置点，改变小信号增益，限制输出电压摆幅！,电路不对称且尾电流源的输出电阻为有限值时，输入共模电压变化对电路的影响：电路不对称情况1：漏端负载电阻不匹配，即RD1=RD，RD2=RD+RD，当输入端共模发生变化，ID1和ID2都增加gm/(1+2gmRSS)Vin,CM，但VX、VY的变化不相等，输出端产生了一个差动成分。,p,讨论：,差动对的共模响应取决于：尾电流源的输出阻抗，以及电路的不对称性 差动对的影响：对称电路输出共模电平变化，以及输入共模电压变化在 输出端产生差模分量,由此可得：,得到输出电压,输出端的差动分量：,共模到差模转换的增益：,电路不对称情况2：M1和M2
9、不匹配，导致流经两个晶体管的电流稍微不同，因而跨导不同。,“共模抑制比”（CMRR）,如果只考虑gm的不匹配，则,因此，,其中，假设,4、MOS为负载的差动对,类似单级放大器，差动对的负载也可以采用二极管连接的MOS或者电流源作负载。二极管连接的MOS作负载,讨论：为了得到更大的电路增益，必须减小(W/L)P，从而增大|VGSP-VTHP|，降低X点和Y点的共模电平。解决办法：如图所示，通过减小电流而不是减小其宽长比来降低负载器 件的gm。,电流源负载的差动对,共源共栅级差动对,半边等效,共源共栅增大了电路的差动增益，但代价是消耗更多的电压余度。,5、吉尔伯特单元,差动放大器的两个特性：（1）电路的小信号增益是尾电流的函数（2）差动对的两个输入管为控制尾电流在两个支路的流动提供了一个简便方法,一个简单的可变增益放大器,提供可变增益的两级电路,使I1和I2的变化方向相反的电路：差动对电路,吉尔伯特单元,讨论：差动输入的共模电平为VCM,in，则VA=VB=VCM,in-VGS1为了使M5管和M6管工作在饱和区，Vcont的共模电平VCM,cont必须满足,可以推断：控制共模电平必须比输入共模电平至少小一个过驱动电压,输入电压在底层差动对的吉尔伯特单元电路：,小结,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,
