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1、Review,Differential signal,差分放大器的优缺点优点：对环境和电源等共模干扰的抗干扰能力强电压摆幅大线性度好缺点和单端电路相比，差分电路规模加倍，面积增加差分放大是模拟电路的最重要的电路模块和电路发明之一,Differential amplifier,差模增益,和单管M1、M2表达式相同,例：偏置电流相同,增益小于单管,Differential amplifier,差动对的小信号分析方法一：采用叠加法例：双端输入双端输出：单端输入双端输出：双端输入单端输出：,当 电路不对称时，同样可以采用这种分析方法。,Differential amplifier,小信号分析方法二：半
2、边电路法辅助定理：如果电路对称，当Vin1从V0变化到V0+Vin，Vin2从V0变化到V0-Vin，且电路线性，则：Vp不变。即：全差分输入时，P点为交流地。,半边电路概念分析法简化成半边电路。条件是，对称的电路结构。,Differential amplifier,半边电路法分析全差分输入电路简化差模增益推导,Differential amplifier,非全差分输入电路分析输入信号不是大小相等、方向相反、Vp不是交流地将输入分为差模输入部分和共模输入部分分别计算差模和共模响应后在用叠加定理,Differential amplifier,共模分析 输入信号的动态范围,输入共模信号,vin很小
3、时，M1、M2 off，M3处于线性区。M1 和M2导通的条件：,输出共模电平和输入共模电平无关直观地，M1和M2构成一个源跟随器,Differential amplifier,共模分析,当Vin继续上升时,M1、M2进入线性区,共模输入电压范围：,输入共模对差分增益的影响 当VinVth时，差模增益逐渐增加。在M3饱和后差模增益稳定 当M1/2 进入线性区后，差模增益下降,Differential amplifier,输出电压摆幅,考虑M1、M2不能进入线性区，则：差分输出电平不是确定的。例如：当M2 off 时，Vx得到最低电平。,M1在饱和区的条件是,结论是：Vin.cm，输出范围,Di
4、fferential amplifier,尾电流源Iss的作用,若尾电流源是理想电流源，（ro=）则Vout不会变化，Vx=Vy=常量,若尾电流源不是理想电流源，（ro）则Vout会变化，Vx=Vy常量,若尾电流源ro，且不对称。则VxVy常量。输入共模电平引起输出差模信号的变化。这是不希望的。,定义共模抑制比（CMRR）：,ADM是差模增益，ACM-DM是共模引起的输出差模增益,Differential amplifier,共模响应：考虑非理想条件下，电路对共模扰动的抑制能力,考虑尾电流源的有限输出阻抗 Rss。电路是对称的：,负载电阻不对称,输入共模输出差模信号,Differential
5、amplifier,共模响应：输入对管不对称,考虑 如图是小信号等效电路,同理：,Differential amplifier,频率特性,Differential amplifier,负载电阻用MOS管代替,MOS二极管负载,和共源级相似，能提供良好的线性度,电流一定 摆幅下降。,例：若,Differential amplifier,电流源负载：提高输出阻抗,Compensation techniques of opamp,Single-stage CMOS OTA:GBW,Compensation techniques of opamp,Single-stage CMOS OTA:GBW,C
6、ompensation techniques of opamp,Single-stage CMOS OTA:GBW,Differential amplifier,共源共栅结构：提高输出阻抗增益 输出摆幅 需稳定输出共模电平,Differential amplifier,折叠共源共栅CMOS OTA,Differential amplifier,折叠共源共栅CMOS OTA,Symmetrical OTA,Symmetrical OTA,增益提升技术,辅助放大器共源放大器结构摆幅下降差分共源结构,增益提升技术,Differential diode-connected MOSTs,增益提升技术,电
7、流消除技术,增益提升技术,Bootstrapping for high input impedance,增益提升技术,Bootstrapping for high input impedance,R1 两端的电压变化为零，被CF自举掉了,增益提升技术,Bootstrapping out an output resistance,Symmetrical OTA,增益提升-通过电流抽取 M3的偏置电流下降导致输出电阻增加,增加输入跨导,通过电流消除引入负阻,增加输入跨导,通过电流消除引入负阻,Stability of opamp,基本概念：负反馈系统的稳定性基本的负反馈系统 当环路增益，闭环增益无
8、限大，电路振荡振荡条件“巴克豪森”判据（Barkhausens Criteria）负反馈本身有180度相移，所以，环路总相移为360度,H(s)是放大器，和无关，则传递函数,Stability of opamp,稳定系统与不稳定系统稳定条件：增益交点GX相位交点PX相位交点：PX，相位=-180时的角频率；增益交点：GX，增益=1时的角频率。当增加，PX不变，GX增加，则最坏条件是HH,Stability of opamp,复平面上闭环系统的极点位置与稳定性随着环路增益的变化，在复平面画出各极点的轨迹，称根轨迹图根轨迹图可用于分析稳定性,Stability of opamp,相位裕度和电路的闭
9、环阶跃响应稳定性表明达到最终值得时间短例：闭环增益幅频曲线在GX点有一个过冲 表明瞬态响应有一个减幅振荡过程,Stability of opamp,各种PM条件下的实际响应曲线例：PM越小，减幅振荡现象越严重；PM越大，系统越稳定，但时间响应减慢。PM必须大于45，最好等于或大于60,Compensation techniques of opamp,相位裕度PM设计：合理设计：,Compensation techniques of opamp,相位裕度PM设计：设单位增益带宽GBW，极点fp1、fp2fN频率补偿若fp3fN均远大于单位增益带宽GBW,Compensation techniqu
10、es of opamp,Miller CMOS OTA,Compensation techniques of opamp,Miller CMOS OTA,Compensation techniques of opamp,Pole splitting by.,Compensation techniques of opamp,Miller CMOS OTA,Compensation techniques of opamp,消除右半平面零点方法1：成为负零点方法2：为负零点，与 抵消。,Compensation techniques of opamp,Cut feedforward through,
11、解得：,左半平面零点；极点相似,Compensation techniques of opamp,Cut feedforward through,次极点的数值提高,Slew rate,例：实际的差分运放输入低到高的转换同样，输入高到低的转换速率,M2的栅极电压下降，,M1的栅极电压上升，,得到对电容的充电电流,当输入电压继续增加，使M1抽掉Iss全部电流，M2关断。运放经历输入低到高的转换。转换速率,Slew rate,套筒式差分运放折叠式差分运放,转换速率为：,若,转换速率为：,若M3关断，X电平下降，M1线性，M2导通，X电平经历摆动后回到平衡态。,Slew rate,二级运放,Slew
12、rate,二级运放,Slew rate,实际的差分运放,CM feedback,CM feedback,M3、M4在差分和共模放大器中分别是负载和共源放大管 CMFB 是单位增益反馈,CM feedback,CM feedback,The differential and common-mode amplifiers dont necessarily have the same load capacitances,CM feedback,All the capacitances which are present at the output terminals of one amplifier
13、,The virtual grounds are taken as real grounds,CM feedback,Load capacitance CINDM,CM feedback,Load capacitance CINCM,CM feedback,GBW DM&GBW CM,例1：极低频和高频下的增益,假设所有晶体管均处于饱和区，0，=0，忽略其它电容,低频时电容可视为开路,例1：极低频和高频下的增益,假设所有晶体管均处于饱和区，0，=0，忽略其它电容,高频时电容可视为短路,例2：差模和共模下的低频增益,假设所有晶体管均处于饱和区，0，=0，忽略其它电容,差模时M3栅极、M1源极虚地
14、，C2忽略，C1是负载,例2：差模和共模下的低频增益,假设所有晶体管均处于饱和区，0，=0，忽略其它电容,共模时R1短路，C1可忽略，C2是负载,M7是源极负反馈电阻,例3：传输函数、零极点与PM,例3：传输函数、零极点与PM,例3：传输函数、零极点与PM,例4：二级运放零极点和相位裕度,设零点大于10GB，相位裕度大于60用单位增益频率代替得：A0很大，则,例4：二级运放零极点和相位裕度,补偿电容取值大约是负载电容的1/3,例5：one-stage amplifier,例：套筒式运放设计设计指标：差分输出摆幅3V参数根据power确定电流功耗和偏置电流有关偏置电流与带宽及转换速率有关，一般，
15、,例5：one-stage amplifier,例：套筒式运放设计根据输出摆幅决定管子的VdsatX、Y的摆幅为1.5v取：取值，放大管 负载管 尾电流管,例5：one-stage amplifier,例：套筒式运放设计根据 Veff 和 I 确定MOS管的宽长比确定沟道长度，例：,例5：one-stage amplifier,例：套筒式运放设计计算增益，进行验证,结论：使增益增加,例5：one-stage amplifier,例：套筒式运放设计提升增益的方法方法1：减小方法2：电流不变，增加L、W/L不变例：增加负载电阻,降低Vdsat9：0.50.3V,例5：one-stage amplifier,例：套筒式运放设计根据Vdsat和摆幅设计偏置电压取取：验证输出摆幅,例5：one-stage amplifier,共源共栅级设计小结确定各支路电流分配根据功耗分配，若有带宽和速度性能指标，可优先考虑确定各MOS管的过驱动电压放大管 200mV，负载管200-500mV，尾电流管300-500mV注意给输出摆幅留出足够余量。由过驱动电压和支路电流确定W/L计算增益验证根据增益调整W和L值。增加L，W/L不变，则增益提高。根据过驱动电压，确定各晶体管的偏置电压留有余量，保证信号摆幅。,
