哈尔滨工业大学CMOS模拟集成电路设计_ch4.ppt

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王永生HarbinInstituteofTechnologyMicroelectronicsCenterCMOS模拟集成电路设计模拟集成电路设计差动放大器HITMicroelectronicsHITMicroelectronics王永生王永生提纲提纲nn1、单端与差动的工作方式nn2、基本差动对nn3、共模响应nn4、MOS为负载的差动对7/3/20242HITMicroelectronicsHITMicroelectronics王永生王永生1、单端与差动的工作方式、单端与差动的工作方式nn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，极性相等，结点的阻抗也必须相等。

差动工作方式优点：

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对相对高7/3/20243单端与差动的工作方式HITMicroelectronicsHITMicroelectronics王永生王永生2、基本差动对、基本差动对nn2.1定性分析nn差模特性差模特性（假定假定VVin1in1-V-Vin2in2从从-变化到变化到+）nnVVin1in1比比VVin2in2更负，更负，MM11截止，截止，MM22导通，导通，IID2D2=I=ISSSS，因此因此VVout1out1=V=VDDDD,V,Vout2out2=V=VDDDD-R-RDDIISSSSnnVVin1in1逐渐增大，逐渐增大，MM11开始导通，开始导通，VVout1out1减小，由于减小，由于IID1D1+I+ID2D2=I=ISSSS，MM22流经的电流减小，流经的电流减小，VVout2out2增大；增大；当当VVin1in1=V=Vin2in2时，时，VVout1out1=V=Vout2out2=V=VDDDD-R-RDDIISSSS/2/2。

nn当当VVin1in1比比VVin2in2更正时，差动对两更正时，差动对两侧情况正好与上述情况相反。

侧情况正好与上述情况相反。

7/3/20244基本差动对HITMicroelectronicsHITMicroelectronics王永生王永生nn共模特性共模特性采用采用NMOSNMOS提供尾电流提供尾电流IISSSS，VVin,CMin,CM从从00开始增加。

开始增加。

nn当当VVin,CMin,CM00时，时，IID1D1=I=ID2D2=I=ID3D3=0=0nnVVin,CMin,CM增加，增加，MM33导通，处于三极管区；当导通，处于三极管区；当VVin,CMin,CM足够大时，足够大时，MM33进入饱和区，因此电路进入饱和区，因此电路正常工作状态应满足正常工作状态应满足VVin,CMin,CMVVGS1GS1+（V+（VGS3GS3-VVTH3TH3）nnVVin,CMin,CM进一步增加，进一步增加，VVin,CMin,CMVVout1out1+V+VTHTH，MM11和和MM22进入三极管区进入三极管区nn因此，因此，VVin,CMin,CM允许的范围允许的范围7/3/20245基本差动对HITMicroelectronicsHITMicroelectronics王永生王永生nn2.2定量分析nn大信号分析大信号分析如果如果RRD1D1=R=RD2D2=R=RDD，则则VVout1out1-V-Vout2out2=R=RDD（I（ID2D2-I-ID1D1），可以用可以用Vin1Vin1和和Vin2Vin2计算出计算出IID2D2和和IID1D1（假设电路是对称的，且（假设电路是对称的，且M1和和M2均处于饱和区均处于饱和区，且忽略二级效应），且忽略二级效应）讨论：

讨论：

当当Vin=Vin1-Vin2=0，ID=ID1-ID2=0;当当|Vin|从从0开始增大，开始增大，|ID|也也增大；增大；等价等价Gm为为7/3/20246基本差动对HITMicroelectronicsHITMicroelectronics王永生王永生讨论（续）讨论（续）当Vin=0时，Gm最大因此，当Vin超过某一限定值（Vin1）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），Vin1实际上也是电路可以“处理”的最大差模输入。

7/3/20247基本差动对HITMicroelectronicsHITMicroelectronics王永生王永生nn小小信号分析信号分析nn方法一方法一（叠加法）（叠加法）令令VVin2=0,=0,求求VVin1对对X结点的影响：

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7/3/20248基本差动对HITMicroelectronicsHITMicroelectronics王永生王永生令令Vin2=0,求求Vin1对对Y结点的影响：

结点的影响：

先利用戴维南定理处理先利用戴维南定理处理M1管管和和Vin1，VT=Vin1,RT=1/gm1；则电路等效为共栅级形式则电路等效为共栅级形式忽略二级效应忽略二级效应7/3/20249基本差动对HITMicroelectronicsHITMicroelectronics王永生王永生只施加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7/3/202410基本差动对HITMicroelectronicsHITMicroelectronics王永生王永生nn方法二方法二（半边电路）（半边电路）辅助定理：

考虑图中所示的辅助定理：

考虑图中所示的对称电路对称电路，其中，其中D1D1和和D2D2代表任何三端有源器件。

代表任何三端有源器件。

假设假设VVin1in1从从VV00变化到变化到VV00+VVinin，VVin2in2从从VV00变化到变化到VV00-V-Vinin，那么，如果电路仍那么，如果电路仍保持线性保持线性，则，则VVpp值保持不变。

假定值保持不变。

假定00。

辅助定理说明了P点可以认为是“交流地”，即“虚地”。

7/3/202411基本差动对HITMicroelectronicsHITMicroelectronics王永生王永生利用利用PP点虚地（交流地）的特点，电路可等效为两点虚地（交流地）的特点，电路可等效为两个独立的部分，即个独立的部分，即“半边电路半边电路”概念。

概念。

7/3/202412基本差动对HITMicroelectronicsHITMicroelectronics王永生王永生如果两个差动对的输入信号不是全差动的，可以将此如果两个差动对的输入信号不是全差动的，可以将此任意信号表示为差模分量和共模分量。

任意信号表示为差模分量和共模分量。

差模增益：

若ISS是理想电流源，共模增益为0；如果考虑沟道长度调制效应，请同学们课后计算差动增益。

（例4.4和4.5）7/3/202413基本差动对HITMicroelectronicsHITMicroelectronics王永生王永生3、共模响应、共模响应nn差动电路对共模扰动影响具有抑制作用，理想差动电路的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共模增益为00；nn实际上，电路既不可能完全对称，电流源的输出电阻也不实际上，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。

输出上。

7/3/202414共模响应HITMicroelectronicsHITMicroelectronics王永生王永生nn电流源具有有限电阻的差动对的共模增益：

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：

7/3/202415共模响应HITMicroelectronicsHITMicroelectronics王永生王永生nn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：

电压变化对电路的影响：

nn电路不对称情况电路不对称情况11：

RRD1D1=R=RDD，RRD2D2=R=RDD+R+RDD，当输入端共模发生变当输入端共模发生变化，化，VVXX、VVYY的变化不相等，输出端产生了一个的变化不相等，输出端产生了一个差动差动成分。

成分。

7/3/202416共模响应HITMicroelectronicsHITMicroelectronics王永生王永生nn电路不对称情况电路不对称情况22：

M1M1和和M2M2不匹配，导致流经两个晶体管的电不匹配，导致流经两个晶体管的电流稍微不同，因而跨导不同，流稍微不同，因而跨导不同，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7/3/202417共模响应HITMicroelectronicsHITMicroelectronics王永生王永生nn总之，差动对的共模响应取决于尾电流源的输出电阻和电总之，差动对的共模响应取决于尾电流源的输出电阻和电路的不对称性，表现的两方面的影响：

路的不对称性，表现的两方面的影响：

nn对称电路的输出共模电平变化；对称电路的输出共模电平变化；nn输入共模电压变化在输出端产生差模分量。

输入共模电压变化在输出端产生差模分量。

nn“共模抑制比共模抑制比”（CMRRCMRR）7/3/202418共模响应HITMicroelectronicsHITMicroelectronics王永生王永生4、MOS为负载的差动对为负载的差动对nn类似单级放大器，差动对的负载也可以采用二极管连接的类似单级放大器，差动对的负载也可以采用二极管连接的MOSMOS或者电流源作负载。

或者电流源作负载。

nn二极管连接的二极管连接的MOSMOS作作负载负载（忽略体效应）（忽略体效应）7/3/202419MOS为负载的差动对HITMicroelectronicsHITMicroelectronics王永生王永生nn电流源负载的差动对电流源负载的差动对7/3/202420MOS为负载的差动对HITMicroelectronicsHITMicroelectronics王永生王永生nn共源共栅级差动对共源共栅级差动对半边等效半边等效7/3/202421MOS为负载的差动对HITMicroelectronicsHITMicroelectronics王永生王永生小结小结nn1、单端与差动的工作方式nn2、基本差动对nn3、共模响应nn4、MOS为负载的差动对7/3/202422