第三讲差动放大器与电流镜课件.ppt

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1、第三讲差动放大器与电流镜第1页，此课件共38页哦第三讲第三讲 差动放大器与电流镜差动放大器与电流镜1第2页，此课件共38页哦差动信号定义差动信号定义为两个节点电位之差，且该两个节点的电位相对于某一个固为两个节点电位之差，且该两个节点的电位相对于某一个固定电位大小相等，相位相反。定电位大小相等，相位相反。差动信号2第3页，此课件共38页哦 与单端工作相比，对环境噪声具有更强的抗干扰能力。与单端工作相比，对环境噪声具有更强的抗干扰能力。差动工作特性差动工作特性3第4页，此课件共38页哦 增大了可得到的最大电压摆幅。增大了可得到的最大电压摆幅。单端单端X、Y点的最大电压摆幅为点的最大电压摆幅为Vou

2、t1VDD（VGSVTH），那么），那么VX-VY的最大摆的最大摆幅为幅为2VDD（VGSVTH）。对共模信号具有很强的的抑制能力，对差模信号有很好的放对共模信号具有很强的的抑制能力，对差模信号有很好的放大作用。大作用。4第5页，此课件共38页哦3.1 3.1 3.1 3.1 基本差动对基本差动对基本差动对基本差动对由两个由两个cs cs放大器构成，放大器构成，分别处理两个差动信分别处理两个差动信号号输入共模电平若设定太低，输入共模电平若设定太低，会使输出严重失真会使输出严重失真输出直流电平受输入共模电平的输出直流电平受输入共模电平的变化影响较大变化影响较大偏置电流偏置电流I ID1D1+I+

3、ID2D2I ISSSS，它不，它不依赖于输入共模电平，依赖于输入共模电平，输出受输入共模电平的输出受输入共模电平的影响小。影响小。简单差动电路简单差动电路基本差动对基本差动对5第6页，此课件共38页哦1 1 1 1、差模输入输出特性分析、差模输入输出特性分析、差模输入输出特性分析、差模输入输出特性分析基本差动对基本差动对假设假设Vin1Vin2从从变化到变化到：1）当）当Vin1比比Vin2负得多，负得多，M1截止，截止，M2导通，导通，ID2=ISS，Vout1VDD，Vout2VDD-RDISS，Vout1-Vout2=RDISS 2）当）当Vin1比较接近比较接近Vin2时，时，M1逐

4、渐导通，逐渐导通，RD1上有电流上有电流ID1，使，使Vout1下降，而下降，而ID2减小，减小，Vout2上升。上升。M1截止，M2导通M1导通，M1截止6第7页，此课件共38页哦3）当）当Vin1Vin2时，时，ID1=ID2ISS/2，Vout1Vout2VDD-RDISS/2。称为平衡。称为平衡状态。状态。4）当）当Vin1比比Vin2更正时，更正时，Vin1增加，增加，ID1增加，增加，ID2减小，减小，Vout1下降，下降，Vout2上升。上升。对于足够大的对于足够大的Vin1Vin2，ISS所有电流都只流经所有电流都只流经M1管，管，M2管截止，此时，管截止，此时，Vout1VD

5、D-RDISS，Vout2VDD。输出端的最大电平和最小电平是完全确定输出端的最大电平和最小电平是完全确定的，分别为的，分别为VDDVDD和和VDD-RVDD-RD DI ISSSS小信号增益在小信号增益在V Vin1in1V Vin2in2时达到最大，随着时达到最大，随着|V|Vin1in1-V-Vin2in2|的增大而逐渐减小为零。的增大而逐渐减小为零。斜率最大7第8页，此课件共38页哦2 2、共模特性、共模特性、共模特性、共模特性令令Vin1Vin2Vin,CM，Vin,CM从从0变化到变化到VDD。假设电路是对称的，。假设电路是对称的，Vout1Vout2。1 1）当）当V Vin,C

6、Min,CM=0=0时，时，MM1 1、MM2 2截止，截止，I ID1D1=I=ID2D2=0=0，I ID3D3=0=0，V Vb b为高电位，为高电位，MM3 3处于深线性区，等效为一个电阻。处于深线性区，等效为一个电阻。V Vout1out1V Vout2out2V VDDDD。2 2）当）当V Vin,CMin,CMVVTHTH时，时，MM1 1、MM2 2饱和导通，饱和导通，I ID1D1、I ID2D2增加，增加，V VP P上升。对于足够高的上升。对于足够高的V Vin,CMin,CM，V VP PV VGS3GS3-V-VTH3TH3，MM3 3进入进入饱和区，饱和区，I I

7、D1D1、I ID2D2之和保持为常数。之和保持为常数。3）当）当V Vin,CMin,CMVVout1out1+V+VTHTHVDD-RDISS/2+VTH，M1、M2进入线性区。进入线性区。8第9页，此课件共38页哦共模特性共模特性Vin,CM允许的范围为允许的范围为(M1、M2、M3工作在饱和区）：工作在饱和区）：NoticeNotice：（1 1）V Voutout的最小值为的最小值为V Vin,CMin,CMV VTHTH，输入共模电平越大，允许的输出，输入共模电平越大，允许的输出电压摆幅越小。电压摆幅越小。（2 2）差动对的电压增益是负载上压降）差动对的电压增益是负载上压降V VR

8、DRD的函数，若的函数，若V VRDRD比较大，比较大，V Vin,CMin,CM必须比较低以保证必须比较低以保证M1M1、M2M2工作在饱和区。工作在饱和区。9第10页，此课件共38页哦3 3 3 3、定量分析、定量分析、定量分析、定量分析假设电路是对称的，假设电路是对称的，MM1 1、MM2 2均工作均工作在饱和区在饱和区VPVin1VGS1Vin2VGS2I ID1D1-I-ID2D2是是V Vin1in1V Vin2in2的奇函数，当的奇函数，当|V|Vin1in1-V-Vin2in2|从从0 0逐渐增逐渐增增大，增大，|I|ID1D1-I-ID2D2|也逐渐增大。也逐渐增大。10第1

9、1页，此课件共38页哦等效跨导等效跨导等效跨导等效跨导GmGmGm1 1）V Vinin0 0，平衡状态，等效跨导达到最大值：，平衡状态，等效跨导达到最大值：与单个与单个nmosnmos管的跨导相同管的跨导相同gm差动信号差动信号的小信号变化量平衡状态状态下小信号差动电压增益：平衡状态状态下小信号差动电压增益：M2几乎截止11第12页，此课件共38页哦同理，当同理，当 Vinin Vin1in1时，所有的时，所有的ISSSS只流经只流经M1，而，而M2截止。截止。实际可以处理实际可以处理的最大差模输的最大差模输入入两个晶体管都导通12第13页，此课件共38页哦两种方法增加最大差模输入范围两种方

10、法增加最大差模输入范围V Vin1in1，从而使电路线性度更好：，从而使电路线性度更好：（1 1）W/LW/L减小时，减小时，V Vin1in1增加，使两个晶体管都导通的增加，使两个晶体管都导通的VinVin范围范围增加，电路线性度好；增加，电路线性度好；（2 2）I ISSSS增加，输入电压范围和输出电流摆幅加大。增加，输入电压范围和输出电流摆幅加大。然而，然而，V Vin1in1增加会增加增加会增加M1M1和和M2M2的过驱动电压。的过驱动电压。13第14页，此课件共38页哦4 4、小信号特性分析、小信号特性分析、小信号特性分析、小信号特性分析（1 1 1 1）利用叠加法求小信号增益）利用

11、叠加法求小信号增益）利用叠加法求小信号增益）利用叠加法求小信号增益A）令Vin20，求Vin1对VX、VY的作用。忽略r0M1看成带源极负反馈的共源极RS1/gm2小信号M1、M2均工作在饱和状态14第15页，此课件共38页哦VY的计算MM1 1管以源跟随器的形式驱动管以源跟随器的形式驱动MM2 2管，管，MM2 2以共栅级形式工作。以共栅级形式工作。其戴维南等效为：其戴维南等效为：VT=Vin1RT=1/gm15第16页，此课件共38页哦输入为输入为Vin1Vin1时，电路的电压增益为：时，电路的电压增益为：若B）Vin2在在X、Y点的作用：点的作用：应用叠加法：应用叠加法：AVNotice

12、Notice：1 1）无论怎样施加）无论怎样施加输入信号，差动输入信号，差动电路的增益为电路的增益为g gmmR RD D2 2）如果输出为单边）如果输出为单边输出，则差动增益输出，则差动增益减半。减半。3 3）与共源极增益）与共源极增益相比，要达到和共相比，要达到和共源极相同的增益，源极相同的增益，总偏置电流应为共总偏置电流应为共源极的两倍。源极的两倍。差动对单端差动对单端输出时增益输出时增益减半！减半！16第17页，此课件共38页哦（2）利用半边电路法求小信号增益）利用半边电路法求小信号增益辅助定理：辅助定理：对于对称电路，其中对于对称电路，其中D1、D2为三端有源器件。假设为三端有源器件

13、。假设Vin1从从V0变化到变化到V0 Vin，Vin2从从V0变化到变化到V0 Vin，那么，如果电路仍保持线性，则，那么，如果电路仍保持线性，则VP电位不变。电位不变。也就是说也就是说Vin1和和Vin2分别变化分别变化 Vin和和 Vin，则，则V1（VGS1）、）、V2（VGS2）变化）变化相同的值。相同的值。因此，对于小信号而言，因此，对于小信号而言，P点虚地。点虚地。交流地17Vin变化变化VGS变化变化第18页，此课件共38页哦由于由于VpVp虚地，可将电路等效为两个独立的虚地，可将电路等效为两个独立的部分，即部分，即“半边电路半边电路”。AV18第19页，此课件共38页哦如果考

14、虑沟道长度调制效应，利用半边电路可以非常方便如果考虑沟道长度调制效应，利用半边电路可以非常方便地计算其增益。地计算其增益。19第20页，此课件共38页哦5 5 5 5、当输入信号不是全差动信号时、当输入信号不是全差动信号时、当输入信号不是全差动信号时、当输入信号不是全差动信号时任意输入信号可以转换为差模分量和共模分量的叠加任意输入信号可以转换为差模分量和共模分量的叠加差模分量，为全差动信号共模分量20第21页，此课件共38页哦将差动信号和共模信号分别产生的作用进行叠加，便将差动信号和共模信号分别产生的作用进行叠加，便可以得到电路输入输出特性。可以得到电路输入输出特性。对于差模信号，可以利用半边

15、电路。对于差模信号，可以利用半边电路。21第22页，此课件共38页哦对如下电路，对如下电路，V Vin1in1V Vin2in2，求差动输出，求差动输出对于共模分量，由于对于共模分量，由于电路对称，电路对称，I ID1D1 I ID2D2I ISSSS/2/2，差动输出与，差动输出与V Vin,CMin,CM无关。无关。对称差动电路只对对称差动电路只对V Vin1in1和和V Vin2in2的差值进行放大，的差值进行放大，而消除了而消除了V Vin,CMin,CM的影响。的影响。22第23页，此课件共38页哦3.2 3.2 3.2 3.2 共模响应共模响应共模响应共模响应当差动电路并不对称，或

16、者电流源输出阻抗不为无穷大共模当差动电路并不对称，或者电流源输出阻抗不为无穷大共模输入的变化则会传递到输出端，称为输入的变化则会传递到输出端，称为共模响应共模响应。1 1、考虑电路对称，而电流源具有有限阻抗、考虑电路对称，而电流源具有有限阻抗、考虑电路对称，而电流源具有有限阻抗、考虑电路对称，而电流源具有有限阻抗R RSSSS的情况。的情况。的情况。的情况。V V in,CM in,CM增加，增加，I ID1D1、I ID2D2增加，增加，V VP P增加，增加，V VX X、V VY Y减小，由于电路对称，减小，由于电路对称，V VX XV VY Y。可用图可用图c c等效。等效。合并后，宽

17、度为单管的两倍，电流为单管两倍，因此gm为单管两倍M1、M2并联23第24页，此课件共38页哦共模增益：共模增益：2 2、考虑电路不对称，且尾电流源输出阻抗有限的情况、考虑电路不对称，且尾电流源输出阻抗有限的情况、考虑电路不对称，且尾电流源输出阻抗有限的情况、考虑电路不对称，且尾电流源输出阻抗有限的情况（1 1）考虑负载失配，管子对称的情况）考虑负载失配，管子对称的情况）考虑负载失配，管子对称的情况）考虑负载失配，管子对称的情况输出共模信号24第25页，此课件共38页哦当当Vin,CM增加，增加，ID1、ID2变化了变化了输入共模电平的变化在输出端产生一个差动成分，表现输入共模电平的变化在输出

18、端产生一个差动成分，表现出共模到差模的转换。出共模到差模的转换。差动对的共模响应主要表现为两个方面：差动对的共模响应主要表现为两个方面：（1 1）电路对称，但由于尾电流源的有限输出阻抗，输入共模电平变）电路对称，但由于尾电流源的有限输出阻抗，输入共模电平变化对输出共模电平有影响，即改变小信号增益或限制输出电压摆幅；化对输出共模电平有影响，即改变小信号增益或限制输出电压摆幅；（2 2）由于电路不对称，且具有有限电流源输出阻抗，输入共模电平）由于电路不对称，且具有有限电流源输出阻抗，输入共模电平变化在输出端产生差模分量。变化在输出端产生差模分量。后者的影响后者的影响严重得多，严重得多，共模响应共模

19、响应通常考虑通常考虑电路不匹配电路不匹配情况情况高频时变得严重25第26页，此课件共38页哦（2 2 2 2）考虑）考虑）考虑）考虑M1M1M1M1、M2M2M2M2不匹配情况不匹配情况不匹配情况不匹配情况管子的失配比负载失配大得多！管子的失配比负载失配大得多！由于晶体管尺寸以及阈值电压的失配，由于晶体管尺寸以及阈值电压的失配，ID1、ID2稍微不同，则稍微不同，则gm不同。不同。26第27页，此课件共38页哦共模到差模的转换：共模到差模的转换：管子不匹配27第28页，此课件共38页哦3 3 3 3、共模抑制比、共模抑制比、共模抑制比、共模抑制比CMRRCMRRCMRRCMRR（Common

20、Mode Rejection RatioCommon Mode Rejection RatioCommon Mode Rejection RatioCommon Mode Rejection Ratio）3.3 3.3 3.3 3.3 以以以以MOSMOSMOSMOS为负载的差动对为负载的差动对为负载的差动对为负载的差动对二极管连接的二极管连接的负载消耗了负载消耗了一个阈值电压一个阈值电压的电压余度。的电压余度。放大器对共模输入放大器对共模输入扰动的抑制能力扰动的抑制能力差模响应共模响应28第29页，此课件共38页哦如何提高增益？如何提高增益？可以通过减小可以通过减小P P管宽长比来提高增益，

21、管宽长比来提高增益，但但P P管过驱动电压增加，降低了输出共模电平。管过驱动电压增加，降低了输出共模电平。1 1、附加电流源来提高增益、附加电流源来提高增益通过减小P管电流，来减小gmp，从而提高增益。2 2、提高负载阻抗来提高增益、提高负载阻抗来提高增益增益提高了5倍（电流减小5倍，过驱不变，则宽长比减小5倍）29第30页，此课件共38页哦采用采用PMOSPMOS共源共栅负载的共源共栅负载的NMOSNMOS共源共栅差动放大器共源共栅差动放大器AVGmRout共源共栅结构具有高的输出阻抗，可以提高增益，代价是消耗共源共栅结构具有高的输出阻抗，可以提高增益，代价是消耗更多的电压余度，减小输出摆幅

22、。更多的电压余度，减小输出摆幅。共源共栅差动放大器30第31页，此课件共38页哦3.4 3.4 3.4 3.4 电流镜电流镜电流镜电流镜工作在饱和区的工作在饱和区的MOSMOS管可以作为电流管可以作为电流源使用源使用主要作用：主要作用：（1 1）为其它电路提供偏置；）为其它电路提供偏置；（2 2）作为信号处理单元；）作为信号处理单元；电流受电源电压、电流受电源电压、工艺、阈值电压工艺、阈值电压影响。影响。31第32页，此课件共38页哦1 1 1 1、基本电流镜、基本电流镜、基本电流镜、基本电流镜产生稳定的基准产生稳定的基准电流电流通过复制，产生通过复制，产生电路中所需的电电路中所需的电流源流源

23、ID=f（VGS）VGS=f-1(ID)若若VGSf-1(IREF)则则Ioutff-1（IREF）=IREF基本电流镜基本电流镜在模拟电路在模拟电路中，电流源中，电流源的设计基于的设计基于对基准电流对基准电流的的“复制复制”32第33页，此课件共38页哦可以精确地复制电流而不可以精确地复制电流而不受工艺和温度的影响。受工艺和温度的影响。2 2 2 2、普通共源共栅电流镜、普通共源共栅电流镜、普通共源共栅电流镜、普通共源共栅电流镜沟道长度调制效应会使基本电流镜镜像的电流产生沟道长度调制效应会使基本电流镜镜像的电流产生误差：误差：VDS1VGS1VGS2，但M2受负载影响，VDS2可能VGS2电

24、流镜中所有晶体管通常采用相同的栅长，以减小栅长误差33第34页，此课件共38页哦共源共栅电流源可以抑制沟道长度调制效应的影响共源共栅电流源可以抑制沟道长度调制效应的影响选择合适的选择合适的Vb，使得，使得VX=VY，那，那么么VDS2=VGS1VGS2，则可以消除，则可以消除沟道调制效应影响，沟道调制效应影响，ID2非常接近非常接近ID1。如何产生如何产生Vb，并使，并使VXVY？VNVGS0VXVGS3VY 共源共栅结构可使共源共栅结构可使MM2 2免受免受VpVp的影响，的影响，只要只要V VY YV VX X，I ID2D2I ID1D1根据根据M3M3的尺寸选择的尺寸选择M0M0的尺寸

25、，使的尺寸，使V VGS0GS0V VGS3GS3，那么，那么V VX XV VY Y34第35页，此课件共38页哦如果设计管子的尺寸，使其满足：如果设计管子的尺寸，使其满足：那么：那么：共源共栅电流镜特点：共源共栅电流镜特点：（1）优点：高的输出阻抗，产生）优点：高的输出阻抗，产生精确的电流值精确的电流值（2）缺点：由于）缺点：由于VDS2=VGS2，共，共源共栅电流镜消耗了一个阈值电源共栅电流镜消耗了一个阈值电压的余度压的余度(两个过驱动电压加一个两个过驱动电压加一个阈值电压阈值电压)。?35第36页，此课件共38页哦3 3 3 3、低压共源共栅电流镜、低压共源共栅电流镜、低压共源共栅电流

26、镜、低压共源共栅电流镜选择合适的选择合适的V Vb b使使MM2 2、MM1 1工作在饱和状态。工作在饱和状态。MM2 2饱和：饱和：MM1 1饱和：饱和：Vb才有解。选择合适的尺寸使M2的过驱动电压阈值电压。输入输出短接36实现方法：实现方法：1 1）选择最小）选择最小V Vb b=V=VGS2GS2+(V(VGS1GS1-V-VTH1TH1)2 2）选择合适）选择合适晶体管尺寸满晶体管尺寸满足：足：V VGS2GS2=V=VGS4GS4则：则：V Vb b=V=VGS4GS4+(V(VGS3GS3-V-VTH3TH3)从而：从而：Vout=Vout=（V VGS4GS4-V-VTH4TH4

27、）+(V(VGS3GS3-V-VTH3TH3)为两个过驱动为两个过驱动电压之和电压之和第37页，此课件共38页哦 优点：优点：若若V Vb bV VGS2GS2+(V+(VGS1GS1-V-VTH1TH1)=V =VGS4GS4+(V VGS3GS3-V VTH3TH3)V VA A=V=VB B，M3M3电流可以精确地镜像电流可以精确地镜像I IREFREF。此时，消耗的电压余度最小，为两此时，消耗的电压余度最小，为两个过驱动电压之和。个过驱动电压之和。4 4 4 4、有源电流镜、有源电流镜、有源电流镜、有源电流镜用作处理信号用作处理信号有源电流镜作为差动对负载：有源电流镜作为差动对负载：当当Vin1增加时，增加时，ID1增加增加 I，ID3、ID4也增也增加了加了 I，ID2减小。减小。通过通过ID2的下降以及的下降以及ID4的上升，产生输的上升，产生输出端电流及电压的变化。出端电流及电压的变化。比普通共源共栅消耗的电压余度小一个阈值电压低压共源共栅37第38页，此课件共38页哦