1、第四章差分放大器 1 单端与差动的工作方式 单端信号的参考电位为某一固定电位 通常为地电位 差动信号定义为两个节点电位之差 且这两个节点的电位相对于某一固定电位大小相等 极性相反 在差动信号中 中心电位称为 共模 CM 电平 共模电平 差动工作比单端工作有什么优点 2 用差分放大器消除时钟噪声 差动工作与单端工作相比 一个重要优势在于它对环境噪声具有更强的抗干扰能力 单端工作时时钟大信号通过寄生电容干扰放大的小信号 V01 V02 V01 V02 极性相反的两路受干扰小信号 差动输出时干扰消除了 对称差动时钟大信号通过寄生电容耦合到小信号的噪声因极性相反而相互抵消 差动工作还有什么优点 3 噪
2、声源改为差动方式 差分放大器的优点 VX VY 电源噪声对单端电路产生的干扰 差动输出时电源噪声产生的干扰消除了 差动信号的优点 1 能有效抑制共模噪声 2 增大了输出电压摆幅 是单端输出的两倍 3 偏置电路更简单 差分对可以直接耦合 输出线性度更高 4 缺点是芯片面积和功耗略有增加 如何放大一个差分信号 4 简单差动电路 输入共模电平对输出的影响 将两条相同的单端信号路径结合起来 分别处理两个差动相位信号Vin1和Vin2 但当Vin1和Vin2存在很大的共模干扰或各自的直流电平设置的不好时 随着共模电平Vin CM的变化 M1和M2的偏置电流会变化 从而导致跨导和输出共模电平变化 跨导的变
3、化会改变小信号增益 输出共模电平相对于理想值的偏离会降低最大允许输出摆幅 严重时会导致输出端出现严重失真 因此 重要的是应使M1和M2的偏置电流受输入共模电平的影响尽可能小 简单差动对 Vin1和Vin2是差动相位信号 如何减小输入共模电平变化的影响呢 5 基本差动对 Vin1 Vin2足够负 M1截止 M2导通 Vin1 Vin2足够正 M1导通 M2截止 Vin1 Vin2相差不大时 M1和M2均导通 Vin1 Vin2时 小信号增益 即斜率 最大 Vin 6 基本差动对的重要特性 差动对的两个重要特性 1 输出端的最大和最小电平是确定的 分别为VDD和VDD RDISS 它们与共模输人电
4、平无关 2 小信号增益当Vin1 Vin2时达到最大 且随着 Vin1 Vin2 的增加而逐渐减小到零 也就是说 随着输入电压摆幅的增大 电路变得更加非线性 当Vin1 Vin2时 我们说电路处于平衡状态 即静态 7 基本差分对的共模特性 Vin CMmin 为保证M1和M2饱和 Vin CMmin Vin CMmax 当VP Vb VTN时 M3工作在线性区 等效于一个小电阻 8 基本差分对的共模输入范围 M3饱和要求 M1饱和要求 ISS 9 差动对小信号差动增益与共模输入电平的关系 VinCMmax VinCMmin 产生ISS的MOS管线性 M1和M2线性 10 共模输入电压与输出摆幅
5、 X Y M1饱和要求 上式表明 输入共模电平越大 允许输出的输出摆幅就越小 幸运的是 因运放通常需至少两级放大才能获得实际可使用的放大倍数 因此对前级的摆幅要求大大降低 例 若两级运放AI 100 AII 400 假定输出V0 10V 则第二级的输入电压范围 也即第一级的输出电压摆幅 仅需为 10V 400 25mV 第一级的小信号输入范围仅为 25mV 100 250 V 11 基本差分对的定量分析 1 在左图的电阻负载基本差动对中 记 Vin Vin1 Vin2 且 1 2 nCOX W L 假定M1和M2均工作在饱和区 ISS为理想恒流源 则由平方律关系有 两边平方 且考虑到ID1 I
6、D2 ISS 12 基本差分对的定量分析 2 这是个重要公式 可由此得出以下结论 1 静态时 Vin 0 ID 0 即ID1 ID1 ISS 2 2 ID只有在 Vin很小时 才与 Vin近似成正比 即 13 基本差分对的定量分析 3 为求得最大差模输入电压 假定 Vin max时 M1上通过的电流恰好为ISS M2刚好截止 即VGS2 VTN 此时有 同理 M1恰好截止 M2上通过的电流恰好为ISS时 此时有 故允许输入的最大差模电压范围 VID为 这就是电路能处理信号的最大差模电压 14 基本差分对的定量分析 4 因 ID是 Vin的奇函数 故有 上式表明 由差动信号驱动的差动电路不会产生
7、偶次谐波 因此差分电路比单端电路表现出了更小的非线性 5 因 M1 M2的等效跨导Gm为 静态时 Vin 0 Gm为 又V01 V02 RD ID RDGm Vin 故平衡态下的小信号差动电压增益AV为 15 最大输入差模电压 VID与过驱动电压Von的关系 左式表明若增加 VID来使电路具有更好的线性不可避免会使M1和M2的过驱动 电压Von 对于给定的ISS 这只能靠减小 W L 也即减小跨导 从而减小放大器增益 来实现 Von 会使输入共模电压范围 W L VID AV 电路线性 ISS VID AV 电路线性 16 差分放大器的增益 同单级CS放大器的增益 漏极电流和Gm随输入电压变化
8、曲线 17 差分对的小信号特性 1 这是带负反馈电阻RS的CS放大器 RD1 RD2 RDgm1 gm2 gm 利用叠加定理 先考虑Vin1的作用 先求VX 18 差分对的小信号特性 2 利用叠加定理 先考虑Vin1的作用 再求VY VT Vin 这是CG放大器 RL1 求开路电压VT 利用小信号等效电路 可求得 利用CG放大器已有公式 19 差分对的小信号特性 3 VX VY Vin1 Vin gmRD Vin 因电路对称 故除了极性相反外 Vin2在X和Y点产生的作用和Vin1效果一样 VX VY Vin2 Vin gmRD Vin Vin1和Vin2共同作用时 VX VY 的增益为 20
9、 差分对增益与CS放大器增益的比较 如果差分对的尾电流ISS与CS放大器的静态工作电流相同 则差分对管的跨导gm只有CS放大器中MOS管跨导的1 21 2 即差分对的增益只有CS放大器的1 21 2 如果两种放大器中MOS管的 W L 和负载RD均相同 为了得到相同的增益 若CS放大器中静态工作电流为ISS 则差分对中的尾电流必须等于2ISS 由此可见 差分对是以更大的功耗来获取抗干扰能力 更好的线性 然而 若不使用差分对 即使将CS放大器功耗增加一倍 也不可能获得与差分对相同的特性 21 差动对的 虚地 概念 在上图所示的对称电路中 其中D1和D2表示任何三端有源器件 假定Vin1从V0变化
10、到V0 Vin 假定Vin2从V0变化到V0 Vin 如果电路仍保持线性 则VP值不变 由上可知 差分对在差模小信号作用下 因VP值不变 故P点成为 虚地 点 即差模小信号等效电路中P点可看成 交流地 22 虚地 的应用 差分对的半边电路 P点小信号时看成 交流地 显然 VX gmRDVin1 VY gmRD Vin1 gmRD1Vin1 23 任意输入信号的差分对 采用叠加定理 差模响应 共模响应 24 运放差模 共模 信号 差模 共模 增益的关系 对于任意的输入信号Vin Vin 均可写作 根据线性系统的叠加定理 运放总的输出电压V0即是图 A B 两个输出的叠加 即 V0 V01 V02
11、 图 A 图 B 25 基本差分放大器的共模响应 共模响应时 VX VY 即X和Y始终短接 M1和M2的跨导并联 26 例4 6共模输入电压变化带来的影响 左图中用一个电阻来提供1mA的尾电流 已知 W L 25 0 5 nCOX 50 A V2 VT 0 6V 0 VDD 3V 求 如果RSS上的压降保持在0 5V 则输入共模电平 计算差模增益等于5时的RD 3 如果输入共模电平比 1 计算出的值大200mV 则输出如何变化 因ID1 ID2 0 5mA 故 VinCM VGS1 VRSS 1 23 0 5 1 73V 因 所以AV 5时 RD 3 16K 此时 当VinCM增加200mV
12、则 VX Y VinCMRD 2RSS 1 gm 0 4V VX VY 3 0 5 3 16 1 42V 此时 Vd 1 42 0 4 1 02V Vg 1 73 0 2 1 98V M1 2 已进入线性区 27 基本差动对电阻失配对共模响应的影响 因电阻失配 共模电压的变化在输出端产生了一个差动成分 我们说电路表现出共模到差模的变换 此时若输入既有差模信号又有共模噪声 则输入共模的变化就会损害放大的差模信号 28 尾电容有限时基本差分对的共模响应 差动对的共模相应取决于尾电流的输出阻抗和电路的不对称性 并表现为两方面的影响 对称电路的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
13、来源于尾电流自身的寄生电容和输入对管的源衬电容 即使尾电流低频时输出阻抗很大 高频时因频率的增加导致等效输出阻抗减小 因此共模到差模的转换在高频时会变得严重 同时负载电阻及输入晶体管的失配也会导致共模到差模的转换 其中晶体管的失配通常比负载电阻的失配影响大得多 29 基本差分对输入对管失配时的共模响应 gm1 gm2 VinCM VP RSS VP 等效跨导Gm 共模到差模的转换量 30 基本差分对的共模抑制比CMRR 若只考虑gm的不匹配 左图中 假定Vin1 Vin2 则有 上式中 gm gm1 gm2 2 31 MOS负载的差分放大器 半电路 半电路 32 MOS负载的差分放大器 33 MOS负载的差分放大器 输出共模电平不能 目测 需共模反馈电路稳定共模输出电压 34 本章基本要求 理解并掌握差分放大器为什么具有优越的抗干扰能力 较好线性的原因 理解并掌握什么是差分放大器的差模响应和共模响应 会求共模输入电压范围 会画大信号的转移特性 理解并掌握共模抑制比CMRR的意义 会利用差分对的半电路概念求差分对的差模增益 35 36 作业 4 1 4 4 4 8 4 16
