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1、CMOSCMOS模拟集成电路设计模拟集成电路设计- -ch4ch4差分放大器差分放大器4.1 单端与差动的工作方式单端与差动的工作方式n n差动信号差动信号差动信号差动信号 定义为定义为定义为定义为两个结点电位之差两个结点电位之差两个结点电位之差两个结点电位之差，且这两个结点的电位，且这两个结点的电位，且这两个结点的电位，且这两个结点的电位相对于相对于相对于相对于某一固定电位（某一固定电位（某一固定电位（某一固定电位（“ “共模共模共模共模” ”CMCM电平电平电平电平）大小相等，极性相反大小相等，极性相反大小相等，极性相反大小相等，极性相反，结点的阻抗也必须相等。结点的阻抗也必须相等。结点的
2、阻抗也必须相等。结点的阻抗也必须相等。单端信号单端信号单端信号单端信号的参考电位为某的参考电位为某的参考电位为某的参考电位为某一固定电位一固定电位一固定电位一固定电位( (通常为地电位通常为地电位通常为地电位通常为地电位) ) 差动信号差动信号差动信号差动信号2耦合使信号损坏耦合使信号损坏耦合使信号损坏耦合使信号损坏差动对耦合噪差动对耦合噪差动对耦合噪差动对耦合噪声的抑制声的抑制声的抑制声的抑制3差动工作的抗干扰能力差动工作的抗干扰能力电源线上的干扰会影响共模电平，但不影响差分输出电源线上的干扰会影响共模电平，但不影响差分输出电源线上的干扰会影响共模电平，但不影响差分输出电源线上的干扰会影响共
3、模电平，但不影响差分输出V VOUTOUT=V=VX X-V-VY Y4 有效抑制共模噪声有效抑制共模噪声有效抑制共模噪声有效抑制共模噪声 增大了可得到的电压摆增大了可得到的电压摆增大了可得到的电压摆增大了可得到的电压摆幅幅幅幅( ( ( (单端输出的两倍单端输出的两倍单端输出的两倍单端输出的两倍) ) ) ) 偏置电路相对简单偏置电路相对简单偏置电路相对简单偏置电路相对简单 线性度相对高线性度相对高线性度相对高线性度相对高 和单端电路相比，差分电路规模加倍和单端电路相比，差分电路规模加倍和单端电路相比，差分电路规模加倍和单端电路相比，差分电路规模加倍 差动工作方式特点差动工作方式特点54.2
4、 基本差动对基本差动对n n定性分析定性分析定性分析定性分析n n差模大信号特性差模大信号特性差模大信号特性差模大信号特性（V Vin1in1-V-Vin2in2 从从从从- - 变化到变化到变化到变化到+ + ）Vin1比比Vin2更负，更负，M1截止，截止，M2导通，导通，ID2=ISS，因此，因此Vout1=VDD, Vout2=VDD-RDISS当当Vin1比比Vin2更正时，差动对两侧情况正更正时，差动对两侧情况正好与上述情况相反。好与上述情况相反。Vin1逐渐增大，逐渐增大，M1开始导通，开始导通，ID1增大，增大，Vout1减小；由于减小；由于ID1+ID2=ISS，ID2减小，
5、减小，Vout2增大；增大；当当Vin1=Vin2 时，时，Vout1=Vout2=VDD-RDISS/26V Vin1in1=V=Vin2in2（即平衡状态）附近，增益最大，（即平衡状态）附近，增益最大，（即平衡状态）附近，增益最大，（即平衡状态）附近，增益最大，线性度好线性度好线性度好线性度好输出端的最大电平和最小电平分别是输出端的最大电平和最小电平分别是输出端的最大电平和最小电平分别是输出端的最大电平和最小电平分别是V VDDDD和和和和V VDDDD-R-RD DI ISSSS，与输入共模电平无关与输入共模电平无关与输入共模电平无关与输入共模电平无关两个特点：两个特点：两个特点：两个特
6、点：7n n共模大信号特性共模大信号特性共模大信号特性共模大信号特性 （ V Vin, CMin, CM从从从从0 0变化到变化到变化到变化到V VDDDD）n n当当当当V Vin, CMin, CM0 0时，时，时，时，I ID1D1=I=ID2D2=I=ID3D3=0=0， M M1 1、MM2 2截截截截止止止止， MM3 3处于三极管区处于三极管区处于三极管区处于三极管区n n当当当当V Vin, CMin, CM足够大时足够大时足够大时足够大时V Vin, CMin, CM V VGS1GS1+(V+(VGS3GS3- -V VTH3TH3) )， M M1 1、MM2 2、 MM
7、3 3都进入饱和区，电路处都进入饱和区，电路处都进入饱和区，电路处都进入饱和区，电路处于正常工作状态于正常工作状态于正常工作状态于正常工作状态n nV Vin, CMin, CM进一步增加进一步增加进一步增加进一步增加V Vin, CMin, CMVVout1out1+V+VTHTH， MM1 1和和和和MM2 2进入三极管区进入三极管区进入三极管区进入三极管区输出摆幅输出摆幅输出摆幅输出摆幅：V VDDDD V Voutout 所以共模电平一般选在所以共模电平一般选在所以共模电平一般选在所以共模电平一般选在右侧附近右侧附近右侧附近右侧附近 因此，因此，因此，因此， V Vin, CMin,
8、CM允许的范围允许的范围允许的范围允许的范围输入共模范围输入共模范围输入共模范围输入共模范围（input common mode range, input common mode range, ICMRICMR) )是：是：是：是：只要在只要在ICMR范围内范围内n n定量分析定量分析定量分析定量分析n n大信号分析（略）大信号分析（略）大信号分析（略）大信号分析（略）n n小信号分析小信号分析小信号分析小信号分析n n方法一（叠加法）（略）方法一（叠加法）（略）方法一（叠加法）（略）方法一（叠加法）（略）R Rs s1/g1/gm2m210n n方法二方法二方法二方法二（半边电路法半边电路法
9、半边电路法半边电路法）辅助定理：辅助定理：辅助定理：辅助定理： 考虑图中所示的考虑图中所示的考虑图中所示的考虑图中所示的对称电路对称电路对称电路对称电路，其中，其中，其中，其中D1D1和和和和D2D2代表任何代表任何代表任何代表任何三端有源器件。假设三端有源器件。假设三端有源器件。假设三端有源器件。假设V Vin1in1从从从从V V0 0变化到变化到变化到变化到V V0 0+ V+ Vinin， V Vin2in2从从从从V V0 0变化到变化到变化到变化到V V0 0-V-Vinin，那么，如果电路仍保持线性，那么，如果电路仍保持线性，那么，如果电路仍保持线性，那么，如果电路仍保持线性，则
10、则则则V Vp p值保持不变。假定值保持不变。假定值保持不变。假定值保持不变。假定 0 0。辅助定理说明了辅助定理说明了辅助定理说明了辅助定理说明了P P点可以认为是点可以认为是点可以认为是点可以认为是“ “交流地交流地交流地交流地” ” 利用利用利用利用P P点交流地的特点，电路可等效为两个独立的部点交流地的特点，电路可等效为两个独立的部点交流地的特点，电路可等效为两个独立的部点交流地的特点，电路可等效为两个独立的部分，即分，即分，即分，即“ “半边电路半边电路半边电路半边电路” ”概念。概念。概念。概念。12如果差动对的输入信号不是全差动的，如果差动对的输入信号不是全差动的，如果差动对的输
11、入信号不是全差动的，如果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可以将此任意信号表示为可以将此任意信号表示为可以将此任意信号表示为差模分量差模分量差模分量差模分量和和和和共模分量共模分量共模分量共模分量。13非理想性包括：非理想性包括：尾电流源尾电流源ISS的内阻的内阻RSS不是无穷大不是无穷大RD1和和RD2之间有失配之间有失配 M1和和M2之间有失配（之间有失配（W/L、VTH等）等）4.3 共模响应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零；但是实际上有以下一些非理想的因素的共模增益为零；但是实际上有
12、以下一些非理想的因素小信号共模特性小信号共模特性小信号共模特性小信号共模特性R RSSSS对共模响应的影响对共模响应的影响对共模响应的影响对共模响应的影响V VP P随随随随V Vin,CMin,CM的变化而变化，的变化而变化，的变化而变化，的变化而变化，若若若若RssRss为有限大小，则为有限大小，则为有限大小，则为有限大小，则尾电流随尾电流随尾电流随尾电流随V VP P增加而增加增加而增加增加而增加增加而增加， V Vout1out1和和和和V Vout2out2会随之减小。会随之减小。会随之减小。会随之减小。但如果电路完全对称，但如果电路完全对称，但如果电路完全对称，但如果电路完全对称，
13、V Vout1out1和和和和V Vout2out2仍然相等，不仍然相等，不仍然相等，不仍然相等，不会引入差分增益会引入差分增益会引入差分增益会引入差分增益共模增益为：共模增益为：共模增益为：共模增益为：小信号共模特性小信号共模特性小信号共模特性小信号共模特性R RD D失配对共模响应的影响失配对共模响应的影响失配对共模响应的影响失配对共模响应的影响失配会引入差分增益失配会引入差分增益失配会引入差分增益失配会引入差分增益小信号共模特性小信号共模特性小信号共模特性小信号共模特性输入管失配对共模响应的影响输入管失配对共模响应的影响输入管失配对共模响应的影响输入管失配对共模响应的影响从前面的分析可以
14、看出，要获得好的共模抑制效果，从前面的分析可以看出，要获得好的共模抑制效果，从前面的分析可以看出，要获得好的共模抑制效果，从前面的分析可以看出，要获得好的共模抑制效果，主要要做到两个方面：主要要做到两个方面：主要要做到两个方面：主要要做到两个方面：良好的匹配和大的良好的匹配和大的良好的匹配和大的良好的匹配和大的RssRss共模抑制比共模抑制比用来用来CMRR来综合反映差分放大能力和共模抑制能力来综合反映差分放大能力和共模抑制能力当信号频率增大时，寄生电当信号频率增大时，寄生电当信号频率增大时，寄生电当信号频率增大时，寄生电容容容容C1C1的存在使等效的的存在使等效的的存在使等效的的存在使等效的
15、RssRss减减减减小，小，小，小，CMRRCMRR下降。下降。下降。下降。184.4 MOS为负载的差动对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或者电流源作负载或者电流源作负载n n二极管连接的二极管连接的二极管连接的二极管连接的MOSMOS作负载作负载作负载作负载19n n电流源负载的差动对电流源负载的差动对电流源负载的差动对电流源负载的差动对20n n共源共栅级差动对共源共栅级差动对共源共栅级差动对共源共栅级差动对21练练 习习 1练练 习习 22425练练 习习 3结束结束
