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1、2024/9/101学习(xux)内容分析基本差分对的大信号特性和小信号特性;引入共模抑制的概念,介绍差分对的共模特性;二极管负载的差分对,电流(dinli)源负载的差分对以及以cascode为负载的差分对,以电流(dinli)镜为负载的差分对的学习放在第五章.Gilbert cell(吉尔伯特单元)第1页/共53页第一页，共54页。2024/9/1024.1 single ended and differential operation1)单端信号:是指相对于某一固定电平(通常是电源电位VDD或者(huzh)地电位VSS)的信号.2)双端信号:由两个单端信号构成,但这两个单端信号包含了一个差
2、动信号和一个共模信号的信息.差动信号:两个单端电位之差,且这两个单端电位相对于某一固定电位来说具有大小相等、极性相反的特性.这个固定电位就叫做共模信号.第2页/共53页第二页，共54页。2024/9/103第3页/共53页第三页，共54页。2024/9/104VoutVin1Vin2+_GND(a)VoutVin1Vin2+_GND_+_Vid/2VicVid/2(b)由(a)和(b)可以得到(d do)Vid、Vic与Vin1、Vin2的关系:Vin1=Vic+Vid/2Vid=Vin1-Vin2Vin2=Vic-Vid/2Vic=(Vin1+Vin2)/2或者(huzh)在这个原则(yun
3、z)下,我们引入Vid和Vic两个电平.如下图:第4页/共53页第四页，共54页。2024/9/105(3) (3) 为什么要使用(shyng)(shyng)差分信号的放大器? ?.差分信号与单端信号相比, ,一个很重要的优势在于(ziy)(ziy)它对于环境噪声有更强的抗干扰能力, ,例如: :第5页/共53页第五页，共54页。2024/9/106S1S2clockS1-S2差分信号传输 信号线用差分形式传输，可消除(xioch)干扰：第6页/共53页第六页，共54页。2024/9/107M1L1L2L3时钟用差分(ch fn)形式传输,可消除干扰:时钟差分(ch fn)传输 第7页/共53
4、页第七页，共54页。2024/9/108.对电源电压波动产生(chnshng)(chnshng)的噪声电平也有很强的抑制作用. .差分信号最大的优势是极大地增加了可得到(d do)(d do)的电压摆幅, ,且双端输出摆幅是单端输出的2 2倍. .第8页/共53页第八页，共54页。2024/9/1094.2 基本(jbn)的差分对1)差模特性的大信号(xnho)分析( )因为(yn wi)(3)如果 足够小,(2)如果 足够大,(1)4.2.1 定性的分析(直流大信号分析)因此得到差模情况下的传输曲线：M1M2Vin1Vin2Vout1Vout2RD1RD2VDDISSxy第9页/共53页第九
5、页，共54页。2024/9/1010第10页/共53页第十页，共54页。2024/9/1011第11页/共53页第十一页，共54页。2024/9/1012第12页/共53页第十二页，共54页。2024/9/1013第13页/共53页第十三页，共54页。2024/9/10142) 共模特性的大信号(xnho)分析Vin1、Vin2相对的共模电平的选择是相当重要的,应该选择多大的共模电平呢?这时我们需要考虑(kol)具体的电路.因为恒流源上的压降影响了共模电平的大小.(如下图:由M3构成的恒流源)(1)(2)到饱和(boh)区,恒流源开始工作,这时有, M3由深三极管区进入第14页/共53页第十四
6、页，共54页。2024/9/1015(3)M1、M2脱离饱和区,不处于放大(fngd)区域了.因此(ync),输入的共模电平的范围为:因此得到共模(n m)情况下的传输曲线：第15页/共53页第十五页，共54页。2024/9/1016第16页/共53页第十六页，共54页。2024/9/1017第17页/共53页第十七页，共54页。2024/9/1018第18页/共53页第十八页，共54页。2024/9/10193) 差模+共模特性的大信号(xnho)分析(1) 共模电平不能选的太低共模电平不能选的太低,一定要使一定要使M3处于饱和区处于饱和区,提供恒定电流提供恒定电流,否则否则(fuz)电路的
7、放大将失真电路的放大将失真.(2)(2)共模电平也不能选的太高共模电平也不能选的太高,容易使容易使M1(M2)脱离饱和脱离饱和,不在正常的放大范围不在正常的放大范围.(3)因此共模信号的选择非常重要因此共模信号的选择非常重要,从输出端来看从输出端来看,输出电压范围为输出电压范围为如果(rgu)共模电平选的太高,输出摆幅将会减小.第19页/共53页第十九页，共54页。2024/9/1020交流小信号(xnho)分析4.2.2 定量分析(dnglingfnx)(1)由电流电压方程导出小信号(xnho)跨导及增益差分放大器的三个器件都工作在放大区,我们找出这个放大器的等效跨导 .的定义如下:第20页
8、/共53页第二十页，共54页。2024/9/1021因为(yn wi):,令因此(ync):两边(lingbin)平方，且 ，于是得到第21页/共53页第二十一页，共54页。2024/9/1022因为(yn wi):，对上式两边(lingbin)再平方(4.1)若要求(yoqi):只要满足:或者问：后面这种情况是否可能发生？为什么？第22页/共53页第二十二页，共54页。2024/9/1023讨论(toln):(1)当时,又因为(yn wi):所以(suy),这个增益和时的单管增益值是一样的.(4.2)(4.3)由(4.1)式得到:第23页/共53页第二十三页，共54页。2024/9/1024
9、于是，我们可以得到(d do)漏极电流和总跨导随输入电压变化的曲线如图所示：问:为什么 时,?(2)时，第24页/共53页第二十四页，共54页。2024/9/1025(2) 叠加法分析小信号(xnho)特性叠加法的思想:分别令 和 ,求得 在 和 的响应(xingyng),然后再将两个响应(xingyng)叠加.a. 当 时,研究(ynji) 在 , 两端的响应.(考虑RD1=RD2=RD)第25页/共53页第二十五页，共54页。2024/9/1026(1)先求 在Vout1的响应,将M2看作(kn zu)是M1的等效Rs.其中(qzhng),因为带源极负反馈电阻(dinz)的共源放大器的增益
10、为:因此上图中Vx相对于Vin1的增益为:(4.4)第26页/共53页第二十六页，共54页。2024/9/1027(2) 接着我们求Vin1在Vout2的响应(xingyng),用戴维南定理作出M1的等效电路,如下图其中(qzhng),这时M2为信号源为Vin1,信号源内阻(ni z)为RT的CG放大器,它的增益为:(4.5)第27页/共53页第二十七页，共54页。2024/9/1028由(4.4)和(4.5)可知(k zh)b.那么(n me)当 ,Vin2在Vx和Vy端的响应是多少呢?思路一:按前面的过程来推导(tudo);思路二:因为Vin2在Vx及Vy端的响应与Vin1符号相反,所以(
11、4.6)(4.7)第28页/共53页第二十八页，共54页。2024/9/1029则Vin1、Vin2两个信号源对(Vx-Vy)的响应,用叠加原理可以(ky)得到:若,则所以(suy)有:第29页/共53页第二十九页，共54页。2024/9/1030(3)半边电路(dinl)法分析小信号特性如果一个(y )完全对称的差动电路中,两个输入相对于平衡值的变化大小相等,方向相反,则可以用半边电路的概念.辅助定理:假设Vin1从V0变化 ， Vin1从V0变化到 如果电路(dinl)仍保持线性，则VP值不变。 第30页/共53页第三十页，共54页。2024/9/1031第31页/共53页第三十一页，共5
12、4页。2024/9/10324.3 共模(n m)响应共模响应是指差分输入端共模信号在输出端的响应.理想情况下,输出端不受共模输入变化的影响(包括直流电平波动、耦合到输出口的电源噪声等).而在实际的差分电路中,由于有限恒流源的输出电阻、电路中器件不对称等原因,输出端的直流电平会产生(chnshng)波动,并且有有害的差分信号产生(chnshng).因此,共模响应主要研究由于恒流源的有限输出电阻、电路元件不对称等原因在输出端造成的影响.第32页/共53页第三十二页，共54页。2024/9/1033(1) 有限(yuxin)恒流源输出电阻引起的共模响应 令尾电流源有一个等效电阻(dinz)RSS,
13、则当差分电路理想对称时,可等效于下边的电路:第33页/共53页第三十三页，共54页。2024/9/1034这种情况(qngkung)下, 会随 产生共模漂移,要使 不随 产生共模漂移,应使 .于是(ysh)有 有限RSS对电路的影响主要(zhyo)体现在输出直流电平的变化上,这种变化有时会破坏放大器的正常的工作偏置状态,或影响差模输出电压摆幅.第34页/共53页第三十四页，共54页。2024/9/1035单输出(shch)端对 的响应如下:当 和 相差(xin ch) 时, 且尾电流源的输出阻抗有限时，输入共模电平的变化对输出有什么影响呢？ (2) 负载(fzi)不对称引起的共模响应第35页/
14、共53页第三十五页，共54页。2024/9/1036可见，当 和 相差 时, 和 除了有公共的漂移部分 外,还出现(chxin)了差模信号 ,并有即将(jjing)输入共模信号转换成了差模信号.第36页/共53页第三十六页，共54页。2024/9/1037从实际输入输出(shch)电压情况来看：共模电平的波动在输出(shch)端产生了有害的差分信号，这会干扰正常的差分输出(shch)电平。第37页/共53页第三十七页，共54页。2024/9/1038下面计算(j sun)输入共模信号 对 X点和 Y点输出的影响：(3)器件(qjin)不对称引起的共模响应因为(yn wi):第38页/共53页第
15、三十八页，共54页。2024/9/1039所以(suy):即从而每端的输出(shch)电压为:第39页/共53页第三十九页，共54页。2024/9/1040因而输出端的(dund)差动分量可由下式得到:所以相当于共模(n m)转化为差模的增益为:第40页/共53页第四十页，共54页。2024/9/1041(4)共模(n m)抑制比 即差模增益与共模-差模增益之比,与过去差模增益与共模增益之比不同(b tn).CMRR越大,电路性能越好.a)在差分放大器中,器件(qjin)的非对称性是产生不应有的差分输出的根本原因.尾电流输出电阻的大小也影响这种响应.讨论:第41页/共53页第四十一页，共54页
16、。2024/9/1042c)按照此处CMRR的定义,它的计算很复杂,因为涉及到多方面不对称的影响,尤其(yuq)是在gm1和gm2不相等时,是需要通过复杂的叠加原理来计算的.b)尾电流(dinli)输出电阻对共模抑制及减小共模/差模转换都很重要.一般来说,RSS由恒流源取代.即使是理想恒流源,在高频工作时,由于与RSS并联的电容产生的作用,RSS会失去作用.练习:求电流(dinli)源内阻为 ,且 时,差动放大器的CMRR.第42页/共53页第四十二页，共54页。2024/9/10434.4 MOS为负载(fzi)的差动对(1)以以MOS二极管为负载的简单二极管为负载的简单(jindn)差分放
17、大器和以恒流源为负载的简单差分放大器和以恒流源为负载的简单(jindn)差分放大器差分放大器.VinM1M2M3M4xyVoutVDDISS二极管负载VinM1M2M3M4xyVoutVDDISSVb恒流源负载第43页/共53页第四十三页，共54页。2024/9/1044(2) 二极管连接(linji)的MOS负载并联恒流源连接(linji)的MOS负载的简单差分放大器可以提高增益:思考：对于给定的 这个放大器的增益较原来没有连接恒流源器件的差分放大器的增益提高了多少呢？器件尺寸一定的情况(qngkung)下，小信号增益又提高了多少呢？第44页/共53页第四十四页，共54页。2024/9/10
18、45(3) 以级联结构作为(zuwi)负载的差分放大器Vb1Vb2Vb3VoutVinISSM1M3M6M5M8M7M2M4VDDM1M3M5M7VoutVb3Vb2Vb1VinVDD半边电路(dinl)的分析方法:从输出端向下看到的输出阻抗是:从输出(shch)端向上看到的输出(shch)阻抗是:因此这个放大器的增益为:第45页/共53页第四十五页，共54页。2024/9/10464.5 吉尔伯特单元(dnyun)从前面对差分放大器的分析,差分放大器主要体现三个重要的功能:就小信号增益而言,电路的小信号增益是尾电流的函数，可以通过改变偏置电流来调节增益的大小.就大信号特点而言,输入信号可以操
19、控(co kn)尾电流在不同支路的流动.通过不同的连接,可以得到正的增益和负的增益,即容易获得两相位互补的输出信号.第46页/共53页第四十六页，共54页。2024/9/1047根据上述第（1）和第（3）点的功能，我们(w men)可以得到VGA（variable gain Amplifier),如下图（a）所示。也可以得到(d do)正增益和负增益的VGA，如上图（b）所示。第47页/共53页第四十七页，共54页。2024/9/1048如果将正负增益结合在一起并通过 和 来选择正负增益和调节增益的大小，则可通过下面(xi mian)的电路来实现：第48页/共53页第四十八页，共54页。202
20、4/9/1049所以,该电路的电压(diny)增益：式中 代表M1、M2差分(ch fn)放大器（反向输出）的等效跨导. 代表M3、M4差分(ch fn)放大器（同向输出）的等效跨导.由上图知道(zh do)：第49页/共53页第四十九页，共54页。2024/9/1050要使 反方向变化,以保证(bozhng)放大器的增益单调变化,怎么样实现了?下面的两个图是等效的：Gilbert 单元的电压(diny)增益为第50页/共53页第五十页，共54页。2024/9/1051对于Gilbert cell 来说，有控制输入的信号源Vcont，也有信号输入源Vin ,Vcont用来控制增益的正负和增益的
21、大小。实际应用中，Vcont和Vin输入端可以(ky)互换。Gilbert cell 在信号处理中有重要的用途。如信号调制、鉴相、压控衰减器、倍频、分频器等。当或时,当当第51页/共53页第五十一页，共54页。2024/9/1052作业(zuy)4.4 4.94.11 4.144.25第52页/共53页第五十二页，共54页。2024/9/10chapter 4 差动放大器53感谢您的欣赏(xnshng)！第53页/共53页第五十三页，共54页。内容(nirng)总结2021/11/10。分析基本差分对的大信号特性和小信号特性。且双端输出摆幅是单端输出的2倍.。4.2.1 定性(dng xng)的分析(直流大信号分析)。即将输入共模信号转换成了差模信号.。所以相当于共模转化为差模的增益为:。就大信号特点而言,输入信号可以操控尾电流在不同支路的流动.。根据上述第（1）和第（3）点的功能，我们可以得到VGA（variable gain Amplifier),如下图（a）所示。第52页/共53页第五十四页，共54页。
