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《模拟CMOS集成电路设计第四章差分放大器课件.ppt》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在教育资源-天天文库。
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V01V02V01-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
2、声因极性相反而相互抵消差动工作还有什么优点?3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(差分对可以直接耦和)、输出线性度更高。4.缺点是芯片面积和功耗略有增加,但绝对物有所值!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
3、着共模电平VinCM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
4、大△Vin6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)。它们与共模输人电平无关。2.小信号增益当Vin1=Vin2时达到最大,且随着
5、Vin1-Vin2
6、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VinCMmin为保证M1和M2饱和,VinCMmin=?,VinCMmax=?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
7、入范围(M3饱和要求)(M1饱和要求)ISS9差动对小信号差动增益与共模输入电平的关系VinCMmaxVinCMmin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XYM1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(即AV=92dB),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
8、号输入范围仅为:±25mV/100=250μV。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==μnCOX(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+ID2=ISS12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/22.△ID只有在△Vin很小时,才与△Vin近视成正比,即:13基本差分对的定量分析(3)为求得最大差模输入电压
9、，假定△Vinmax时，M1上通过的电流恰好为ISS，M2刚好截至，即VGS2=VTN，此时有：同理，M1恰好截至，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
10、益AV为：15最大输入差模电压△VID与过驱动电压Von的关系∵右式表明若增加△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
