【模拟CMOS集成电路设计】第四章差动放大器

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【模拟CMOS集成电路设计】第四章差动放大器

2024-06-14 16:22| 来源: 网络整理| 查看: 265

4.1 单端与差动的工作方式

4.2 基本差动对

4.2.1 定性分析

4.2.2 定量分析

4.2.3 带源极负反馈的差动对

4.3 共模响应

4.4 MOS为负载的差动对

4.5 吉尔伯特单元

4.1 单端与差动的工作方式

1，差动的优点：

（1）抑制了共模噪声

（2）抑制了共模interference

（3）增大了输出摆幅

（4）消除了偶次谐波

2，差动的缺点：

（1）面积功耗增大为单端的2倍

（2）增大了噪声的贡献（两mos的不相干噪声）

4.2 基本差动对

4.2.1 定性分析

输入共模范围：

$V_{GS1}+(V_{GS3}-V_{TH3})\leqslant V_{in,CM}\leqslant min[V_{DD}-R_{D}\frac{I_{SS}}{2}+V_{TH},V_{DD}]$

左半部分是为了使得电流源饱和，右半部分是为了防止M1，M2进入线性区。如图：

4.2.2 定量分析

（1）跨导计算

不考虑差动时或差动小信号时：

（2）如上图（b），当 $\Delta V_{in}=0$ 时，通过M1和M2的电流均为 $\frac{I_{SS}}{2}$ ，此时过驱动电压为

$\sqrt{\frac{I_{SS}}{\mu _{n}C_{OX}\frac{W}{L}}}$ ，图（b）中 $\Delta V_{in1}$ 时，通过M1的电流为 $I_{SS}$ , 通过M2的电流为0，此时过驱动电压

为 $\sqrt{\frac{2I_{SS}}{\mu _{n}C_{OX}\frac{W}{L}}}$ . 后者为前者过驱动电压的 $\sqrt{2}$ 倍，电压的变化与电流的变化是非线性的，这也正好验证了 $V_{P}$ 点电压2倍频的变化。

（3）由（1）中增益公式可以看出，增大 $\frac{W}{L}$ 和 $I_{SS}$ 可以增大增益；增大 $I_{SS}$ 还使输入差模范围增大。同样地，会带来其他负面影响，增大 $\frac{W}{L}$ 会使得输入差模范围减小；增大 $I_{SS}$ 会增大功耗。如图：

（4）小信号分析

叠加原理：

半边等效：（略）

4.2.3 带源极负反馈的差动对

可以提高线性度。使得输入差模的变化范围增加了 $+R_{SS}I_{SS}$ 和 $-R_{SS}I_{SS}$ 。

优点：（1）提高了线性度（2）增大了输入范围 $V_{in,max}=\sqrt{2}V_{od}+V_{TH}+R_{SS}I_{SS}$ (Vod为共模平衡时的过驱动电压)

缺点：电阻吃掉了部分压降，输出范围减小。（消耗电压余度）

改进后

优点： $R_{S}$ 只对AC有作用，输出范围增大。

缺点： $I_{SS}$ 的不相关噪声。（不理解，）

4.3 共模响应

（1）理想情况下， $V_{out,CM}=V_{DD}-\frac{1}{2}I_{SS}R_{D}$

（2）电流源阻抗有限 $R_{SS}$

电路等效为：

共模增益： $A_{V,CM}=\frac{\frac{R_{D}}{2}}{\frac{1}{2g_{m}}+R_{SS}}=\frac{g_{m}R_{D}}{1+2g_{m}R_{SS}}$

现象解释：电流源输出电流不再恒定。电流会随输入共模的变化而变化。

影响：（1）工作点不固定（2）输出摆幅下降

（3）负载电阻不匹配， $\Delta R$ 的影响（Rss有限的情况下）

由于电流会随输入共模的变化而变化，且左右分支均分总电流，由于电阻不匹配，导致两侧输出不一致；此处有一个疑点，若电流源电流不随共模的变化而变化，由于电阻负载不匹配，还是会有差模输出。但此时的差模输出是 $\frac{I_{SS}}{2}\Delta R_{D}$ ，这个值是绝对恒定的，与共模和差模的输入无关，因此不构成大的影响（可以消除）。而当Rss有限时，这个差模输出就与共模有关了，影响较大。然而，实际情况下，第一种情况并不存在。