差分放大器知識講座(編輯修改稿)

　

【文章內容簡介】 S+Vo 2Vi 2M2VD DR2Vo 1M1R1RS+Vo 2Vi 2M2RSVD DR2 基本差分對 差分對的差分工作 ? 等效電路中忽略了溝道調制效應與體效應，其等效電阻RS=1/gm1，并且有： ? 求 Vo1：由上圖可以發現 M2是以源級 跟隨方式驅動 M1的，并且其信號輸入 到 M1的源極，由第三章可知，該電路 是以 M1為放大管的共柵放大電路，其 輸入信號就是由 Vi2引起的 M2的漏極 電流信號，可以畫出其等效電路如右圖所示。 ViVD DRiVo1M2R2+ 112122mmioggRVV??? 基本差分對 差分對的差分工作 ? 上圖中等效電壓 Vi=Vi2，電阻 Ri=1/ gm1，則有： ? 所以當輸入為 Vi2時的雙端輸出的電壓增益為： ? 且有 gm1= gm2= gm，代入上式有： ? 根據對稱性要求， Vi1對輸出電壓的影響與 Vi2對輸出的影響相同，但要注意其極性發生了改變： 122111mmioggRVV??21221112mmioovggRVVVA???? RgA mv ? 121 RgVVVAmioov ???? 基本差分對 差分對的差分工作 ? 由以上分析可知：在理想差分對電路中，單端輸入雙端輸出時，差分電路的電壓增益與雙端輸入（輸入差分信號大小與單端輸入信號相等）雙端輸出的電壓增益相同。 ? 通過以上方法可以求得雙端輸入雙端輸出的差分對的電壓增益，即認為 Vi1與 Vi2為兩個獨立信號源單獨驅動差分對，然后用疊加法將兩個結果相加即可，即有： ? 上式的結果與采用半邊電路概念求出的雙端輸入雙端輸出的結果一致。 RgVVRVgRVgVVVVVVVVVVVVmiiimimViiooViiooiitotooII??????????????2121為 源2121為 源21212121 )()()(21 基本差分對 差分對的差分工作 4 輸入非全差分信號 ? 在實際集成電路中，差分對的兩個輸入大多情況下不會是全差分輸入，此時電路電壓增益，仍可采用半邊電路的概念來分析計算，如下圖所示。 M1M2++ISVi 1 Vi 22Vi 1+ Vi 22Vi 2 Vi 12+Vi 1M1M2Vi 2++ISVD DVD DR1R1R2R2 基本差分對 差分對的差分工作 ? 假如差分對管的輸入信號分別為 Vi1與 Vi2，因為作為差分放大增益考慮的輸入信號應為 Vi1－ Vi2，因此，可以對兩個輸入信號進行如下改變： ? 所以輸入的差模信號仍為 Vi1－ Vi2， 即差分對的輸入差模信號為 Vid=Vi1－ Vi2，共模信號為 Vic=（ Vi1+Vi2） /2，所以以上兩式可分別改寫成： 2221211 iiiii VVVVV ????2221122 iiiii VVVVV ???? 21 idici VVV ?? 22 idici VV ?? 基本差分對 差分對的差分工作 ? 由以上兩式可以看出，經過以上等效后，該電路仍為一個全差分輸入信號，其兩邊的差分輸入信號為 Vid/2與 － Vid/2。 ? 而對于前圖所示的電路的求解可以采用疊加法進行，即把它等效為如圖所示的差模輸入電路與共模輸入電路的疊加。所以只需采用前面討論的方法對每一類型的輸入求解各自的增益，然后通過疊加法來計算出實際的最終結果。 M1M2ISVi 1+ Vi 22+M1M2++ISVD DVD DR1R1R2R2Vi 1 Vi 22Vi 2 Vi 12 基本差分對 差分對的差分工作 5 失調分析 ? 前面的分析是假設該電路完全對稱，且 IS是一個理想電流源，則當輸入共模信號時可以認為 M1與 M2的漏源電流正好等于 IS/2且與 Vic無關，因此當Vic變化時輸出沒有改變，即該電路對 Vic有抑制作用。 ? 但實際上，電流源的輸出電阻不可能無窮大，并且電路也不可能是完全對稱的，所以存在著失調的現象，下面對此進行分析。 基本差分對 差分對的差分工作 (1) 尾電流源的非理想引起的失調 ? 先假設電路是對稱的，但電流源是非理想的，即電流源的輸出電阻為一有限值，如圖 (a)中的 RS，則當 Vic改變時， VQ的電位也隨之改變，因此 M1與 M2的漏極電流也發生改變，從而改變了輸出電位。 Vi cM1M2RSR RVD DVo 2Vo 1AQVi cM : M1+ M2RSRVD DVo2B 基本差分對 差分對的差分工作 ? 考慮電路是對稱的，則 Vo1與 Vo2仍相等，所以在共模輸入雙端輸出的電壓增益仍為 0，但對于單端輸出卻不為 0，可以把兩個輸出節點短路在一起，而 M1與 M2所有端口都連接在一起，故為并聯管，所以可把該電路等效成如圖(b)所示的電路。注圖中 M的寬為 M1(M2)的兩倍，因此其跨導也為 M1（ M2）的兩倍，忽略溝道調制效應與體效應，則其單端輸出共模增益為： ? 其中 gm指的是 M1( M2)的跨導。 )2(1 2 ,SmicoCMv RgRVVA???? 基本差分對 差分對的差分工作 ? 所以在完全對稱的差分對電路中，當輸入共模電平發生變化時，非理想的尾電流源會引起輸出共模的變化，從而影響小信號增益，并且會影響輸出壓擺。下面考慮在尾電流為非理想電流源情況下的各種失調。 (2) 元器件不對稱引起的失調 ? 主要研究在差分對的尾電流源的輸出電阻為一有限值時元器件的不對稱性對差分放大器性能的影響。元器件的不對稱主要表現在差分放大器的零輸入時輸出不為零以及共模輸入電壓增益不為零，前者用失調表示，后者用共模抑制比表示。 基本差分對 差分對的差分工作 1) 輸入差分對管 M1與 M2的不對稱 ① 差分對管的輸入失調電壓 ? M1與 M2的不對稱體現在：兩管閾值電壓不一致、溝道寬長比不一致等，用輸入失調電壓表示。差分對管輸入失調電壓指：當 M1與 M2的漏極電流 ID1=ID2時，由于 M1與 M2的參數不相等