差分放大器知識(shí)講座(編輯修改稿)
2025-02-05 05:31 本頁(yè)面
【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 S+Vo 2Vi 2M2VD DR2Vo 1M1R1RS+Vo 2Vi 2M2RSVD DR2 基本差分對(duì) 差分對(duì)的差分工作 ? 等效電路中忽略了溝道調(diào)制效應(yīng)與體效應(yīng)，其等效電阻RS=1/gm1，并且有： ? 求 Vo1：由上圖可以發(fā)現(xiàn) M2是以源級(jí) 跟隨方式驅(qū)動(dòng) M1的，并且其信號(hào)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(hào)就是由 Vi2引起的 M2的漏極 電流信號(hào)，可以畫(huà)出其等效電路如右圖所示。 ViVD DRiVo1M2R2+ 112122mmioggRVV??? 基本差分對(duì) 差分對(duì)的差分工作 ? 上圖中等效電壓 Vi=Vi2，電阻 Ri=1/ gm1，則有： ? 所以當(dāng)輸入為 Vi2時(shí)的雙端輸出的電壓增益為： ? 且有 gm1= gm2= gm，代入上式有： ? 根據(jù)對(duì)稱(chēng)性要求， Vi1對(duì)輸出電壓的影響與 Vi2對(duì)輸出的影響相同，但要注意其極性發(fā)生了改變： 122111mmioggRVV??21221112mmioovggRVVVA???? RgA mv ? 121 RgVVVAmioov ???? 基本差分對(duì) 差分對(duì)的差分工作 ? 由以上分析可知：在理想差分對(duì)電路中，單端輸入雙端輸出時(shí)，差分電路的電壓增益與雙端輸入（輸入差分信號(hào)大小與單端輸入信號(hào)相等）雙端輸出的電壓增益相同。 ? 通過(guò)以上方法可以求得雙端輸入雙端輸出的差分對(duì)的電壓增益，即認(rèn)為 Vi1與 Vi2為兩個(gè)獨(dú)立信號(hào)源單獨(dú)驅(qū)動(dòng)差分對(duì)，然后用疊加法將兩個(gè)結(jié)果相加即可，即有： ? 上式的結(jié)果與采用半邊電路概念求出的雙端輸入雙端輸出的結(jié)果一致。 RgVVRVgRVgVVVVVVVVVVVVmiiimimViiooViiooiitotooII??????????????2121為 源2121為 源21212121 )()()(21 基本差分對(duì) 差分對(duì)的差分工作 4 輸入非全差分信號(hào) ? 在實(shí)際集成電路中，差分對(duì)的兩個(gè)輸入大多情況下不會(huì)是全差分輸入，此時(shí)電路電壓增益，仍可采用半邊電路的概念來(lái)分析計(jì)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(duì) 差分對(duì)的差分工作 ? 假如差分對(duì)管的輸入信號(hào)分別為 Vi1與 Vi2，因?yàn)樽鳛椴罘址糯笤鲆婵紤]的輸入信號(hào)應(yīng)為 Vi1－ Vi2，因此，可以對(duì)兩個(gè)輸入信號(hào)進(jìn)行如下改變： ? 所以輸入的差模信號(hào)仍為 Vi1－ Vi2， 即差分對(duì)的輸入差模信號(hào)為 Vid=Vi1－ Vi2，共模信號(hào)為 Vic=（ Vi1+Vi2） /2，所以以上兩式可分別改寫(xiě)成： 2221211 iiiii VVVVV ????2221122 iiiii VVVVV ???? 21 idici VVV ?? 22 idici VV ?? 基本差分對(duì) 差分對(duì)的差分工作 ? 由以上兩式可以看出，經(jīng)過(guò)以上等效后，該電路仍為一個(gè)全差分輸入信號(hào)，其兩邊的差分輸入信號(hào)為 Vid/2與 － Vid/2。 ? 而對(duì)于前圖所示的電路的求解可以采用疊加法進(jìn)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(duì)每一類(lèi)型的輸入求解各自的增益，然后通過(guò)疊加法來(lái)計(jì)算出實(shí)際的最終結(jié)果。 M1M2ISVi 1+ Vi 22+M1M2++ISVD DVD DR1R1R2R2Vi 1 Vi 22Vi 2 Vi 12 基本差分對(duì) 差分對(duì)的差分工作 5 失調(diào)分析 ? 前面的分析是假設(shè)該電路完全對(duì)稱(chēng)，且 IS是一個(gè)理想電流源，則當(dāng)輸入共模信號(hào)時(shí)可以認(rèn)為 M1與 M2的漏源電流正好等于 IS/2且與 Vic無(wú)關(guān)，因此當(dāng)Vic變化時(shí)輸出沒(méi)有改變，即該電路對(duì) Vic有抑制作用。 ? 但實(shí)際上，電流源的輸出電阻不可能無(wú)窮大，并且電路也不可能是完全對(duì)稱(chēng)的，所以存在著失調(diào)的現(xiàn)象，下面對(duì)此進(jìn)行分析。 基本差分對(duì) 差分對(duì)的差分工作 (1) 尾電流源的非理想引起的失調(diào) ? 先假設(shè)電路是對(duì)稱(chēng)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(dāng) Vic改變時(shí)， VQ的電位也隨之改變，因此 M1與 M2的漏極電流也發(fā)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(duì) 差分對(duì)的差分工作 ? 考慮電路是對(duì)稱(chēng)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(duì)于單端輸出卻不為 0，可以把兩個(gè)輸出節(jié)點(diǎn)短路在一起，而 M1與 M2所有端口都連接在一起，故為并聯(lián)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(dǎo)也為 M1（ M2）的兩倍，忽略溝道調(diào)制效應(yīng)與體效應(yīng)，則其單端輸出共模增益為： ? 其中 gm指的是 M1( M2)的跨導(dǎo)。 )2(1 2 ,SmicoCMv RgRVVA???? 基本差分對(duì) 差分對(duì)的差分工作 ? 所以在完全對(duì)稱(chēng)的差分對(duì)電路中，當(dāng)輸入共模電平發(fā)生變化時(shí)，非理想的尾電流源會(huì)引起輸出共模的變化，從而影響小信號(hào)增益，并且會(huì)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(diào)。 (2) 元器件不對(duì)稱(chēng)引起的失調(diào) ? 主要研究在差分對(duì)的尾電流源的輸出電阻為一有限值時(shí)元器件的不對(duì)稱(chēng)性對(duì)差分放大器性能的影響。元器件的不對(duì)稱(chēng)主要表現(xiàn)在差分放大器的零輸入時(shí)輸出不為零以及共模輸入電壓增益不為零，前者用失調(diào)表示，后者用共模抑制比表示。 基本差分對(duì) 差分對(duì)的差分工作 1) 輸入差分對(duì)管 M1與 M2的不對(duì)稱(chēng) ① 差分對(duì)管的輸入失調(diào)電壓 ? M1與 M2的不對(duì)稱(chēng)體現(xiàn)在：兩管閾值電壓不一致、溝道寬長(zhǎng)比不一致等，用輸入失調(diào)電壓表示。差分對(duì)管輸入失調(diào)電壓指：當(dāng) M1與 M2的漏極電流 ID1=ID2時(shí)，由于 M1與 M2的參數(shù)不相等
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