第三讲_差动放大器与电流镜
差动放大电路十电流镜像电路
差动放大电路十电流镜像电路
一种比喻，即将电路上流动的电流做成如镜子里见到的那样相同的值。
然而，在差动放大电路的情况下，两个共发射极电路的发射极紧挨着，并在此连接上恒流源。
因此，两个电路的发射极电流之和为恒定值。
在差动放大电路的负载上连接上电流镜像电路，会使两个电路上流动着相等的电流那样进行工作。
可以认为电流镜像电路是设定值具有恒流源设定值1/2的一种恒流电路。
恒流电路的阻抗在理论上是无限大，所以电流镜像电路加到差动放大电路的集电极上，就如同与接上阻抗为无限大的负载电阻一样，电路的增益变得非常大（所用的晶体管能实现的最大增益）。
关于电流镜像差动放大电路的设计方法，除了电流镜像电路之外，其他部分完全与通常的差动放大电路一样。
由于电流镜像部分也仅仅是增加两个晶体管，所以设计本身是选择晶体管的简单问题。
还有，在镜像电路中，两个晶体管的特性要一致，所以经常使用单片式双晶体管。
但是在通常的电路中，在电流镜像中使用的两个晶体管的VBE的误差
不如发射极电阻压降的误差大，所以没有必要太拘泥于两个晶体管的匹配问题（但是，在制作精密的电流镜像电路时，晶体管的匹配还是重要的）。
还有，如在Tr1，Tr2上的电压，在基极一集电极间只有OV，集电极一发射极间只有0.6V，所以，无论使用哪种晶体管都不产生损坏问题。
在电路中，对于Tr1与Tr2，使用通用的PNP晶体管2SA1048，在电路(b)中使用2SC2458。
关于hFE，无论多大都可以。
但是Tr1与Tr2的hFE档次要一致。
在该电路的下级直接连接其他电路时（不通过电容直接连接），必须注意Tr1。
电流镜负载的差分放大器设计
电流镜负载的差分放大器设计摘要在对单极放大器与差动放大器的电路中，电流源起一个大电阻的作用，但不消耗过多的电压余度。
而且，工作在饱和区的MOS器件可以当作一个电流源。
在模拟电路中，电流源的设计是基于对基准电流的“复制”，前提是已经存在一个精确的电流源可以利用。
但是，这一方法可能引起一个无休止的循环。
一个相对比较复杂的电路被用来产生一个稳定的基准电流，这个基准电流再被复制，从而得到系统中很多电流源。
而电流镜的作用就是精确地复制电流而不受工艺和温度的影响。
在典型的电流镜中差动对的尾电流源通过一个NMOS镜像来偏置，负载电流源通过一个PMOS镜像来偏置。
电流镜中的所有晶体管通常都采用相同的栅长，以减小由于边缘扩散所产生的误差。
而且，短沟器件的阈值电压对沟道长度有一定的依赖性。
因此，电流值之比只能通过调节晶体管的宽度来实现。
而本题就是利用这一原理来实现的。
一、设计目标（题目）3二、相关背景知识41、单个MOSTFET的主要参数包括：4三、设计过程51、电路结构52、主要电路参数的手工推导63、参数验证（手工推导）7四、电路仿真71、NMOS特性仿真及参数推导72、PMOS特性仿真及参数推导103、最小共模输入电压仿真124、电流镜负载的差分放大器特性仿真及参数推导14五、性能指标对比18六、心得18一、设计目标（题目）电流镜负载的差分放大器设计一款差分放大器，要求满足性能指标：● 负载电容pF C L 1=● V VDD 5=● 对管的m 取4的倍数● 低频开环增益>100● GBW(增益带宽积)>30MHz● 输入共模范围>3V● 功耗、面积尽量小参考电路图如下图所示设计步骤：1、仿真单个MOS 的特性，得到某W/L 下的MOS 管的小信号输出电阻和跨导。
2、根据上述仿真得到的器件特性，推导上述电路中的器件参数。
3、手工推导上述尺寸下的差分级放大器的直流工作点、小信号增益、带宽、输入共模范围。
3_第三讲_差动放大器与电流镜
1、附加电流源来提高增益
通过减小P管电流， 来减小gmp，从而 提高增益。
增益提高了5倍 （电流减小5倍， 过驱不变，则宽 长比减小5倍）
2、提高负载阻抗来提高增益
29
共源共栅差 动放大器
采用PMOS共源共栅负载的NMOS共源共栅差动放大器 AV＝－GmRout
共源共栅结构具有高的输出阻抗，可以提高增益，代价是消耗 更多的电压余度，减小输出摆幅。
4
3.1 基本差动对
输出直流电平受输入共模 电平的变化影响较大 由两个cs放大器构 成，分别处理两个 差动信号
偏置电流ID1+ID2＝ISS ，它不依赖于输入共 模电平，输出受输入 共模电平的影响小。
输入共模电平若设定太低 ，会使输出严重失真
简单差动电路
基本差动对
5
1、差模输入输出特性分析
假设Vin1－Vin2从－∞变化到＋∞： 1）当Vin1比Vin2负得多，M1截止，M2 导通，ID2=ISS，Vout1＝VDD，Vout2＝ VDD-RDISS，Vout1-Vout2=RDISS 2）当Vin1比较接近Vin2时，M1逐渐导 通，RD1上有电流ID1，使Vout1下降，而ID2 减小，Vout2上升。 基本差动对
模拟CMOS集成电路设计
Design of Analog CMOS Integrated Circuit
Institute of VLSI Design, Hefei U.of Tech
第三讲 差动放大器与电流镜
1
差动信号定义
为两个节点电位之差，且该两个节点的电位相对于某 一个固定电位大小相等，相位相反。
M1截止， M2导通 M1导通， M1截止
6
3）当Vin1＝Vin2时，ID1=ID2＝ISS/2，Vout1＝Vout2＝VDD-RDISS/2。 称为平衡状态。 4）当Vin1比Vin2更正时，Vin1增加，ID1增加，ID2减小，Vout1下降， Vout2上升。对于足够大的Vin1－Vin2，ISS所有电流都只流经M1管， M2管截止，此时，Vout1＝VDD-RDISS，Vout2＝VDD。
差动放大电路 ppt课件
2. 静态分析
直流通路
RC
IC1 IC2
uo
RC
RB
T1
T2
ui1
IB
IE
RE
+UCC
RB
IB
ui2
IBR B U E 2(E 1 U B)E R E2 U E R E E IC1=
–UEE
IC2=
IC=
IBU EE 2REUCE= UCC+ UEE - IC(RC + 2RE )
25
2
,
输 出 至
下
一
T3
双端输出
级
T4 双端输入
RE2
R3
R2
-UEE 接法类型：单端输入，双端输入。单端输出，双端输出。50
补充：电流源
51
52
53
54
集成电路运算放大器中的电流源
电流源概述
一、电流源电路的特点：这是输出电流恒定的电路。 它具有很高的输出电阻。
1、BJT、FET工作在放大状态时，其输出电流都是具有 恒流特性的受控电流源；由它们都可构成电流源电路。 2、在模拟集成电路中，常用的电流源电路有：
u o
R C
IE具有恒 流特性
T1
T2
u
i1
IE
RE
用恒流源代
u i2
替RE ，可使
电路进一步
-UEE （-15V）
改善
（2） RE对共模信号有抑制作用（原理同上，即由 于RE的负反馈作用，使IE基本不变） （3） RE对差模信号相当于短路
ui1 =- ui2 ，设ui1 ,ui2 ib1 ,ib2 ie1 ,ie2 ie1 = - ie2 IE不变
如何进行电路的电流放大和调节
如何进行电路的电流放大和调节电流放大和调节是电路设计中的重要环节，它可以帮助我们实现对电流的精确控制和调节。
本文将介绍一些常用的方法和技巧，以帮助读者更好地进行电路的电流放大和调节。
一、共射放大电路共射放大电路是一种常用的电流放大电路，其基本原理是通过调整输入电流的大小，从而实现对输出电流的放大。
该电路包括一个晶体管、负载电阻和输入电阻。
当输入电流通过晶体管时，晶体管的导通程度发生变化，从而影响负载电阻上的电压，实现电流的放大。
二、差动放大电路差动放大电路是一种常用的电流放大和调节电路，它可以将两个输入电流的差异放大，从而产生一个输出电流。
差动放大电路常用于信号处理和放大，同时还可以进行电流的调节。
该电路包括差动放大器、电流源和负载电阻。
通过调整电流源的大小和差动放大器的增益，可以实现对输出电流的精确控制和调节。
三、功率放大电路功率放大电路是一种能够将输入电流放大到较大数值的电路。
该电路常用于功率放大和信号放大领域，可以实现对电流的放大和调节。
常见的功率放大电路有共射放大电路和共基放大电路。
通过选择合适的电路结构和元器件参数，可以得到所需的电流放大效果。
四、反馈调节电路反馈调节电路是一种常用的电流调节方法，它通过测量输出电流并与参考值进行比较，从而实现对输入电流的调节。
反馈调节电路有负反馈电路和正反馈电路两种类型。
负反馈电路通过引入反馈信号来稳定输出电流，而正反馈电路通过增加输入电流来提高输出电流。
选择合适的反馈调节电路，可以实现对电流的精确控制和调节。
五、可调电流源可调电流源是一种能够根据需求调节电流大小的电路元件。
它可以为其他电路提供稳定的电流，并实现对电流的精确调节。
常见的可调电流源有电流镜、串联可调电流源和并联可调电流源等。
通过选择合适的可调电流源，可以实现对电路的电流放大和调节需求。
六、电流控制器电流控制器是一种常用的电流调节装置，它可以根据需求精确调节和控制电流大小。
电流控制器常用于电源管理和电流稳定控制等领域，可以帮助用户实现对电流的精确调节和控制。
电流镜工作原理
电流镜工作原理
电流镜是一种常用的电子元器件，主要用于放大电流和实现电流的反相。
其工作原理基于电流输送的特性，通过调节输入端的电流，从而控制输出端的电流。
电流镜由一对互补的晶体管构成，通常是一个PNP型晶体管和一个NPN型晶体管。
两个晶体管的基极分别连接到输入电流源，发射极和集电极互连。
在常用的共射极配置中，输入电流通过PNP型晶体管的基极进入，经过NPN型晶体管的发射极，最终从NPN型晶体管的集电极输出。
当输入电流正向流过PNP型晶体管的基极时，它将引起PNP 型晶体管中的电流流动。
根据PNP型晶体管的工作原理，当输入电流源中的电流增大时，PNP型晶体管的发射极电流也增大。
由于PNP型晶体管和NPN型晶体管是互补的，因此当PNP型晶体管中的电流增加时，NPN型晶体管中的电流也会相应地减小。
这样，就实现了电流的放大和反相。
通过合理选择晶体管的参数和电路结构，电流镜可以实现稳定的电流放大和反相。
它在电子电路中广泛应用，常用于增加电流、控制电流的大小和方向等方面。
在许多放大电路中，电流镜可以作为一个重要的基本单元，发挥关键作用。
电流镜负载的差分放大器设计
《IC课程设计》报告电流镜负载的差分放大器设计摘要在对单极放大器与差动放大器的电路中，电流源起一个大电阻的作用，但不消耗过多的电压余度。
而且，工作在包河区的MOS器件可以当作一个电流源。
在模拟电路中，电流源的设计是基于对基准电流的“复制”，前提是已经存在一个精确的电流源可以利用。
但是，这一方法可能引起一个无休止的循环。
一个相对比较复杂的电路被用来产生一个稳定的基准电流，这个基准电流再被复制，从而得到系统中很多电流源。
而电流镜的作用就是精确地复制电流而不收工艺和温度的影响。
在典型的电流镜中差动对的尾电流源通过一个NMOS镜像来偏置，负载电流源通过一个PMOS镜像来偏置。
电流镜中的所有晶体管通常都采用相同的栅长，以减小由于边缘扩散所产生的误差。
而且，短沟器件的阈值电压对沟道长度有一定的依赖性。
因此，电流值之比只能通过调节晶体管的宽度来实现。
而本题就是利用这一原理来实现的。
目录1设计目标 (1)2相关背景知识 (2)3设计过程 (6)3.1 电路结构设计 (6)3.2 主要电路参数的手工推导 (6)3.3 参数验证（手工推导） (7)4 电路仿真 (9)4.1 用于仿真的电路图 (9)NMOS： (9)PMOS (9)整体电路图 (10)4.2 仿真网表（注意加上注释） (10)4.3 仿真波形 (13)5 讨论 (17)6 收获和建议 (17)参考文献 (19)1设计目标设计一个电流镜负载的差分放大器，参考电路图如下：工艺ICC网站的0.35um CMOS工艺电源电压5V增益带宽积25MHz低频开环增益100负载电容2pF输入共模范围3V功耗、面积尽量小2相关背景知识据题目所述，电流镜负载的差分放大器的制作为0.35um CMOS 工艺，要求在5v 的电源电压下，负载电容为2pF 时，增益带宽积大于25MHz ，低频开环增益大于100，同时功耗和面积越小表示性能越优。
我们首先根据0.35um CMOS 工艺大致确定单个CMOS 的性能，即在一定值的W/L 下确定MOS 管在小信号模型中的等效输出电阻和栅跨导，然后记下得到的参数并将其带入到整体电路中计算，推导电流镜负载的差分放大器电路中的器件参数，例如，小信号模型的增益、带宽、功耗等，再分析是否满足题目中的各项指标的要求。
电流源电路和差动又称差分放大电路解读
电流源电路和差动又称差分放大电路第3章电流源VBE),当VBE1,VBE2为定值时,也确定了.(2)当VCC变化时,IREF,ΔVBE也变化,由于Re2的值一般为千欧级,变化部分主要降至Re2上,即ΔVBE2vsc/vsd.例如:设KCMR=1 000,vsc=1mV,vsd=1 V,则. 这就是说,当K=1 000时,两端输入信号差为1 V时所得输出vo与两端加同极性信号1mV所得输出vo相等.若KCMR=10 000,则后项只有前项1/10,再一次说明K越大,抑制共模信号的能力越强.例题一设长尾式差放电路中,Rc=30kΩ,Rs=5kΩ,Re=20kΩ,VCC=VEE=15V,β=50,rbe=4kΩ.本题电路如图3.2.10所示.(1)求双端输出时的AVD;(2)从T1的c极单端输出,求AVD,AVC,KCMR;(3)在(b)的条件下,设vs1=5mV,vs2=1mV,求vo;(4)设原电路的Rc不完全对称,而是Rc1=30kΩ,Rc2=29kΩ,求双出时的KCMR. 解:(1)双出时:(2)单出时,AVD为双出时的一半:(3)vs1=5mV,vs2=1mV则 vsd=vs1-vs2=5-1=4mVvsc=0.5(vs1+vs2)=0.5×(5+1)=3mVvo=Avdvsd+ Avcvsc=(-83.3×4)+(0.732×3) =-335.4mV(4)Rc1不等于Rc2,则所以结果说明,在双出时,若参数有差别,由于利用了两个T的输出电压的互相抵消作用,因此|AVC|仍比单出时小得多;而|AVD|比单出大.所以KCMR比单出时高得多. 例题二改进型差放电路(它用电流源代替a长尾Re,并加电位器RP,用于调整Rc不对称的情况.)集成运放BG305的输入级如图3.2.11所示,各T的β1=β2=30,β3=β4=β5=β6=50,各T的vBE=0.7V,Rb=100kΩ,Rc=50kΩ,RP=10kΩ(滑动端调至中点),Re=1kΩ,RL即第二级的Ri为23.2kΩ. 求:(1)该放大级的静态工作点;(2)差动放大倍数AVD;(3)差动输入电阻Ri,差动输出电阻Ro.解:(1)当T5的基极电流可忽略时,流过Rb的电流为:≈0.3mA则≈=0.15mA=150μA≈≈3μA≈0.1μA=100nA图3.2.12 T1,T3复合为一个三极管≈由IE1=3μA,IE3=0.15mA≈则≈≈≈1500≈(3)Ri=2rbe=2×551kΩ=1.1MΩRo=2Rc+RP=110kΩ例题三如图3.2.13所示,利用镜像电流源还可使单端输出的差放AVD提高近一倍,静态时:IC1=IC2=I/2,IC3≈IC1=IC4≈IC2→Io=IC4-IC2=0,vid:有ic1,ic2=-ic1.解:电流源ic3=ic4≈ic1→io=ic4-ic2,iss=ic1-(-ic1)=2ic1,即输出电流比单端输出时大了一倍.例题四 JFEF组成的差放电路如图3.2.14所示,计算双入双出差模放大倍数AVD 和单端共模放大倍数AVC.图3.2.13 单端输出差放电路图3.2.14 共模输入信号等效电路图3.2.15 关系曲线解:3.2.5 差放电路的传输特性1. 传输特性传输特性,指输出信号随输入信号变化而改变的曲线,如图3.2.16所示,此关系曲线可由下面推导而得(由于工作范围逐步扩大,微变等效不适用,因此从基本关系出发):对于基本差动式放大电路,利用三极管的b-e结VBE与iE间的基本关系有:≈≈→图3.2.16 差动放大器电路及关系曲线恒流源电流为iE1和iE2之和.≈由图3.2.16左图可知:vsd=vs1-vs2=vBE1-vBE2所以同理可求:以Vsd/VT为横坐标,以归一化电流ic1/IEE和ic2/IEE为纵坐标可得出如图3.2.16所示的曲线,又分子分母同乘可得:2.关系曲线的作用(1)当vi=0电路处于静态时ic=ic1-ic2=0反映了差放电路的本质.(2)在vid=vsd=±vT=±26mV范围内电流和电压有良好的线性关系,差动放大器比单管放大器非线性关系小.(3)当输入电压超过±4vT=±100mV后,按原来曲线已进入非线性阶段,两个放大管的电流几乎不再随输入电压变化,一个T饱和,另一个T截止,差动电路工作在非线性区,这是很有用的限幅特性,可用来构成比较电路,信号产生电路等.其函数关系如图3.2.17所示.讨论(1)两管集电极电流之和恒等于IEE,因此ic1上升必然ic2下降;静态时vsd=0,静态点Q为二线交点处.(2)差模传输特性是非线性的,服从双曲线正切函数变化规律:当vi很小时,|vo|正比于|ic|,因此,|vo|正比于|vi|.其变化规律如图3.2.18所示.由图3.2.18看出:当vi=0电路处于静态时ic=ic1-ic2=0vo=0,反映了差放电路的本质.当vi≠0,且vi很小时,ic1上升ic2下降,在放大线性区内,△vo正比于△vid.当vi大一些时,曲线已进入非线性阶段,一个T饱和,另一个T截止(一般vi≥2vT以后,在vi>1/2vT内有很好的线性关系,vi=vT近似为线性关系).差动电路工作在非线性区时,可用来构成比较电路,信号产生电路等.利用差放的限幅特性可构成许多功能的电路.电流br>图3.3.3图3.3.4图3.3.55. 设差放电路的两个输入端对地的电压分别为vi1和vi2,差模输入电压为vid,共模输入电压为vic,则当vi1=50mV,vi2=50mV时,vid=___,vic=___;当vi1=50mV,vi2=-50mV时,vid=___,vic=___;当vi1=50mV,vi2=0V时,vid=___,vic=___.习题三1. 电路如图3.3.6所示.设场效应管的gm和三极管的β,rbe均已知,求:(1)列出静态电流ID1,ID2的表达式;(2)列出差模电压放大倍数AVD,输入电阻Ri和输出电阻Ro的表达式;(3)列出由T1漏极输出时(电路的连接方式不变)的差模电压放大倍数AVD,共模电压放大倍数Ac的表达式.2. 图3.3.7所示为双端输入-单端输出的差动放大电路,各晶体管参数相同:β=50,VBE=0.7V,'=300Ω.静态电流IE1=IE2=1mA.(1)若负电源提供的电流I=3mA,求R4和R5的数值;(2)求差模放大倍数AVD和输入电阻Ri;(3)设恒流源部分的等效电阻RAB=760kΩ,计算共模放大倍数Ac和共模抑制比KCMR.图3.3.6图3.3.73. 图3.3.8是某集成运放输入级的电路原理图,已知三极管的β均为100,三极管的VBE和二极管的管压降均为0.7V.(1)估算静态工作点;(2)估算差模电压放大放大倍数AVD;(3)估算差模输入电阻rid和输出电阻ro(设流过电阻Rb1的电流远大于恒流管T3的基流).图3.3.8··模拟。
电流镜负载的差分放大器设计
《IC课程设计》报告——模拟部分电流镜负载的差分放大器设计摘要在对单极放大器与差动放大器的电路中，电流源起一个大电阻的作用，但不消耗过多的电压余度。
而且，工作在包河区的MOS器件可以当作一个电流源。
在模拟电路中，电流源的设计是基于对基准电流的“复制”，前提是已经存在一个精确的电流源可以利用。
但是，这一方法可能引起一个无休止的循环。
一个相对比较复杂的电路被用来产生一个稳定的基准电流，这个基准电流再被复制，从而得到系统中很多电流源。
而电流镜的作用就是精确地复制电流而不收工艺和温度的影响。
在典型的电流镜中差动对的尾电流源通过一个NMOS镜像来偏置，负载电流源通过一个PMOS镜像来偏置。
电流镜中的所有晶体管通常都采用相同的栅长，以减小由于边缘扩散所产生的误差。
而且，短沟器件的阈值电压对沟道长度有一定的依赖性。
因此，电流值之比只能通过调节晶体管的宽度来实现。
而本题就是利用这一原理来实现的。
目录1设计目标 (1)2相关背景知识 (2)3设计过程 (6)3.1 电路结构设计 (6)3.2 主要电路参数的手工推导 (6)3.3 参数验证（手工推导） (7)4 电路仿真 (9)4.1 用于仿真的电路图 (9)NMOS： (9)PMOS (9)整体电路图 (10)4.2 仿真网表（注意加上注释） (10)4.3 仿真波形 (13)5 讨论 (17)6 收获和建议 (17)参考文献 (19)1设计目标设计一个电流镜负载的差分放大器，参考电路图如下：2相关背景知识据题目所述，电流镜负载的差分放大器的制作为0.35um CMOS 工艺，要求在5v 的电源电压下，负载电容为2pF 时，增益带宽积大于25MHz ，低频开环增益大于100，同时功耗和面积越小表示性能越优。
我们首先根据0.35um CMOS 工艺大致确定单个CMOS 的性能，即在一定值的W/L 下确定MOS 管在小信号模型中的等效输出电阻和栅跨导，然后记下得到的参数并将其带入到整体电路中计算，推导电流镜负载的差分放大器电路中的器件参数，例如，小信号模型的增益、带宽、功耗等，再分析是否满足题目中的各项指标的要求。
差动放大器与电流镜
• 3.2 小信号分析
（忽视衬偏效应）
措施一
利用 • 计算Gm
得到，
gm1Vin/2
gm1Vin/2
gm2Vin/2
• 计算Rout M1和M2用一种RXY=2rO1,2 替代，RXY从VX抽取旳电流 以单位增益(近似)，由M3镜 像到M4。则，
若2rO1,2>>(1/gm3)||rO3, • 总增益
• 共源共栅电流镜
– 共源共栅电流镜 拟定共源共栅电流源旳偏置电压Vb，采
用共源共栅电流镜构造。 目旳是确保VY=VX。 选择(W/L)3/(W/L)0= (W/L)2/(W/L)1, 则VGS0=VGS3, VX=VY。
– 共源共栅电流镜消耗了电压余度 忽视衬偏效应且假设全部晶体管都是相同旳，则P点 所允许旳最小电压值等于
忽视二级效应
Rs＝1/gm2
令Vin2 =0, 求Vin1对Y结点旳影响： 先利用戴维南定理处理M1管 和Vin1，VT= Vin1,RT=1/gm1； 则电路等效为共栅级形式
忽视二级效应
只施加Vin1时总旳电压增益为
整顿， 同理，能够得到只施加Vin2时总旳电压增益为 应用叠加法，得到
• 措施二 （半边电路） 辅助定理：考虑图中所示旳对称电路，其中D1和D2代
忽视二级效应，此时，共模增益为：
• 电路不对称且尾电流源旳输出电阻为有限值时，输入共模 电压变化对电路旳影响：
– 电路不对称情况1：RD1=RD，RD2=RD+ΔRD，当输入端 共模发生变化，VX、VY旳变化不相等，输出端产生了 一种差动成份。
• 电路不对称情况2：M1和M2不匹配，造成流经两个 晶体管旳电流稍微不同，因而跨导不同，
– 当Vin1-Vin2变得正旳多时，ID1↑，|ID3|↑， |ID4|↑，ID2 ↓，最终造成M4进入线性 区
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（2）利用半边电路法求小信号增益
交流 地
辅助定理：
Vin变化
VGS变化
对于对称电路，其中D1、D2为三端有源器件。假设Vin1从V0变化到 V0＋△Vin，Vin2从V0变化到V0－△Vin，那么，如果电路仍保持线性， 则VP电位不变。
也就是说Vin1和Vin2分别变化＋△Vin和－△Vin，则V1（VGS1）、V2 （VGS2）变化相同的值。
4
3.1 基本差动对
输出直流电平受输入共模 电平的变化影响较大
由两个cs放大器构 成，分别处理两个
差动信号
简单差动电路
输入共模电平若设定太低 ，会使输出严重失真
偏置电流ID1+ID2＝ISS ，它不依赖于输入共
模电平，输出受输入
共模电平的影响小。
基本差动对
5
1、差模输入输出特性分析
基本差动对
M1截止， M2导通
3）当△Vin＝ △Vin1时，Gm＝0
实际可以处 理的最大差
模输入
两个晶体管都 导通
12
两种方法增加最大差模输入范围△Vin1，从而使电路线性度更好： （1）W/L减小时，△Vin1增加，使两个晶体管都导通的△Vin范围 增加，电路线性度好； （2）ISS增加，输入电压范围和输出电流摆幅加大。 然而，△Vin1增加会增加M1和M2的过驱动电压。
斜率 最大
输出端的最大电平和最小电平是完全确定 的，分别为VDD和VDD-RDISS
小信号增益在Vin1＝Vin2 时达到最大，随着|Vin1-Vin2| 的增大而逐渐减小为零。
7
2、共模特性
令Vin1＝Vin2＝Vin,CM，Vin,CM从0变化到VDD。假设电路是对称的， Vout1＝Vout2。 1）当Vin,CM=0时，M1、M2截止，ID1=ID2=0， ID3=0，Vb为高电位，M3处于深线性区，等效为 一个电阻。Vout1＝Vout2＝VDD。 2）当Vin,CM>VTH时，M1、M2饱和导通，ID1、ID2 增加，VP上升。对于足够高的Vin,CM，VP≥VGS3VTH3，M3进入饱和区，ID1、ID2之和保持为常数。 3）当Vin,CM>Vout1+VTH＝VDD-RDISS/2+VTH，M1、M2进入 线性区。
13
4、小信号特性分析 （1）利用叠加法求小信号增益
M1、M2均工作在饱和状态
A）令Vin2＝0，求Vin1对VX、VY的作用。 忽略r0
小信号
M1看成带源极 负反馈的共源
极
RS＝ 1/gm2
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VY的计算
M1管以源跟随器的形式驱动M2管，M2以共栅级形式工作。 其戴维南等效为：
RT=1/gm
VT=Vin1
＝gm
与单个nmos管的跨导相同
平衡状态状态下小信号差动电压增益：
V in1 V G S 1 V TH
2 I SS
nC
ox
W L
A V G m R D gm R D2nC oxW LI2 SSR D
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2）当△Vin>△Vin1时，所有的ISS只流经M1，而M2பைடு நூலகம்止。
同理，当△Vin<-△Vin1，所有的ISS只流经M2，而M1截止。
因此，对于小信号而言，P点虚地。
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由于Vp虚地，可将电路等效为两个独立的 部分，即“半边电路”。
AV＝ 18
如果考虑沟道长度调制效应，利用半边电路可以非常方便 地计算其增益。
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5、当输入信号不是全差动信号时
差模分量，为 全差动信号
共模 分量
任意输入信号可以转换为差模分量和共模分量的叠加
假设电路是对称的，M1、M2均工作 在饱和区
VP＝Vin1－VGS1＝Vin2－VGS2
ID1-ID2是Vin1－Vin2的奇函数，当|Vin1-Vin2|从0逐渐增 增大，|ID1-ID2|也逐渐增大。
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➢等效跨导Gm
差动信号
差动信号 的小信号
变化量
Gm＝
M2几乎截止
1）△Vin＝0，平衡状态，等效跨导达到最大值：
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共模特性
Vin,CM允许的范围为(M1、M2、M3工作在饱和区）：
Notice： （1）Vout的最小值为Vin,CM－VTH，输入共模电平越大，允许的输出 电压摆幅越小。 （2）差动对的电压增益是负载上压降VRD的函数，若VRD比较大， Vin,CM必须比较低以保证M1、M2工作在饱和区。
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3、定量分析
差动信号
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差动工作特性 ➢ 与单端工作相比，对环境噪声具有更强的抗干扰能 力。
3
➢ 增大了可得到的最大电压摆幅。 单端X、Y点的最大电压摆幅为 Vout1＝VDD－（VGS －VTH），那么VX-VY的最大摆 幅为2[VDD－（VGS－VTH）]。
➢ 对共模信号具有很强的的抑制能力，对差模信号有 很好的放大作用。
模拟CMOS集成电路设计
Design of Analog CMOS Integrated Circuit
Institute of VLSI Design, Hefei U.of Tech
第三讲 差动放大器与电流镜
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差动信号定义 为两个节点电位之差，且该两个节点的电位相对于某 一个固定电位大小相等，相位相反。
M1导通， M1截止
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3）当Vin1＝Vin2时，ID1=ID2＝ISS/2，Vout1＝Vout2＝VDD-RDISS/2。 称为平衡状态。 4）当Vin1比Vin2更正时，Vin1增加，ID1增加，ID2减小，Vout1下降， Vout2上升。对于足够大的Vin1－Vin2，ISS所有电流都只流经M1管， M2管截止，此时，Vout1＝VDD-RDISS，Vout2＝VDD。
假设Vin1－Vin2从－∞变化到＋∞： ➢ 1）当Vin1比Vin2负得多，M1截止，M2 导通，ID2=ISS，Vout1＝VDD，Vout2＝ VDD-RDISS，Vout1-Vout2=RDISS ➢ 2）当Vin1比较接近Vin2时，M1逐渐导 通，RD1上有电流ID1，使Vout1下降，而ID2 减小，Vout2上升。
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输入为Vin1时，电路的电压增益为：
若
B）Vin2在X、Y点的作用： 应用叠加法：
AV＝
差动对单 端输出时 增益减半！
Notice： 1）无论怎样施加 输入信号，差动 电路的增益为gmRD 2）如果输出为单边 输出，则差动增益 减半。 3）与共源极增益 相比，要达到和共 源极相同的增益， 总偏置电流应为共 源极的两倍。