版图对电路的影响—差分放大器
差分放大电路的作用差分放大电路特点
差分放大电路的作用与特点差分放大电路的作用差分放大电路广泛应用于模拟电路、数模混合电路、高速和高精度信号处理以及信号调理等领域。
差分放大电路起到的作用有以下两个方面：1. 差分信号转换为单端信号差分放大电路能够将差分输入信号转化为单端输出信号，以满足不同应用场合的要求。
在电路设计中，常会有多种差分信号或单端信号存在于电路中，因此需要利用差分放大电路将差分信号转换为单端信号。
在传输差分信号的信号线上，使用差分放大电路进行差分信号转换，甚至可以增加传输距离。
2. 放大差分信号幅度在信号调理的过程中，常常需要对输入信号进行放大处理。
差分放大电路作为一种放大器，可以放大不同幅度的差分信号，并输出到下一级电路中。
差分放大电路不仅可以增加信号幅度，而且可以提高信号的抗干扰能力，提高整个系统的稳定性。
差分放大电路的特点差分放大电路不仅能够将差分信号转换为单端信号，还有以下几个特点：1. 抗共模干扰能力强差分放大电路是通过比较两个输入信号的差异来放大信号的。
由于两个输入信号是对称的，并且两个输入信号的共模分量一般在差分放大电路中被抵消，因此差分放大电路对共模信号具有较强的抑制能力。
即使输入信号存在一定的共模干扰，通过差分放大电路处理后，输出信号也能够保持较好的正常工作。
2. 带宽宽、稳定性好差分放大电路的带宽较宽，稳定性较好。
由于差分放大电路中采用了两个互补的信号进行放大，使得差分放大电路具有相对较大的增益带宽乘积（GBP）。
同时，由于差分输入信号在差分放大器内部被抵消，使得差分放大电路具有较好的稳定性。
因此，差分放大电路被广泛应用于高速通信、高精度测量等领域。
3. 集成度高随着集成电路技术的发展，差分放大电路也逐渐实现了微型化和集成化。
差分放大电路已经被应用于单片微处理器、微控制器、数据采集卡、移动通信终端等电子产品中。
差分放大电路的集成度越高，电路复杂度越低，生产成本也越低，同时为电子产品的实现提供了更多可能性。
3.2模拟集成电路设计-差分放大器版图
集成电路设计实习Integrated Circuits Design LabsI t t d Ci it D i L b单元实验三（第二次课）模拟电路单元实验－差分放大器版图设计2007-2008 Institute of Microelectronics Peking University实验内容、实验目的、时间安排z实验内容：z完成差分放大器的版图z完成验证：DRC、LVS、后仿真z目的：z掌握模拟集成电路单元模块的版图设计方法z时间安排：z一次课完成差分放大器的版图与验证Institute of Microelectronics, Peking University集成电路设计实习－单元实验三Page1实验步骤1.完成上节课设计放大器对应的版图对版图进行、检查2.DRC LVS3.创建后仿真电路44.后仿真（进度慢的同学可只选做部分分析）z DC分析：直流功耗等z AC分析：增益、GBW、PMz Tran分析：建立时间、瞬态功耗等Institute of Microelectronics, Peking University集成电路设计实习－单元实验三Page2Display Optionz Layout->Options->Displayz请按左图操作Institute of Microelectronics, Peking University集成电路设计实习－单元实验三Page3由Schematic创建Layoutz Schematic->Tools->DesignSynthesis->Layout XL->弹出窗口->Create New->OK>选择Create New>OKz Virtuoso XL->Design->Gen FromSource->弹出窗口z选择所有Pinz设置Pin的Layerz UpdateInstitute of Microelectronics, Peking University集成电路设计实习－单元实验三Page4对管的共质心画法：相对位置放置z设A管、B管为对管，共8个Multiplier将管的前个p合在一起，置于左上角z A4Multiplierz将A管的后4个Multiplier合在一起，置于右下角z将B管的前4个Multiplier合在一起，置于右上角z将B管的后4个Multiplier合在一起，置于左下角ABABInstitute of Microelectronics, Peking University集成电路设计实习－单元实验三Page5对管的共质心画法：层间互连单元的调用z调用单元z CSMC05MS中的POLY_M1z View为symbolicz设置z Column：Contact列数C l C t tz Row：Contact行数z其余可供调用的层间互连单元z DIFF_M1DIFF M1z M1_M2z M2_M3z Ntapz PtapInstitute of Microelectronics, Peking University集成电路设计实习－单元实验三Page6对管的共质心画法：连线z A管中前4个Multiplier的连线pz挪动B管前4个Multiplier的位置，复制上图中的相关连线（注意：使用上下镜像功能）z按c，鼠标左键拉框，选定一组连线z按F3，选择上下镜像z将复制后的连线放到合适的位置Institute of Microelectronics, Peking University集成电路设计实习－单元实验三Page7对管的共质心画法：连线、隔离z使用ptap将N型MOSFET围起来z固定衬底电压、隔离数字干扰ABABInstitute of Microelectronics, Peking University集成电路设计实习－单元实验三Page8Ntap、ptap的尺寸z尺寸：z Tap lengthz Tap widthz根据需要设置Institute of Microelectronics, Peking University集成电路设计实习－单元实验三Page9显示未完成的连线：查找未完成的连线时使用z Connectivity->Show IncompleteNetsz未完成的连线Listz红框表示该连线被Selectedz放大显示未完成的连线z未完成连线的相关信息Institute of Microelectronics, Peking University集成电路设计实习－单元实验三Page10查找DRC错误标识z Verify->Markers->Find，弹出窗口设置z Zoom To Markersz按Apply显示当前DRC错误标识，按Next显示下一个标识z回到版图窗口，按Shift+z缩小显示目标，查看标识的具体原因Institute of Microelectronics, Peking University集成电路设计实习－单元实验三Page11查找LVS的未匹配处z首先：LVS结束后，查看Output结果z若查看结果很难找出未匹配处，请按如下方法查找1.打开电路的extracted view2.在extracted view中:Verify>LVS>Error Display，弹出窗口2extracted view:Verify->LVS->Error Display3.设置Auto-Zoom，按First、Next可显示LVS失配（佐以shift+z）4.记录失配原因与坐标，回到Layout View查看该坐标处的版图信息4Layout ViewInstitute of Microelectronics, Peking University集成电路设计实习－单元实验三Page12后仿真（第一步）：Build Analog1.复制某单元的Layout View到新单元2.执行Extract3.LVS双方均填写extracted4.Run & Build Analog5.Include All & OKInstitute of Microelectronics, Peking University集成电路设计实习－单元实验三Page13后仿真（第二步）：Create Symbol1.打开任意一个Schematic View2.Design->Create Cellview->FromCellview，弹出右上窗口3.点击Browse，弹出右下窗口4.选后仿单元的Analog_extracted参考由Schematic生成SymbolInstitute of Microelectronics, Peking University集成电路设计实习－单元实验三Page14后仿真（第三步）：仿真设置1.调用analog_extracted生成的symbol，创建仿真电路启动（g g）2.ADE Analog Design Environment3.ADE->Setup-> Environment，弹出窗口4.在Switch View List中添加analog_extracted4Switch View List analog extractedInstitute of Microelectronics, Peking University集成电路设计实习－单元实验三Page15。
差分放大器工作原理详细讲解
差分放大器工作原理详细讲解Differential amplifiers, also known as difference amplifiers, are essential components in analog electronic circuits. They amplify the difference between two input signals while rejecting any common-mode signals present. They play a crucial role in filtering out noise and providing high common-mode rejection ratios. Differential amplifiers are commonly used in a variety of applications such as audio amplifiers, instrumentation amplifiers, and data acquisition systems.差分放大器，也称为差分放大器，是模拟电子电路中的重要组件。
它放大两个输入信号之间的差异，同时抑制任何共模信号。
它在滤除噪声和提供高共模抑制比方面发挥着至关重要的作用。
差分放大器通常用于各种应用，如音频放大器、仪器放大器和数据采集系统。
The differential amplifier works on the principle of amplifying the voltage difference between its two input terminals. When the two input signals are equal, the output voltage is ideally zero, providing common-mode rejection. This rejection of common-mode signals is achieved through the balanced configuration of the amplifier circuit,which amplifies only the difference between the two input voltages. By using matched transistors and resistors, the amplifier can effectively reject any signals that are common to both inputs.差分放大器的工作原理是放大其两个输入端之间的电压差。
第三章 差动放大电路及集成运算放大器 第一节差动放大电路
差动放大电路及集成运算放大器
3.1.1.1 差动放大电路的基本结构 差动放大电路如图３-１所示。
图3-2中可以算出差模输入电阻为: Rid＝２(ｒbe+Rb) 输出电阻为： Rο＝２RC
差动放大电路及集成运算放大器
3.1.3 共模输入信号与共模抑制比ＫCMR
在差动放大器两输入端同时输入一对极性相同、幅度相 同的信号称为共模输入方式。定义共模信号uic为两个输入信 号的算术平均值，即：
uic
ui1
差动放大电路及集成运算放大器
因此，其差模电压放大倍数为：
Aud
uo uid
Rc
Rb rbe
上式说明，该电压放大倍数与单管共射放大电路的电压
放大倍数相等。
这里我们用两套电路的元件实现的电压放大倍数和一套 电路相同。但该电路具有很好的超低频性能和很强的抑制零 点漂移的能力，这个问题下面还要详细讨论。
uo uo1 uo2 2uo1
差动放大电路及集成运算放大器
由图3-2可以计算出VT1、VT2的输出电压分别为：
VT1的输出电压：
uo1
Rcuid
2(Rb rbe )
VT2的输出电压：
uo 2
Rcuid
2(Rb rbe )
则差动放大电路的双端输出电压为：
uo
uo1
uo2
RCuid
Rb rbe
在一些超低频及直流放大电路中，级间耦合必须采用直 接耦合方式。直接耦合电路既能放大交流信号又能放大直流 信号，具有相当好的低频特性，所以又常称为直流放大器。 但由于其内部各级电路的静态工作点相互影响,给电路设计 和调整带来诸多不便。
版图对电路的影响
标准小信号模型 将 Rss 视为电流源， 输出电阻无穷大， 平衡状态下的小信号差动增益|Av|=gmRd， 单边输出增益减半。尾流源让共模电平对偏置电流的影响尽可能的小。理想差分 放大器共模增益为零，共模抑制比无穷大。 一、共模输入变化引起输出的变化 电路对称 Rd1=Rd2=Rd Vin1=Vin2 gm1=gm2=gm, Vgs1=Vgs2=Vgs Vin1=Vin2=Vin=Vgs+2gmVgsRss Vx=Vy=Vout=-gmVgsRd Avc=Vout/Vin=(-gm)Rd/(1+2gmRss) 仅负载失配 Rd1≠Rd2 Vin1=Vin2=Vin Vgs1=Vgs2=Vgs beta1=beat2=beta gm=beta*(Vgs-Vth)
2Vin1=2Vgs1(1+gm1Rss+gm2Rss)/(1+2gm2Rss) Avd=(Vx-Vy)/(Vin1-Vin2)=(Vx-Vy)/2Vin1 Avd=(-Rd/2)(gm1+gm2+4gm1gm2Rss)/(1+gm1Rss+gm2Rss)
三、视 Rss 为电流源时， (Vx-Vy)/Vin1|du to vin1=(-Rd1)/[(1/gm1)+(1/gm2)]-Rd2/[(1/gm2)+(1/gm1)] (Vx-Vy)/Vin2|du to vin2=(Rd2)/[(1/gm2)+(1/gm1)]-(-Rd1)/[(1/gm1)+(1/gm2)] Avd=(Vx-Vy)/(Vin1-Vin2)=-(Rd1+Rd2)/[(1/gm1)+(1/gm2)] 如果 Rd1=Rd2=Rd，gm1=gm2=gm，则 Avd=-gmRd 如果 Rd1=Rd2=Rd，gm2=2gm1=gm，则 Avd=(-4/3)gmRd
差分放大器和运算放大器
运算放大器的应用
信号放大
运算放大器可用于信号的线性放大，实现信号的传输 和处理。
模拟计算
利用运算放大器的加法、减法、积分和微分等运算功 能，实现模拟计算。
控制系统
在控制系统如PID控制器中，运算放大器用于信号的 调节和控制。
03 差分放大器和运算放大器 的比较
性能比较
差分放大器
具有高共模抑制比、低噪声、低失真 等优点，适用于信号处理和放大微弱 信号。
差分放大器和运算放大器
目录
• 差分放大器 • 运算放大器 • 差分放大器和运算放大器的比较 • 差分放大器和运算放大器的实际应用案例 • 未来发展趋势和展望
01 差分放大器
差分放大器的定义
差分放大器是一种电子放大器，它能 够放大两个输入信号之间的差值。
它通常由两个对称的放大器组成，每 个放大器分别处理一个输入信号，并 输出放大的信号。
特点
具有极高的开环增益、输入电阻高、输出电阻低等特性。
运算放大器的工作原理
差分输入
01
运算放大器采用差分输入方式，将两个输入端之间的电压差放
大。
反馈机制
02
通过引入负反馈机制，将输出信号反馈到输入端，以控制放大
倍数和输出信号。
输出级
03
输出级通常采用推挽或电压跟随器电路，以提供较大的输出电
流和较低的输出电阻。
差分放大器的工作原理
01
差分放大器通过比较两个输入信号的差值来工作， 将差值转换为输出信号。
02
它通常采用对称电路结构，以减小电路中的误差和 噪声。
03
差分放大器具有高共模抑制比（CMRR）和低噪声 特性，能够有效地放大微弱信号。
差分放大器的应用
第4章 差分放大器
总之，这种电路结构由于差分对管在共模输入时 的工作电流变化引起非线性及输出信号失真等。
基本差分对－电路结构
而基本差分电路结构中通过为差分对提供了固 定的尾电流则很好地解决了原始结构中存在的 上述问题。
为差分对提供 为差分对提供一个电流源 个电流源IS，以使差分对具有固定 以使差分对具有固定 的尾电流，从而产生独立于输入共模信号Vic的电 流ID1+ID2。 在共模输入时差分对管的工作电流ID1=ID2= IS/2，并且保持恒定； 并且保持恒定 同理，其共模输出电平也保持恒定，且其值为 VDD-RIS/2（R为负载等效电阻）。 为负载等效电阻）
因而在实际电路设计中经常采用差分电路以获 得高性能。
基本差分对
基本差分对－电路结构
典型的MOS差分放大器的电路结构 如图所示。
基本差分对－电路结构
图中一般R1＝R2＝R，在两种差分电路中的负载有多种 形式 既可为无源负载 也可为有源负载 但通常采用 形式，既可为无源负载，也可为有源负载，但通常采用 的是恒流源有源负载。而电流源则采用一个工作于饱和 区的MOS管实现。 管实现 与原始的差分电路相比，不同之处在于原始结构中的差 分对管的源极接地 而上图的差分对管同时接到 个恒 分对管的源极接地，而上图的差分对管同时接到一个恒 流源上。
基本差分对-差分对的差分工作
(1) 差模增益 1) 双端输入双端输出时的差模电压增益 采用“半电路概念”对理想的基本差分对进行小信号分析， 令ΔVi1＝ ＝－ΔVi2＝ΔVi/2，则 则一个 个MOS管的漏电流增大而 另一个MOS管的电流减小，由于电路是完全对称的，所以 ID1的增加量与ID2的减小量相等，因此总电流保持不变，即 的减小量相等 因此总电流保持不变 即 VQ的电位保持不变，节点Q可被认为是交流地。因此，可由 下图求解。 下图求解
第四章第四节差分放大器
VEE
iC 2 = I CQ 2 − ic
当它们共同流入 REE 时：
静态：ICQ1=ICQ2=ICQ
i EE = 2 I CQ 1 = 2 I CQ 2 = 2 I CQ
静态：IEE=2ICQ1=2ICQ2=2ICQ
从上述推论可知：流过REE 的电流仍为原静态电流IEE ， 增量电流∆ic= 0 。 这就是说对差模信号而言，REE 可示为短路，因此，对 差模信号来说，差分放大器可等效为如图所是： 交流通路
VBQ1 − VEE = VBE ( on ) + I E RE
0 − V EE − V BE ( on ) = I E R E
IE =
− V EE − V BEQ RE
RC1 RB1 VBQ1 T1
VCC RC2 Vo2 T2 RE IE VEE RB2 VBQ2
Vo1
在理想情况下，电路两边完全对称： 则有 所以
T1
2、差模性能 、
vid
vid1 vid2
RC1 RC2
RL/2 vod1 vod RL/2 vod2
①、差模输入电阻
T2
定义：从差分放大器两输入端看进去所呈现的视在电阻。 即
vid 2vid1 2vid 2 2rb′eii Ri = = = = = 2rb′e ii ii ii ii
RC1 vo1 T1 vo RC2 vo2 T2
在实际电路中，一般满足 2（1+β）REE >> rb'e 所以
VC 1 = I L R L
VC 1 IL = RL
VC1 VC1 = VCC − ( I C1 + ) RC1 RL RL ′ VC1 = VCC − I C1RL RC + RL
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版图对电路的影响—差分放大器(一）
标准小信号模型
将Rss视为电流源，输出电阻无穷大，平衡状态下的小信号差动增益|Av|=gmRd，单边输出增益减半。
尾流源让共模电平对偏置电流的影响尽可能的小。
理想差分放大器共模增益为零，共模抑制比无穷大。
一、共模输入变化引起输出的变化
电路对称
Rd1=Rd2=Rd
Vin1=Vin2
gm1=gm2=gm, Vgs1=Vgs2=Vgs
Vin1=Vin2=Vin=Vgs+2gmVgsRss
Vx=Vy=Vout=-gmVgsRd
Avc=Vout/Vin=(-gm)Rd/(1+2gmRss)
仅负载失配
Rd1≠Rd2
Vin1=Vin2=Vin
Vgs1=Vgs2=Vgs
beta1=beat2=beta
gm=beta*(Vgs-Vth)
gm1=gm2=gm
Vin=Vgs+2gmVgsRss
Vx=-gmVgsRd1
Vy=-gmVgsRd2
Vx-Vy=-gmVgs(Rd1-Rd2)
Avc=(Vx-Vy)/Vin=(-gm)(Rd1-Rd2)/(1+2gmRss)
仅晶体管失配
beta1≠beta2
gm1≠gm2
Vgs1=Vgs2=Vgs
Rd1=Rd2=Rd
Vin1=Vin2=Vin
Vin=Vgs+(gm1+gm2)VgsRss
Vx=-gm1VgsRd
Vy=-gm2VgsRd
Vx-Vy=-VgsRd(gm1-gm2)
Avc=Vx-Vy/Vin=-Rd(gm1-gm2)/[1+(gm1+gm2)Rss]
摘录自(1)：
1、共模扰动频率的增加与尾流源并联的电容会使电流产生很大的变化(即使
尾流源输出阻抗很大，在高频时也会变得很严重)
2、电路不对称既来自负载电阻，也来自输入晶体管。
通常后者产生的失配要
大得多。
由i=q/t, q=cv, f=1/t得到i=cvf，所以尾流部分的寄生电容与输入频率会影响到尾流源，进而影响到整个差动电路的性能。
C=Eox * Area / Tox,很容易看出面积越大电容也越大。
以W/L = 100 / 1的晶体管为例，画成finger =1时，diff_area_f1=100 * (1.5*2 + 1) = 400, all _area_f1=400 + (0.5*4*2) = 404；当finger =2 时，diff_area_f2 = 50 * (1.5*3 +1*2) = 325, all_area_f2=325 + (0.5*6.5*2) = 331.5。
每次减小重合部分的面积。
设MOS宽度为W,重合部分宽度为ds，channel长度为g，gate出diff为cap，finger 数目为n，有(W/n+2*cap)(n*ds+ds+n*g)>=(W+2*cap)(2*ds+g)，得出当n>=W*ds/[2*cap*(g+ds)]时，finger=n的整体面积大于finger=1的面积。
如果ds=x * cap, g=y *cap则
n = [W/(2*cap)] *[x / (x+y)]，finger=n
如果y=z*x，其中z=g/d，则
n=W/[2*(1+z)*cap]，将(1+z)*cap作为一个整体k，则
n=(W/2)*(1/k)，k=(1+g/ds)*cap
上式可知k越小，n越大，也就是k越小画成多个finger的形式越合算。
更直观讲就是栅宽度过大于源漏极的宽度，或者栅超出有源区很大值时，画成finger态就不太经济了。
以图例的值计算结果n=60，当然拆分来画，还是要是电路的性能作为最终的依据。
这里建议取n为偶数根source端在两边，drain端在中间，注意（以图为例）水平宽度与垂直高度相对比例。
尾流源器件目的是提供稳定的电流，其实可以是镜像电流源的一部分，所以画法已经在上次讨论过了。
不过考虑与另一晶体管相距较远，应以metal 作为连线。
晶体管失配会造成很大的影响，为保持晶体管的匹配通常的做法有，中心对称和质心对称（交叉对称）法，这些可以运用在制程偏差很大的项目中。
在先进的工艺里，这方面的所占的比重在逐步下降，甚至可以忽略，在种情况下的匹配就是将晶体管尽量靠近，比如共用。
二、差模输入变化引起输出的变化
电路对称：
Rd1=Rd2=Rd
Vgs1=Vgs2=Vgs
gm1=gm2=gm
Vx=-Vy
Vx-Vy=2Vx
Vx=-gmVgsRd
Vin1=-Vin2
Vin1-Vin2=2Vin1
Vin1=Vgs+2gmVgsRss
Avd=(Vx-Vy)/(Vin1-Vin2)=Vx/Vin1=(-gm)Rd/(1+2gmRss)
仅负载失配
Rd1≠Rd2
Vgs1=Vgs2=Vgs
gm1=gm2=gm
Vx=-gmVgsRd1
Vy=gmVgsRd2
Vx-Vy=-gmVgs(Rd1+Rd2)
Vin1=-Vin2
Vin1-Vin2=2Vin1
Vin1=Vgs+2gmVgsRss
Avd=(Vx-Vy)/2Vin=(-gm)[(Rd1+Rd2)/2]/(1+2gmRss)
仅晶体管失配
beta1≠beta2
gm1≠gm2
Vgs1≠Vgs2
Vin1=-Vin2
Vin1-Vin2=2Vin1
Vin1-Vgs1=Vin2-Vgs2
2Vin1=Vgs1-Vgs2
Vin1=Vgs1+(gm1Vgs1+gm2Vgs2)Rss
Vin2=Vgs2+(gm1Vgs1+gm2Vgs2)Rss
Vin1=-Vin2
Vgs2=-Vgs1(1+2gm1Rss)/(1+2gm2Rss)
Vx=-gm1Vgs1Rd
Vy=-gm2Vgs2Rd
Vx-Vy=-Vgs1Rd(gm1+gm2+4gm1gm2Rss)/(1+2gm2Rss)
2Vin1=2Vgs1(1+gm1Rss+gm2Rss)/(1+2gm2Rss)
Avd=(Vx-Vy)/(Vin1-Vin2)=(Vx-Vy)/2Vin1
Avd=(-Rd/2)(gm1+gm2+4gm1gm2Rss)/(1+gm1Rss+gm2Rss)
三、视Rss为电流源时，
(Vx-Vy)/Vin1|du to vin1=(-Rd1)/[(1/gm1)+(1/gm2)]-Rd2/[(1/gm2)+(1/gm1)]
(Vx-Vy)/Vin2|du to vin2=(Rd2)/[(1/gm2)+(1/gm1)]-(-Rd1)/[(1/gm1)+(1/gm2)]
Avd=(Vx-Vy)/(Vin1-Vin2)=-(Rd1+Rd2)/[(1/gm1)+(1/gm2)]
如果Rd1=Rd2=Rd，gm1=gm2=gm，则Avd=-gmRd
如果Rd1=Rd2=Rd，gm2=2gm1=gm，则Avd=(-4/3)gmRd
这些资料还没有整理完，因为拖得太久就先贴出来与大家共同探讨。
本篇中，着重讨论了共模和少部分差模情况，在后续的内容中，会从相关问题为出发点来进行整理，比如，增益减小、摆幅下降、输出频率下降、相位位移、噪音干扰等，这些都是我们应该知道的，问题出现了我们要做些什么？
[参考文献]
1、《模拟CMOS集成电路设计》--- Razavi
2、《CMOS模拟集成电路设计》—Allen。