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1、ReviewDifferential signalp差分放大器的优缺点n优点：p对环境和电源等共模干扰的抗干扰能力强p电压摆幅大p线性度好n缺点p和单端电路相比，差分电路规模加倍，面积增加p差分放大是模拟电路的最重要的电路模块和电路发明之一Differential amplifierp差模增益和单管M1、M2表达式相同例：偏置电流相同增益小于单管Differential amplifierp差动对的小信号分析方法一：采用叠加法n例：双端输入双端输出：单端输入双端输出：双端输入单端输出：当 电路不对称时，同样可以采用这种分析方法。Differential amplifierp小信号分析方法二：半
2、边电路法n辅助定理：如果电路对称，当Vin1从V0变化到V0+Vin，Vin2从V0变化到V0-Vin，且电路线性，则：Vp不变。即：全差分输入时，P点为交流地。半边电路概念分析法简化成半边电路。条件是，对称的电路结构。Differential amplifierp半边电路法分析全差分输入电路n简化差模增益推导Differential amplifierp非全差分输入电路分析n输入信号不是大小相等、方向相反、Vp不是交流地n将输入分为差模输入部分和共模输入部分n分别计算差模和共模响应后在用叠加定理Differential amplifierp 共模分析n 输入信号的动态范围输入共模信号pvin
3、很小时，M1、M2 off，M3处于线性区。pM1 和M2导通的条件：输出共模电平和输入共模电平无关直观地，M1和M2构成一个源跟随器Differential amplifierp 共模分析p当Vin继续上升时M1、M2进入线性区共模输入电压范围：n 输入共模对差分增益的影响p 当VinVth时，差模增益逐渐增加。在M3饱和后差模增益稳定p 当M1/2 进入线性区后，差模增益下降Differential amplifierp 输出电压摆幅考虑M1、M2不能进入线性区，则：差分输出电平不是确定的。例如：当M2 off 时，Vx得到最低电平。M1在饱和区的条件是结论是：Vin.cm，输出范围Dif
4、ferential amplifierp 尾电流源Iss的作用a)若尾电流源是理想电流源，（ro=）则Vout不会变化，Vx=Vy=常量b)若尾电流源不是理想电流源，（ro）则Vout会变化，Vx=Vy常量c)若尾电流源ro，且不对称。则VxVy常量。输入共模电平引起输出差模信号的变化。这是不希望的。定义共模抑制比（CMRR）：ADM是差模增益，ACM-DM是共模引起的输出差模增益Differential amplifierp共模响应：考虑非理想条件下，电路对共模扰动的抑制能力n考虑尾电流源的有限输出阻抗 Rss。电路是对称的：n负载电阻不对称 输入共模输出差模信号Differential a
5、mplifierp共模响应：输入对管不对称n考虑 如图是小信号等效电路同理：Differential amplifierp频率特性Differential amplifierp负载电阻用MOS管代替nMOS二极管负载和共源级相似，能提供良好的线性度电流一定 摆幅下降。例：若Differential amplifiern电流源负载：提高输出阻抗Compensation techniques of opamppSingle-stage CMOS OTA:GBWCompensation techniques of opamppSingle-stage CMOS OTA:GBWCompensation
6、 techniques of opamppSingle-stage CMOS OTA:GBWDifferential amplifierp共源共栅结构：提高输出阻抗n增益n 输出摆幅n 需稳定输出共模电平Differential amplifierp折叠共源共栅CMOS OTA Differential amplifierp折叠共源共栅CMOS OTA Symmetrical OTASymmetrical OTA增益提升技术p辅助放大器n共源放大器结构n摆幅下降n差分共源结构增益提升技术pDifferential diode-connected MOSTs增益提升技术p电流消除技术电流消除技术
7、增益提升技术pBootstrapping for high input impedance增益提升技术pBootstrapping for high input impedanceR1 两端的电压变化为零，被两端的电压变化为零，被CF自举掉了自举掉了增益提升技术pBootstrapping out an output resistanceSymmetrical OTAp 增益提升增益提升-通过电流抽取通过电流抽取n M3的偏置电流下降导致输出电阻增加的偏置电流下降导致输出电阻增加增加输入跨导p 通过电流消除引入负阻通过电流消除引入负阻增加输入跨导p 通过电流消除引入负阻通过电流消除引入负阻St
8、ability of opampp基本概念：负反馈系统的稳定性n基本的负反馈系统 当环路增益 ，闭环增益无限大，电路振荡n振荡条件“巴克豪森”判据（Barkhausens Criteria）负反馈本身有180度相移，所以，环路总相移为360度H(s)是放大器，和无关，则传递函数Stability of opampp稳定系统与不稳定系统n稳定条件：增益交点GX相位交点PXp相位交点：PX，相位=-180时的角频率；p增益交点：GX，增益=1时的角频率。n当增加，PX不变，GX增加，则最坏条件是HHStability of opampp复平面上闭环系统的极点位置与稳定性n随着环路增益的变化，在复平
9、面画出各极点的轨迹，称根轨迹图n根轨迹图可用于分析稳定性Stability of opampp相位裕度和电路的闭环阶跃响应n稳定性表明达到最终值得时间短n例：n闭环增益幅频曲线在GX点有一个过冲 表明瞬态响应有一个减幅振荡过程Stability of opampp各种PM条件下的实际响应曲线n例：nPM越小，减幅振荡现象越严重；nPM越大，系统越稳定，但时间响应减慢。nPM必须大于45，最好等于或大于60Compensation techniques of opampp相位裕度PM设计：n合理设计：Compensation techniques of opampp相位裕度PM设计：n设单位增益
10、带宽GBW，极点fp1、fp2fNn频率补偿n若fp3fN均远大于单位增益带宽GBWCompensation techniques of opamppMiller CMOS OTACompensation techniques of opamppMiller CMOS OTACompensation techniques of opamppPole splitting by.Compensation techniques of opamppMiller CMOS OTACompensation techniques of opampp消除右半平面零点n方法1：成为负零点n方法2：为负零点，与
11、抵消。Compensation techniques of opamppCut feedforward through解得：左半平面零点；极点相似Compensation techniques of opamppCut feedforward through次极点的数值提高Slew ratep例：实际的差分运放n输入低到高的转换n同样，输入高到低的转换速率M2的栅极电压下降，M1的栅极电压上升，得到对电容的充电电流当输入电压继续增加，使M1抽掉Iss全部电流，M2关断。运放经历输入低到高的转换。转换速率 Slew ratep套筒式差分运放p折叠式差分运放转换速率为：若转换速率为：若M3关断，X
12、电平下降，M1线性，M2导通，X电平经历摆动后回到平衡态。Slew ratep二级运放Slew ratep二级运放Slew ratep实际的差分运放CM feedbackCM feedbackn M3、M4在差分和共模放大器中分别是负载和共源放大管n CMFB 是单位增益反馈CM feedbackCM feedbackThe differential and common-mode amplifiers dont necessarily have the same load capacitancesCM feedbackAll the capacitances which are presen
13、t at the output terminals of one amplifierThe virtual grounds are taken as real groundsCM feedbackLoad capacitance CINDMCM feedbackLoad capacitance CINCMCM feedbackGBW DM&GBW CM例1：极低频和高频下的增益假设所有晶体管均处于饱和区，0，=0，忽略其它电容低频时电容可视为开路例1：极低频和高频下的增益假设所有晶体管均处于饱和区，0，=0，忽略其它电容高频时电容可视为短路例2：差模和共模下的低频增益假设所有晶体管均处于饱和区
14、，0，=0，忽略其它电容差模时M3栅极、M1源极虚地，C2忽略，C1是负载例2：差模和共模下的低频增益假设所有晶体管均处于饱和区，0，=0，忽略其它电容共模时R1短路，C1可忽略，C2是负载M7是源极负反馈电阻例3：传输函数、零极点与PM例3：传输函数、零极点与PM例3：传输函数、零极点与PM例4：二级运放零极点和相位裕度p设零点大于10GB，相位裕度大于60p用单位增益频率代替得：pA0很大，则例4：二级运放零极点和相位裕度p补偿电容取值大约是负载电容的1/3例例5：one-stage amplifierp例：套筒式运放设计n设计指标：差分输出摆幅3Vn参数n根据power确定电流功耗和偏置
15、电流有关偏置电流与带宽及转换速率有关，一般，例例5：one-stage amplifierp例：套筒式运放设计n根据输出摆幅决定管子的VdsatnX、Y的摆幅为1.5vn取：n取值，放大管 负载管 尾电流管例例5：one-stage amplifierp例：套筒式运放设计n根据 Veff 和 I 确定MOS管的宽长比n确定沟道长度，例：例例5：one-stage amplifierp例：套筒式运放设计n计算增益，进行验证结论：使增益增加例例5：one-stage amplifierp例：套筒式运放设计n提升增益的方法n方法1：减小n方法2：电流不变，增加L、W/L不变例：增加负载电阻降低Vdsat9：0.50.3V例例5：one-stage amplifierp例：套筒式运放设计n根据Vdsat和摆幅设计偏置电压n取n取：n验证输出摆幅例例5：one-stage amplifierp共源共栅级设计小结n确定各支路电流分配p根据功耗分配，若有带宽和速度性能指标，可优先考虑n确定各MOS管的过驱动电压p放大管 200mV，负载管200-500mV，尾电流管300-500mVp注意给输出摆幅留出足够余量。n由过驱动电压和支路电流确定W/Ln计算增益验证p根据增益调整W和L值。增加L，W/L不变，则增益提高。n根据过驱动电压，确定各晶体管的偏置电压p留有余量，保证信号摆幅。