解读差分放大器性质仿真.doc

解读差分放大器的基本特性解读差分放大器的基本特性2008700528 微三 谭宇引引 言言差分对或者说差分放大器结构是模拟电路的基本功能块，被广泛地应用于集成电路设计中比如每个运算放大器的输入级都是差分放大器结构另外，BJT 差分放大器还是高速数字逻辑电路的基础，例如射极耦合逻辑电路（ECL） 差分放大电路结构最初应用时使用的是真空管随后，在分立的双极型晶体管电路中也得到了实现不过，是集成电路的出现使得差分对极其广泛地应用到了 BJT 和 MOS 技术中有两个原因使得差分放大器十分适合于集成电路的制造首先，差分电路相对于单端电路来说对于噪声和干扰有更强的抵抗能力为了说明这一点，假设两根导线携带一个差模小信号，这个信号通过两根导线之间的电压差来表示（如图 1） 现在假设干扰信号通过电容或电感耦合到导线上，因为两根导线距离很近，所以干扰电压（每根导线和接地点之间）是相等的因为是差分系统，只有两根导线之间电压的差值才能成为有效信号，因此干扰分量就这样被抵消了其次，差分放大器的第二个优点就是差分结构能够使得我们避免像设计分立元件放大器那样，通过旁路电容或者耦合电容来实现放大器的直流偏置或是对放大器各级之间进行耦合。

这也是差分电路十分适合于集成电路制造的另一个原因，因为集成工艺不可能经济地制造出大容量的电容图 1 差分电路对信号的处理1 MOS 差分对的基本结构差分对的基本结构图 2 所示的是 MOS 差分对的基本结构它包含两个匹配的晶体管 M3 和M4它们的源极连接在一起，并且通过一个恒流源 I 提供偏置后者通常由MOSFET 来实现目前我们先假设电流源是理想的，即它的输出电阻无穷大尽管图中每个晶体管的漏极都通过电阻连接到上，然后我们会知道，在DRDDV许多应用中使用的是有源负载（电流源） 不过现在我们采用简单的电阻负载来说明差分对的工作原理无论使用何种负载，重要的是要避免 MOSFET 工作在变阻区图 2 基本的 MOS 差分对结构2 共模电压输入特性分析共模电压输入特性分析由对称性我们可以知道电流 I 被两个晶体管平分即，,同时对21DDii2/I源极电压有sv……………………………………………………（1）GSCMsVvv其中是和漏极电流相关的栅源之间的电压忽略沟道长度调制效应，GSV2/I和的关系如下：GSV2/I……………………………………………………（2）2)(21 2tGSnVVLWkI用过驱动电压表示为……………………………………………………（3）tGSOVVVV…………………………………………………（4）2 21 2OVnVLWkI每个晶体管漏极电压为…………………………………………(5)DDDDDRIVvv221现在我们改变共模电压的值，为保证 M3 和 M4 始终工作在饱和区，电流CMv就会被 M3 和 M4 平分，于是漏极电压保持不变。

差分对的一个重要指标是它I的共模输入范围也就是能使差分对正常工作的的范围该值的上限由 M3CMv和 M4 始终工作在饱和区决定，即…………………………………………………………（6）DDDtCMRIVVv2max该值的下限由电流源正常工作所需要的电压决定如果电流源需要的电压I为，则CSV…………………………………………（7）OVtCSSSCMVVVVvmin我们建立仿真的条件（如图 3）如下，电流源我们选取，我们选取uA150I的晶体管，，,在电流时，2/512VuAknnmumLW400/2/VVt25. 0uAI75，VVOV24. 0我们推出： ,VvCM936. 024. 025. 0446. 0minVvCM30. 125. 010*10*758 . 13 max我们从仿真的结果看 0.92-1.316V 的共模输入范围，，与我们的VvCMgap416. 0计算基本符合图 3 共模输入范围的仿真电路图图 4 共模输入范围仿真结果3 差模电压输入下的工作特性差模电压输入下的工作特性接下来我们施加一个差模输入电压（如图 5） ，将 M3 管的栅极接 1V 的电压，同时在 M4 的栅极加上信号，显然，当为正时，就idv34GSGSidvvv1idv4GSv大于,因此就大于，继而推出差分输入为正值。

同理可知，3GSv4Di3Di21DDvv当为负值时，就小于,因此就小于，继而推出差分输入1idv4GSv3GSv4Di3Di为负值21DDvv图 5 差模电压输入下的 MOS 差分对图当全部的电流流过 M4 管时，减小至而的值可由下式求得：3GSvtV14GSv……………………………………（8）2 421tGSnVvLWkI OVtntGSVVLWkIVv2//24使偏置电流完全流过 M4 时的电压值为:Iidv……………………（9）OVtOVtSGSidVVVVvvv21124max当超过时，始终等于，始终等于，导致值相应idvmaxidv4DiI4GSvOVtVV2Sv升高，M3 截止同样可知，当达到时，M3 导通，M4 截止，同idvOVV21时电流全部流过 M3所以通过调节的值，可以使电流从一个晶体管流向idvI另一个晶体管的变化范围是：同样我们通过计idvOVidOVVvV2121算可知，我们通过仿真两端电流图 6 可知，我们的范围为VvVid34. 166. 0，与我们的以前预想的不太符合，其实这可能是我们加的是VvVid5 . 143. 01V 的电压，不太可能截止，的值会使管 M6 性区。

不过总体趋势正如我Sv们所说的那样 图 6 差模信号输入两边电路电流4 MOS 差分对的小信号工作特性差分对的小信号工作特性我们在图 2 基本差分对的两端加上电压：idCMGSidCMGSvVvvVv212134…………………………………………（10）这里表示是在共模输入范围内的共模直流电压我们需要它来设置CMVMOSFET 栅极的直流电压一般来说，取电源电压的一半，我们在这里取CMV=0.9 V以平衡方式接入（见图 7） ，而且电路又是对称的，因此源极的CMVidv连接点必定信号接地这样 M4 的栅源电压信号为而 M3 端的电压为,21id gsvv假设满足小信号近似条件，则左端增加电流为，右端22id gsvvidv2/idmvg减少，其中=2/idmvgmgOVVI我们发现，电路没有使用大容量的旁路电容，却在晶体管的源极建立了信号接地点，显然这是差分对结构的重要优点之一差分对工作的精髓就是，它在漏极产生了一对互补的电流信号，对于因此而得到的差分对，我们要做的工作从某种意义上说仅仅是一个分离的问题当然我们可以简单地认为两个电流信号通过一对匹配的 R1 和 R2，我们在这里统称为。

DR图 7 以互补方式接入的差分小信号分析电路于是我们可以得出漏极的电压信号： Did mDDid mDRvgVRvgV2,221如果取单端输出，增益为……………………………………（11）Dm idDRgvV 211或……………………………………（12）Dm idDRgvV 212如果是差分输出，增益就变为………………………………（13）Dm idDD dRgvVVA21因此，采取差分输出的另一个优点就是增益提高了两倍（6 dB） 不过应当注意到，尽管差分输出有许多优势，但是在某些应用中还是要采用单端输出接下来我们进行小信号分析与仿真，我们选取,我们KRD105 . 6DmRg只能选取单端输出为准，以，为例看单端效果（如图 8） mVvid1VVCM9 . 0单端，可知两端我们就可以取 7.4 左右，与我们算得的基本符7 . 321DDAA合图 8 单端差分增益图5 总总 结结通过集成电路设计课程的学习，我感觉学习模拟电路差分电路一定是我们学习的最基础知识，在本次的学习中，我知道了自己有很多方面的不足，以前对电路仅局限在主观的分析，这次的学习是我认识到了要通过电路模拟软件好好地认识电路，模拟知识根据我们的构想去实践而已，关键还是要我们自己通过计算，分析结果，再比较结果。

本次因为实践仓促，所以没能在进行差分放大电路的设计与仿真，以后还要在这方面下功夫。