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Chapter 3 Differential Voltage & Current amplifiers

这一章介绍差分电压和电流放大器.

Current mirrors

我们首先分析电流镜Current Mirror. 由一个diode-connected MOS+CS放大MOS组成, diode-MOS将电流转换成电压, 再由CS MOS转换成电流.

考虑沟道调制效应, M1和M2的VDS不同会造成iout和iin不同, 可以看到L越大, 沟道调制效应越小.

为了保证电流复制精度, 可以采用下面结构, 保证M1和M2的Vds相同. 但问题是Voutmin=Vgs+Vds=1.1V, 太高了

更好的低压current mirror如下所示, 需要一个VB bias. Vout_min=Vds2+Vds4, 大约为0.4V. VB可用diode-MOS来生成.

低压电流镜电路如下所示. 左边结构的M5的W/L要更小, 来产生更大的Vgs给M3. 右边结构采用负反馈gain boost技术来钳位Vds1=Vds2, 而且Rout更高.

Low-voltage diode-connected MOST

如果输出Vout=0.4V仍然太高, 可考虑下图结构, 采用diode-MOS+运放负反馈, 这样M1的Vds=0.2V而不是0.9V.

为了进一步降低输出电压可考虑加入运放, 如下图所示

对于BJT可以来做电流镜,如下图所示. 图中间采用电阻串联, 让iout和i1的比例为R1/R2, 更为准确. 图右生成和输入电流无关的IPTAT基准电流

BJT的base会产生电流Ib, 可采用下图结构beta helper减小ib对i_in的影响. 电阻R是增加M3的电流保持其beta值, 在目前BiCMOS中小电流beta不会降低太多, R不需要了. 而且可以用MOS代替M3, 彻底消除ib的影响.

对于电流镜考虑高频, Cgd会产生miller effect, 引入右零点 fz造成phase margin下降!

Differential pairs

差分电路大量应用于电路中, 主要用来抑制地噪声和电源spike.

差分电路小信号增益, 注意电流方向一正一反, Av=gm*RL. PSRR= 输入到输出的差分增益/电源到输出的增益.

对于大信号, 即Vin+和Vin-差异很大, 差分对被挤死, 即Ib电流全部流到一边.

为了提高增益, 需要增大负载电阻RL. 可用MOS电流镜做负载. Av=gm1* (rds1||rds2)

也可以用大电阻+self-bias负载, 如下图所示. 把电阻R接到gate上, 把负载从2/gm -> 2 R||ro

下面结构采用self-bias的共模反馈. Av=gm1×(R||ro), ro=(ro1||ro2).

为了进一步增加输出阻抗, 可用cross-couple形成正反馈, 差分电阻变为-2/gm. 下图阻抗为2/(gm2-gm1). 需要设计M2的W/L大于M1的W/L.

采用电流消除技术, 能够大幅提高增益, 如下图所示.

差分运放, drain接电容和电阻, 展现为低通滤波器. 极点位置为1/(2pi R*CL)

差分运放, source接电容, drain接电阻, 展现为高通滤波器. 中间的电容×2, (如果是电阻 ÷2). 极点RC常数为1/gm*2C. 极点为gm/(2pi 2C).

Differential voltage and current amps

5管运放OTA如下图所示. 通过双转单, 转换为Vout单端输出. 单极OTA和单管CS运放的BW和GBW相同

为了提高输入阻抗, 可考虑bootstrap结构. 如下图所示. 由于运放虚短虚断, V+=V-, 在f > fz后, 电容CF使得R1两端电压相等, 因此R1呈现无穷大阻值.

提高输出阻抗也可以用bootstrap结构, 如下图所示. M5为source follower, M5gate=M5source, M4drain=M4source, 因此M4的ro大大提高. 为了提高增益, M2需要采用casecode结构, 或者L变大. 注意到M5其实也是feedback.

对于casecode电流镜的输入阻抗, 注意M3 drain看进入的Rin=1/gm1, M3 drain看进去的Rin=1/(gm1*gm1 *ro3), 由于loop gain.

因此M1的drain (M3的source)有极小输入阻抗, 非常适合作为电流源输入, 因此作为电流差分放大器.

M4的source其Rin2=1/gm4. 因此除了输出iout, 其余点的阻抗都很小, 为1/gm或者更小.