模拟CMOS集成电路设计入门学习(10)

模拟CMOS集成电路设计入门学习(10)

码农世界 2024-06-13 后端 112 次浏览 0个评论

差动对的共模响应

在实际电路中,电路不可能完全对称,电流源的输出阻抗也不可能为无穷大。因此,共模输入的变化会或多或少地传递到输出端。

(1)电路是对称的但是电流源具有有限的输出阻抗

假设下图(a)中电路是对称的但是电流源具有有限的输出阻抗R_{SS}。然后,对电路进行不断地简化:

模拟CMOS集成电路设计入门学习(10)

 M1和M2“并联”,可以将它们构成一个组合器件M1+M2。M1+M2的宽度增为单管的2倍,偏置电流也增为单管的2倍,从而其跨导同样增为单管的2倍。

因此,电路的共模增益为:

A_{v,CM}=\frac{V_{out}}{V_{in,CM}}=-\frac{R_{D}/2}{1/(2g_{m})+R_{SS}}

在对称电路中,共模输入的变化会扰乱偏置点,改变小信号增益,而且可能会限制输出电压摆幅。

(2)电路是不对称且电流源具有有限的输出阻抗

这种情况下,输入端共模的变化会在输出端产生一个差动成分。我们说,电路表现出共模到差模的转换,这是问题的关键所在。因为如果差动对的输入既有差动信号又有共模噪声,则输入共模的变化就损坏了放大的差动信号。

共模向差模的转换的两大影响:

①当共模扰动的频率增加时,与尾电流源并联的总电容会使尾电流产生很大的变化。因此,即使尾电流源的输出阻抗很大,共模到差模的转换在高频时也会变得很严重。

{这个并联的电容来自于电流源自身的寄生电容,以及M1管和M2管的源衬结寄生电容。}

②电路的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。

(3)计算V_{in,CM}到X点和Y点的增益

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 首先,有I_{D1}=g_{m1}(V_{in,CM}-V_{P})I_{D2}=g_{m2}(V_{in,CM}-V_{P})

由此可得:(g_{m1}+g_{m2})(V_{in,CM}-V_{P})R_{SS}=V_{P}

V_{P}=\frac{(g_{m1}+g_{m2})R_{SS}}{(g_{m1}+g_{m2})R_{SS}+1}V_{in,CM}

从而,输出电压:

V_{X}=-g_{m1}(V_{in,CM}-V_{P})R_{D}=\frac{-g_{m1}}{(g_{m1}+g_{m2})R_{SS}+1}R_{D}V_{in,CM}

V_{Y}=-g_{m2}(V_{in,CM}-V_{P})R_{D}=\frac{-g_{m2}}{(g_{m1}+g_{m2})R_{SS}+1}R_{D}V_{in,CM}

所以输出端的差动分量可以表示为:

V_{X}-V_{Y}=-\frac{g_{m1}-g_{m2}}{(g_{m1}+g_{m2})R_{SS}+1}R_{D}V_{in,CM}

综上,电路将输入共模变化按照以下系数转化为差动误差:A_{CM-DM}-\frac{g_{m1}-g_{m2}}{(g_{m1}+g_{m2})R_{SS}+1}R_{D}

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