模拟CMOS集成电路设计入门学习（9）

基本差动对

在“差动对”电路中引入电流源以使不依赖于。这样，时，每个晶体管的偏置电流都等于，输出共模电平等于。

 （1）分析差动对的差动特性{  从变化到  } 

①如果比负得多，则M1管截止，M2管导通，；

②当变化到比较接近时，M1管逐渐导通，从抽取一部分的电流，从而使减小。由于,所以M2管的漏极电流减小，增大；

③,我们有;

④当比更正时，M1管的电流大于M2管的电流；

⑤对于足够大的，M1管流过所有的。

上述分析揭示了差动对的两个重要特性：

第一：输出端的最大电平和最小电平是完全确定的，它们与输入共模电平无关；

第二：小信号增益{与的关系曲线的斜率}

当时达到最大，且随着的增大逐渐减小为0。也就是说随着输出电压摆幅的增大，电路变得更加非线性。

 {时，我们说电路处于平衡状态}

 （2）分析差动对的共模特性

 尾电流源的作用就是抑制输入共模电平的变化对M1管和M2管的工作以及输出电平的影响。

 

 {电路的对称性要求}

①时，由于M1管和M2的栅电位不比它们的源电位更正，所以两个晶体管都处于截止状态；

②时，M1管和M2管导通。之后，和持续增加，也会上升。在某种意义上，M1管和M2管构成了一个源级跟随器，强制跟随变化；

 

③对于足够高的，M3管的漏-源电压将大于，使M3管工作在饱和态。

故正常工作应满足;

④如果进一步增大，如果,则M1和M2管进入三极管区。这就为输入共模电平设定了上限。

 综上：

可以画出差动对的小信号差动增益与共模输入电平之间的函数关系草图：

 （3）差动对的电压输出摆幅

由于M1和M2工作在饱和区，每一端的输出可以高达，最小值约为。

所以，输入的共模电平越大，允许的输出摆幅就越小。

故，希望选择相对小的，但是前级电路可能不容易提供这么低的电平。

（4）定量分析

 因为P点的电压：

所以：

对于平方率器件：

因此：

我们的目的是计算差动输出电流,因为

我们有：

即：

又因为：

 可见，是的奇函数，当时，下降为0.

辅助定理： 

 {D1和D2代表任何三端有源器件}

假设从变化到，从变化到。如果电路仍保持线性，则值不变。假定。

还可以用戴维南等效代替差动对的每一边电路：

 

{只有在输入的变化较小以致于可以认为 时，上述论断才成立}

 上述辅助定理大大地简化了差动放大器的小信号分析。