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差分电压和电流放大器

差分电压和电流放大器

现在我们对电流镜和电压对有了很好的理解,我们可以将它们组合成差分电压和电流放大器。

所有后续的电路实际上都是电流镜和差分对的组合,主要目的是增加增益,其次是将差分输出转换为单端输出。这对于避免差分对在放大器第二级是必要的。大多数运放确实只使用单晶体管放大器作为第二级。最简单的放大器通常提供最宽的带宽。

下图中的放大器称为运算跨导放大器 (Operational Transconductance Amplifier, OTA)。它由一对由一个简单的电流镜加载的差分对组成。它只有一个输出。

左侧图显示直流电流。箭头的宽度对应于电流的大小。电流源IDD 在两个输入器件上除以2,并由负电源接收。显然,这两个电源电流都是相同的,因为没有任何电流可以逃逸。事实上,没有任何电流能在输出端逃逸。在右侧,当施加输入电压时,会显示电流。该电压使得M1 中的电流增加,导致另一晶体管M2中相同量电流的减少。电流源在M3 中接收到这个更大的电流,并迫使相同的电流通过M4。

在输出端,M2所提供的电流和M4 所需要的电流之间有很大的差异。这个差值是输出电流。它流过负载阻抗ZL,并产生输出电压。同样,电源电流和电流通过负载ZL 必须正确增加,以使满足柯肖夫定理 ( Kircho )

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图 1    运算跨导放大器

 

对于这个倒置的OTA,我们给出了相同的电流流动。

若干毫伏的输入电压将导致输入器件中的电流差异。T1 中的电流是电流源中总电流的74%,给另一个晶体管T2 剩下26%。这种电流上的差异之前被称为循环电流。因此,它是直流电流源电流的24% 或直流晶体管电流的48%!

这个74% 的电流流过三个器件,而第四个晶体管T2 只携带26%。这确实是一个非常不对称的增益级。这是该电路的单端特性的结果。通过负载的电流是T4 的74% 和T2的26% 之间的差值,即48%。负载电阻可将此电流转换为输出电压。通常没有负载电阻。它实际上由晶体管 T2和T4的两个输出电阻 rDS并联组成。

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图 2    单级运算跨导放大器

 

这个增益现在很容易计算出来。

如果我们用Rout 表示输出电阻,这同样是晶体管T2和T4 的两个输出电阻 rDS 的并联组合,那么增益即为gm1Rout 。带宽是由输出电容和上述的电阻 Rout 导致的。因此,GBW同样与单晶体管放大器相同。事实上,这是一个单级放大器,因为只有一个高阻抗点可以被区分,即在输出端处。所有其他节点都处于1/gm 阻抗级别。然而,增益并不是很高。我们可以使用设计技巧来增加增益。增益提高和电流取消等提高增益的方法已经讨论过, 我们现在将引入第四种技术来增强增益,即引导 ( Bootstrapping)

 

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图 3    单级运算跨导放大器

 

引导实际上之前已被引入,以消除预放大器前同轴电缆的输入电容的影响。事实上,第二缓冲器A2 将确保同轴电缆的外层线与内部导体处于相同的电位。因此,该电缆的内外层线之间没有电压差。因此,其电容(高达1pF/cm)无效。电缆的电容为 “引导输出, bootstrapped out”。

输入电容要么很小,要么输入阻抗极高。

 

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图 4    运算跨导放大器

 

尽管有偏置电阻R1和R2电阻,该缓冲器具有非常高的输入阻抗。为了安全,必须使用耦合电容。因此,需要偏置电阻来定义运算放大器的直流条件。正输入现在接地面,输出也在接地上。

这些电阻也会吸引交流电流,这是不允许的。为此,使用反馈电容CF使电阻R1 启动。

对于运算放大器有足够高的增益,输出遵循输入电压。电阻器R1 之间的电压约为零。它就被引导了。它呈现出一个无穷大的阻力。这种现象开始于电容CF 开始生效,即在零频率 fz

然而在实际中,放大器的增益是有限的。它的增益在GBW 方向降低。因此,输入阻抗将不会继续上升。它固定在 f2和 GBW 之间的频率附近(在对数尺度上)。

例如,如果两个电阻为1MΩ,一个电容CF 为0.1uF,则零频率 fz 为0.8Hz,并且对于 1MHz 的GBW,峰值频率为 1.3kHz。此时,ZIN 约为1.6 GΩ。

 

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图 5    高输入阻抗的引导-1

 

引入了引导放大器来增加前置放大器的输入阻抗。运放A1和A2 两者形成了具有三个电阻R1(两次)和R2的仪表放大器,这些电阻将其增益值精确的设置为2R1/R2。此外,在运放正输入端处的输入阻抗非常高。这样就无需从电极(传感器)中抽取任何电流。

输入传感器总是通过电容器CIN 与运算放大器输入端解耦。然而,运放的正输入必须在特定电压下进行偏置,其通过电阻R3/R4 完成。结果,由偏置电压VB 设置平均输出电压。

这些电阻R3/R4 大大降低了输入阻抗,这就是为什么添加了引导电容CB 的原因。他们启动电阻R3。由于放大器的反馈作用,电阻R3的电压几乎相同。它看起来像一个具有无穷大值的电阻,即它已启动出来。

由此,输入阻抗就极其高。

 

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图 6    高输入阻抗的引导-2

 

类似的,放大器的负载电阻R可以被引导,以使其有效值更高,也使电压增益更高。在下图中给出了一个例子。

该放大器是由晶体管Q1 组成,接着是带有晶体管Q2 的发射极跟随器。取决于实际的直流电流,其电压增益通常为gm1R。这个增益并不是那么高。然而,负载电阻器R并不连接到电源电压,而是连接到另一个发射极跟随器Q3,它通过三个二极管连接的晶体管连接到输出电压,每个晶体管的电压约为0.6V,因此,跨过电阻R的直流电压也是约0.6V。

然而,发射极跟随器Q3的输出处的交流电压与实际输出电压vOUT 大致相同,这与输入晶体管Q1 的集电极处的交流电压相同。现在电阻R 之间没有交流电压,它已启动其阻抗似乎是无限高,因此,电压增益相当高。

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图 7    引导到负载电阻R

 

同样地,晶体管M 5引导出晶体管M4 的输出电阻,使得在增益表达式中只剩下ro2

晶体管M5 实际上是作为一个源随器。它的增益近似于一,正如图6中的缓冲区A2 一样。晶体管M5 因此在漏极和源极处看到相同的交流电压。因此,它的输出电阻ro4被引导出来。

为了真正增加增益,我们必须添加与晶体管M1和M2 串联的共源共栅,或者设计它们具有较大的沟道长度。请注意,这种增益增强技术不会影响GBW,正如我们之前在所有增益增强技术中看到的那样。引导技术是增强增益的第四种技术。在实践中,我们将使用所有这四种技术的组合。我们需要它们,因为我们使用CMOS的沟道越来越短。

 

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图 8    引导输出电阻R

 

下图中显示了此引导技术的一个实际示例,它使用双极型晶体管。由于β 是双极晶体管中的一个附加参数,它也出现在增益表达式中。

注意,输出阻抗,由于我们在使用发射极跟随器其已经很低,会进一步降低。现在它已经很低,鉴于需要设计下一级,这是一个理想的情况。

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图 9    高增益 Av2 的引导

 

在我们讨论了实际上是一个单端差分电压放大器的OTA之后,我们现在重点讨论最常用的单端差分电流放大器。它源于传统的电流镜,一个共源共栅加在其上。这很容易实现,因为输入MOST M1的VGS1相当大,例如它是0.7V如果VT=0.5V。这给了共源共栅足够的空间。一个单个共源共栅只需要0.2V!它是通过晶体管M3来实现的。

此附加共源共栅不会更改当前电流镜中的任何内容。随着二极管的反馈环路增益更高,二极管连接的晶体管将更精确。两个输入电流源,一个是用IB表示的直流,另一个是用iin 表示的交流,将会像没有共源共栅存在的情况一样被相互镜像。

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图 10    电流差分放大器

 

但是,添加这个共源共栅会创建一个额外的节点,这个节点作为一个输入比原始节点更需要关注。

原因是该点的阻抗比原始输入值低了gm3ro 倍。这是反馈环路的结果。这个因素是由于增加了共源共栅而引起的附加环路增益。因此,输入信号电流源被引导到共源共栅的源极,而不是引入其漏极。当输入阻抗较小时,更容易实现一个理想的电流源。此外,此时的输入电容将会更小。

请留意,输入信号电流流过M1,因为没有通过M3 的出口。该电流随后由电流镜 M1-M2 进行镜像。

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图 11    电流差分放大器

通过M4添加另一个共源共栅,将导致下图中的电流差分放大器。

这允许应用另一个输入电流i2,该输入电流通过M4 流向输出。输出电流包含叠加在直流偏置电流IB 上的差分输入电流。输入电流的输入阻抗并不相同。对于电流 i1,输入阻抗相当小,而对于输入电流 i2,它取决于负载阻抗。对于较小的负载阻抗,输入电阻为1/gm4

这可能是最常使用的电流差分放大器。它用于许多运算放大器,将差分输出信号转换为单端输出信号。

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图 12    电流差分放大器

 

同样的电流差分放大器可以很容易地扩展到一个四输入电流放大器。

只要向电流源 i3 和i4 添加一个交流信号就足够了。通过这种方式,可以构建电流差分-差分放大器或任何其他多输入模拟处理模块到高频。

请注意,只有输出阻抗很高。所有其他节点都在1/gm 级别或以下。

 

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图 13     四输入电流放大器

 

这种电流差分放大器的一个重要优点是它可以在非常低的电源电压下工作。下图中显示了1V 电源电压。

对于0.7V 的VT,VGS−VT必须达到0.15V 而不是0.2V,才能应对1V 的电源电压。事实上,所有VGS 值都为0.85V。这为输入电流源的选择提供了足够大的空间。

注意,共源共栅 M3和M4的栅极现在接地,这是可用的最低电压。最大输出电压 Voutmax 为 0.7V,因为每个晶体管需要至少0.15V 的 VDS。很明显,对于深亚微米CMOS,VT 降至小0.3V,电源电压可以低至0.6V。确实是一个很低的值。

 

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图 14    低电压运算放大器

 

本节介绍了有关双晶体管的电路,如电流镜和差分对,它们被用来构建最常见的单端输出的电压和电流差分放大器,经常使用在运算放大器的设计中。

 

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