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线性场效应管构成的全差分放大器

线性场效应管构成的全差分放大器

 

现在我们知道了如何推导出全差分放大器的规格参数,我们来看看其中最常使用的三个放大器,第一个是使用线性区域的 MOSTs 来进行共模反馈。

这可能是最简单的 CMFB 放大器,它由一个差分对组成,其电流源由线性区域中的两个晶体管 M3组成,VDS3<VGS3−VT。CMFB 放大器的三种功能非常清晰。输出电压由两个晶体管 M3来测量,它们的漏极被连接起来以抵消差分信号,而反馈回路被关闭。

晶体管 M3因此是 CMFB 放大器的输入器件,这就是为什么他们的 gm3出现在 GBWCM 的表达式中。差分对的输入晶体管 M1作为 CMFB 的级联。很明显,在线性区域中,跨导比在饱和区域中要小得多,因此,共模 GBWCM小于GBWDM。这是一个缺点!

为什么晶体管 M3会在线性区域内工作?这有两个原因:首先,要在中间有一个输出电压,我们需要一个大的VGS3。为了不降低大的压降,我们需要一个小的VDS3。显然,M3 必须在线性区域内。另一个原因是线性度,我们需要对差分信号进行线性消除,以避免由于反馈而减少的差分增益。线性区域中的晶体管是非常线性的!

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图 1    线性场效应管的共模反馈放大器

 

另一个带有 CMFB 的全差分放大器参见下图。差分放大器是一个对称的放大器,而 CMFB 放大器与以前相同,它在线性区域中使用晶体管 M5。同样,要测量输出。差分信号通过(绿色)线抵消,回路关闭。晶体管 M6在两个放大器中都是级联。注意,独立偏置由中间的晶体管 M7处理,它有一个大的 VGS7(是总电源电压的一半)和一个小的 VDS7

通过匹配晶体管 M5与M7,输出电压约为零。假设我们有一个B系数 3,晶体管M5 随后比晶体管 M7大 50%, 它的电流也比晶体管 M7中的电流大 50%。由于级联M6,它们的VDS电压相同,它们的VGS 值也必须相同。由于 M7的栅极接地,输出电压也必然接近地。此外,输出电压比之前的电路被更好地定义(通过匹配),之前它们取决于晶体管的大小。

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图 2    线性场效应管的全差分放大器

 

同样的 CMFB 放大器也可以应用于一个折叠级联级。现在我们有一个折叠级联OTA 做差分运算,使用与以前相同的CMFB 放大器。晶体管 MN3在线性区域内工作,他们再次执行了三个功能。

由于晶体管 MN3 与输入端的电流源中的两个晶体管匹配,所以输出电压将在0V左右。他们的栅极与地面相连。所有分支中的电流都是相同的,VGS 值也完全相同。因此输出电压接近地。

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图 3    线性场效应管的全差分放大器

 

在下图中显示了一个全差分的轨对轨放大器,它由两个并联的折叠级联组成。 CMFB 放大器与以前相同。晶体管 Mra和 Mrb位于线性区域中,并定义了 GBWCM。这比GBWDM要小,这可能是一个缺点。

这个 CMFB 放大器具有与以前相同的优势,平均输出电压通过匹配来决定。然而,晶体管 Mra/Mrb 与晶体管 Mref 相匹配。它的栅极电压 Vbo 决定了输出的平均电压。独立偏置由晶体管M3/M4 和M15 执行。所有电流均由这些源设置。

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图 4    放大器电路原理图

 

MOSTs 在线性区的另一个 CMFB 例子见下图;它是一个高速放大器。尽管采用了老的1.2um CMOS技术,但由于大电流,在两个5pF 电容中可以达到 850MHz的 GBW。它是用于差分操作的折叠级联共栅。 唯一的附加特性是通过电容 CF围绕较慢的 pMOST 级联进行的前馈。CMFB 放大器与以前相同。输出约为0V,因为向输入对提供直流电流的 nMOSTs 的栅极为0接地。

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图 5    有 FF的全差分 OTA

 

作为这种共模反馈的最后一个例子,在下图中重复了一个简单的单级电压放大器。然而,它是一个用于差分操作的跨导器。输入器件在线性区域内工作,以避免失真。CMFB 放大器还由线性区域中的器件组成,以提供对差分信号的准确抵消。环路在 pnp 晶体管上闭合,发射极有一些退化。

然而,该 CMFB 放大器有一个缺点,在之前的第一个单级电压放大器中讨论过,平均输出电压定义不很好。平均或共模输出电压由顶部晶体管 M3和M4的 VGS值设定,这些值取决于电流源 Itot 所施加的电流、晶体管 M3/M4 的尺寸及其 KP值。因此,它们并不是那么准确。这是否是一个问题取决于下一个电路,它从这一级继承了其直流偏置。

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图 6    CDG 补偿的跨导

 

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