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系统失调和CMRR

系统失调和CMRR

到目前为止,我们只研究了随机效应。它们导致一个随机失调和随机CMRR,它们相互关联。系统误差也可能发生,一般来说,它们是系统不对称的结果。原则上,它们可以通过适当的设计来避免,因为它们是系统性的。它们产生了一个系统的失调和系统的CMRR,并且相关。下面给出了一些例子。

系统误差的第一个来源是由电流镜的系统不对称性引起的。即使没有随机误差,漏极源电压vDS的差异,也会导致输出电流 ΔiOUT小的差异,其总是有相同的符号。它可以很容易地计算出来,从而得到下图中的表达式。沟道长度越大,曲线越水平,输出电流差越小,然而它永远不能变为零,因为几乎不可能使vDS1完全等于vDS2

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图 1     电流镜的系统失调

 

系统误差的另一个来源是差分对的共模驱动vinc,如下图所示。电流镜的系统不对称性得到了一个差分输出电流 iOUT,该电流可以在输入时通过差分输入电压或失调电压vOSC 进行失调。为了计算失调由共模输入电压vinc引起的输出电流所需的失调电压,绘制了一个小信号等效电路。

共模输入电压vinc导致电流 ic流过电流源的输出电阻RB。,该电流的一半流过这两个输入器件。它们现在可以用两个值为ic/2的电流源来表示。负荷可以采用一个接地短路,因为考虑中间频率,通过它的电流是差分输出电流 iOUT, 因此只需要包括ro1。电流镜像已简化为值为1/gm3的电阻。通过它的电流被镜像到输出中。从这个简化的等效电路中,输出电流可以很容易地计算出来,这显然取决于gm3和ro1

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图 2     差分对的系统 CMRR- 1

 

这个输出电流iOUT现在可以通过的简单除以gm1返回到输入,失调电压vosc只是这个输出电流除以gm1。但是请注意,由共模电压引起的输出电流与由差分输入电压或失调电压引起的输出电流的比率,只是CMRRs 的倒数。这是系统失调电压和系统CMRRs 之间的联系,接下来将给出了实际的表达式。

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图 3      差分对的系统 CMRR- 2

 

用晶体管参数替换几个增益会产生CMRR,,它的值相当大,因为两个积 gmro相乘。 同样,CMRR和失调的乘积等于常数值,在这种情况下,它是共模输入电压。 它的值相当有限, 因此,只有在失调非常小的情况下才能达到高共模抑制值。

现在同样清楚的是,可以通过施加差分输入电压(根据定义为失调电压vosc)或通过施加共模输入电压vinc 来使运算放大器的输出电压为零。 他们的比率就是 CMRR。CMRR的一种简单测量技术包括应用特定的差分输入电压vOSC,并通过测量将输出电压恢复到原始值所需的共模输入电压vinc,他们的比率也是CMRR。

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图 4     差分对的系统 CMRR- 3

 

然而,通过这种方法,同时测量了随机CMRRr 和系统 CMRRs,较小的一个总是占主导地位。

 

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图 5    总的 CMRR

 

下图中显示了一个CMOS Miller OTA,接下来将讨论这种放大器的失调 。输入器件通常是 pMOSTs,以便它们可以共享相同的n 阱衬底。这样,衬底参数 γ 中的不匹配就不会出现,但是对于 nMOSTs,这个参数确实出现。这就是为什么术语 ΔVT3 有一个星号,没有衬底参数的影响它会更大。

在下图中给出了失调电压。首先,它包括节点1和2之间的任何差异,称为节点ΔVDS1 , 这种差异可能是由VGS6和VGS3之间的差异引起的。它还包括在节点1上的大的交流电压摆动,它在节点2上要小得多。第二和第三项是由VT之间的不匹配引起的。最后一项包括晶体管尺寸和K’ 因子之间的不匹配,它们显然是由VGS1−VT缩小放大的。对于小的VGS1−VT值和小的gm3/gm1,如果ΔVDS1可以保持较小,ΔVT1项可能占主导地位;如果不能,它对失调的贡献是ΔVDS1/Av1 或VOUT/Av1Av2

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图6     CMOS  OTA 的米勒失调

 

下图显示了折叠共源共栅 OTA,接下来探讨它的失调电压。下图中给出失调电压vOS , 它首先包括节点4和节点5之间的任何差异,这被称为ΔVDS3,它主要是在节点4上的大交流电压摆动,其在节点5上要小得多。接下来的三项都是由VT之间的不匹配造成的,它们同等重要并取决于gm,最后一项包晶体管括尺寸和K’ 因子之间的不匹配。它们显然是由VGS1−VT 缩小放大的。共源共栅没有进入。

这清楚地表明,一个折叠共源共栅的失调可以相当大,因为它是由三个差分对的扩散组成的。对于CMOS 米勒运放,也可以得出类似的结论。

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图 7     折叠共源共栅 CMOS  OTA 的失调

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