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Section 1 先后介绍有源负载差动对(俗称五管 OTA )的电路分析、性能指标、基于工艺参数法的设计步骤、基于 g m / I D g_{m} /I_{D} gm/ID 法的设计步骤等。本文先对电路进行简单分析,理解并熟悉各管子对整体电路的影响。
M1 和 M2 两 NMOS 为差分输入对管;M3 和 M4 构成有源电流镜,作为负载,均为 PMOS ;M5 为尾电流管,它也为 NMOS。
下面考虑负输入 Vin- 对输出 Vout 的影响。输入Vin- 在 M2 管的栅端,输出 Vout 在 M2 的漏端,为共源极结构。输入 Vin- 与输出 Vout 的传递关系如下所示:
V
o
u
t
V
i
n
−
=
−
g
m
2
(
r
O
2
/
/
r
O
4
)
\frac{Vout}{Vin-}=-g_{m2}(r_{O2}//r_{O4})
Vin−Vout=−gm2(rO2//rO4)
输入 Vin- 与输出 Vout 是反相的,故将M2的输入端定为负输入。
下面考虑正输入 Vin+ 对输出 Vout 的影响。
Vin+ 和 V1 的传递关系:
V
1
V
i
n
+
=
−
g
m
1
(
r
O
1
/
/
r
O
3
/
/
1
g
m
3
)
≈
−
g
m
1
g
m
3
\frac{V1}{Vin+}=-g_{m1}(r_{O1}//r_{O3}//\frac{1}{g_{m3}})\approx-\frac{g_{m1}}{g_{m3}}
Vin+V1=−gm1(rO1//rO3//gm31)≈−gm3gm1
V1 和 Vout 的传递关系:
V
o
u
t
V
1
=
−
g
m
4
(
r
O
2
/
/
r
O
4
)
\frac{Vout}{V1}=-g_{m4}(r_{O2}//r_{O4})
V1Vout=−gm4(rO2//rO4)
此外,
g
m
3
=
g
m
4
。
g_{m3}=g_{m4}。
gm3=gm4。因此,Vin+ 和 Vout 的传递关系:
V
o
u
t
V
i
n
+
=
g
m
1
(
r
O
2
/
/
r
O
4
)
\frac{Vout}{Vin+}=g_{m1}(r_{O2}//r_{O4})
Vin+Vout=gm1(rO2//rO4)
输入 Vin+ 与输出 Vout 是同相的,故将M1的输入端定为正输入。
为方便描述,将 Vin+ 引起的输出的变化记为Vout1 ,根据上一部分介绍运放输入极性得到的结论可知:
V
o
u
t
1
=
g
m
1
(
r
O
2
/
/
r
O
4
)
×
(
V
i
n
+
)
Vout1=g_{m1}(r_{O2}//r_{O4}) \times (Vin+)
Vout1=gm1(rO2//rO4)×(Vin+)
Vin- 引起的输出的变化记为 Vout2 ,同样可知:
V
o
u
t
2
=
−
g
m
2
(
r
O
2
/
/
r
O
4
)
×
(
V
i
n
−
)
Vout2=-g_{m2}(r_{O2}//r_{O4}) \times (Vin-)
Vout2=−gm2(rO2//rO4)×(Vin−)
Vin+ 和 Vin- 共同作用,影响了输出 Vout 。根据叠加法得到输出 Vout 的表达式。因为
g
m
1
=
g
m
2
g_{m1}=g_{m2}
gm1=gm2,Vout = Vout1 + Vout2 ,故有:
A
V
=
V
o
u
t
(
V
i
n
+
)
−
(
V
i
n
−
)
=
−
g
m
1
,
2
(
r
O
2
/
/
r
O
4
)
A_{V}=\frac{Vout}{(Vin+) - (Vin-)}=-g_{m1,2}(r_{O2}//r_{O4})
AV=(Vin+)−(Vin−)Vout=−gm1,2(rO2//rO4)
增益表达式也可以化为如下形式:
A
V
=
−
2
K
1
W
1
,
2
L
1
,
2
I
5
2
2
(
λ
2
+
λ
4
)
I
5
=
−
W
1
,
2
K
1
L
1
,
2
I
5
2
(
λ
2
+
λ
4
)
A_{V}=-\sqrt{2K_{1} \frac{W_{1,2}}{L_{1,2}} \frac{I_{5}}{2} } \frac{2}{ (\lambda_{2} + \lambda_{4})I_{5}}=-\sqrt{ \frac{W_{1,2} K_{1}}{L_{1,2}I_{5}} } \frac{2}{ (\lambda_{2} + \lambda_{4})}
AV=−2K1L1,2W1,22I5
(λ2+λ4)I52=−L1,2I5W1,2K1
(λ2+λ4)2
从上面给出的增益表达式可以看到:
(1) 输入差分对管M1和M2的宽长比越大,增益会越大。
(2)
λ
\lambda
λ 和管子的沟长 L 成反比,增大M2或M4管的 L ,
λ
\lambda
λ变小,输出电阻
r
o
n
=
1
λ
I
D
ron=\frac{1}{\lambda I_{D}}
ron=λID1可能会变大,从而使得增益变大。(之前这里输出电阻和沟长的关系写反了,感谢指出!)
(3) 两路的小交流电流在M5的漏端相遇且正好大小相等方向相反,使得尾电流管M5的四个端电压都仅有直流成分,没有交流成分。但是,M5产生的电流
I
5
I_{5}
I5不仅会影响上方几个管子的
g
m
g_{m}
gm,还会影响其输出电阻。由上面给出的最后一个增益表达式可见:尾电流减小可能会使增益变大。
为使电路尽可能对称,输入差分对管的宽长比应一致,负载对管也应保持宽长比一致。
本系列文章为学习笔记,本文的学习资料主要为 b站up主:请原谅我犯的错 的视频。
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