差分放大器与失调分析
差分放大器(差分对)是模拟集成电路中最重要的基本结构,几乎所有运放的输入级都使用差分对。差分对只放大两个输入端之间的差模信号,而抑制两个输入端的共模信号,这种特性使其具有优越的抗干扰能力。理解差分对的 DC 传输特性(大信号摆幅和线性范围)、小信号参数(差模增益、共模增益、CMRR)以及 器件失配导致的失调电压,是掌握运放设计的关键。本文基于 Gray §3.5 提炼。
前后关系
前置知识:
- 单管放大级(§3.1-§3.3)— CE/CS 放大级的基本特性
- 双极晶体管大信号特性(§1.3)— V_BE 指数特性
- MOS晶体管模型与特性(§1.5-§1.6)— 平方律特性
本书内部链条:
- 差分放大器与失调分析(本文)→ 电流镜与有源负载(Ch.4)— 差分对有源负载
- → 运算放大器设计基础(Ch.6)— 运放的差分输入级
- → 输出级设计(Ch.5)— 互补输出级特性
- → 全差分运算放大器(Ch.12)— 共模反馈(CMFB)
外部关联:
- 运算放大器设计 — 运放输入级的差分对
- 失调消除技术 — 失配根源的定量分析基础
- CT-ΔΣ积分器实现与OTA架构 — 差分输入 OTA
- 反馈理论与分析 — 差分放大器的反馈应用
原理介绍
3.5.1 射极耦合对(BJT 差分对)的 DC 传输
基本结构(Gray Fig. 3.25):
VCC
|
R_C1 R_C2
| |
Q1 Q2 (匹配对管)
| |
────┬────
|
I_TAIL (尾电流源)
|
VEE
大信号传输特性(Gray §3.5.1):
输入差模电压 ,利用 Ebers-Moll 模型:
差模输出电流:
差分输出电压:
关键参数:
| 参数 | 表达式 | 说明 |
|---|---|---|
| 差模跨导 | 当 时 | |
| 最大输出摆幅 | 一个管子完全关断 | |
| 线性范围 | BJT 指数特性线性范围窄 | |
| 跨导线性化 | 加发射极退化 | 可扩展线性范围 |
传输特性曲线特征:
- 时,(平衡态)
- 当 ()时,一个管子几乎承载全部尾电流
- 跨导在平衡点最大,随 增大而下降
带发射极退化的射极耦合对
在发射极串联 后(Gray Fig. 3.26):
差模跨导:
线性范围扩展:
- 退化后的传输特性:当 时,线性范围
- 代价:差模增益按 倍降低
3.5.2 源极耦合对(MOS 差分对)的 DC 传输
大信号传输(Gray §3.5.3):
使用平方律模型 :
差模跨导:
电压-电流转换:
最大输入线性范围:
BJT 与 MOS 差分对特性对比:
| 特性 | BJT | MOS |
|---|---|---|
| 线性范围 | (窄) | (宽,可控) |
| 输入偏置电流 | 0(栅极绝缘) | |
| 跨导效率 |
3.5.3 差分对的小信号分析
差模特性
差模半电路(Gray Fig. 3.28a):由于对称性,将差分对沿对称轴剖开,差模信号在对称轴上等效为交流地。
- 差模电压增益:
- 差模输入电阻:
共模特性
共模半电路(Gray Fig. 3.28b):共模信号在对称轴上等效为开路,但尾电阻/尾电流源的阻抗 Z_TAIL 在共模分析中至关重要。
共模电压增益(仅考虑尾电流源内阻 R_TAIL):
BJT:
MOS:
共模抑制比(CMRR):
- 单位:
- 典型值:60-120 dB
- 提高 CMRR 的关键:增大尾电流源阻抗 R_TAIL(使用 Cascode 电流源)
共模输入范围
共模输入电压不能超过一定范围,否则尾电流源或输入管会进入线性区/截止区。
- 最大共模电压:使输入管保持饱和/有源区的上限
- 最小共模电压:使尾电流源保持饱和/有源区的下限
- 设计意义:轨到轨输入级需要两对互补差分对(NMOS + PMOS)
3.5.4 平衡差分放大器的特性
当差分放大器完全对称(完美匹配)时:
- 共模信号在输出端为零(理想 CMRR)
- 差模增益由半电路分析决定
- 电源噪声表现为共模干扰 → 被抑制
实际限制:器件失配、布局不对称 → 共模→差模转换 → CMRR 实际值低于理论值。
3.5.5 器件失配与输入失调电压
输入失调电压 定义为使输出电压为零时需要在输入端施加的差模电压。
BJT 差分对的失调:
- 主要来源:发射区面积失配(影响 )、负载电阻失配
- 温度依赖:(每 mV 失调)
MOS 差分对的失调:
其中 。
失配的统计模型(Pelgrom 定律):
其中 和 是工艺相关的失配系数。
典型值:
- (取决于栅氧厚度)
总失调电压标准偏差:
(此部分定量失配分析与 失调消除技术 中的 “失调来源” 直接衔接)
设计降低失调的方法:
- 增大晶体管面积(WL→ 失配 ∝ 1/√(WL))
- 使用较大的过驱动电压(降低 Δβ/β 贡献的比例)
- 共心布局、虚拟器件
- 加发射极/源极退化(对 BJT 有效)
📘 Huijsing 补充:折叠共源共栅运放的完整失调分析(§1.2.2)
Huijsing 专著给出了折叠共源共栅运放(Fig. 1-2)的完整失调表达式。当共源共栅管 M7-M10 的失配可忽略时:
与 Gray 差分对失调公式的差异:
- Gray §3.5.5 只分析差分对本身的失配()
- Huijsing 扩展到完整运放结构,包含三对失配管(输入对 M1-2、电流镜 M3-4、尾电流源 M5-6)
设计结论:
- 输入对 M1-2 应工作在弱反型以最大化 → 最小化其他管失配的贡献
- 电流源 M5-6 和电流镜 M3-4 应工作在强反型以最小化
- 典型运算结果:当 mV、、 V⁻¹、 → mV
- 若仅靠面积降低失调,( 超 )在 时需要 6400 μm² → 远大于典型运放面积
关联页:失调消除技术 — 本书更深入的 Huijsing 失调分析
差分对设计示例
设计一个 BJT 差分对:
- 目标:, ,
- 每管偏置: →
- (检查输出摆幅)
- ()
- CMRR:若 ,
设计一个 MOS 差分对:
- 目标:, ,
- 每管偏置:
- 线性范围
参考文献
- P. R. Gray, P. J. Hurst, S. H. Lewis, R. G. Meyer, Analysis and Design of Analog Integrated Circuits, 5th ed., Wiley, 2009, §3.5.
- B. Razavi, Design of Analog CMOS Integrated Circuits, McGraw-Hill, 2001, Ch.3.
- M. J. M. Pelgrom, A. C. J. Duinmaijer, A. P. G. Welbers, “Matching Properties of MOS Transistors,” IEEE J. Solid-State Circuits, vol. 24, pp. 1433-1439, Oct. 1989. (Pelgrom 失配模型的开创性论文)
- P. R. Gray, R. G. Meyer, “MOS Operational Amplifier Design—A Tutorial Overview,” IEEE J. Solid-State Circuits, vol. 17, pp. 969-982, Dec. 1982.
📚 Razavi 补充
Razavi 第 4 章(Differential Amplifiers)在 Gray §3.5 的基础上,有以下差异和补充:
1. 教学方法差异
- Gray 的方法:用半电路法分析差分对,同时覆盖 BJT 和 MOS,公式推导严谨
- Razavi 的方法:强调直觉理解,用”跷跷板效应”形象解释差分对行为
- Razavi 更突出大信号 随共模电压变化以及输入共模范围(ICMR)的计算
2. Razavi 的独特内容
- “跷跷板效应”的直观解释:输入差模电压就像跷跷板的支点,一端升高则另一端降低
- ICMR 的详细计算(Razavi §4.3):共模输入范围上下限的系统推导,包括尾电流源的工作条件约束
- 不同负载下增益特性的对比分析(Razavi §4.4):电阻负载 vs 电流镜负载 vs 二极管连接负载的增益、线性度、速度对比
- Gilbert 单元(Razavi §4.5):电压乘法器的实现和增益控制
3. 差分对三种负载的详细分析(Razavi §4.4)
| 负载类型 | 增益 | 特点 |
|---|---|---|
| 电阻负载 | 线性度好,工艺变化大 | |
| 电流镜负载 | 增益高,实现差分→单端转换 | |
| 二极管连接负载 | 低阻抗,高速 |
- Gray §3.5 主要讨论电阻负载和简单电流镜负载,Razavi 增加了二极管连接负载的分析
4. 失调分析的 Pelgrom 模型
- 两书都覆盖 Pelgrom 定律:
- Razavi 的讨论在 §14.2(非线性和失配章节),比 Gray §3.5.5 更深入
- Razavi 增加了失调消除技术的系统讨论(Auto-Zeroing、CDS、Chopping)
方法论对比:Gray 的差分对分析严谨全面,BJT 和 MOS 并行对比是特色;Razavi 更强调直觉理解和工程设计,ICMR 的计算方法更实用。建议掌握 Gray 的半电路分析法后,通过 Razavi 强化直觉和设计能力。
关联页:Razavi Design of Analog CMOS ICs 深度解析 §4, §14
双向链接
本文链接到
- 单管放大级 — 差分对的构成单元
- Cascode与多管放大级 — 差分对中的 Cascode 技术
- 失调消除技术 — 失配根源的定量分析衔接
链接到本文
- 运算放大器设计基础 — 运放输入级为差分对
- 运算放大器设计 — 差分输入级设计
- 全差分运算放大器 — 全差分结构
- 电流镜与有源负载 — 有源负载差分对
- CT-ΔΣ积分器实现与OTA架构 — OTA 差分输入
- Gray 模拟集成电路分析与设计 深度解析 — 来源导航页
- Allen CMOS Analog Circuit Design 深度解析 — §5.2 三种负载对比
📘 Allen 3e 补充(§5.2 三种负载的系统对比)
Allen 对差分放大器的独特贡献是将三种负载类型系统化对比,用同一框架分析不同负载下的性能参数。
三种负载对比(Allen 系统分类):
| 负载类型 | 增益 | 输出摆幅 | 线性度 | 速度 | 应用 |
|---|---|---|---|---|---|
| 电阻负载 | 大() | ★★★★★ | ★★★★ | 高速/低增益 | |
| 电流镜有源负载 | 中(受 限制) | ★★★ | ★★★ | 高增益 | |
| 二极管连接负载 | 大 | ★★★ | ★★★★★ | 宽带 |
Allen 的 DC 传输特性(§5.2.1):
- 线性输入范围:( 是过驱动电压)
- 线性范围 vs 增益的权衡:低 高 但线性范围窄
电流镜负载差分放大器详细分析:
- 差分-单端转换的原理:电流镜将 镜像到输出并与 相减
- ,比电阻负载增益高约 倍
- CMRR 受限: 导致
📘 Baker 3e 补充(Ch.22 差分放大器的独特结构)
Baker §22 的差分放大器覆盖有两大独有内容:源交叉耦合对和恒定 差分放大器,以及短沟道下 CMRR 的实用退化分析。
1. 源交叉耦合对(§22.2)—— Baker 独有
源交叉耦合对(Source Cross-Coupled Pair)是 Baker 独有的电路结构:两个差分对交叉连接,利用”电流导向”原理实现大摆幅差分输出。
- 结构:M1-M2 主差分对 + M3-M4 交叉耦合从对,两者共享尾电流
- 传输特性:交叉耦合负阻效应使得传输特性比标准差分对更锐利
- 增益增强:(交叉耦合增加了总跨导)
- 应用:VCO 中的负阻产生、高速比较器
Gray/Razavi/Allen 均未覆盖此结构。
2. 恒定 差分放大器(§22.5)—— Baker 的工程贡献
传统差分对中 随共模电压变化(输入管 和体效应变化),Baker 提出一种自偏置恒定 结构:
- 原理:通过负反馈环路调节尾电流,补偿共模电压变化对 的影响
- 实现:复制一份偏置电路 + 比较器 + 电流调整环路
- 效果:在整个输入共模范围内保持 变化 < 5%
3. 短沟道下的 CMRR 退化(§22.3)
Baker 强调在短沟道工艺中尾电流源输出电阻 严重下降(),导致 CMRR 恶化:
缓解措施:使用 Cascode 尾电流源(Cascode 恢复 ≈ )或共模前馈补偿。
Baker 的差分放大器 vs 其他教材:Gray §3.5 提供最严谨的半电路分析(BJT+MOS);Razavi Ch.4 侧重直观理解和线性范围;Allen §5.2 系统对比三种负载;Baker §22 的源交叉耦合对和恒定 差分放大器是独特的电路拓扑贡献,在 Gray/Razavi/Allen 中都找不到。
关联页:Baker CMOS 电路设计版图与仿真 深度解析 §22
📗 Sansen 补充(Ch.3 差分对 + Ch.15 Offset/CMRR——系统化失调分析)
Sansen 对差分放大器的覆盖分布在两个章节中:Ch.3 差动电压电流放大器(基础拓扑)和 Ch.15 Offset and CMRR(随机/系统失调),后者的深度在经典教材中独一无二。
1. Ch.3 差动对与电流镜的基础分析
Sansen Ch.3 覆盖电流镜(基本/Cascode/Wilson/改进型)和差分对(DC 传输、小信号参数、差模/共模增益),与 Gray §3.5 和 §4.2-4.3 互补,但突出 统一视角:
- 差分对跨导:(每边),
- 电流镜输出电阻:(基本),(Cascode)
2. Ch.15 随机失调——Pelgrom 模型
Sansen 深入覆盖 Pelgrom 模型(引用 Pelgrom JSSC 1989):
其中 ,与栅氧厚度和衬底掺杂浓度相关。
不同管面积的 典型值(Sansen 提供):
| 面积 | 应用 | |
|---|---|---|
| 60/0.7 μm | ~2 mV | 通用模拟 |
| 100/0.5 μm | ~1.6 mV | 高精度 |
| 400/0.5 μm | ~0.8 mV | 精密匹配 |
3. Ch.15 系统失调与 CMRR
Sansen 将失调分为随机和系统两类:
| 类型 | 来源 | 表现 | 缓解 |
|---|---|---|---|
| 随机失调 | 工艺波动(、) | 与面积 | 增大面积、共心版图 |
| 系统失调 | 设计不对称( 失配、电流镜失配) | 可预测 | 对称设计、Cascode |
CMRR 与频率的关系——量化模型
Sansen 详细推导了 CMRR 随频率退化的机制,这是其他教材中较少深入覆盖的内容。
CMRR 退化的物理根源:
差分对的 CMRR 在低频时由尾电流源阻抗 决定:
但随频率升高,寄生电容使尾节点阻抗下降,导致共模增益上升:
其中 是尾节点的总寄生电容(尾电流源的 、输入管的 、互连寄生)。代入 CMRR 表达式:
因此 CMRR 在频率 以上以 -20 dB/dec 滚降。
更完整的 CMRR 退化模型(包含 的贡献):
输入管的栅漏寄生电容 构成了从输入到输出的前馈路径,在共模分析中等效为一个交叉耦合的不对称导纳。综合考虑尾电容 和 后:
在超高频时,CMRR 的下降速率可达 -40 dB/dec(两个寄生效应叠加)。
CMRR 带宽 vs 增益带宽的对比:
(CMRR 滚降频率)= 通常远低于运放的 ,因为 要求很大(Cascode 电流源)导致 RC 时间常数大。
MOST vs BJT 的 CMRR 带宽对比:
| 维度 | MOST 差分对 | BJT 差分对 |
|---|---|---|
| (约 19× 更大) | ||
| 主要贡献 | (源-衬底结)+ (尾电流源漏结) | (隔离结电容) |
| 较低( 较大) | 较高( 较小,且 BJT 版图紧凑) | |
| 中频 CMRR | (BJT 的 更高,相同 时 CMRR 更大) | |
| 超高频退化 | 体效应引入额外退化路径 | 无体效应 |
提高 CMRR 带宽的电路技术:
Sansen 提出三种改善 CMRR 频率特性的方法:
-
Cascode 尾电流源:将 从 提高到 ,同时用 Cascode 管的低寄生电容保持 不显著增加。 提升约 倍。
-
共模前馈补偿(CM Feedforward):在输入级引入一个与共模信号反相的补偿路径,抵消寄生耦合导致的共模到差模转换。原理类似调零电阻消除 RHP 零点——在 CMRR 传递函数中引入零点来抵消极点。
-
共模信号抑制环(CMFB):不仅是 DC 共模反馈,在 CMFB 环路中加入频率补偿使其带宽接近差模 GBW。这需要额外的补偿电容和放大器。
设计指导:对于高频混合信号电路,使用 Cascode 尾电流源是提高 CMRR 带宽的最有效方法。若仍不足,采用全差分结构(在全差分运放中,理想 CMRR → ∞ 因为差分输出抵消共模分量)。
4. MOST vs Bipolar 失调对比
| 维度 | MOST | Bipolar |
|---|---|---|
| 失配 | ||
| 失配 | ||
| 面积需求 | 较大( 约 ) | 较小( 波动更小) |
Sansen vs Gray/Razavi/Allen/Baker:Gray §3.5 侧重半电路分析;Razavi Ch.4 侧重直觉理解;Allen §5.2 系统对比三种负载;Baker §22 提供源交叉耦合对等独特拓扑。Sansen 的 Ch.15 随机/系统失调的系统化覆盖(含频率依赖 CMRR、MOST vs BJT 对比)是其他教材未及的深度。
关联页:Sansen 模拟集成电路设计精粹 深度解析 §3, §15
📘 Ivanov《Operational Amplifier Speed and Accuracy Improvement》补充——输入级设计全视角(Ch.5)
Ivanov Ch.5 对输入级的覆盖有两个独特角度:从 OpAmp 系统规格出发的输入级参数分解,以及面向实际应用的设计权衡(轨到轨、CMRR/PSRR、噪声、修调)。
Rail-to-rail 输入级实现方案(§5.1)——Ivanov 的分类:
- 主流方案:NMOS/PMOS 互补差分对 + 尾电流控制电路保持 恒定(与 Huijsing 覆盖的恒定 方法类似)
- 单差分对 + Bootstrap 尾电流源:减少器件数量,但摆幅受限
- 低 晶体管(native/depletion-mode):允许单个差分对覆盖整个共模范围,但工艺限制大
- Ivanov 的评估:R-to-R 输入级虽非所有应用必需,但推荐用于避免客户应用中因共模信号意外变化导致的条件不稳定
CMRR/PSRR 的改善方法(§5.2)——Ivanov 的系统化分析:
- CMRR 的实质:输入级对共模信号的差分-共模转换的抑制能力
- 改善方向:
- 提高尾电流源的输出阻抗(使用 Cascode + gain boosting)
- 改善输入管匹配(增大面积、共心版图)
- 减小体效应(对 MOS 而言:单独的阱连接)
- 使用共模前馈补偿技术抵消共模变化对输出的影响
- PSRR:由输入级设计和偏置电流的电源稳定性共同决定 → 与 Ch.3 的 subregulated biasing 衔接
修调技术(Trimming)(§5.3-§5.4)——Ivanov 的独特覆盖:
- Ivanov 将修调分为两个层面:失调修调(Offset Trimming) 和温度漂移修调(Temperature Drift Trimming)
- 修调方法:
方法 原理 精度 代价 激光修调 薄膜电阻激光切割 高 需专门工序 Zener zap 齐纳二极管短路/开路 中 一次性,不可逆 EPROM/EEPROM 非易失存储调整 DAC 高 工艺复杂 数字修调 片内寄存器 + DAC 调整 灵活 面积大 - 温度漂移修调:独立于失调修调,使用负 TC 电流来补偿温度引起的漂移
- 应用:负 TC 电流与 Ch.3 的四种偏置类型配合使用
输入保护电路(§5.5)——Ivanov 的实用视角:
- Bipolar 工艺中:发射结反向击穿电压通常远低于集电结 → 需专门的输入保护
- 典型保护方案:
- 二极管箝位:输入到电源轨的正向/反向二极管,限制输入摆幅
- 串联限流电阻:限制故障电流
- JFET/MOS 开关保护:过压时断开输入路径
- 保护电路的设计挑战:不能影响正常工作的噪声和输入偏置电流性能
输入级折叠 Cascode 的改进(§6,间接关联):
- 折叠 Cascode 是 R-to-R 输入 OpAmp 中连接输入级和输出级的关键中间级
- 浮动电流源(Floating Current Source, §6.1):在折叠 Cascode 中实现 R-to-R 输出的关键技术
- 电压增益提升和电压箝位(§6.3-§6.4):在折叠 Cascode 中应用 gain boost 技术
- Direct voltage gain boost(§6.3):在折叠 Cascode 中直接加 gain boost 放大器
- 利用电流镜像的 gain boost(§6.4):更紧凑的实现方式
Ivanov vs 其他教材:Gray §3.5 仅分析差分对本身;Razavi §4 侧重直觉理解和 ICMR;Sansen §15 深入系统/随机失调但未覆盖 rail-to-rail 输入级的系统实现和修调方案;Baker §22 提供恒定 结构但仍未系统覆盖修调。Ivanov 的独特贡献:① R-to-R 输入级方案的工程权衡评估(含条件稳定性考量);② 失调+温度漂移修调的系统分类;③ 输入保护电路的实用覆盖。这在其他经典教材中均未系统涉及。
关联页:Ivanov Operational Amplifier Speed and Accuracy Improvement 深度解析 §5, §6