【技术专辑】有源负载MOSFET差分对的优点

在本文中,我们将讨论使用有源负载的两个好处:改进的偏置条件和差分到单端转换。

 

支持信息

 

•分立半导体电路:差分放大器

 

•分立半导体电路:简单的运算放大器

 

•绝缘栅场效应晶体管(MOSFET)

 

•基本MOSFET恒流源

 

•基本MOSFET差分对

 

•适用于0.35μmMOSFET的SPICE模型

 

更好的偏置

 

前一篇文章介绍了“漏极 - 电阻问题”:我们需要一个更大的漏极电阻来实现更高的增益,但更多的漏极电阻意味着输出节点的直流偏置电压更低。

 

这是一个问题,因为输出电压也是MOSFET的漏极电压,较低的漏极电压对应于将FET推出饱和并进入三极管区域的较高风险。我们建议电流源可以通过提供高增益来解决这个问题,而不会对偏置条件产生负面影响。

 

下图让您了解与使用电流镜而不是漏极电阻相关的改善偏置情况。

 

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我们还没有讨论有源负载电流镜的小信号电阻,所以现在你只需要相信我,当我告诉你它是相当高的时候。但正如您在电路图中所看到的,这个大的小信号电阻不适用于偏置条件:输出节点处的偏置电压由与Q 3的漏极电流相对应的任何栅极 - 源极电压决定。

 

如果我们认为这个漏极电流不是特别大并且Q 3的阈值电压可能是0.7 V,我们可以猜测V GS的幅度相对于电流镜大的小的高增益而言将非常小 -信号电阻。

 

让我们通过模拟确认这个猜测。这是LTspice电路,偏置电压标记为:

 

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(这里可以下载FET的SPICE模型。)该仿真表明,电流镜的大信号电阻(因此高增益)不需要很大的直流电压降。利用这个特定的电路,Q 3可以产生等于I BIAS / 2(即250μA)的电流,栅极 - 源极电压仅为-1.04 V,导致输出节点偏置电压为(3.3 + V GS))= 2.26 V.

 

当我们讨论这个问题时,我应该指出偏置电压将受到电流镜晶体管的宽长比的影响。回想一下,栅极 - 源极电压和漏极电流之间的饱和模式关系(如果忽略沟道长度调制)如下:

 

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我们可以看到,较低的宽长比将导致FET在相同的V GS下导通较少的漏极电流。同样,如果漏极电流保持恒定并且宽长比减小,则V GS的幅度将不得不增加。从理论上讲,我们可以通过调整电流镜晶体管的宽长比来微调偏置电压。考虑以下模拟:

 

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输出电压范围受正电源电压和允许Q 2保持饱和的最低电压的限制。对于饱和度的条件为V GD ≤V TH,所以这个下限等于V TH低于直流电压施加到Q的栅极上的电压的偏移量2。在这个电路中,我们的DC偏移为0 V,NMOS晶体管的V TH约为0.5 V,因此下限约为-0.5 V。因此,通过将宽度减小到10μm,我们已经移动了输出节点的偏置电压接近允许范围的中间。

 

在我们继续之前,我应该指出,在现实生活中,上面所示的偏置方案是不切实际的。V OUT偏置电压非常重要:如果它太高(或太低),输出的正(或负)信号摆幅将受到限制。在我们的模拟中完成的偏置是可靠的,因为Q 3和Q 4完全匹配。

 

我们可以依靠IC制造技术来实现良好匹配,但不能完美匹配,两个晶体管之间的任何不匹配都会导致V OUT偏置电压的变化。因此,现实生活中的实施采用了对制造缺陷不那么敏感的特殊偏置电路。

 

两个输出还是一个?

 

您可能已经注意到,当我们从漏极电阻切换到电流镜时,左侧V OUT消失了。事实证明,有源负载的另一个(也许是有些意外的)好处是它将输出信号从差分转换为单端,而不会损失增益。

 

如果您已经阅读了基本MOSFET差分对,您可能记得我们差分地分析了总增益,这意味着输出信号被定义为V OUT1 - V OUT2。这两个信号的相位相差180°,因此输出信号的幅度加倍。

 

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但在许多情况下,我们不需要差分输出信号。使输出单端的最简单方法是简单地忽略V OUT1或V OUT2,但这会使我们的增益减少2倍。然后,非常方便的是,有源负载配置执行差分 -在不降低增益的情况下进行单端转换。让我们从概念上看看它是如何完成这一壮举的。

 

请记住,这将是一个小信号分析 - 我们只关心电路如何响应电压或电流的微小变化。这些小的变化可以被认为是叠加在偏置信号上的单独的“小信号”。我将使用小写字母来指代这些小信号(例如,v gs,i d)。不要让这种小信号技术分散你的注意力,因为小信号实际上不是作为单独的实体存在的; 它们只是代表大信号(即直流偏置)量的微小变化。我们将它们视为独立实体的原因是因为小信号分析可以忽略信号的直流分量并仍能产生准确的结果。

 

在进行小信号分析时,我们用开路和带短路的恒定直流电压源代替恒定直流电流源。因此,我们将使用以下电路图:

 

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因此,如果我们施加正小信号输入v in,我们将得到一个小信号漏极电流i d向下流过Q 1。这将导致输出电压等于漏极电流乘以漏极电阻(无论这是实际的漏极电阻还是Q 3的小信号电阻)。到目前为止,有源负载配置和漏极 - 电阻配置之间没有根本区别。

 

但请注意,此漏极电流将继续沿电路底部流动并向上流过Q 2:

 

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因此,我们有我ð向输出节点向上流动。但是我们不要忘记有源负载电流镜 - 假设两个电流镜FET具有相同的宽长比,Q 4将复制Q 3的漏极电流,如下所示:

 

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因此,我们有两个等于i d的电流在输出节点处相遇。得到的电流幅度为i d + i d = 2i d,输出电流的这种倍增是有源负载配置在仅使用一个输出信号时实现全差分增益的原因。

 

结论

 

我希望您现在能够理解本文中介绍的两种有源负载优势 - 即改进的偏置和差分到单端转换。然而,我们对这些优势的兴趣与预期有源负载与漏极 - 电阻器实现相比也可以提供更高的增益密切相关。

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发布日期:2019年03月04日  所属分类:参考设计
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