張 林，鄧天平

（華中科技大學(xué) 電信系，湖北 武漢 430074）

帶有源負(fù)載的差分式放大電路共模增益分析

張 林，鄧天平

（華中科技大學(xué) 電信系，湖北 武漢 430074）

為探究運(yùn)算放大器高共模抑制比的緣由，本文對(duì)帶有源負(fù)載的源極耦合CMOS差分式放大電路的共模增益進(jìn)行了詳細(xì)分析，采用完整小信號(hào)等效電路方法推導(dǎo)出了其增益表達(dá)式，并通過PSpice仿真驗(yàn)證了結(jié)果的正確性。

有源負(fù)載；差分式放大電路；共模電壓增益

集成運(yùn)算放大器以其具有高增益、高共模抑制比和低漂移等諸多優(yōu)點(diǎn)廣泛用于模擬信號(hào)的放大與處理電路中。而運(yùn)算放大器的高共模抑制比主要取決于構(gòu)成其第一級(jí)的差分式放大電路，該電路通常是帶有源負(fù)載的差分式放大電路，因此弄清楚有源負(fù)載差分式放大電路的共模增益，對(duì)理解運(yùn)放高共模抑制比有極大幫助。由于帶有源負(fù)載的差分式放大電路分析相對(duì)復(fù)雜，所以國內(nèi)多數(shù)教材少有涉及[1]-[5]，只有個(gè)別教材含有這部分內(nèi)容[6]，且重點(diǎn)討論的是差模增益，采用的方法是簡(jiǎn)化的單邊小信號(hào)等效電路分析法（半電路法），對(duì)共模增益關(guān)注不夠，讀者不太理解高共模抑制比是如何獲得的。因此，本文對(duì)有源負(fù)載差分式放大電路的共模增益進(jìn)行了較詳細(xì)地分析，以便說明運(yùn)算放大器具有高共模抑制比的緣由，以期對(duì)學(xué)習(xí)這部分內(nèi)容的讀者有所幫助。鑒于MOS工藝已成為半導(dǎo)體器件的主流工藝，所以這里僅以MOS管構(gòu)成的差分式放大電路為例進(jìn)行分析，BJT差分式放大電路的分析與此類似。

1 共模增益

MOS管構(gòu)成的一種典型的差分式放大電路如圖1所示，該電路也稱為帶有源負(fù)載的源極耦合CMOS差分式放大電路。其中T1、T2是差分對(duì)管，T3和T4組成的鏡像電流源作為T1、T2的漏極有源負(fù)載。由于T1、T2是NMOS管，T3、T4是PMOS管，所以電路也稱為CMOS（Complementary MOS）差分式放大電路。圖1虛線框中所示的T5～T8組成另一組直流鏡像電流源，它為差分式放大電路提供靜態(tài)偏置，由T8漏極看進(jìn)去的電阻為電流源的動(dòng)態(tài)電阻ro（=rce8），其中T5～T7用來建立基準(zhǔn)電流IREF。

圖1 帶有源負(fù)載的源極耦合CMOS差分式放大電路

圖2 共模輸入時(shí)的小信號(hào)等效電路

當(dāng)輸入共模信號(hào)時(shí)，圖1電路的完整小信號(hào)等效電路如圖2所示，有vi1=vi2=vic。可列出d1（d3）、d2（d4）和s1（s2）3個(gè)節(jié)點(diǎn)的KCL

電路對(duì)稱情況下有vgs1=vgs2=vic-vs，vgs4=vgs3，rds1=rds2，rds3=rds4，并且假設(shè)gm1=gm2=gm3=gm4=gm，可得共模電壓增益

盡管式（1）分子乘積項(xiàng)中第一部分很小，但它對(duì)共模電壓增益起著決定性作用，所以不能將其簡(jiǎn)單近似為0。根據(jù)式（2），式（1）可近似為

如果繼續(xù)有g(shù)mrds2＞＞1，則式（3）可進(jìn)一步近似為

由此可見，增大源極電流源的動(dòng)態(tài)電阻ro，將減小共模電壓增益，這與基本差分式放大電路（漏極是電阻負(fù)載）的影響趨勢(shì)是一致的。

2 仿真驗(yàn)證

為簡(jiǎn)單起見，圖1電路中MOS管T1～T4、T8相關(guān)參數(shù)取值相同，如表1所示。調(diào)整T5～T7相關(guān)參數(shù)，設(shè)置電路靜態(tài)工作點(diǎn)如表2所示，在此靜態(tài)工作點(diǎn)下進(jìn)行電路仿真（MOSFET采用Level=1模型）。

輸入共模電壓時(shí)的PSpice仿真結(jié)果如圖3所示，得到共模電壓增益Avc2≈-5.96×10-4。由表2第一組靜態(tài)工作點(diǎn)下的gm和rds2值可知滿足gmrds2＞＞1，所以按照式（4）計(jì)算得Avc2≈-5.92×10-4，與仿真結(jié)果一致，而且獲得小于10-3的共模增益也非常容易。說明該電路不僅可以獲得比基本差分式放大電路（漏極帶電阻）更高的差模增益[6]，而且也有更低的共模增益，也就意味著它很容易獲得高共模抑制比。

3 結(jié)束語

本文通過完整的小信號(hào)等效電路，在電路對(duì)稱情況下，推導(dǎo)出帶有源負(fù)載的源極耦合CMOS差分式放大電路的共模電壓增益表達(dá)式，進(jìn)而在滿足（1/gm）遠(yuǎn)小于rds2、rds4、ro和gmrds2＞＞1條件下，得到其近似的表達(dá)式（4）。通過PSpice仿真，驗(yàn)證了式（4）的正確性。

表1 T1～T4、T8各管參數(shù)

表2 靜態(tài)工作點(diǎn)下T1～T4、T8各管動(dòng)態(tài)參數(shù)

圖3 仿真結(jié)果

也可用本文類似的方法分析帶有源負(fù)載的BJT差分式放大電路的共模電壓增益。

[1]華成英.模擬電子技術(shù)基礎(chǔ).[M].第四版.北京：高等教育出版社，2006.

[2]鄭家龍，陳隆道，蔡忠法.集成電子技術(shù)基礎(chǔ)教程（上冊(cè)）[M].第二版.北京：高等教育出版社，2008.

[3]楊栓科.模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)[M].第2版.北京：高等教育出版社，2010.

[4]王淑娟，蔡惟錚，齊明.模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)[M].北京：高等教育出版社，2009.

[5]楊素行.模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)簡(jiǎn)明教程.[M].第三版.北京：高等教育出版社，2006.

TN72

A

1674-9324（2014）43-0078-03

張林（1963-），男，博士，副教授，主要從事電子技術(shù)等方面的教學(xué)和科研工作；鄧天平（1976-），男，博士，講師，主要從事電子技術(shù)等方面的教學(xué)和科研工作。