第六章 模拟集成单元电路
图6.39 N沟道增强型MOSFET差动放大器的基本电路 直流分析 下面分析它的直流传输特性。 图6.39 N沟道增强型MOSFET差动放大器的基本电路
忽略 和 的输出电阻，假设两个场效应管相同，则 (6.123) (6.124) 将式(6.123)和式(6.124)取平方根并相减得 (6.125) 其中 为差模输入电压。 因为 (6.126)
对式(6.125)两边平方，有 (6.127) 整理为 的一元二次方程为 (6.128) 假设 则求解式(6.128)可得 (6.129) 由式(6.126)有 (6.130)
归一化漏极电流为 (6.131) (6.132) 式(6.131)和式(6.132)描述了MOSFET差动放大器的直流传输特性。 时对应的函数曲线。 图6.40画出了归一化差动输入电压为
图6.40 MOSFET差动放大器的归一化直流传输特性
[例6.15]目的：确定共模输入电压的最大范围。 电路如图6.41所示。场效应管参数为 求共模输入电压的最大范围。
解：参考电流 又 联立上面二式，并代入参数后整理得 解得 由镜像电流源知
最小共模输入电压是当M1和M2到达临界点时的值，即 所以 最大共模输入电压是当 到达临界点时值，即 所以 综上所述，该MOSFET差动放大器共模输入电压范围为
说明：BJT差动放大器的共模输入电压范围算法与例6.15类似。 由式(6.131)和式(6.132)可知，对于某个差动输入电压， 电流 将全部流向一个场效应管，这个差动输入电压为 (6.133)
曲线在 处的斜率为最大正向跨导，即 由式(6.129)可求得 (6.134) 式中， 为场效应管的跨导。 通过与例6.10类似的分析，如果 =1mA， ，则对 小于0.34V的差模输入电压，线性近似值与实际曲线之差值小于1%。 由此可见，MOSFET放大器的最大差模输入电压远大于BJT差动放大器的最大差模输入电压。由后面的分析可知，其主要原因是MOSFET差动放大器的增益远小于BJT差动放大器的增益。
[例6.16]目的：比较MOSFET差动放大器与BJT差动放大器的正向跨导。 解：由式(6.134)可得MOSFET差动放大器中的MOSFET跨导为 由例6.10可知BJT差动放大器中BJT的跨导为 说明：BJT差动放大器中BJT管的跨导比MOSFET差动放大器中MOSFET的跨导大得多。由于差模电压增益直接与跨导成正比，因此BJT差动放大器的增益一般比MOSFET差动放大器的增益大得多。
2. 交流小信号分析 由于MOSFET的栅极无电流，所以MOSFET差动放大器的差模输入电阻和共模输入电阻可以认为是无穷大。 与BJT差动放大器相似， MOSFET差动放大器的输出电阻在单 端时为RD双端时为2RD。 ， 下面通过MOSFET差动放大器的小信号等效电路来求差模增益、 共模增益和共模抑制比。
采用与BJT差动放大器类似的分析方法，可求得MOSFET差动放大器单端输出时的差模增益为 （左端输出） (6.135a) （右端输出） (6.135b) 共模增益为 (6.136)
共模抑制比为 (6.137) 式中 为电流源的输出电阻。 双端输出时，差模增益为 （左正右负） (6.138a) （右正左负） (6.138b)
共模增益为 (6.139) 共模抑制比为 (6.140) 以上结果均为BJT差动放大器的相应结果一致。 （只要在BJT差动放大器的相应公式中用 ）。
[例6.17]目的：确定MOSFET差动放大器的差模增益、共模增益和CMRR 电路如图6.41所示。除了设 的 外，场效应管的 其他参数与例6.15相同。 求 Ad、AC和CMRR。 解：由例6.15可知， 。电流源的输出电阻为 差模电压增益为
共模电压增益为 共模抑制比为
说明：由于MOSFET的跨导一般远小于BJT的跨导，因此MOSFET 由式(6.137)可知，通过增加电流源的输出电阻 可以提高 共模抑制比。 例如，若采用6.1.2节中的共源--共栅MOSFET电流源， 由式(6.49)可知，它的输出电阻为 对于本例，上式中
所以 因此，共模抑制比为 由此可见，用共源－共栅MOSFET电流源代替基本镜像MOSFET电流源，可以明显提高共模抑制比，且不会影响差模增益。