Differential Amplifiers (Ch. 4)p

김 영 석김 영 석

충북대학교 전자정보대학

2013.3.1. .

Email: kimys@cbu.ac.kr

전화: 043-261-3137

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4.1 Single-Ended and Differential

Why Differential?

Merit

• Noise Reduction: Clock, Supply Voltage

M V lt S i 증가 : 2×[V (V V )]• Max. Voltage Swing 증가 : 2×[VDD-(VGS-VTH)]

• Simpler Biasing/Higher Linearity

DemeritDemerit

• 면적, 전력소모 증가

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Single-Ended and Differential (cont.)Clock Noise Reduction

Common-Mode Reduction to Noisy Supply Voltage

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4.2 Basic Differential Pair기본 회로 문제점: Vin,cm 변화시 바이어스 전류 변화

=> 오른쪽 회로에서 해결 : 바이어스 전류소스 사용

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4.2.1 Qualitative AnalysisIf Vin1 << Vin2,

M1 off Vout1=VDD

M2 on ISS Vout2=VDD-RD*ISS

If Vi 1 Vi 2If Vin1=Vin2

ID1=ID2=ISS/2

Vout1=Vout2=VDD-RD*ISS/2Vout1 Vout2 VDD RD ISS/2

If Vin1<<Vin2,

첫 번째와 반대

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Common-Mode ResponseCommon-Mode 입출력 특성

M3 S t ti : VVVVVVVVV Δ+=Δ+>∴Δ=> 2M3 Saturation:

M1 Saturation:

VVVVVVVVVVVV

THCMin

THGSCMinTHGP

Δ+=∴

Δ+=Δ+>∴Δ=−>

22 ,

min,,

1,3

2/ VIRVVVVVVV +=+<∴>M1 Saturation

],2/min[22/

2/ ,

max,,

1,,1

DDTHSSDDDCMinTH

THSSDDDCMin

THSSDDDTHoutCMinTHCMinout

VVIRVVVVVIRVV

VIRVVVVVVV

+−≤≤Δ+

+−=∴

+−=+<∴−>

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][, DDTHSSDDDCMinTH

Common-Mode Input vs. Output SwingOutput Swing

Vin,cm – VTH <= Vout <= VDD

=> Low Vin,cm은 Output Swing 증가

THCMit VVV −=min

DDout

THCMinout

VVVVV

=max,

,min,

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4.2.2 Quantitative Analysis

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Quantitative Analysis (cont.)

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Quantitative Analysis (cont.)

LWCIVVV

oxn

DTHGS /

2μ

=−=Δ

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Quantitative Analysis (cont.)ΔVin vs Overdrive (VGS-VTH) Voltage

Linearity(ΔVin) 증가

=> (VGS-VTH) 증가

> W/L감소( 감소)=> W/L감소(gm 감소)

W/L증가 => Δvin 감소

ISS 증가 => Δvin 증가, 전류 증가ISS 증가 Δvin 증가, 전류 증가

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Quantitative Analysis (cont.)Method I: Small-Signal 해석( 이용)(Superposition 이용)

Vin2=0: ro, γ 무시

RV −DX RV

21

111mm

D

in

X

gg

RVV

+≈

22

211

/1/1/1

DDm

mY

mm

D

in

X

RRggVgg

RVV

=•+=

+−=

1121

212

211

/1/12|)(

/1/1/1/1

1 inDminD

VYX

mmDm

mmin

VRgVgg

RVV

ggg

ggV

in−=

+−=−∴

++

Vin1=0: ro, γ 무시

21 /1/1 mm gg +

VRVV +|)(

DmYXoutout

inDmVYX

RgVVVV

VVVV

VRgVVin

−=−−

=−−

∴

+=−

21

22|)(

inininin VVVV 2121

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Quantitative Analysis (cont.)Method II: Small-Signal 해석( 이용)

X RV(Half-Circuit 이용)

Node P => Virtual Ground

YY

Dmin

X

RVV

RgVV

−=1

YXoutout

Dmin

Y

in

Y

RgVVVV

RgVV

=−

=−

∴

−=−

=

21

12

Dminininin

RgVVVV

−=−

=−

∴2121

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Quantitative Analysis (cont.)Differential Input이 아닐 때(Arbitrary

) 처리 방법Input) 처리 방법

++

−=

222121

1inininin

inVVVV

V

dff

++

−=

22

222112

2inininin

inVVVV

V

InputMode-Common Input Diff. +

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4.3 Common-Mode ResponseAssume CKT is symmetric

CMin

Y

CMin

X

CMin

outCMv

RV

VVV

VVA ===

2/,,,

,

SSm

D

RgR

+−=

)2/(12/

SSmDmdiffv

Dmdiffv

RgRRg

AA

CMRR

RgA

212/,

,

+===

−=

SSm

DCMv

RgRA

)2/(12/

,

+

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Common-Mode Response with MismatchResistor Mismatch

CM 변화 => diff. 출력

DCMinX R

RVV2/1, +

Δ=Δ

DDCMinY

SSm

RgRRVV

Rg

2/1

2/1

,

,

+Δ+

Δ=Δ

+

SSm

D

CMin

diffout

SSm

RgR

VV

Rg

2/1

2/1

,

+Δ

−=Δ

Δ+

SSmCMin gV /,

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Common-Mode Response with Mismatch (cont.)M1/M2 Mismatch

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Common-Mode Response with Mismatch (cont.)CMRR

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P12 참조

Vi 1 (Vi 2 0)

ADM

122

211 )(11

||1

,11 inDm

SSm

outinD

out vRgR

gvvRv =−=

Vin1 (Vin2=0)

212

2

2121

)21(])||1(1[

||11||11

DSSmmmSS

mD

SSmm

SSmm

vRRggvgR

gR

vv

Rgg

Rgg

++

++

121

211

21

221 )(1||11 in

SSmm

DSSmmin

SSmm

moutout v

Rggv

Rgg

vv++

−=+

−=−

Vin1 (Vin2=0)

DSSmmmSS

mD

vRRggvgR

gR

vv )21(])||1(1[

212

2

11

21+

=+

=− inSSmm

in

SSmm

outout

RRgggg

vRgg

vR

gg

vv

)4(tion)(Superposicomponents 2 Adding

)(1||11 212

2

12

21

++

+++

SSmm

DSSmmmm

inin

outoutDM

ininSSmm

DSSmmmmoutout

RggRRgggg

vvvvA

vvRgg

RRggggvv

)(1)4(

)()(1

)4(

11

2121

21

21

2111

212121

++++

−=−−

=∴

−++

++−=−∴

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SS

4.4 Differential Pair with MOS LoadsDiode Connected Load

NnmN

oPoNmPmNdiffV

LWg

rrggA

)/(

)||||( 1,

μ−=−≈

−= −

PpmP LWg )/(

μ≈

문제: Voltage Headroom문제: Voltage Headroom

Gain 증가 => (W/L)p 감소 => |VGS-VTH|p 증가

해결: Current Breeding

=−=Δ

Δ−=

IVVV

VVDDV

DTHGS

PMOSout

2max,

↓Δ=>↓

Δ

VI

LWCVVV

D

oxTHGS

/μ

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Differential Pair with MOS Loads (cont.)Current Source Load

)||(, oPoNmNdiffV rrgA −=

Cascode

S b i 소자Submicron 소자

=> Channel Length Modulation 심각

=> Gain 감소감소

=> Cascode로 해결

)](||)[( 7551331, oomoommdiffV rrgrrggA ≈

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4.5 Gilbert CellVGA(Variable Gain Amplifier)

11 2 DoxnDmin

out ILWCRg

VV

−=−= μ

2311 )(

21

2 THcontoxnD

in

VVLWCIII −=== μ

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Gilbert Cell (cont.)Gilbert Cell

↑+=↑=>↑=>

↓−=↑=>↑=>

Dmoutcont

Dmoutcont

RgVIV

RgVIV

22

11

)(

)(

↓↓=>↑↑=>−= outcontcontcont VIIVVV 2121 ,)(

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