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图 7…3 基本的差分的增益特性
7。2 电流镜负载的 CMOS 差分放大器设计
（1）全差分结构
如图 7…4 所示的运放是一种最简单全差分运放电路，它是由NMOS管作为输入管，PMOS
管作为负载管组成。这种运算放大电路的最大优点就是能够提供大的输出摆幅。它的摆幅
可以通过式（7…8）
Vswing=Vdd－2Vds－Vth （7…8）
图 7…4 基本全差分运放结构
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（2）性能分析
图 7…5 所示的图 7…4 的小信号图，是在只有假设放大器的两边完全匹配的时候才适合
差模分析的。如果这个条件满足，则M1 和M2 两个连在一起的源极被视为交流接地。
（a）
（b）
图 7…5 S 差分放大器的小信号模型（a）精确模型（b）简化等效模型
这种结构虽然能提高输出摆幅，但是其开环增益有限，分析其小信号图 7…5，可知其
增益有：
g m1
Av g m1Rout g ds 2 ＋g ds 4
＝ ＝ （7…9）
用器件的尺寸表示有：
' 1/ 2 ' 1/ 2
v （K I SSW / L ） 2 K W
1 1 1
out 1 1
AV = =
v ＋ I / 2 ＋ I L
id （λ λ ）（ SS ） λ λ SS
2 4 2 4 1
（7…10）
I 1/ 2 I
我们注意到，像反相器一样，小信号增益取决于 SS 的倒数，事实上，这个关系直到 SS
接近阈值电压时一直成立。
例：在上面电路中，Ibias＝200uA，晶体管W/L＝100um/1。6um。假设unCox=92uA/V2 ，
Vtn=0。8V，rds=＇8000L（um）＇/＇ID（mA）＇，求输出阻抗rout及从差动输入到输出Vout的增益？
解：要求偏置电流，我们假设Ibias在差动电路两边平分，得到
ID1=ID2=ID3=ID4=100uA
因此，输入晶体管的跨导等于
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1/2
gm1＝gm2 ＝＇2unCox（W/L）ID1/2＇ =1。07mA/V
同时
Rds2= Rds4=8000*1。6/0。1=128kΩ
vout …g m1
= =
有 vin g ds 2 ＋g ds 4 68。5V/V
给定负载电容时的频率响应ω－3dB由下式给出：
1
ω =
…3dB
R C
out L
（7…11）
它的共模范围我们可以通过公式（7…12）与（7…13）得出
VIC（最大）=VDD－VSG3＋VTN1 （7…12）
VIC（最小）=VSS＋VGS1＋VDS5（饱和） （7…13）
我们可以根据需要，通过上面两个公式，来设计相应的参数，使电路满足共模指标。
它的摆率可以通过公式（7…13）得出：
SR=I5/CL （7…14）
从这个公式可以看出怎样通过电流来控制电压转换率。
而整个电路的功率可以通过公式（7…14）得出：
Pdiss=（VDD＋｜VSS｜）I5=（VDD＋｜VSS｜）（I3＋I4） （7…15）
（3）设计流程
表 7－1 电流镜负载差分放大器的设计流程
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这个设计流程假设小信号差模电压增益Av －3dB频率ω－3dB，最大、最小共模输入电
压＇VIC（最大）、VIC（最小）＇，摆率SR和功耗Pdiss为已知。
（1）在已知Pdiss 或CL的前提下选择I5 来满足摆率。
（2）检查Rout是否满足频率响应，如不满足，改变I5 或是修改电路（选择不同的拓
扑结构）
（3）设计W3/L3（W4/L4）来满足ICMR的上限
（4）设计W1/L1（W2/L2）来满足小信号增益Av
（5）设计W5/L5 来满足ICMR的下限
（6）重复必要的步骤
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7。3 设计实例和 HSPICE 仿真
设计电流镜负载差分放大器的电流和宽长比以满足下列指标：VDD＝…VSS＝2。5V，
SR》10V/us（CL=5pF）， f …3dB ≥100kHz （CL＝5pF），小信号差模电压增益为 100V/V，
K ' =110μA /V 2 K ' =50μA /V 2
N P
…1。5V