MOS管差分放大器的主要特性及跨導電壓解析

差分放大器在模擬集成電路中有著廣泛的應用，如集成運算放大器的輸入級均采用差分放大器的電路結構。這是因為差分放大器只對差分信號進行放大，而對共模信號進行抑制，有很強的抗干擾能力，并具有源移小、級與級之間很容易直接耦合等優點。本節將對MOS管差分放大器的主要性能進行討論。

（一）MOS管差分對管的主要性能

MOS差分對管如圖2.5-1所示。圖中的M1和M2是完全對稱（匹配）的，其工作電流（ID1、ID2）由電流源IO提供。輸出電流ID1、ID2的大小依賴于輸入電壓的差值（VG1-VG2），但ID1和ID2之和恒等于電流源IO，在M1和M2的漏極分別接上電阻負載或MOS管有源負載，即構成差分放大器，由電流輸出轉換成電壓輸出，實現電壓放大。

1、MOS差分對管的直流特換特性

差分對管的輸入差值電壓VID可表示為

上式的β為

電流源Io輸出電流ID1、ID2的關系為

將（2.5-3）代入（2.5-1）式，經整理后，求得ID1和ID2為

由此得出輸出電流差值ΔID。為

由上式可知，輸入差值電壓VID等于零時，輸出差值電流ΔID為零。當時，ΔID為最大值，其值等于Io。因此VID的范圍可以用下式來表示：

由（2.5-6）式可畫出MOS差分對管ΔID-VID的轉換特性曲線，其曲線如圖2.5-2所示。

從MOS差分對管的轉換特性曲線可知，它同雙極型差分對管相似，也具有限留特性，其線性工作范圍（2.5-7）式依賴于工作電流Io和M1、M2管的溝道寬長比（W/L），一般從300毫伏~幾伏，它比雙極型差分對管的線性范圍（約50毫伏）大得多。

2、MOS差分對管的跨導gm

由（2.5-6）式可求得差分對管在平衡時的雙端輸出跨導，根據定義得

而M1（或M2）的單管跨導為

由此可見，差分對管雙端輸出的跨導（平衡時）與M1或M2管的跨導相同，這與雙極型差分對管的結果一致。而MOS管的跨導值比雙極型三極管要低得多，它與工作電流的平方根成正比，，而雙極三極管的跨導是與工作電流成正比。

3、MOS差分對管的輸入失調電壓

差分對管M1和M2對稱時，輸入失調電壓Vos等于零?，F在我們討論差分對管M1和M2不匹配的情況。當兩管閾值電壓VT不一致時，溝道的寬長比不一致所引起的輸入失調電壓為Vos（不考慮負載匹配情況）。差分對管的輸入失調電壓定義為：當M1、M2的漏極電流ID1，和ID2相等時，由于M1和M2參數不相等引起的VGS電壓的差值，也即對管的失調電壓。

當M1和M2的參數不等時，ID1，ID2可寫為

這時ID1和ID2應相等，它們為

再設

將（2.5-11~13）式代入（2.5-10）式，經計算整理后可得失調電壓VGS為（利用

已知

對β關系式求微商（計算時，看作常數），就可寫出

將它代入（2.5-14）式后，就得到

式中gm為MOS差分對管雙端輸出時的跨導。

由上式可得如下結論：

（1）MOS差分對管的輸入失調電壓與兩個MOS管M1和M2的閾值電壓的差值成正比，MOS管閾值電壓越大，它的差值就越大，電路的失調電壓也越大。MOS管閥值電壓一般在幾伏范圍內，所以它的失調電壓比雙極型三極管大。為了減小失調電壓必須降低MOS管的閾值電壓，并采用離子注入工藝，使各MOS管的閾值電壓的一致性較好，從而減小閥值電壓差值。

（2）增大MOS差分對管的溝道寬度和溝道長度，采用合理的版圖布局，并提高光刻精度，這樣可減小ΔL/L和ΔW/W誤差，減小失調電壓。

根據（2.5-16）式，還可計算出失調電壓的溫度系數，即失調電壓的溫度漂移：

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