MOS管差分放大器的主要特性及跨导电压解析

差分放大器在模拟集成电路中有着广泛的应用，如集成运算放大器的输入级均采用差分放大器的电路结构。这是因为差分放大器只对差分信号进行放大，而对共模信号进行抑制，有很强的抗干扰能力，并具有源移小、级与级之间很容易直接耦合等优点。本节将对MOS管差分放大器的主要性能进行讨论。

（一）MOS管差分对管的主要性能

MOS差分对管如图2.5-1所示。图中的M1和M2是完全对称（匹配）的，其工作电流（ID1、ID2）由电流源IO提供。输出电流ID1、ID2的大小依赖于输入电压的差值（VG1-VG2），但ID1和ID2之和恒等于电流源IO，在M1和M2的漏极分别接上电阻负载或MOS管有源负载，即构成差分放大器，由电流输出转换成电压输出，实现电压放大。

1、MOS差分对管的直流特换特性

差分对管的输入差值电压VID可表示为

上式的β为

电流源Io输出电流ID1、ID2的关系为

将（2.5-3）代入（2.5-1）式，经整理后，求得ID1和ID2为

由此得出输出电流差值ΔID。为

由上式可知，输入差值电压VID等于零时，输出差值电流ΔID为零。当时，ΔID为最大值，其值等于Io。因此VID的范围可以用下式来表示：

由（2.5-6）式可画出MOS差分对管ΔID-VID的转换特性曲线，其曲线如图2.5-2所示。

从MOS差分对管的转换特性曲线可知，它同双极型差分对管相似，也具有限留特性，其线性工作范围（2.5-7）式依赖于工作电流Io和M1、M2管的沟道宽长比（W/L），一般从300毫伏~几伏，它比双极型差分对管的线性范围（约50毫伏）大得多。

2、MOS差分对管的跨导gm

由（2.5-6）式可求得差分对管在平衡时的双端输出跨导，根据定义得

而M1（或M2）的单管跨导为

由此可见，差分对管双端输出的跨导（平衡时）与M1或M2管的跨导相同，这与双极型差分对管的结果一致。而MOS管的跨导值比双极型三极管要低得多，它与工作电流的平方根成正比，，而双极三极管的跨导是与工作电流成正比。

3、MOS差分对管的输入失调电压

差分对管M1和M2对称时，输入失调电压Vos等于零。现在我们讨论差分对管M1和M2不匹配的情况。当两管阈值电压VT不一致时，沟道的宽长比不一致所引起的输入失调电压为Vos（不考虑负载匹配情况）。差分对管的输入失调电压定义为：当M1、M2的漏极电流ID1，和ID2相等时，由于M1和M2参数不相等引起的VGS电压的差值，也即对管的失调电压。

当M1和M2的参数不等时，ID1，ID2可写为

这时ID1和ID2应相等，它们为

再设

将（2.5-11~13）式代入（2.5-10）式，经计算整理后可得失调电压VGS为（利用

已知

对β关系式求微商（计算时，看作常数），就可写出

将它代入（2.5-14）式后，就得到

式中gm为MOS差分对管双端输出时的跨导。

由上式可得如下结论：

（1）MOS差分对管的输入失调电压与两个MOS管M1和M2的阈值电压的差值成正比，MOS管阈值电压越大，它的差值就越大，电路的失调电压也越大。MOS管阀值电压一般在几伏范围内，所以它的失调电压比双极型三极管大。为了减小失调电压必须降低MOS管的阈值电压，并采用离子注入工艺，使各MOS管的阈值电压的一致性较好，从而减小阀值电压差值。

（2）增大MOS差分对管的沟道宽度和沟道长度，采用合理的版图布局，并提高光刻精度，这样可减小ΔL/L和ΔW/W误差，减小失调电压。

根据（2.5-16）式，还可计算出失调电压的温度系数，即失调电压的温度漂移：

联系方式：邹先生

联系电话：0755-83888366-8022

手机：18123972950

QQ：2880195519

联系地址：深圳市福田区车公庙天安数码城天吉大厦CD座5C1

请搜微信公众号:“KIA半导体”或扫一扫下图“关注”官方微信公众号

请“关注”官方微信公众号:提供  MOS管  技术帮助