差分放大器中的不匹配效應及消除方法

1 差分放大器性能
差分放大器的目的是抑制共模輸出，增大差模輸出。期望差模輸出電壓隨差模輸入電壓的變化而成比例變化。任意信號中的共模輸入部分在電路中必須受到抑制。在理想對稱的差分放大器中，每邊的輸出值都等于另外一邊的輸出值。當Vi1=－Vi2時，有Vo1=-Vo2，此時放大器是理想對稱的。換言之，當輸入是理想的差模電壓(Vic=0)時，輸出也是純粹的差模形式的電壓(Voc=0)，因此Adm-cm=0。類似的，當只輸入共模電壓(Vid=0)時，Acm-dm=0。但是，即使在理想對稱的差分放大器中，也不可能做到Acm=0。何況，即使標稱相同的器件也會因為制造工藝的原因，存在有限的不匹配(失配)。因此非理想差分放大器本身還存在不匹配現(xiàn)象。
差分放大器性能的一個重要方面就是所能檢測到的最小直流和交流差模電壓。放大器的不匹配效應和溫漂都在輸出端產(chǎn)生了難以區(qū)分的直流差模電壓。同樣，不匹配效應和溫漂會使非零的共模輸入一差模輸出增益非零的差模輸入一共模輸出增益增大。非零的Acm-dm對于放大器尤其重要，因為它將共模輸入電壓轉(zhuǎn)換為差模輸出電壓，但在下一級輸入時，卻被當作差模電壓信號。
如圖1所示，當Vin=0，且完全對稱，Vout=0，但在失配存在的情況下，Vout≠0。對于差分放大器來說，不匹配效應對直流性能的影響主要在兩個方面：輸人失調(diào)電壓和輸入失調(diào)電流，這兩個參量描述了差分放大器中直流性能的一些輸入?yún)⒖夹?。如圖2所示，一個匹配的放大器的直流特性和一個失調(diào)電壓源串聯(lián)在輸入端、失調(diào)電流源并聯(lián)在輸入端的時理想放大器的直流特性完全一致。只有當這兩個參量都存在的情況下，失調(diào)模型才是正確的。

2 工藝消除失配
將處在飽和區(qū)的MOS管的特性表述為：1/2μCoxW/L(VGS-VTH)2。對于兩個標稱相同的晶體管，μ,Cox，W，L以及VTH之間的失配導致了漏極電流的失配(VGS固定)或柵源電壓的失配(漏極電流固定)。直觀上可以認為，隨著W與L的增加，他們的相對失配，△W／W與△L／L會分別減小，也就是越大的器件表現(xiàn)出越小的失配。一個更重要的觀察結(jié)果是，隨著晶體管面積(W／L)的增加，所有的失配都減小。例如，增大W會使△W／W與△L／L都減小。這是因為隨著WL，的增加，隨機變化經(jīng)歷更大的“求平均”過程，因此其幅值下降了。對于圖3所示的情況，有△L2△L1。這是因為，如果該器件被看成許多小晶體管的并聯(lián)，如圖3所示，若每一個寬度為W0，那么可以得出等效長度為：

式中：△L0是寬為W0的晶體管長度變化的統(tǒng)計值。等式表明，對于給定的W0，隨著n的增加，Leq的變化減小，如圖4所示。

上述結(jié)論也可以擴展到其他器件參數(shù)。例如，假定：器件面積增加，μCox與VTH有更小的失配。如圖5所示，理由是，大尺寸晶體管可以分解為寬長分別為W0和L0小單元晶體管的串并聯(lián)。其中，每個單元都呈現(xiàn)出(μCox)j與VTHj。對于給定的W0與L0，μCox與VTH經(jīng)歷更大的平均過程，致使大尺寸晶體管之間的失配更小。

3 版圖方法減少失配
針對電路設計中，特別是全差動電路中的不對稱而產(chǎn)生的電路失調(diào)，盡管有些失配是不可避免的，但是在版圖設計中，可通過器件對稱設計，使晶體管方面優(yōu)化，對所關心的器件及周圍環(huán)境進行對稱性設計，盡量減少因工藝制造原理而引起的失配。
如圖6(a)所示，如果兩個MOS管按圖6(b)那樣沿不同方法放置，由于在光刻及圓片加工的許多步驟中沿不同軸向的特性大不一樣，就會產(chǎn)生很大失配。因而圖6(c)和(d)的方案更合理一些。這兩者的選擇是由一種稱作“柵陰影”的細微效應決定的。

如圖7(b)所示，為了避免溝道效應，通常在源一漏離子注入時把注入方向(或圓片方向)傾斜7°左右，這樣柵極多晶硅就會阻擋一部份離子，形成陰影區(qū)。結(jié)果，在源區(qū)或漏區(qū)就有一條窄區(qū)，它接收的注入較小，因而在注入退火之后，使源區(qū)和漏區(qū)邊緣的擴散產(chǎn)生了細微的不對稱。