¿Qué causa la ganancia de modo común en el amplificador diferencial MOS?

Revisé muchas de las preguntas anteriores en este foro y también en muchos otros sitios, pero ninguno respondió a mi pregunta, así que decidí publicarla aquí.

¿Qué hace exactamente que aparezca la señal de modo común en el lado de salida? Sé que los transistores no son simétricos y esto provoca una compensación, pero suponiendo que todos los transistores sean simétricos, ¿qué hace que las señales de modo común no se rechacen por completo? Creo que esto tiene que ver con que la fuente de corriente de cola no sea ideal, pero ¿cómo afecta esto exactamente?

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Creo que esto tiene que ver con que la fuente de corriente de cola no sea ideal. De hecho, eso es todo. Ahora haga un modelo de señal pequeña para la señal de modo común, de modo que V1 = V2 y determine Vo. Si M5 tiene un Rds infinito la transferencia será diferente que cuando no es infinito.
@FakeMoustache Ahh, está bien, ¿entonces quiere decir que en un punto de vista de señal grande no habrá ninguna amplificación de modo común, pero en una vista de señal pequeña sí? Y sí, vi una derivación en la que dividen M5 en 2 transistores y luego calculan la función de transferencia que resulta ser Vo/Vic = -1/(R5ds*2*gm3). ¿Pero hay una forma intuitiva de entender esto?
La ganancia es completamente una función de la corriente de polarización, ya que establece el flujo completo a través del sistema. Si dibuja un diagrama de bandas, verá que tiene un "seguidor de fuente" entre el sesgo y un lado del par de entrada. La ganancia de voltaje se puede ver como el balance de campo del diagrama de bandas. Las mejores descripciones de la intuición que conozco están en el libro "Analog VLSI and Neural Systems" de Carver Mead o en el libro "Analog VLSI" de Shih-Chii Liu. Puede usar los modelos de señal grande/pequeña, pero están más restringidos. Si empujas a través de la física, encontrarás que te servirá bien en todos los escenarios.
Entonces quiere decir que en el punto de vista de una señal grande no habrá ninguna amplificación de modo común, pero en una vista de señal pequeña nunca lo escribí porque eso no es cierto. El comportamiento de la señal grande es más complejo que el SS. Primero comprenda SS y luego mire LS.
Existe una forma más sencilla e intuitiva de comprender el comportamiento de la CMM. Si tanto V1 como V2 aumentan dV en voltaje, el drenaje de M5 también aumenta un poco menos que dV (parte de dV termina en Vgs de M1, M2). Cuando M5 no es ideal, tiene un Rds. Entonces la corriente de cola aumentará con dV/Rds. Esto va al espejo M3+M4. Si este espejo es ideal, v0 no vería el CMM. Pero si hay un ligero desequilibrio, la diferencia de corriente Id_M4 - Id_M2 se introduce en el nodo de salida. Multiplique eso con la ruta en la salida y tendrá su ganancia de CMM.
@FakeMoustache Gracias por la explicación, entiendo cómo aumenta la corriente a través de M5 (debido a la resistencia finita) y sí, por supuesto, si hay un ligero desequilibrio, habrá un voltaje de modo común en la salida, pero considerando la simetría pura no debería ser un voltaje de modo común ... Creo que podría deberse a la explicación de Mario, pero aún así, si consideras la simetría, ¡no estoy seguro de si eso sería cierto todavía!
@bdegnan Sí, creo que también podría tener razón, ¡mirar un poco más en la física de las cosas podría darnos una respuesta! Desafortunadamente, no sé cómo se supone que se deben usar los diagramas de bandas en este caso... pero intentaré echarle un vistazo también.
Tiene razón en que si solo hay una señal CMM y el circuito es puramente simétrico, entonces no habrá CMM en la salida. PERO considere el caso de que también hay una pequeña señal de entrada de modo diferencial (DM). Esto también provoca un desequilibrio en el circuito (me refiero a un desequilibrio en las corrientes) incluso cuando el circuito en sí está perfectamente equilibrado . ¡Entonces obtendría una señal CMM y una señal DM en la salida!
Claro, eso es cierto, pero mi pregunta es considerar que el circuito es puramente simétrico y que solo hay una señal de modo común. Entonces, ¿cómo hay una señal en la salida debido a la entrada de modo común?

Respuestas (2)

Una ganancia de modo común es el resultado de dos cosas. La resistencia de salida finita de la fuente de corriente (M5) y una división de corriente desigual entre M1 y M2.

La impedancia de salida finita es el resultado de la resistencia de salida del transistor rds y los capacitores parásitos en el drenaje de M5. El resultado es que cualquier cambio del voltaje común resulta en un cambio de ISS.

Suponiendo solo un voltaje de modo común y sin voltaje diferencial, el cambio de la ISS actual se divide entre M1 y M2. En la práctica, M1 y M2 son ligeramente diferentes debido a la falta de coincidencia, la corriente no se divide por igual y resulta una corriente diferencial que se convierte en un voltaje de salida.

Incluso para transistores perfectamente adaptados, se puede encontrar un ligero desequilibrio, M1 tiene una carga conectada a diodos y M2 tiene una carga de fuente de corriente. La impedancia al mirar las fuentes de M1 y M2 será ligeramente diferente debido a esta asimetría. Nuevamente resultará una corriente diferencial.

Actualización: en algunos libros de texto, el rechazo del modo común se deriva de una estructura completamente diferencial con coincidencia perfecta. Luego, el rechazo de modo común se calcula como la relación entre la salida de modo común y la entrada de modo común.

Esto da el conocido resultado Acm ~ RD / (2 rds5)

El circuito que se muestra en su publicación tiene un solo extremo y, por lo tanto, se requiere otro enfoque.

¡Claro que veo tu punto! Entonces, en cierto modo, quiere decir que incluso si hay pura simetría, el diseño por defecto plantea un medio para no rechazar completamente las señales de modo común. Pero entonces no entiendo por qué muchos libros señalan el hecho de que M5, ya que no es ideal, es la razón principal del problema. Más bien, deberían señalar el diseño conectado al diodo como las principales razones del problema.
@Bhuvanesh N: hice una actualización.

Como mencionó @Mario, si asumimos que M3 y M4 son simétricos y tienen una resistencia de saturación de rds y M5 tiene una resistencia de encendido de rds5, entonces la ganancia de modo común es rds/(1/gm + 2*rds5).

¿Qué causa la ganancia de modo común en el amplificador diferencial MOS?
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