基礎(chǔ)概念

共模電平：模擬電路處理的信號(hào)一般是交流小信號(hào)，在給mos管輸入交流小信號(hào)之前，要先給mos管施加較大的直流電平，以使mos管偏置到正確的工作區(qū)間，交流小信號(hào)的中心電位就是該直流偏置的電壓，而小信號(hào)由于足夠的小，即使其圍繞直流電平上下震蕩，也不會(huì)改變mos管的工作區(qū)間，由于差動(dòng)對(duì)的輸入mos管是一對(duì)，因此要考慮兩個(gè)mos管各自的直流偏置是什么情況，為了讓差動(dòng)對(duì)正常工作，兩個(gè)mos管的直流電平需要一致，即應(yīng)該有共同的直流偏置，這就是共模電平。

差模電壓：共模電平是專門為直流電平設(shè)定的概念，差模電壓則是專門為系統(tǒng)要處理的交流小信號(hào)所定義的概念，兩個(gè)點(diǎn)位大小相等，但相位相反的兩個(gè)小信號(hào)電壓作差，得到的就是差模電壓，該差模電壓的波形，僅僅是幅值變?yōu)榱藛蝹€(gè)小信號(hào)的兩倍，其它的頻率等信息與小信號(hào)完全一致，相當(dāng)于差動(dòng)對(duì)天然自帶了2倍的電壓增益，差模電平也是一個(gè)交流小信號(hào)。

為什么要使用差動(dòng)放大器

1.消除電壓耦合帶來的噪聲。
2.比單端同類型放大器有更大的輸出電壓擺幅。
3.和單端的同類電路相比，差動(dòng)電路有更簡(jiǎn)單的偏置電路和更高的線性度。

基本差動(dòng)對(duì)

由前兩個(gè)公式，可以看到，輸入的共模電平還能決定輸出電平的具體取值，且輸入共模電平越大，輸出電平的取值就會(huì)越小，再結(jié)合上一段分析，輸出擺幅的下限也會(huì)升高，這就讓信號(hào)非常容易出現(xiàn)削底失真，同樣的分析，當(dāng)輸入共模電平增大，又會(huì)很容易的出現(xiàn)削頂失真，因此輸入共模范圍就非常小，稍有不慎便會(huì)讓差動(dòng)對(duì)不能正常工作。

除此以外，再結(jié)合公式1，3，4可以看到，輸入共模電平還能影響電壓增益，這會(huì)導(dǎo)致不同的輸入有不同的響應(yīng)，而我們只想讓輸入共模電平?jīng)Q定工作區(qū)間，只要MOS管工作在正確的工作區(qū)間，不同的輸入都應(yīng)該對(duì)應(yīng)同一個(gè)增益。

綜上所述，我們要盡可能地消除輸入共模電平對(duì)電路工作狀態(tài)的影響，因此出現(xiàn)了以下改進(jìn)的結(jié)構(gòu)：

這樣，正常工作時(shí)，輸入共模電壓就影響不了偏置電流，從而影響不了輸出電壓的取值，也影響不了跨導(dǎo)和增益，兩條支路電流被牢牢鉗制在尾電流的一半。

定性分析

思考一 ：如果兩個(gè)輸入管的直流偏置不相等，換句話說，不是共模的，電路特性會(huì)怎么樣？（差模特性）

一個(gè)需要理解的細(xì)節(jié)是，研究直流偏置不相等的情況其實(shí)研究的是大信號(hào)特性，如果拋開小信號(hào)在工作點(diǎn)處“線性”的近似（這也是小信號(hào)真正的工作情況），大信號(hào)的特性完全適用于小信號(hào)，因此做大信號(hào)的定性分析是必要的。

分析過程簡(jiǎn)述：從兩輸入對(duì)管的輸入電壓大小相差非常大的極端情況入手，對(duì)應(yīng)管子一個(gè)導(dǎo)通一個(gè)截止；再逐漸縮小差距，尾電流的分配隨著輸入的變化而變化，從而大致得到兩個(gè)單端輸出電壓的變化，最終得到如下重要結(jié)論：

1.輸出端所有可能取得的電壓值，包括可能取得的最大最小電平確實(shí)與輸入共模電平無關(guān)，說明尾電流源的引入解決了輸入共模電平對(duì)輸出共模電平影響的問題。
2.當(dāng)個(gè)管子的輸入電壓相等時(shí)，曲線線性度最好，且斜率最大，對(duì)應(yīng)于小信號(hào)增益最大，因此基本差動(dòng)對(duì)正常工作的平衡態(tài)一定是兩個(gè)管子有共模的偏置，即一定要使用共模輸入電壓。

思考二 ：現(xiàn)在確定了輸入要共模，而且共模電壓的大小不影響輸出，那共模電壓的大小能否隨意取值？（共模特性）

很容易想到，共模輸入電壓直接決定了M1和M2兩管子的工作區(qū)間，從而決定了兩條支路的偏置電流，也就是決定了M3的偏置電流，從而決定了 M3的工作狀態(tài)，而模擬電路為了得到最佳的線性度以及最大的增益，一定要讓三個(gè)管子處在飽和區(qū)，因此輸入共模電平一定有所限制。

讓共模電平從0到VDD變化，我們想想工作細(xì)節(jié)有哪些變化：

由于M1和M2的漏端有著整個(gè)系統(tǒng)的最高電位VDD，因此，除非輸入共模電平大到一定程度，否則M1，M2一定處于飽和區(qū)，這個(gè)“程度”應(yīng)該就是輸入共模電平取值的上界。

當(dāng)共模電平很小的時(shí)候，整個(gè)電路幾乎沒有電流流過，而M3的柵端施加著足以讓M3流過最大電流為ISS的大偏置電壓，因此M3一開始一定處于深線性區(qū)，只有整個(gè)電路的電流大到一定程度，才能讓M3飽和，也就是說輸入共模電平需要有一個(gè)下界來保證M3飽和。

最終得到以下范圍：

若超過上界，M1,M2將一直處于線性區(qū)，M3一直處于飽合區(qū)，尾電流恒定，由于電流不變的情況下，線性區(qū)的跨導(dǎo)小于飽合區(qū)的跨導(dǎo)，因此電路的增益將會(huì)下降，如圖所示：

思考三 ：輸出擺幅有多大，如何盡可能增大輸出擺幅