差動(dòng)放大器總結(jié)

差動(dòng)放大器總結(jié)

差動(dòng)工作方式優(yōu)點(diǎn)：

1. 對(duì)環(huán)境噪聲具有更強(qiáng)的抗干擾性；

2. 抑制共模噪聲；

3. 增大了最大電壓擺幅；

4. 更簡(jiǎn)單的偏執(zhí)電路和更高的線性度

一、基本概念（公式推導(dǎo)略）：

1. 差動(dòng)信號(hào)：兩個(gè)結(jié)點(diǎn)電位之差，并且這兩個(gè)結(jié)點(diǎn)相對(duì)于某個(gè)固定電位大小相等，極性相反，嚴(yán)格地說，這兩個(gè)電位與固定結(jié)點(diǎn)的阻抗也必須相等。在差動(dòng)信號(hào)中，這個(gè)固定的中心電位稱為共模電平。

2. 基本差動(dòng)對(duì)：為了避免增益、擺幅、波形等受器件偏置電流的影響，引入電流源來提供電路的偏置電流，如下圖：

雖然在這里，電流源的目的是抑制輸入共模電平的變化對(duì)管子和輸出電平的影響，但是并不意味著輸入共模電平的值可以任意取，為了保證管子工作在飽和區(qū)，輸入共模電平允許范圍如下：

考慮輸出電壓的擺幅，顯然輸入共模電平越?。ㄝ敵鲎畲笾礦DD，最小值為Vin，CM-VTH），允許的輸出擺幅就越大，但實(shí)際中，前級(jí)電路可不能提供這么低的電平。

考慮增益，研究電路的小信號(hào)特性，分為兩種方法：疊加法和半邊電路法。疊加法主要思想是利用戴維寧等效分別獨(dú)立考慮兩個(gè)輸入端，求出VX，VY；半邊電路法也是利用戴維南等效的思想，因?yàn)橥耆珜?duì)稱，所以只考慮一邊電路的工作情況，將尾巴結(jié)點(diǎn)當(dāng)成交流地對(duì)待。半邊電路法為全差動(dòng)的對(duì)稱差動(dòng)對(duì)提供了一個(gè)簡(jiǎn)便的方法，對(duì)于不是全差動(dòng)的輸入信號(hào)，我們可以把信號(hào)看成一個(gè)差動(dòng)輸入和一個(gè)共模變化的疊加，這樣對(duì)于差模工作就可以應(yīng)用半邊電路概念。

3、共模響應(yīng)

差動(dòng)放大器的一個(gè)重要特點(diǎn)就是抑制共模擾動(dòng)能力，實(shí)際中，電路既不可能完全對(duì)稱，電流源的阻抗也不可能無限大，因此共模輸入的變化或多或少會(huì)傳遞到輸出端。

（1）首先假設(shè)電流源具有有限阻抗RSS，電路簡(jiǎn)化如下：

都知道，在對(duì)稱電路中，共模輸入的變化會(huì)擾亂偏置點(diǎn)，改變小信號(hào)增益乃至可能會(huì)減小輸出電壓擺幅（例子見拉扎維模設(shè)P99），所以我們需要考慮共模增益，電路的共模增益為（忽略溝道調(diào)制和體效應(yīng)）：

（2）其實(shí)最為麻煩的是電路不對(duì)稱

Vin，CM的變化會(huì)引起差動(dòng)輸出的變化，例如兩個(gè)負(fù)載電阻RD不相等。輸入共模端的變化導(dǎo)致在輸出端產(chǎn)生一個(gè)差動(dòng)成分，該現(xiàn)象稱為：電路表現(xiàn)為共模到差模的變換?？傊?，差動(dòng)對(duì)的共模響應(yīng)取決于電流源的輸出阻抗和電路的不對(duì)稱性，并表現(xiàn)為兩方面的影響：a）對(duì)稱電路的輸出共模電平變化；b）輸入共模電平變化在輸出端產(chǎn)生的差模分量。在Analog中，后者的影響最為嚴(yán)重。

共模向差模轉(zhuǎn)換的影響總結(jié)為兩個(gè)方面：a）當(dāng)共模擾動(dòng)的頻率增加時(shí)，與尾電流源并聯(lián)的總電容會(huì)使尾電流產(chǎn)生很大的變化，因此即使尾電流源的輸出阻抗很大，共模到差模的轉(zhuǎn)換在高頻時(shí)也會(huì)變得嚴(yán)重。這個(gè)并聯(lián)的電容來自于電流源自身的寄生電容和管子的源襯結(jié)的寄生電容；b）電路的不對(duì)稱即來自負(fù)載電阻也來自晶體管，通常后者產(chǎn)生的失配要大得多。電路將輸入共模變化按照以下系數(shù)轉(zhuǎn)換為差動(dòng)誤差：

為了比較各類差動(dòng)電路，定義了“共模抑制比”（CMRR）：

4、吉爾伯特單元：

控制電壓Vcont越大，尾電流就只流過頂端兩個(gè)差動(dòng)對(duì)中的一個(gè)，所以從Vin到Vout的增益就為最高正值或最低負(fù)值，當(dāng)然，若Vcont=0，則電路增益也為零。也就是說吉爾伯特單元實(shí)現(xiàn)了可變?cè)鲆娣糯笃?/u>（VGAs）。與共源共柵結(jié)構(gòu)一樣，吉爾伯特單元比簡(jiǎn)單的差動(dòng)對(duì)消耗更多的電壓余度，容易知道：控制共模電平必須比輸入共模電平至少小一個(gè)過驅(qū)動(dòng)電壓。另外，交換Vin和Vcont仍然可以實(shí)現(xiàn)VGA。