基礎概念

共模電平：模擬電路處理的信號一般是交流小信號，在給mos管輸入交流小信號之前，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間，交流小信號的中心電位就是該直流偏置的電壓，而小信號由于足夠的小，即使其圍繞直流電平上下震蕩，也不會改變mos管的工作區間，由于差動對的輸入mos管是一對，因此要考慮兩個mos管各自的直流偏置是什么情況，為了讓差動對正常工作，兩個mos管的直流電平需要一致，即應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定的概念，差模電壓則是專門為系統要處理的交流小信號所定義的概念，兩個點位大小相等，但相位相反的兩個小信號電壓作差，得到的就是差模電壓，該差模電壓的波形，僅僅是幅值變為了單個小信號的兩倍，其它的頻率等信息與小信號完全一致，相當于差動對天然自帶了2倍的電壓增益，差模電平也是一個交流小信號。

為什么要使用差動放大器

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，差動電路有更簡單的偏置電路和更高的線性度。

基本差動對

由前兩個公式，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越小，再結合上一段分析，輸出擺幅的下限也會升高，這就讓信號非常容易出現削底失真，同樣的分析，當輸入共模電平增大，又會很容易的出現削頂失真，因此輸入共模范圍就非常小，稍有不慎便會讓差動對不能正常工作。

除此以外，再結合公式1，3，4可以看到，輸入共模電平還能影響電壓增益，這會導致不同的輸入有不同的響應，而我們只想讓輸入共模電平決定工作區間，只要MOS管工作在正確的工作區間，不同的輸入都應該對應同一個增益。

綜上所述，我們要盡可能地消除輸入共模電平對電路工作狀態的影響，因此出現了以下改進的結構：

這樣，正常工作時，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，電路特性會怎么樣？（差模特性）

一個需要理解的細節是，研究直流偏置不相等的情況其實研究的是大信號特性，如果拋開小信號在工作點處“線性”的近似（這也是小信號真正的工作情況），大信號的特性完全適用于小信號，因此做大信號的定性分析是必要的。

分析過程簡述：從兩輸入對管的輸入電壓大小相差非常大的極端情況入手，對應管子一個導通一個截止；再逐漸縮小差距，尾電流的分配隨著輸入的變化而變化，從而大致得到兩個單端輸出電壓的變化，最終得到如下重要結論：

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與輸入共模電平無關，說明尾電流源的引入解決了輸入共模電平對輸出共模電平影響的問題。
2.當個管子的輸入電壓相等時，曲線線性度最好，且斜率最大，對應于小信號增益最大，因此基本差動對正常工作的平衡態一定是兩個管子有共模的偏置，即一定要使用共模輸入電壓。

思考二 ：現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，而模擬電路為了得到最佳的線性度以及最大的增益，一定要讓三個管子處在飽和區，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，我們想想工作細節有哪些變化：

由于M1和M2的漏端有著整個系統的最高電位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，這個“程度”應該就是輸入共模電平取值的上界。

當共模電平很小的時候，整個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，只有整個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，M3一直處于飽合區，尾電流恒定，由于電流不變的情況下，線性區的跨導小于飽合區的跨導，因此電路的增益將會下降，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