差動放大器總結

差動工作方式優(yōu)點：

1. 對環(huán)境噪聲具有更強的抗干擾性；

2. 抑制共模噪聲；

3. 增大了最大電壓擺幅；

4. 更簡單的偏執(zhí)電路和更高的線性度

一、基本概念（公式推導略）：

1. 差動信號：兩個結點電位之差，并且這兩個結點相對于某個固定電位大小相等，極性相反，嚴格地說，這兩個電位與固定結點的阻抗也必須相等。在差動信號中，這個固定的中心電位稱為共模電平。

2. 基本差動對：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小（輸出最大值VDD，最小值為Vin，CM-VTH），允許的輸出擺幅就越大，但實際中，前級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立考慮兩個輸入端，求出VX，VY；半邊電路法也是利用戴維南等效的思想，因為完全對稱，所以只考慮一邊電路的工作情況，將尾巴結點當成交流地對待。半邊電路法為全差動的對稱差動對提供了一個簡便的方法，對于不是全差動的輸入信號，我們可以把信號看成一個差動輸入和一個共模變化的疊加，這樣對于差模工作就可以應用半邊電路概念。

3、共模響應

差動放大器的一個重要特點就是抑制共模擾動能力，實際中，電路既不可能完全對稱，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傳遞到輸出端。

（1）首先假設電流源具有有限阻抗RSS，電路簡化如下：

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

（2）其實最為麻煩的是電路不對稱

Vin，CM的變化會引起差動輸出的變化，例如兩個負載電阻RD不相等。輸入共模端的變化導致在輸出端產生一個差動成分，該現(xiàn)象稱為：電路表現(xiàn)為共模到差模的變換。總之，差動對的共模響應取決于電流源的輸出阻抗和電路的不對稱性，并表現(xiàn)為兩方面的影響：a）對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生的差模分量。在Analog中，后者的影響最為嚴重。

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

為了比較各類差動電路，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差動對中的一個，所以從Vin到Vout的增益就為最高正值或最低負值，當然，若Vcont=0，則電路增益也為零。也就是說吉爾伯特單元實現(xiàn)了可變增益放大器（VGAs）。與共源共柵結構一樣，吉爾伯特單元比簡單的差動對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過驅動電壓。另外，交換Vin和Vcont仍然可以實現(xiàn)VGA。

差動放大電路工作原理分析

差動放大器電路是由特性相同的兩放大管（稱差動對管）及其他元件組成的電路結構對稱的放大電路，利用對稱性來實現(xiàn)電路的相互補償，減少零點漂移。

差動放大電路工作原理

基本差動放大電路：下圖為差動放大器的兩種典型電路。其中左圖為射極偏置，右圖為電流源偏置。

差動放大電路圖 （a）射極偏置差放 （b）電流源偏置差放

差動放大電路有兩個輸入端子和兩個輸出端子，因此信號的輸入和輸出均有雙端和單端兩種方式。雙端輸入時，信號同時加到兩輸入端;單端輸入時，信號加到一個輸入端與地之間，另一個輸入端接地。雙端輸出時，信號取于兩輸出端之間;單端輸出時，信號取于一個輸出端到地之間。因此，差動放大電路有雙端輸入雙端輸出、單端輸入雙端輸出、雙端輸入單端輸出、單端輸入單端輸出四種應用方式。上面兩個差動放大器電路均為雙端輸入雙端輸出方式。

差動放大電路的外信號輸入分差模和共模兩種基本輸入狀態(tài)。當外信號加到兩輸入端子之間，使兩個輸入信號vI1、vI2的大小相等、極性相反時，稱為差模輸入狀態(tài)。此時，外輸入信號稱為差模輸入信號，以vId表示，且有：

當外信號加到兩輸入端子與地之間，使vI1、vI2大小相等、極性相同時，稱為共模輸入狀態(tài)，此時的外輸入信號稱為共模輸入信號，以vIC表示，且：

當輸入信號使vI1、vI2的大小不對稱時，輸入信號可以看成是由差模信號vId和共模信號vIc兩部分組成，其中

根據(jù)上述，可得到下圖的統(tǒng)一的簡化差動放大電路。其中，IEE為差動對管公共射極支路的靜態(tài)電流，Rem表示公共射極于地之間的動態(tài)電阻，即Rem=ro3， ro3為下圖電流源電路的動態(tài)輸出電阻：

差動放大電路簡化電路。