差动放大器总结

发表于 2019-07-17 09:31:44 收藏 已收藏
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差动放大器总结

发表于 2019-07-17 09:31:44

差动放大器总结

差动工作方式优点:

1. 对环境噪声具有更强的抗干扰性;

2. 抑制共模噪声;

3. 增大了最大电压摆幅;

4. 更简单的偏执电路和更高的线性度

一、基本概念(公式推导略):

1. 差动信号:两个结点电位之差,并且这两个结点相对于某个固定电位大小相等,极性相反,严格地说,这两个电位与固定结点的阻抗也必须相等。在差动信号中,这个固定的中心电位称为共模电平。

2. 基本差动对:为了避免增益、摆幅、波形等受器件偏置电流的影响,引入电流源来提供电路的偏置电流,如下图:

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虽然在这里,电流源的目的是抑制输入共模电平的变化对管子和输出电平的影响,但是并不意味着输入共模电平的值可以任意取,为了保证管子工作在饱和区,输入共模电平允许范围如下:

考虑输出电压的摆幅,显然输入共模电平越小(输出最大值VDD,最小值为Vin,CM-VTH),允许的输出摆幅就越大,但实际中,前级电路可不能提供这么低的电平。

考虑增益,研究电路的小信号特性,分为两种方法:叠加法和半边电路法。叠加法主要思想是利用戴维宁等效分别独立考虑两个输入端,求出VX,VY;半边电路法也是利用戴维南等效的思想,因为完全对称,所以只考虑一边电路的工作情况,将尾巴结点当成交流地对待。半边电路法为全差动的对称差动对提供了一个简便的方法,对于不是全差动的输入信号,我们可以把信号看成一个差动输入和一个共模变化的叠加,这样对于差模工作就可以应用半边电路概念。

3、共模响应

差动放大器的一个重要特点就是抑制共模扰动能力,实际中,电路既不可能完全对称,电流源的阻抗也不可能无限大,因此共模输入的变化或多或少会传递到输出端。

(1)首先假设电流源具有有限阻抗RSS,电路简化如下:

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都知道,在对称电路中,共模输入的变化会扰乱偏置点,改变小信号增益乃至可能会减小输出电压摆幅(例子见拉扎维模设P99),所以我们需要考虑共模增益,电路的共模增益为(忽略沟道调制和体效应):

(2)其实最为麻烦的是电路不对称

Vin,CM的变化会引起差动输出的变化,例如两个负载电阻RD不相等。输入共模端的变化导致在输出端产生一个差动成分,该现象称为:电路表现为共模到差模的变换。总之,差动对的共模响应取决于电流源的输出阻抗和电路的不对称性,并表现为两方面的影响:a)对称电路的输出共模电平变化;b)输入共模电平变化在输出端产生的差模分量。在Analog中,后者的影响最为严重。

共模向差模转换的影响总结为两个方面:a)当共模扰动的频率增加时,与尾电流源并联的总电容会使尾电流产生很大的变化,因此即使尾电流源的输出阻抗很大,共模到差模的转换在高频时也会变得严重。这个并联的电容来自于电流源自身的寄生电容和管子的源衬结的寄生电容;b)电路的不对称即来自负载电阻也来自晶体管,通常后者产生的失配要大得多。电路将输入共模变化按照以下系数转换为差动误差:

为了比较各类差动电路,定义了“共模抑制比”(CMRR):

4、吉尔伯特单元:

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控制电压Vcont越大,尾电流就只流过顶端两个差动对中的一个,所以从Vin到Vout的增益就为最高正值或最低负值,当然,若Vcont=0,则电路增益也为零。也就是说吉尔伯特单元实现了可变增益放大器(VGAs)。与共源共栅结构一样,吉尔伯特单元比简单的差动对消耗更多的电压余度,容易知道:控制共模电平必须比输入共模电平至少小一个过驱动电压。另外,交换Vin和Vcont仍然可以实现VGA。

差动放大电路工作原理分析

差动放大器电路是由特性相同的两放大管(称差动对管)及其他元件组成的电路结构对称的放大电路,利用对称性来实现电路的相互补偿,减少零点漂移。

差动放大电路工作原理

基本差动放大电路:下图为差动放大器的两种典型电路。其中左图为射极偏置,右图为电流源偏置。

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差动放大电路图 (a)射极偏置差放 (b)电流源偏置差放

差动放大电路有两个输入端子和两个输出端子,因此信号的输入和输出均有双端和单端两种方式。双端输入时,信号同时加到两输入端;单端输入时,信号加到一个输入端与地之间,另一个输入端接地。双端输出时,信号取于两输出端之间;单端输出时,信号取于一个输出端到地之间。因此,差动放大电路有双端输入双端输出、单端输入双端输出、双端输入单端输出、单端输入单端输出四种应用方式。上面两个差动放大器电路均为双端输入双端输出方式。

差动放大电路的外信号输入分差模和共模两种基本输入状态。当外信号加到两输入端子之间,使两个输入信号vI1、vI2的大小相等、极性相反时,称为差模输入状态。此时,外输入信号称为差模输入信号,以vId表示,且有:

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当外信号加到两输入端子与地之间,使vI1、vI2大小相等、极性相同时,称为共模输入状态,此时的外输入信号称为共模输入信号,以vIC表示,且:

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当输入信号使vI1、vI2的大小不对称时,输入信号可以看成是由差模信号vId和共模信号vIc两部分组成,其中

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根据上述,可得到下图的统一的简化差动放大电路。其中,IEE为差动对管公共射极支路的静态电流,Rem表示公共射极于地之间的动态电阻,即Rem=ro3, ro3为下图电流源电路的动态输出电阻:

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差动放大电路简化电路。

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