为什么要使用差动放大器？

基础概念

共模电平：模拟电路处理的信号一般是交流小信号，在给mos管输入交流小信号之前，要先给mos管施加较大的直流电平，以使mos管偏置到正确的工作区间，交流小信号的中心电位就是该直流偏置的电压，而小信号由于足够的小，即使其围绕直流电平上下震荡，也不会改变mos管的工作区间，由于差动对的输入mos管是一对，因此要考虑两个mos管各自的直流偏置是什么情况，为了让差动对正常工作，两个mos管的直流电平需要一致，即应该有共同的直流偏置，这就是共模电平。

差模电压：共模电平是专门为直流电平设定的概念，差模电压则是专门为系统要处理的交流小信号所定义的概念，两个点位大小相等，但相位相反的两个小信号电压作差，得到的就是差模电压，该差模电压的波形，仅仅是幅值变为了单个小信号的两倍，其它的频率等信息与小信号完全一致，相当于差动对天然自带了2倍的电压增益，差模电平也是一个交流小信号。

为什么要使用差动放大器

1.消除电压耦合带来的噪声。
2.比单端同类型放大器有更大的输出电压摆幅。
3.和单端的同类电路相比，差动电路有更简单的偏置电路和更高的线性度。

基本差动对

由前两个公式，可以看到，输入的共模电平还能决定输出电平的具体取值，且输入共模电平越大，输出电平的取值就会越小，再结合上一段分析，输出摆幅的下限也会升高，这就让信号非常容易出现削底失真，同样的分析，当输入共模电平增大，又会很容易的出现削顶失真，因此输入共模范围就非常小，稍有不慎便会让差动对不能正常工作。

除此以外，再结合公式1，3，4可以看到，输入共模电平还能影响电压增益，这会导致不同的输入有不同的响应，而我们只想让输入共模电平决定工作区间，只要MOS管工作在正确的工作区间，不同的输入都应该对应同一个增益。

综上所述，我们要尽可能地消除输入共模电平对电路工作状态的影响，因此出现了以下改进的结构：

这样，正常工作时，输入共模电压就影响不了偏置电流，从而影响不了输出电压的取值，也影响不了跨导和增益，两条支路电流被牢牢钳制在尾电流的一半。

定性分析

思考一 ：如果两个输入管的直流偏置不相等，换句话说，不是共模的，电路特性会怎么样？（差模特性）

一个需要理解的细节是，研究直流偏置不相等的情况其实研究的是大信号特性，如果抛开小信号在工作点处“线性”的近似（这也是小信号真正的工作情况），大信号的特性完全适用于小信号，因此做大信号的定性分析是必要的。

分析过程简述：从两输入对管的输入电压大小相差非常大的极端情况入手，对应管子一个导通一个截止；再逐渐缩小差距，尾电流的分配随着输入的变化而变化，从而大致得到两个单端输出电压的变化，最终得到如下重要结论：

1.输出端所有可能取得的电压值，包括可能取得的最大最小电平确实与输入共模电平无关，说明尾电流源的引入解决了输入共模电平对输出共模电平影响的问题。
2.当个管子的输入电压相等时，曲线线性度最好，且斜率最大，对应于小信号增益最大，因此基本差动对正常工作的平衡态一定是两个管子有共模的偏置，即一定要使用共模输入电压。

思考二 ：现在确定了输入要共模，而且共模电压的大小不影响输出，那共模电压的大小能否随意取值？（共模特性）

很容易想到，共模输入电压直接决定了M1和M2两管子的工作区间，从而决定了两条支路的偏置电流，也就是决定了M3的偏置电流，从而决定了 M3的工作状态，而模拟电路为了得到最佳的线性度以及最大的增益，一定要让三个管子处在饱和区，因此输入共模电平一定有所限制。

让共模电平从0到VDD变化，我们想想工作细节有哪些变化：

由于M1和M2的漏端有着整个系统的最高电位VDD，因此，除非输入共模电平大到一定程度，否则M1，M2一定处于饱和区，这个“程度”应该就是输入共模电平取值的上界。

当共模电平很小的时候，整个电路几乎没有电流流过，而M3的栅端施加着足以让M3流过最大电流为ISS的大偏置电压，因此M3一开始一定处于深线性区，只有整个电路的电流大到一定程度，才能让M3饱和，也就是说输入共模电平需要有一个下界来保证M3饱和。

最终得到以下范围：

若超过上界，M1,M2将一直处于线性区，M3一直处于饱合区，尾电流恒定，由于电流不变的情况下，线性区的跨导小于饱合区的跨导，因此电路的增益将会下降，如图所示：

思考三 ：输出摆幅有多大，如何尽可能增大输出摆幅