文档介绍：差分放大器
概述
本节先介绍差分模式与单端模式的概念以及差分工作模式的特点。
单端信号:是指相对于一个固定电位(常常为“地”)的一个信号;
单端模式:一般指以单端信号作为其检测信号的工作模式;
差分信号:两个节点电位之差,且它们对于某一固定节点电位的幅值相等而极性相反,严格地说这两个节点对于这一固定节点具有相等的阻抗;
差分模式:指以差分信号作为检测信号的工作模式。
共模电平:差分信号的中心电位。有输入共模电平与输出共模电平之分。
差分模式与单端模式相比,一个最重要的优点是能很好抑制环境噪声(比如电源噪声等),即所谓的共模抑制。
概述
差分工作模式,能很好抑制电源电压中的噪声。
差分信号作为输出可以增大最大输出压摆。
采用差分工作模式抑制环境噪声是以电路面积为代价的,但对于在单端模式时采用别的方法来抑制环境噪声的干扰的电路面积而言还是较小的。差分模式的优点远远大于它的缺点,因而在实际电路设计中经常采用差分电路以获得高性能。
另外,差分电路还具有偏置电路简单和线性度高等优点。
基本差分对
电路结构
典型的MOS差分放大器的电路结构如图所示。
基本差分对
上图中一般R1=R2=R,在两种差分电路中的负载如同第三章单级放大器一样有多种形式,既可为无源负载,也可为有源负载,但通常采用的是恒流源有源负载。而电流源则采用一个工作于饱和区的MOS实现。
与原始的差分电路相比,可以发现其不同之处在于原始图中的差分对管的源极接地,而上图的差分对管同时接到一个恒流源上。
基本差分对
原始结构中虽然具有高的电源噪声抑制和更大的输出摆幅;但这种电路的输入共模信号Vic变化时,M1与M2的偏置电流也将随之变化,因此器件的跨导以及电路的交流小信号增益也发生变化,产生了电路的非线性;同时输出共模电平会偏离理想值,从而降低了最大输出摆幅,特别是当输入共模电平小于M1与M2管的阈值电压时,M1与M2截止,则其输出发生严重箝位。由此可见,这种电路结构由于差分对管在共模输入时的工作电流的变化引起了非线性及输出信号失真等。
而基本差分电路结构则很好地解决了上述问题。其思路就是为差分对提供一个电流源IS,即提供了固定的尾电流,从而产生独立于输入共模信号Vic的电流ID1+ID2,因此在共模输入时差分对管的工作电流ID1=ID2= IS/2,并且保持恒定;同理,其共模输出电平也保持恒定,且其值为VDD-RIS/2(R为负载等效电阻)。
基本差分对-共模输入及输出压摆
以NMOS差分对为分析对象,假设负载电阻R1=R2=R。
1 共模信号的有效输入范围
当输入为共模信号时,即:Vi1=Vi2=Vic,研究共模电平Vic的变化对差分电路的影响,从而推导出差分对的有效共模输入信号范围,其电路结构可重画成下图所示的结构。
基本差分对
先假定输入差分对管M1与M2为一理想的差分对,即M1与M2的几何尺寸完全相同,电路中的两条支路完全对称。因此在共模输入时,差分对的共模输出电平应该相等,即Vo1= Vo2。而此时,差分对的差模输出为Vo1-Vo2=0。由此可以看出,理想的差分对在共模输入时,其差分输出与输入的共模电平的大小无关,始终保持为零。
下面分析当输入共模电平发生变化时,差分放大器的特点
基本差分对
Vic=0,差分对管的VGS1<Vth,VGS2<Vth,因此M1与M2都截止,即ID1=ID2=0,所以VA=VB=VDD。而由于Vb足够高,即VGS3>Vth3,M3形成了沟道,但因VQ远小于Vb-Vth3,故M3工作在深三极管区,此时该电路无放大作用,并且在这种状态时,M3可等效为一个压控电阻。
当Vic≥Vth 时M1、M2导通,电路开始正常工作,差分对管的漏极电流ID1与ID2随输入对管的过驱动电压的增大而增大,VQ的电位也同步上升,即M1、M2构成源跟随器,强迫VQ跟随Vic,直至Vic足够大时,M3的漏-源电压Vic-VGS1 (或Vic-VGS2)大于VGS3-Vth3而进入饱和区,使得M1、M2的总电流保持为一常数,所以差分对正常工作的一个条件为输入共模电平下限值:Vic≥VGS1+(VGS3-Vth3)。
继续增大Vic,由于M3工作在饱和区,故ID1与ID2保持不变,所以VA与VB为一个常量,直至Vic>Vo1+ Vth= VDD-RIS/2+ Vth时,差分输入对管M1与M2进入三极管区,所以输入共模电平的上限值为:Vic≤VDD+Vth-RIS/2。
因此,输入共模电平的范围为:
基本差分对
2 单端输出的电压摆幅
假设输入差分信号Vi1-Vi2的值Vid从-∞到∞变化时,分析其单端输出特性。
如果Vi1远小于Vi2,则M1关断,M2打开,ID2=IS,故Vo1=VDD,Vo2=VDD-RIS。
当Vi1与Vi2接近时