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第四章差分放大器 单端与差动的工作方式 用差分放大器消除时钟噪声 差分放大器的优点 简单差动电路 基本差动对 基本差动对的重要特性 基本差分对的共模特性 基本差分对的共模输入范围 差动对小信号差动增益与共模输入电平的关系 共模输入电压与输出摆幅 基本差分对的定量分析(1) 基本差分对的定量分析(2) 基本差分对的定量分析(3) 基本差分对的定量分析(4) 最大输入差模电压△VID与过驱动电压Von的关系 差分放大器的增益 差分对的小信号特性(1) 差分对的小信号特性(2) 差分对的小信号特性(3) 差分对增益与CS放大器增益的比较 差动对的“虚地”概念 “虚地”的应用－差分对的半边电路 任意输入信号的差分对 运放差模(共模)信号、差模(共模)增益的关系 基本差分放大器的共模响应 例4.6 共模输入电压变化带来的影响 基本差动对电阻失配对共模响应的影响 尾电容有限时基本差分对的共模响应 基本差分对输入对管失配时的共模响应 基本差分对的共模抑制比CMRR MOS负载的差分放大器 MOS负载的差分放大器 MOS负载的差分放大器 本章基本要求 理解并掌握差分放大器为什么具有优越的抗干扰能力、较好线性的原因。 理解并掌握什么是差分放大器的差模响应和共模响应，会求共模输入电压范围。会画大信号的转移特性。 理解并掌握共模抑制比CMRR的意义。 会利用差分对的半电路概念求差分对的差模增益。 半电路 半电路 输出共模电平不能“目测”，需共模反馈电路稳定共模输出电压。 * 单端信号的参考电位为某一固定电位(通常为地电位), 差动信号定义为两个节点电位之差, 且这两个节点的电位相对于某一固定电位大小相等,极性相反。在差动信号中, 中心电位称为“共模”(CM)电平。 共模电平 差动工作比单端工作有什么优点? 差动工作与单端工作相比, 一个重要优势在于它对环境噪声具有更强的抗干扰能力!! 单端工作时时钟大信号通过寄生电容干扰放大的小信号 V01 V02 V01- V02 极性相反的两路受干扰小信号, 差动输出时干扰消除了! 对称差动时钟大信号通过寄生电容耦合到小信号的噪声因极性相反而相互抵消 差动工作还有什么优点? VX- VY 电源噪声对单端电路产生的干扰 差动输出时电源噪声产生的干扰消除了 差动信号的优点： 1. 能有效抑制共模噪声。 2. 增大了输出电压摆幅(是单端输出的两倍)。 3. 偏置电路更简单(差分对可以直接耦合)、输出线性度更高。 4. 缺点是芯片面积和功耗略有增加. 如何放大一个差分信号？ 输入共模电平对输出的影响 将两条相同的单端信号路径结合起来,分别处理两个差动相位信号Vin1和Vin2, 但当Vin1和Vin2存在很大的共模干扰或各自的直流电平设置的不好时, 随着共模电平VinCM的变化, M1 和M2的偏置电流会变化, 从而导致跨导和输出共模电平变化, 跨导的变化会改变小信号增益, 输出共模电平相对于理想值的偏离会降低最大允许输出摆幅, 严重时会导致输出端出现严重失真, 因此, 重要的是应使M1 和M2的偏置电流受输入共模电平的影响尽可能小。 简单差动对 Vin1和Vin2是差动相位信号 如何减小输入共模电平变化的影响呢? Vin1-Vin2足够负, M1截止, M2导通 Vin1-Vin2足够正, M1导通, M2截止 Vin1-Vin2相差不大时, M1和M2均导通 Vin1=Vin2 时,小信号增益(即斜率)最大 △Vin 差动对的两个重要特性: 1. 输出端的最大和最小电平是确定的(分别为VDD和VDD -RDISS) 。它们与共模输人电平无关。 2. 小信号增益当Vin1= Vin2时达到最大,且随着| Vin1- Vin2 | 的增加而逐渐减小到零。也就是说, 随着输入电压摆幅的增大,电路变得更加非线性。当Vin1= Vin2时, 我们说电路处于平衡状态, 即静态。 VinCMmin 为保证M1和M2饱和, VinCMmin=?, VinCMmax =? 当VP≤Vb-VTN时, M3工作在线性区,等效于一个小电阻 (M3饱和要求) (M1饱和要求) ISS VinCMmax VinCMmin 产生ISS的MOS管线性 M1和M2线性 X Y M1饱和要求: 上式表明, 输入共模电平越大, 允许输出的输出摆幅就越小。幸运的是, 因运放通常需至少两级放大才能获得实际可使用的放大倍数, 因此对前级的摆幅要求大大降低。 例: 若两级运放AI=100, AII=400(即AV=92dB), 假定输出V0=±10V, 则第二级的输入电压范围(也即第一级的输出电压摆幅)仅需为: ±10V/400= ±25mV。第一级的小信号输入范围仅为: ±25mV/100 =250μV。 在左图的电阻负载基本差动对中, 记: △Vin=V