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解读差分放大器的基本特性 2008700528 微三 谭宇 引 言 差分对或者说差分放大器结构是模拟电路的基本功能块，被广泛地应用于集成电路设计中。比如每个运算放大器的输入级都是差分放大器结构。另外，BJT差分放大器还是高速数字逻辑电路的基础，例如射极耦合逻辑电路（ECL）。 差分放大电路结构最初应用时使用的是真空管。随后，在分立的双极型晶体管电路中也得到了实现。不过，是集成电路的出现使得差分对极其广泛地应用到了BJT和MOS技术中。有两个原因使得差分放大器十分适合于集成电路的制造。首先，差分电路相对于单端电路来说对于噪声和干扰有更强的抵抗能力。为了说明这一点，假设两根导线携带一个差模小信号，这个信号通过两根导线之间的电压差来表示（如图1）。现在假设干扰信号通过电容或电感耦合到导线上，因为两根导线距离很近，所以干扰电压（每根导线和接地点之间）是相等的。因为是差分系统，只有两根导线之间电压的差值才能成为有效信号，因此干扰分量就这样被抵消了。其次，差分放大器的第二个优点就是差分结构能够使得我们避免像设计分立元件放大器那样，通过旁路电容或者耦合电容来实现放大器的直流偏置或是对放大器各级之间进行耦合。这也是差分电路十分适合于集成电路制造的另一个原因，因为集成工艺不可能经济地制造出大容量的电容。 图1 差分电路对信号的处理 1 MOS差分对的基本结构 图2所示的是MOS差分对的基本结构。它包含两个匹配的晶体管M3和M4。它们的源极连接在一起，并且通过一个恒流源I提供偏置。后者通常由MOSFET来实现。目前我们先假设电流源是理想的，即它的输出电阻无穷大。尽管图中每个晶体管的漏极都通过电阻连接到上，然后我们会知道，在许多应用中使用的是有源负载（电流源）。不过现在我们采用简单的电阻负载来说明差分对的工作原理。无论使用何种负载，重要的是要避免MOSFET工作在变阻区。 图 2 基本的MOS差分对结构 2 共模电压输入特性分析 由对称性我们可以知道电流I被两个晶体管平分。即，,同时对源极电压有 ……………………………………………………（1） 其中是和漏极电流相关的栅源之间的电压。忽略沟道长度调制效应，和的关系如下： ……………………………………………………（2） 用过驱动电压表示为 ……………………………………………………（3） …………………………………………………（4） 每个晶体管漏极电压为 …………………………………………(5) 现在我们改变共模电压的值，为保证M3和M4始终工作在饱和区，电流就会被M3和M4平分，于是漏极电压保持不变。差分对的一个重要指标是它的共模输入范围。也就是能使差分对正常工作的的范围。该值的上限由M3和M4始终工作在饱和区决定，即 …………………………………………………………（6） 该值的下限由电流源正常工作所需要的电压决定。如果电流源需要的电压为，则 …………………………………………（7） 我们建立仿真的条件（如图3）如下，电流源我们选取，我们选取的晶体管，，,在电流时，， 我们推出： , 我们从仿真的结果看0.92-1.316V的共模输入范围，，与我们的计算基本符合。 图 3 共模输入范围的仿真电路图 图 4 共模输入范围仿真结果 3 差模电压输入下的工作特性 接下来我们施加一个差模输入电压（如图5），将M3管的栅极接1V的电压，同时在M4的栅极加上信号，显然，当为正时，就大于,因此就大于，继而推出差分输入为正值。同理可知，当为负值时，就小于,因此就小于，继而推出差分输入为负值。 图 5 差模电压输入下的MOS差分对图 当全部的电流流过M4管时，减小至。而的值可由下式求得： ……………………………………（8） 使偏置电流完全流过M4时的电压值为: ……………………（9） 当超过时，始终等于，始终等于，导致值相应升高，M3截止。同样可知，当达到时，M3导通，M4截止，同时电流全部流过M3。所以通过调节的值，可以使电流从一个晶体管流向另一个晶体管。的变化范围是：。同样我们通过计算可知，我们通过仿真两端电流图6可知，我们的范围为，与我们的以前预想的不太符合，其实这可能是我们加的是1V的电压，不太可能截止，的值会使管M6在线性区。不过总体趋势正如我们所说的那样。 图 6 差模信号输入两边电路电流 4 MOS差分对的小信号工作特性 我们在图2基本差分对的两端加上电压：