差分放大器讲课讲稿.ppt

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1、差分放大器从(5.1.3)式：看到单端放大器的小信号增益受直流偏置电平的影响。在实际电路中，由于干扰信号和噪声的存在，以及一些寄生效应的影响，人们很难精确控制直流电平的大小，这直接影响了单端放大器的性能。为了解决这个问题，可以采用一种新的电路结构——差分结构。如图5.1.2，放大器有两个输入端——vin1、vin2；两个输出端——vout1、vout2；输入管M1和M2的源极不是接地电位，而是共同接在电流源I上。它是对称的双端输入－双端输出放大器，这种对称结构叫做差分结构。当放大器的两个输入端直流偏置电平相等时，那么根据电路的对称性，两个输出端的直流电平也相等。在输入端加入大小相等、相位相反

2、的信号——这样的一对信号称为差分信号，则输出端也同样是一对差分信号。图5.1.2的放大器叫做差分放大器，因为它的输入、输出都是差分信号，所以更准确的，称之为全差分放大器。图5.1.2差分放大器现在来看看差分放大器是如何解决单端放大器中遇到的交流增益受直流偏置电平影响这一问题的。它的关键就在于两个输入管下面连接的电流源。由于电路结构的对称性，左半边电路和右半边电路流过的直流电流都是I/2。即使加在差分电路两个输入端的直流电平发生变化，两边电路的电流仍然保持不变，还是I/2。这样电路的偏置电流不变，输入管的跨导和输出电阻都不变，于是放大器的增益也就不变了。所以差分电路的一个重要优点就是克服了偏置

3、电平变化带来的影响，使得放大器的性能保持稳定。（请读者考虑：如果在共源放大器的源极加入电流源，是否可以呢？）5.1.2差分电路的优点差分电路的第二个优点是使得输出信号的电压摆幅扩大了一倍。对图5.1.2的差分放大器而言，因为它的输出信号是一对差分信号，这意味着vout1和vout2之间具有等幅、反相的关系，所以（vout1-vout2）的摆幅将是单个输出端摆幅的两倍。图5.1.2差分放大器差分电路的第三个优点来源于偏置电流源。影响单端电路偏置状态的主要因素是输入管的直流偏置电平。而影响差分电路偏置状态的主要因素则是偏置电流源的电流大小。前面已经说过，在集成电路中难以实现精确的电压控制，由于各

4、种扰动和噪声，直流电压会产生不希望的波动。而集成电路中的电流源相对稳定，容易实现。差分电路的第四个优点是差分结构提高了电路的线性度。由于输出信号的对称性，它们之间的一些非线性分量将抵消，这一点将在第11章中详细说明。总之，差分电路和单端电路相比，它的面积虽然增大了一倍，但它却大大改善了电路的性能。尤其对于难以实现精确外部控制的集成电路来说，差分电路有巨大的优势，这就是当前差分电路得到广泛应用的原因。差分电路的特点在于使用了对称电路结构，并增加了提供偏置电流的电流源。如果如图5.1.3，偏置电流源不存在，那么这种结构的电路叫做伪差分电路。伪差分电路其实就是将两个相同的单端输入－单端输出电路放在

5、了一起，只是它们的输入、输出信号是差分信号。图5.1.3伪差分放大器5.1.3差分电路的讨论由于不存在提供偏置电流的电流源，因此该电路仍然受到直流偏置电平的影响。从这一点来看伪差分电路不如差分电路。伪差分电路的电压摆幅也比半边的单端电路增大了一倍，而且由于没有偏置电流源，所以更适合在低电源电压下使用。伪差分电路的线性度一般要高于差分电路，这将在11章中说明。上面所讲的差分放大器都是共源放大器，共栅放大器和源极跟随器也可以构成差分结构，如图5.1.4(a)(b)所示。对于共栅放大器来说，直流偏置电平VB的变化会引起放大器输入管跨导等参数的改变，进而影响放大器的性能。可以考虑在其下方加入偏置电流

6、源来解决这一问题。图5.1.4(a)差分共栅放大器实际上更常见的应用是结合图5.1.2中的差分共源输入和图5.1.4中的共栅级构成差分共源共栅放大器。对于源极跟随器，由于它的增益接近1，并且输出信号跟随输入信号变化，所以不存在共源放大器中的问题，直流电平的变化影响较小。差分共栅放大器和差分源极跟随器同样具有输出信号摆幅增加，线性度提高的特点。图5.1.4(b)差分源极跟随器由于存在单端输入、单端输出、差分输入、差分输出等4种形式，它们之间可以组合成4种结构的放大器。除了前面提到的单端输入－单端输出，差分输入－差分输出结构外，还包括单端输入－差分输出和差分输入－单端输出两种结构，如图5.1.5

7、。习惯上以输入结构来划分放大器的种类，因此凡是差分输入的放大器一般统称为差分放大器。单端输入－单端输出差分输入－差分输出单端输入－差分输出差分输入－单端输出图5.1.5四种输入－输出结构的放大器框图（如右图所示）5.2.1大信号直流特性以图5.2.1中的差分共源放大器为例分析差分电路的特性。设流过M1和M2管的直流电流分别是I1、I2，M1和M2管栅极上的直流电平分别是VIN1、VIN2，漏极电平是VOUT1