如何實現(xiàn)差分放大器的系統(tǒng)設(shè)計？

1、為什么要設(shè)計差分放大電路

我們都知道，有源器件受溫度的影響變化很大，以共射放大電路為例，沒有輸入信號時，溫度升高，ib升高，導(dǎo)致Uce發(fā)生變化，輸出電壓不穩(wěn)定，此外元器件的老化，漂移運動的影響，電源電壓的不穩(wěn)定，都會導(dǎo)致該現(xiàn)象的發(fā)生，也就是零點漂移現(xiàn)象，差分放大電路就是為了解決該問題提出的

2、差分放大電路的設(shè)計思路

a、帶有負(fù)反饋的Re電阻

b、改變電壓輸出端，并能尋找到一個受溫度控制的直流電壓源V，當(dāng)晶體管集電極靜態(tài)電位UCQ變化時，V始終與之保持相等，那么輸出電壓中只有動態(tài)信號uI作用的部分了，而與靜態(tài)工作點位UCQ及其溫度漂移毫無關(guān)系

c、采用倆種完全相同的管子，無論溫度怎么變化始終UCQ1=UCQ2，電路以兩只管子集電極電位差作為輸出，就克服了溫漂 當(dāng)u11=u12(共模信號)T1管和T2管所產(chǎn)生的電流變化相等;因此集電極電位的變化也相等。所以差分放大電路對共模信號具有很強的抑制作用，在理想對稱的情況下，共模輸出為零

為使信號得以放大，需將其分成大小相等的兩部分，按相反極性加在電路的兩個輸入端，稱這種大小相等極性相反的信號為差模信號即u11=-u12，又由于電路參數(shù)對稱，T1管和T2管所產(chǎn)生的電流的變化大小相等而變化方向相反，因此集電極電位的變化也是大小相等且變化方向相反的

但是Re1和Re2的存在使電路的電壓放大能力變差，當(dāng)它們數(shù)值較大時，并且不能放大

差模輸入信號作用時，T1管和T2管發(fā)射極電流的變化，就會發(fā)現(xiàn)，它們與基極電流一樣，變化量的大小相等方向相反。若將T1管和T2管的發(fā)射極連在一起，將Re1和Re2合二為一，成為一個電阻Re

d、在差模信號作用下(交流通路)Re中的電流變化為零，即Re對差模信號無反饋作用，相當(dāng)于短路，因此大大提高了對差模信號的放大能力

e、Re接負(fù)壓保證三極管的電壓差

圖1

同時，為了使得信號得以放大，將信號分成大小相等、極性相反的兩部分加在電路的兩個輸入端，如圖2所示。

圖2

將圖2相應(yīng)變化之后，得到典型的差分放大電路圖3。

圖3

由此，可以看出差分放大電路的設(shè)計思想其實很簡單，如果將ui1和ui2看作是空間中的噪聲(一般情況下是完全相等的)，那么，差分放大電路的設(shè)計其實就是通過兩個完全對稱的電路，通過取其相同的兩個點的差值作為輸出uo，從而抵消了這種噪聲干擾，達到所謂的共模信號抑制的目的。在對共模信號抑制的同時，又達到了差模信號放大的目的。

以差模信號放大為基礎(chǔ)，又引出了集成運算放大器的概念。

全差分電路有兩個差分輸出。他們需要它能夠排斥由數(shù)字電路、AB類驅(qū)動器、時鐘驅(qū)動等產(chǎn)生的共模干擾。因此，所有的混合信號電路都要求放大器是完全差分的。然而，它會消耗很多額外的功耗。因此，將需要一個額外的放大器來穩(wěn)定平均或共模輸出電平。它被稱為共模反饋(Common-Mode Feedback, CMFB) 放大器。這顯然需要額外的電流。因此，最重要的參數(shù)之一是需要多少額外電流放大器才可以完全差分。

除了功耗之外，可能還有一些其他針對典型CMFB的規(guī)格參數(shù)，例如，輸入范圍是一個重要的特性。

將首先討論CMFB放大器的所有要求， 接下來討論了三種最重要類型的CMFB放大器，它們都有各自的優(yōu)點和缺點，它們都不能提供一個理想的解決方案。 之后，介紹了一些實際的電路實現(xiàn)， 討論了他們的取舍。

最簡單的全差分放大器當(dāng)然是這個單級的OTA，如下圖右邊所示。它與第二章中所討論的差分電壓放大器非常相似，如下圖左邊所示。然而，電流鏡像被兩個直流電流源所取代。由差分輸入電壓產(chǎn)生的環(huán)形電流用箭頭表示。很明顯，這種全差分的OTA甚至比單端電壓放大器更簡單，只有兩個晶體管參與小信號操作。因此，它可以達到更高的頻率!另一方面，很明顯，這個放大器有偏置問題。偏置電壓VB1和VB2都試圖設(shè)置直流電流，這太多了

圖 1 單級OTA

偏置電壓VB1和VB2必須使所有晶體管都處于飽和區(qū)域， 否則它們會表現(xiàn)出較小的輸出電阻，從而惡化增益。兩種偏置電壓的問題是，它們必須匹配到平均輸出電壓介于電源電壓一半的程度，以保持所有晶體管的飽和，即使是大的輸出擺幅下。例如，如果VB1是固定的，那么超過20mV的VB2的值將使兩個輸出電壓降低1V(如果nMOST的增益為50)。更糟糕的是，當(dāng)VB2更大時，平均輸出電壓非常低，以致于nMOSTs 的 M3/M4最終進入線性區(qū)域，損壞增益!

當(dāng)偏置電壓VB2太低時，我們也有同樣的問題?，F(xiàn)在，平均輸出電壓太高了，pMOSTs 的M1/M2最終進入了線性區(qū)域，這同樣損壞增益!這種匹配是無法實現(xiàn)的。這就是為什么我們需要一個額外的放大器來調(diào)整VB2到所需的平均或共模輸出電壓。這個放大器只作用于共模信號。它被稱為共模反饋放大器。

圖 2 單級 CMOS全差分OTA

下圖顯示了這種CMFB放大器的一個例子。兩個輸出電壓都有測量，由于我們只需要對共模信號的反饋，我們必須取消差分信號。這是在節(jié)點4上完成的?，F(xiàn)在我們必須用一個放大器關(guān)閉環(huán)路，并將其輸入到一個共模點。電路中的任何偏置點都可以這樣使用。對于這個放大器，它是節(jié)點5。顯然，部分電路同時屬于共模和差分放大器。例如，晶體管M3和M4是差分信號的直流電流源，但也是共模信號的單晶體管放大器。

此外，CMFB放大器總是以單位增益反饋的形式連接起來。節(jié)點1和2同時是CMFB放大器的輸入和輸出。因此，它需要更多的功耗來確保穩(wěn)定。沒有反饋的差分放大器被明顯地顯示出來。偏置電壓VB是獨立的偏置電壓。這很可能是NMOSTs 的M3/M4的柵極，如再下圖所示。

圖 3 有共模反饋的簡單 CMOS全差分OTA-1

另一個CMFB放大器如下圖?，F(xiàn)在它關(guān)閉到頂部電流源的反饋回路，這的確很好!再次測量輸出電壓。差分信號被取消，CMFB環(huán)路通過放大器關(guān)閉。現(xiàn)在晶體管 M1 和 M2 為兩個放大器所共有;它們用作差分信號的(差分)放大器，但作為 共模信號的級聯(lián)。

為了更好了解這個CMFB放大器，它將在下載一張圖中單獨繪制。

圖 4 有共模反饋的簡單 CMOS全差分OTA-2

通過將所有差分器件并聯(lián)并將其連接到共模輸入信號，很容易找到共模等效電路。很明顯，節(jié)點1同時是CMFB放大器的輸入和輸出，這也是用于推導(dǎo)共模增益、帶寬和GBWCM的電路。實際上，開環(huán)增益是B1B2gm5Rn1，其中B1和B2是兩個電流鏡的電流增益因子。這個增益不是那么高，但只需要少量的增益就可以了。共模輸出電壓的穩(wěn)定并不需要如此準(zhǔn)確。輸出均在負(fù)電源之上的VGS5.6。 對于大的擺幅， 我們會增加這些VGS的尺寸。 GBWCM顯然由B1B2gm5/(2πCL)給出。我們有兩個輸入晶體管M5和M6，還有兩個負(fù)載電容。因此，GBWCM可以做得相當(dāng)高，但代價是大量的功耗!

圖 5 共模反饋等效電路

綜上所述，我們重復(fù)一下CMFB放大器的這三個任務(wù)。他們必須測量輸出電壓，取消差分信號，并關(guān)閉反饋回路。此外，CMFB放大器總是在單位增益中工作。最后，需要注意的是，CMFB放大器的增益被用來增加共模抑制比