差動工作方式優點:
1. 對環境噪聲具有更強的抗干擾性;
2. 抑制共模噪聲;
3. 增大了最大電壓擺幅;
4. 更簡單的偏執電路和更高的線性度
一、基本概念(公式推導略):
1. 差動信號:兩個結點電位之差,並且這兩個結點相對於某個固定電位大小相等,極性相反,嚴格地說,這兩個電位與固定結點的阻抗也必須相等。在差動信號中,這個固定的中心電位稱為共模電平。
2. 基本差動對:為了避免增益、擺幅、波形等受器件偏置電流的影響,引入電流源來提供電路的偏置電流,如下圖:
雖然在這里,電流源的目的是抑制輸入共模電平的變化對管子和輸出電平的影響,但是並不意味着輸入共模電平的值可以任意取,為了保證管子工作在飽和區,輸入共模電平允許范圍如下:
考慮輸出電壓的擺幅,顯然輸入共模電平越小(輸出最大值VDD,最小值為Vin,CM-VTH),允許的輸出擺幅就越大,但實際中,前級電路可不能提供這么低的電平。
考慮增益,研究電路的小信號特性,分為兩種方法:疊加法和半邊電路法。疊加法主要思想是利用戴維寧等效分別獨立考慮兩個輸入端,求出VX,VY;半邊電路法也是利用戴維南等效的思想,因為完全對稱,所以只考慮一邊電路的工作情況,將尾巴結點當成交流地對待。半邊電路法為全差動的對稱差動對提供了一個簡便的方法,對於不是全差動的輸入信號,我們可以把信號看成一個差動輸入和一個共模變化的疊加,這樣對於差模工作就可以應用半邊電路概念。
3、共模響應
差動放大器的一個重要特點就是抑制共模擾動能力,實際中,電路既不可能完全對稱,電流源的阻抗也不可能無限大,因此共模輸入的變化或多或少會傳遞到輸出端。
(1)首先假設電流源具有有限阻抗RSS,電路簡化如下:
都知道,在對稱電路中,共模輸入的變化會擾亂偏置點,改變小信號增益乃至可能會減小輸出電壓擺幅(例子見拉扎維模設P99),所以我們需要考慮共模增益,電路的共模增益為(忽略溝道調制和體效應):
(2)其實最為麻煩的是電路不對稱
Vin,CM的變化會引起差動輸出的變化,例如兩個負載電阻RD不相等。輸入共模端的變化導致在輸出端產生一個差動成分,該現象稱為:電路表現為共模到差模的變換。總之,差動對的共模響應取決於電流源的輸出阻抗和電路的不對稱性,並表現為兩方面的影響:a)對稱電路的輸出共模電平變化;b)輸入共模電平變化在輸出端產生的差模分量。在Analog中,后者的影響最為嚴重。
共模向差模轉換的影響總結為兩個方面:a)當共模擾動的頻率增加時,與尾電流源並聯的總電容會使尾電流產生很大的變化,因此即使尾電流源的輸出阻抗很大,共模到差模的轉換在高頻時也會變得嚴重。這個並聯的電容來自於電流源自身的寄生電容和管子的源襯結的寄生電容;b)電路的不對稱即來自負載電阻也來自晶體管,通常后者產生的失配要大得多。電路將輸入共模變化按照以下系數轉換為差動誤差:
為了比較各類差動電路,定義了“共模抑制比”(CMRR):
4、吉爾伯特單元:
控制電壓Vcont越大,尾電流就只流過頂端兩個差動對中的一個,所以從Vin到Vout的增益就為最高正值或最低負值,當然,若Vcont=0,則電路增益也為零。也就是說吉爾伯特單元實現了可變增益放大器(VGAs)。與共源共柵結構一樣,吉爾伯特單元比簡單的差動對消耗更多的電壓余度,容易知道:控制共模電平必須比輸入共模電平至少小一個過驅動電壓。另外,交換Vin和Vcont仍然可以實現VGA。
二、習題中需要注意的問題