如何实现差分放大器的系统设计？

1、为什么要设计差分放大电路

我们都知道，有源器件受温度的影响变化很大，以共射放大电路为例，没有输入信号时，温度升高，ib升高，导致Uce发生变化，输出电压不稳定，此外元器件的老化，漂移运动的影响，电源电压的不稳定，都会导致该现象的发生，也就是零点漂移现象，差分放大电路就是为了解决该问题提出的

2、差分放大电路的设计思路

a、带有负反馈的Re电阻

b、改变电压输出端，并能寻找到一个受温度控制的直流电压源V，当晶体管集电极静态电位UCQ变化时，V始终与之保持相等，那么输出电压中只有动态信号uI作用的部分了，而与静态工作点位UCQ及其温度漂移毫无关系

c、采用俩种完全相同的管子，无论温度怎么变化始终UCQ1=UCQ2，电路以两只管子集电极电位差作为输出，就克服了温漂 当u11=u12(共模信号)T1管和T2管所产生的电流变化相等;因此集电极电位的变化也相等。所以差分放大电路对共模信号具有很强的抑制作用，在理想对称的情况下，共模输出为零

为使信号得以放大，需将其分成大小相等的两部分，按相反极性加在电路的两个输入端，称这种大小相等极性相反的信号为差模信号即u11=-u12，又由于电路参数对称，T1管和T2管所产生的电流的变化大小相等而变化方向相反，因此集电极电位的变化也是大小相等且变化方向相反的

但是Re1和Re2的存在使电路的电压放大能力变差，当它们数值较大时，并且不能放大

差模输入信号作用时，T1管和T2管发射极电流的变化，就会发现，它们与基极电流一样，变化量的大小相等方向相反。若将T1管和T2管的发射极连在一起，将Re1和Re2合二为一，成为一个电阻Re

d、在差模信号作用下(交流通路)Re中的电流变化为零，即Re对差模信号无反馈作用，相当于短路，因此大大提高了对差模信号的放大能力

e、Re接负压保证三极管的电压差

图1

同时，为了使得信号得以放大，将信号分成大小相等、极性相反的两部分加在电路的两个输入端，如图2所示。

图2

将图2相应变化之后，得到典型的差分放大电路图3。

图3

由此，可以看出差分放大电路的设计思想其实很简单，如果将ui1和ui2看作是空间中的噪声(一般情况下是完全相等的)，那么，差分放大电路的设计其实就是通过两个完全对称的电路，通过取其相同的两个点的差值作为输出uo，从而抵消了这种噪声干扰，达到所谓的共模信号抑制的目的。在对共模信号抑制的同时，又达到了差模信号放大的目的。

以差模信号放大为基础，又引出了集成运算放大器的概念。

全差分电路有两个差分输出。他们需要它能够排斥由数字电路、AB类驱动器、时钟驱动等产生的共模干扰。因此，所有的混合信号电路都要求放大器是完全差分的。然而，它会消耗很多额外的功耗。因此，将需要一个额外的放大器来稳定平均或共模输出电平。它被称为共模反馈(Common-Mode Feedback, CMFB) 放大器。这显然需要额外的电流。因此，最重要的参数之一是需要多少额外电流放大器才可以完全差分。

除了功耗之外，可能还有一些其他针对典型CMFB的规格参数，例如，输入范围是一个重要的特性。

将首先讨论CMFB放大器的所有要求， 接下来讨论了三种最重要类型的CMFB放大器，它们都有各自的优点和缺点，它们都不能提供一个理想的解决方案。 之后，介绍了一些实际的电路实现， 讨论了他们的取舍。

最简单的全差分放大器当然是这个单级的OTA，如下图右边所示。它与第二章中所讨论的差分电压放大器非常相似，如下图左边所示。然而，电流镜像被两个直流电流源所取代。由差分输入电压产生的环形电流用箭头表示。很明显，这种全差分的OTA甚至比单端电压放大器更简单，只有两个晶体管参与小信号操作。因此，它可以达到更高的频率!另一方面，很明显，这个放大器有偏置问题。偏置电压VB1和VB2都试图设置直流电流，这太多了

图 1 单级OTA

偏置电压VB1和VB2必须使所有晶体管都处于饱和区域， 否则它们会表现出较小的输出电阻，从而恶化增益。两种偏置电压的问题是，它们必须匹配到平均输出电压介于电源电压一半的程度，以保持所有晶体管的饱和，即使是大的输出摆幅下。例如，如果VB1是固定的，那么超过20mV的VB2的值将使两个输出电压降低1V(如果nMOST的增益为50)。更糟糕的是，当VB2更大时，平均输出电压非常低，以致于nMOSTs 的 M3/M4最终进入线性区域，损坏增益!

当偏置电压VB2太低时，我们也有同样的问题。现在，平均输出电压太高了，pMOSTs 的M1/M2最终进入了线性区域，这同样损坏增益!这种匹配是无法实现的。这就是为什么我们需要一个额外的放大器来调整VB2到所需的平均或共模输出电压。这个放大器只作用于共模信号。它被称为共模反馈放大器。

图 2 单级 CMOS全差分OTA

下图显示了这种CMFB放大器的一个例子。两个输出电压都有测量，由于我们只需要对共模信号的反馈，我们必须取消差分信号。这是在节点4上完成的。现在我们必须用一个放大器关闭环路，并将其输入到一个共模点。电路中的任何偏置点都可以这样使用。对于这个放大器，它是节点5。显然，部分电路同时属于共模和差分放大器。例如，晶体管M3和M4是差分信号的直流电流源，但也是共模信号的单晶体管放大器。

此外，CMFB放大器总是以单位增益反馈的形式连接起来。节点1和2同时是CMFB放大器的输入和输出。因此，它需要更多的功耗来确保稳定。没有反馈的差分放大器被明显地显示出来。偏置电压VB是独立的偏置电压。这很可能是NMOSTs 的M3/M4的栅极，如再下图所示。

图 3 有共模反馈的简单 CMOS全差分OTA-1

另一个CMFB放大器如下图。现在它关闭到顶部电流源的反馈回路，这的确很好!再次测量输出电压。差分信号被取消，CMFB环路通过放大器关闭。现在晶体管 M1 和 M2 为两个放大器所共有;它们用作差分信号的(差分)放大器，但作为 共模信号的级联。

为了更好了解这个CMFB放大器，它将在下载一张图中单独绘制。

图 4 有共模反馈的简单 CMOS全差分OTA-2

通过将所有差分器件并联并将其连接到共模输入信号，很容易找到共模等效电路。很明显，节点1同时是CMFB放大器的输入和输出，这也是用于推导共模增益、带宽和GBWCM的电路。实际上，开环增益是B1B2gm5Rn1，其中B1和B2是两个电流镜的电流增益因子。这个增益不是那么高，但只需要少量的增益就可以了。共模输出电压的稳定并不需要如此准确。输出均在负电源之上的VGS5.6。 对于大的摆幅， 我们会增加这些VGS的尺寸。 GBWCM显然由B1B2gm5/(2πCL)给出。我们有两个输入晶体管M5和M6，还有两个负载电容。因此，GBWCM可以做得相当高，但代价是大量的功耗!

图 5 共模反馈等效电路

综上所述，我们重复一下CMFB放大器的这三个任务。他们必须测量输出电压，取消差分信号，并关闭反馈回路。此外，CMFB放大器总是在单位增益中工作。最后，需要注意的是，CMFB放大器的增益被用来增加共模抑制比