《模拟电子技术前传》--（十五）差分放大电路基础分析

1.为了节省面积，多级放大电路采用直接耦合方式，也就是把上级的输出连到下级的输入。但在直接耦合的多级放大电路中,由温度变化、电源电压波动等因素导致第1级静态工作点的漂移,会传递到下一级并被逐级放大,这个漂移会严重影响信号质量，所以采用一种电路作为第一级稳定高质量放大就很重要。这就是今天要讨论的电路—差分放大电路。

讨论之前，我们先了解一些概念：

差模信号：两输入端信号的差值，记作Vid

共模信号：两输入信号的算数平均值，记作Vic

差模信号增益：（三角形可以看作一个外部封装，内部其实是由晶体管组成的复杂电路）

共模信号增益：

共模抑制比：我们把差模增益与共模增益的比值为共模抑制比，用来反映放大电路放大差模信号，抑制共模信号的能力

注：任何两个信号都可以分解为共模信号和差模信号。共模信号是作用在差分放大器或仪表放大器两个输入的相同信号，通常是由于线路传导和空间磁场干扰产生的，是不希望出现的信号；差模信号是两个输入端信的相位相差180度。如果共模信号被放大很多，会影响到真正需要放大的差模信号。这也告诉我们这个三角形的基本作用：把两端输入信号做差然后放大，能够有效地消除共模，放大差模。

2.MOSFET差分放大电路

如图为MOSFET源极耦合差分放大电路，电路完全对称，我们把输入信号等效为差模信号和共模信号之和，来对电路进行分析。

①静态分析：当信号为0时

可以看到该电路的高度对称性

②动态分析：

（1）差模电压增益：

直流电压源对地短路，直流电流源对地开路，保留内阻，输入信号仅保留差模信号。

如果是双端输出，也就是Vo1,Vo2同时存在，差模电压增益为：

注：有负载的话就根据输出数量并联上负载或负载大小的一半。

实际应用运算放大器时，常要求单端输入，另一端接地：

但我们发现，这种情况经过等效后为右图，跟普通信号无区别，仍然应用双端输入的差模增益计算方式，不过还应考虑共模信号的影响。

（2）共模电压增益

同样的，直流电压源对地短路，直流电流源对地开路，保留内阻，输入信号仅保留共模信号

但与差模信号不同的是，由于信号同相位，s点的电势不为零，将电流源内阻等效后如下：

可见，对于理想电流源（内阻无穷大），共模增益是0；但可惜的是，对于实际电路来说，r0只是个比较大的电阻而已。

双端输出时，同相位相互抵消，共模信号增益为0，但同样由于电路不完全对称，这个0也很难达到。

（3）共模抑制比

在求得差模增益和共模增益后，我们将其相除就可以得到共模抑制比：

为方便频率响应画图，一般采用对数分贝坐标：

（4）输入电阻

无论对差模还是共模，输入电阻都是无穷大（因为MOSFET是电容耦合）。

（5）输出电阻

对差模、共模信号来说，单端输出是输出电阻就是Rd；双端输出时，输出电阻为两个R串联，即2Rd。

(6)频率响应：实际电路中，电流源中还存在电容，因此共模增益会随着输入信号的频率增大而增大，差模增益不变。也就是说，随着信号频率的增大，共模抑制比降低。

（1）静态工作点：

右侧红线圈出的部分实际上是简单的恒定电流源，目的是使         Io等于基准电流IREF，那么左侧电流就等于0.5Io=0.7mA。

（4）夹断时有：Vds=Vgs-VTN ;

共模信号：

影响S点电势，进而影响源漏电压，通过公式求出共模信号的最大值；最小值在此不在探讨，详见模拟电子技术第七版p243页（康华光主编）。

小结：实际上，在后续的模拟集成电路中，主流都是双端输入，单端输出的芯片，其内部是标准的差分放大电路，目的是抑制共模噪声信号，增强放大差模信号；共模抑制比也就成为评估芯片性能的一项重要指标，可以通过更稳定的电流源，更对称的电路结构提升共模抑制比。本节需要掌握各种概念，了解差分放大电路的基本原理和共模抑制比的计算方法。下一节我们继续分析具体的差分放大电路。