最新差分放大器教学讲义ppt.ppt

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1、差分放大器以图5.1.1中的共源放大器为例，分析它的交流小信号增益随直流工作点的变化。列出下列方程，其中各参数的含义和前面章节中代表的意义相同：(5.1.3)(5.1.1)假设(5.1.2)图5.1.1单端放大器从(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。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

2、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

3、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V

4、B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

5、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。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、VOUT2，源极电平是VN，两个MOS管均工作在饱和区，尺寸相同。图5.2

6、.1大信号下的差分放大器5.2差分放大器的分析列出下面的直流方程：(5.2.1)(5.2.2)(5.2.3)(5.2.4)(5.2.5)(5.2.6)(5.2.7)解出差分放大器的直流工作点。当电路完全对称的时候，有：接着来看当差分放大器的直流输入电压（VIN1-VIN2）发生变化时，电路中电压和电流的变化规律。先观察半边电路的情况：(5.2.8)(5.2.9)VIN1足够小时，M1管关断，电流I1=0，所以VOUT1=VDD，此时M2管中的电流为I2=I，VOUT2=VDD-RDI。随着VIN1的增大，M1管开启，并处于饱和区，电流I1上升，输出电平VOUT1下降。相应地，M2管中

7、的电流I2开始下降，输出电平VOUT2上升。在这一段，电流I1VIN2时：这时M1和M2管的情况正好相反，I1趋近偏置电流I，VOUT1趋近VDD-RDI。M2管逐渐从饱和区进入截止区，I2趋近0，VOUT2趋近VDD。图5.2.2差分放大器半边电路直流电流随差分输入信号的变化。根据以上分析，在图5.2.2和5.2.3中分别画出