差動放大器總結(jié)
差動工作方式優(yōu)點:
1. 對環(huán)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(zhí)電路和更高的線性度
一、基本概念(公式推導(dǎo)略):
1. 差動信號:兩個結(jié)點電位之差,并且這兩個結(jié)點相對于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(jié)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,但是并不意味著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(qū),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?。ㄝ敵鲎畲笾礦DD,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(jié)點當(dāng)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,對于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,這樣對于差模工作就可以應(yīng)用半邊電路概念。
3、共模響應(yīng)
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(shè)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(shè)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(diào)制和體效應(yīng)):
(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(dǎo)致在輸出端產(chǎn)生一個差動成分,該現(xiàn)象稱為:電路表現(xiàn)為共模到差模的變換??傊?,差動對的共模響應(yīng)取決于電流源的輸出阻抗和電路的不對稱性,并表現(xiàn)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(chǎn)生的差模分量。在Analog中,后者的影響最為嚴重。
共模向差模轉(zhuǎn)換的影響總結(jié)為兩個方面:a)當(dāng)共模擾動的頻率增加時,與尾電流源并聯(lián)的總電容會使尾電流產(chǎn)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(zhuǎn)換在高頻時也會變得嚴重。這個并聯(lián)的電容來自于電流源自身的寄生電容和管子的源襯結(jié)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(chǎn)生的失配要大得多。電路將輸入共模變化按照以下系數(shù)轉(zhuǎn)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(dāng)然,若Vcont=0,則電路增益也為零。也就是說吉爾伯特單元實現(xiàn)了可變增益放大器(VGAs)。與共源共柵結(jié)構(gòu)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(qū)動電壓。另外,交換Vin和Vcont仍然可以實現(xiàn)VGA。
差動放大電路工作原理分析
差動放大器電路是由特性相同的兩放大管(稱差動對管)及其他元件組成的電路結(jié)構(gòu)對稱的放大電路,利用對稱性來實現(xiàn)電路的相互補償,減少零點漂移。
差動放大電路工作原理
基本差動放大電路:下圖為差動放大器的兩種典型電路。其中左圖為射極偏置,右圖為電流源偏置。
差動放大電路圖 (a)射極偏置差放 (b)電流源偏置差放
差動放大電路有兩個輸入端子和兩個輸出端子,因此信號的輸入和輸出均有雙端和單端兩種方式。雙端輸入時,信號同時加到兩輸入端;單端輸入時,信號加到一個輸入端與地之間,另一個輸入端接地。雙端輸出時,信號取于兩輸出端之間;單端輸出時,信號取于一個輸出端到地之間。因此,差動放大電路有雙端輸入雙端輸出、單端輸入雙端輸出、雙端輸入單端輸出、單端輸入單端輸出四種應(yīng)用方式。上面兩個差動放大器電路均為雙端輸入雙端輸出方式。
差動放大電路的外信號輸入分差模和共模兩種基本輸入狀態(tài)。當(dāng)外信號加到兩輸入端子之間,使兩個輸入信號vI1、vI2的大小相等、極性相反時,稱為差模輸入狀態(tài)。此時,外輸入信號稱為差模輸入信號,以vId表示,且有:
當(dāng)外信號加到兩輸入端子與地之間,使vI1、vI2大小相等、極性相同時,稱為共模輸入狀態(tài),此時的外輸入信號稱為共模輸入信號,以vIC表示,且:
當(dāng)輸入信號使vI1、vI2的大小不對稱時,輸入信號可以看成是由差模信號vId和共模信號vIc兩部分組成,其中
根據(jù)上述,可得到下圖的統(tǒng)一的簡化差動放大電路。其中,IEE為差動對管公共射極支路的靜態(tài)電流,Rem表示公共射極于地之間的動態(tài)電阻,即Rem=ro3, ro3為下圖電流源電路的動態(tài)輸出電阻:
差動放大電路簡化電路。
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