4.1 差模信号和共模信号在线视频

各位好

在本周中我们会主要介绍一下差分放大器

那么回忆一下

在上一周我们介绍的是

单端的放大器

接下来

我们就会介绍一下差分的放大器

下面我们先看一下基本的概念

关于差模信号和共模信号的区别

那么首先

我们看一下

单端信号的定义

单端信号是是指相对于一个固定电位

一般情况下

我们更愿意把这个固定电位定义成

地　的这么一个信号

下面我们看一下

左下的这个图

在这个图中我们可以看到

单端信号是一个正弦波形

那么这个正弦波形是相对于地的

电平的一个正弦波

下面我们看一下

差分信号的定义

差分信号的定义

是指的是两个节点电位之差

且它们对于某一个固定节点电位的幅值相等

但是

极性相反

因此严格的说

这两个节点对于这个固定节点具有相等的阻抗

好

那么差分其实用一个更简单的一个总结来去说

就是对称

我们看一下右下角的这个图中

首先你看

左边的{\u1}V{\fs10\u0}in1{\r}和右边的{\u1}V{\fs10\u0}in2{\r}

它们都有同样的{\u1}Z{\fs10\u0}s{\r}

也就是源端的阻抗

而同时

输出节点上

我们看到

信号是

大小完全相等

但是极性完全相反的

这样的一个信号

那么差分信号和单端信号相比

当然具有很多各种各样的优点

后面我们会介绍

这也是为什么我们喜欢采用差分信号来进行

传输

第三个

共模电平

那么共模电平则指的是

对于正的和负的差分信号

它们公共的直流的电压的大小

也就是中心的电平

好

下面我们来看一下差分放大器

右边我们所画出的是

基本的差分放大器的电路图

我们看到

和单端放大器相对应的

差分放大器

第一　它有一对差方管

同时有个电流源

第三　有差分的输入的电压和差分的输出的电压

那么负载也是两个电阻

差模信号

如果在差分放大电路的两个输入端

输入大小相等

相位相反的信号

我们把这种信号叫做差模信号

此时的放大倍数是差模放大倍数

第二　共模信号

什么时候会有共模信号呢

也就是说

当我把两个输入端都接在同一个电位上

这时候是一个共模电压

此时

两个输出端

根据对称

也一定会是同样的一个电位

如果在两个输入端

输入大小相等　相位相同的信号

我们把这种信号叫做共模信号

此时的放大倍数叫做共模放大倍数

第三个

我们介绍一下

差分工作方式的特点

或者它的优点

它的优点

第一　是抑制了共模的噪声

第二　是增大了可得到的最大电压摆幅

第三点是线性度相对得到了提高

我们分别看一下

首先我们看一下抑制共模噪声

差分电路是如何去抑制共模噪声的

好　我们先看一下

这自然界有很多的噪声

包括你的电路中

包括我们平时生活的环境

学习的环境

都会有这样的噪声

好

那么根据我们具体的电路来看到

噪声的一个典型的产生方式是什么呢

很简单

当我的通路上

有一个时钟通路

同时又有一个信号通路的时候

由于

我们的芯片都做在同一个硅衬底上

因此

即使这两个通路之间没有物理的连接

也会通过各种各样的形式

会有耦合的电容

那么这些耦合的电容

它的产生的机制是什么呢

比如说两条平行线

两条金属平行线之间的耦合电容

比如说通过衬底反馈过来的电容

那么这都是耦合的电容

好

我们不去考虑电容的值的大小

我们就考虑有这么样的电容

那么如果时钟出现跳变的时候

假设我们是一个方波的时钟

那么在任何一个时钟跳变点上

都会通过耦合的电容

从而导致在{\u1}L{\fs10\u0}1{\r}上面

就会有这样的毛刺

向上

向下

向上　向下

那么这些毛刺就会损坏{\u1}L{\fs10\u0}1{\r}上的有用的信号

这个时候

我们考虑一下

同样我有这样的时钟

但是我现在有的是

差分数据对

假设对两边的耦合电容都是相等的

这个时候

时钟上面的跳变沿仍旧会对{\u1}L{\fs10\u0}2{\r}和{\u1}L{\fs10\u0}3{\r}

分别产生耦合的毛刺信号

如图所示

{\u1}L{\fs10\u0}2{\r}和{\u1}L{\fs1\u00}3{\r}

但是它的好处是什么呢

经过差分以后

也就是假设有用信号以差分方式进行传输

时钟对{\u1}L{\fs10\u0}2{\r}和{\u1}L{\fs1\u00}3{\r}产生的干扰相同以后

那么差值

{\u1}L{\fs10\u0}2{\r}减去{\u1}L{\fs10\u0}3{\r}就会显示是这样子的

我们看到

差值保持不变

也就是说差分的输出没有受到时钟信号的干扰

第二

我们看到刚才分析了这一点以后

现在我们看一下

在真正的具体的电路中

会出现的是什么情况

那么就是抑制共模噪声的第二个　噪声源

比如说

我们说{\u1}V{\fs10\u0}DD{\r}上会有噪声

{\u1}V{\fs10\u0}DD{\r}上为什么会有噪声呢

很简单

比如说

你的手机

理论上来讲使用的是

电池

那么相对来讲

它受到的干扰可能会比较小

但是

你想想

如果是

扬声器插的电源

这个时候电源一定不可能是完全干净的

因为电源的{\u1}V{\fs10\u0}DD{\r}上会有各种各样的环境造成的集成{\u1}V{\fs10\u0}i{\r}

这个时候电源上的环境噪声

就会使得电源变化{\u1}ΔV{\u0}

如果电源变化{\u1}ΔV{\u0}

则{\u1}V{\fs10\u0}out{\r}几乎有相同量的变化

也就是说

输出信号非常容易受{\u1}V{\fs10\u0}DD{\r}中噪声的影响

此时

如果电路对称

{\u1}V{\fs10\u0}DD{\r}的噪声对{\u1}V{\fs10\u0}X{\r}和{\u1}V{\fs10\u0}Y{\r}两个节点的影响都是相同的

但是

{\u1}V{\fs10\u0}X{\r}减去{\u1}V{\fs10\u0}Y{\r}的结果

则不受这些噪声的影响

因此

差分电路更不容易受电源噪声的影响

刚才我们说到是第一点

现在我们看一下第二点

第二点的特点是

增大了可得到的最大的电压摆幅

这个是怎么样得到这个结论呢

我们首先看一下

对于{\u1}X{\u0}和{\u1}Y{\u0}点的最大的电压输出的摆幅

要想保证晶体管{\u1}M{\fs10\u0}1{\r}和{\u1}M{\fs10\u0}2{\r}都处于饱和区

就需要满足以下的关系

也就是摆幅最大等于{\u1}V{\fs10\u0}DD{\r}减去{\u1}V{\fs10\u0}GS{\r}减去{\u1}V{\fs10\u0}TH{\r}

而

对于{\u1}V{\fs10\u0}X{\r}减去{\u1}V{\fs10\u0}Y{\r}的峰峰值的摆幅

意味着这个摆幅就变成了两倍

原因是因为是一个差分的信号

因此

我们说最大的电压摆幅也得到了增大

这就是这节课的内容