4.2 基本差分对在线视频

各位好

在这一小节里面

我们会继续介绍差分放大器

及它的一些性质和特点

下面我们来看一下

对于一个基本差分对的定性的差模分析

再回顾一下我们上回讲到了

差分放大器是由

差动管

也就是差分放大管{\u1}M{\fs10\u0}1{\r}　{\u1}M{\fs10\u0}2{\r}

以及差分的负载电阻{\u1}R{\fs10\u0}D1{\r}　{\u1}R{\fs10\u0}D2{\r}

以及一个电流源所构成的

这种情况下

顾名思义

对于差分电路来讲

{\u1}M{\fs10\u0}1{\r}和{\u1}M{\fs10\u0}2{\r}一定是尺寸相等的

对于{\u1}R{\fs10\u0}D1{\r}和{\u1}R{\fs10\u0}D2{\r}也是完全是一样的

下面我们看一下

输入

我们把它定义成

{\u1}V{\fs10\u0}in{\r}等于{\u1}V{\fs10\u0}in1{\r}减去{\u1}V{\fs10\u0}in2{\r}

而输出对应于

把它写成

{\u1}V{\fs10\u0}out{\r}等于{\u1}V{\fs10\u0}out1{\r}减去{\u1}V{\fs10\u0}out2{\r}

下面我们看一下

输入　输出之间所体现的关系

假定{\u1}V{\fs10\u0}in1{\r}减去{\u1}V{\fs10\u0}in2{\r}从-∞变化到+∞

我们看一下会有什么发生呢

首先当{\u1}V{\fs10\u0}in1{\r}比{\u1}V{\fs10\u0}in2{\r}要小得多的时候

这个时候意味着

电流已经无法从{\u1}M{\fs10\u0}1{\r}这流通了

那么电流全部从{\u1}M{\fs10\u0}2{\r}流过

此时{\u1}I{\fs10\u0}D2{\r}等于{\u1}I{\fs10\u0}SS{\r}

所以在这个时候

{\u1}V{\fs10\u0}out1{\r}是断开的

也就是等于{\u1}V{\fs10\u0}DD{\r}

而{\u1}V{\fs10\u0}out2{\r}等于{\u1}V{\fs10\u0}DD{\r}减去{\u1}I{\fs10\u0}SS{\r}乘以{\u1}R{\fs10\u0}D{\r}

因此我们看到

{\u1}V{\fs10\u0}out{\r}就是等于{\u1}V{\fs10\u0}out1{\r}减去{\u1}V{\fs10\u0}out2{\r}

等于{\u1}R{\fs10\u0}D{\r}乘以{\u1}I{\fs10\u0}SS{\r}

这幅图里面就看出来了

这时我们看到

在差分的情况下

两边它的输出电压　输入电压之间的关系

下面我们来继续往下看一下

还是接着上面这幅图

我们继续来说明一下

接着当{\u1}V{\fs10\u0}in1{\r}逐渐增大的时候

这个时候

{\u1}M{\fs10\u0}1{\r}管终于开始导通了

此时{\u1}M{\fs10\u0}2{\r}也是导通的

这个时候我们会看到

导通的时候

本来{\u1}V{\fs10\u0}out1{\r}是等于{\u1}V{\fs10\u0}DD{\r}的

那么随着它的导通

{\u1}V{\fs10\u0}out1{\r}慢慢减小

由于{\u1}I{\fs10\u0}SS{\r}是{\u1}I{\fs10\u0}D1{\r}和{\u1}I{\fs10\u0}D2{\r}的和

因此{\u1}M{\fs10\u0}2{\r}流经的电流现在就会慢慢减小

而不是{\u1}I{\fs1\u00}SS{\r}

而是{\u1}I{\fs10\u0}SS{\r}减去{\u1}I{\fs10\u0}D1{\r}

因此

电流变小了

也就意味着

这一点的压降变小了

所以{\u1}V{\fs10\u0}out2{\r}会增加

因此

我们会看到

当{\u1}V{\fs10\u0}in1{\r}减去{\u1}V{\fs10\u0}in2{\r}慢慢增加的时候

{\u1}V{\fs10\u0}out1{\r}减去{\u1}V{\fs10\u0}out2{\r}的值也在慢慢的减小

接着

{\u1}V{\fs10}\u0in1{\r}比{\u1}V{\fs10\u0}in2{\r}更正的时候

也就是{\u1}V{\fs10}\u0in1{\r}大于{\u1}V{\fs10\u0}in2{\r}的时候

情况正好与上述过程相反

也就是向反方向发展

那么由于是差分　所以两边一定是对称的

最后一种情况

当它们相等的时候

这个时候我们可以看到

两边是完全对称的

因此{\u1}V{\fs10\u0}X{\r}等于{\u1}V{\fs10\u0}Y{\r}

也就是{\u1}V{\fs10\u0}out1{\r}等于{\u1}V{\fs10\u0}out2{\r}

此时差分

电压输出等于零

刚刚我们看到了差模的定性分析

下面我们来看一下

共模的定性分析

接着上一个电路图

我们看到

此时

我们把两个输入点都连到一块了

同样的连在{\u1}V{\fs10\u0}in,CM{\r}

也就是COMMON 　MODE

共模

也就是共模电压的情况下

此时我们看一下会有怎样的变化呢

首先我们看到

我们采用NMOS提供尾电流{\u1}I{\fs1\u00}SS{\r}

{\u1}V{\fs10\u0}in,CM{\r}从零开始增加

首先看到

当{\u1}V{\fs1\u00}in,CM{\r}等于零的时候

一定意味着{\u1}M{\fs10\u0}1{\r}和{\u1}M{\fs10\u0}2{\r}两管都不导通

此时X和Y这两点都是{\u1}V{\fs10\u0}DD{\r}

而当{\u1}V{\fs10\u0}in,CM{\r}增加的时候

我们知道

电路首先会进入饱和区

接着随着{\u1}V{\fs10\u0}in,CM{\r}继续增大

使得电路进入三极管区

这两个区域

我们怎么去分呢

下面我们讨论一下

什么时候在饱和区

它需要的要求或者是条件是什么

首先为了保证{\u1}M{\fs10\u0}3{\r}在饱和区

因为我们知道这是一个电流源

所以需要在饱和区

{\u1}V{\fs10\u0}p{\r}需要大于{\u1}V{\fs10\u0}GS3{\r}减去{\u1}V{\fs10\u0}TH3{\r}

因此

{\u1}V{\fs10\u0}in,CM{\r}就等于{\u1}V{\fs10\u0}GS1{\r}加上{\u1}V{\fs10\u0}p{\r}

必须得大于等于右边的这个表达式

这是保证{\u1}M{\fs1\u00}3{\r}在饱和区的时候

我们从这个条件所得出来的第一结论

第二个

为了保证{\u1}M{\fs10\u0}1{\r}和{\u1}M{\fs10\u0}2{\r}处于饱和区的时候

我们需要的是

{\u1}V{\fs10\u0}in CM{\r}小于等于{\u1}V{\fs10\u0}out1{\r}加上{\u1}V{\fs10\u0}TH{\r}

也就是{\u1}V{\fs10\u0}in,CM{\r}减去{\u1}V{\fs10\u0}TH{\r}小于{\u1}V{\fs10\u0}out1{\r}

我们现在看到

因为它是共模的

所以两边的电容是完全相等的

我们用{\u1}V{\fs10\u0}out1{\r}用{\u1}V{\fs10\u0}DD{\r}减去{\u1}R{\fs10\u0}D{\r}乘以{\u1}I{\fs10\u0}SS{\r}/2来代替

作为解是一样的

最后我们得到这么一个结论

也就是说

为了让共模电压始终使整个放大器

所有的晶体管处于饱和区

我们需要的工作状态

我们需要{\u1}V{\fs10\u0}in{\r}共模电压满足以下的一个区间

就使得它保留在饱和区

下面我们看一下

分别这三点的变化

首先我们看到

当你的共模电压在增加的时候{\u1}I{\fs10\u0}D{\r}的变化

接着是共模电压在增加的时候

{\u1}V{\fs10\u0}p{\r}的变化

最后是当共模电压增加的时候

{\u1}V{\fs10\u0}out1{\r}和{\u1}V{\fs10\u0}out2{\r}它的变化

刚才是我们看到了

都是关于定性分析的方法

下面我们来看一下

小信号的定量分析

我们采用单边等效电路法

对于差分信号来讲

它的分析总体来讲

我们都喜欢用单边等效的电路法来分析

原因有两个

第一个　因为它是差分电路

所以两边是完全一样的

第二　把它用单边等效了以后

就可以跟我们上一周所学习的

单端的放大器

就是基本的放大器的结构

相近或者是相似甚至是相同

从而采用之前我们所拥有的结论

如果我们看到

{\u1}V{\fs10\u0}T1{\r}和{\u1}V{\fs10\u0}T2{\r}变化的大小相等而方向相反

那么就是差动的电压源

而且{\u1}R{\fs10\u0}T1{\r}和{\u1}R{\fs10\u0}T2{\r}是相等的

那么{\u1}V{\fs10\u0}p{\r}保持常数

为什么呢

我们看到

这个是正

这一点是负

那么它们两个相等就是{\u1}V{\fs10\u0}p{\r}相当于是零

需要强调的是

只有在输入的变化较小

以致可以认为{\u1}R{\fs10\u0}T1{\r}等于{\u1}R{\fs1\u00}T2{\r}的时候

上述论断才是成立的

经过这样子的假设以后

我们就如何把这个电路可以变得简单了呢

我们看到

中间的一点相当于是一个虚拟地

也就是交流地的特点

电路可以等效为两部分

那么这个变成了地　这个也变成地

也就是p相连的这两点都变成了地

也就是半边电路的概念

这个时候我们看一下

对应的{\u1}V{\fs10\u0}X{\r}除以{\u1}V{\fs10\u0}in1{\r}

等于负的{\u1}g{\fs10\u0}m{\r}乘以{\u1}R{\fs10\u0}D{\r}

是我们现在已经有的结论

同样{\u1}V{\fs10\u0}Y{\r}除以负的{\u1}V{\fs10\u0}in1{\r}

也等于负的{\u1}g{\fs10\u0}m{\r}乘以{\u1}R{\fs10\u0}D{\r}

从而{\u1}V{\fs10\u0}X{\r}减去{\u1}V{\fs10\u0}Y{\r}

也就是{\u1}V{\fs10\u0}out1{\r}减去{\u1}V{\fs1\u00}out2{\r}

除以两倍的{\u1}V{\fs10\u0}in1{\r}

也就是你的输入电压等于负的{\u1}g{\fs10\u0}m{\r}乘以{\u1}R{\fs10\u0}D{\r}

我们就得到了这样的一个差分放大器

它的增益是负的{\u1}g{\fs10\u0}m{\r}乘以{\u1}R{\fs10\u0}D{\r}

这是理想的情况下

那么对于另外一种情况

如果两个差分对的输入信号并不是全差分的

我们如何处理

很简单

我们可以将此任意信号表示成差模分量和共模分量

也就是写成{\u1}V{\fs10\u0}in1{\r}等于一个差模分量

{\u1}V{\fs10\u0}in1{\r}减去{\u1}V{\fs1\u00}in2{\r}除以2

和另外一个共模分量

{\u1}V{\fs10\u0}in1{\r}加{\u1}V{\fs1\u00}in2{\r}除以2

的形式

那么同样对于{\u1}V{\fs10\u0}in2{\r}也有这样的结论

惟一的就是它的数字的顺序

也就是它的电压量的顺序

反了一下

这个时候我们有的差模增益又是负的{\u1}g{\fs10\u0}m{\r}乘以{\u1}R{\fs10\u0}D{\r}

根据上一页的结论

共模增益如何去求

后面我们会更仔细的讲到

当然在这个地方我们可以理解一下

如果{\u1}I{\fs1\u00}SS{\r}是理想电流源的话

那么输出电阻等于无穷大

这个时候

共模增益为零

因此我们要记住

{\u1}I{\fs10\u0}SS{\r}我们希望它是一个理想电流源

那么何为理想电流源呢

也就是电流不变

内阻趋近于无穷大

这个就是为什么我们需要电流源的输出阻抗越大越好

这就是本节的内容