قلم حكيم من QuillSage
第6章 差分放大器

第6章 差分放大器

6.1.1 为什么需要差分结构

上一章末尾我们提到,电流源与有源负载的组合为高增益放大提供了可能。但还有一个问题悬而未决:如何在一个充满干扰的环境中准确放大一个微弱的电压信号?

设想一个传感器输出的信号幅度仅为1mV,而环境中的共模噪声(比如50Hz工频干扰)高达100mV。如果采用单端放大,输入信号和噪声叠加在一起,经过放大后噪声同样被放大,信噪比没有改善。更糟糕的是,电源电压的波动、温度漂移、衬底耦合噪声都会直接叠加到信号路径上,这些干扰在单端结构中无法与有用信号区分。

差分放大器通过两个输入端之差来响应信号,从而抑制共模干扰。它有两个输入端,放大的是两个输入端之间的差值,而不是各自对地的电压。共模干扰同时出现在两个输入端上,在差值运算中被抵消。真正的差分放大器仅响应施加在两个输入端口电压的差值。

这个概念并不新鲜。早在1941年,Alan Blumlein就申请了差分放大器的专利。但直到集成电路工艺成熟后,差分结构才真正成为模拟设计的基石。原因很简单:分立元件搭建的差分对,两个晶体管的匹配精度受限于元件容差,很难做到理想;而在同一块芯片上,相邻晶体管之间的匹配可以达到0.1%甚至更好。集成电路为差分结构提供了天然的土壤。

6.1.2 基本差分对:结构与小信号分析

6.1.3 电路结构

最基本的MOSFET差分对如图6.1所示。两个匹配的NMOS管\(M_1\)和\(M_2\)的源极连在一起,共同接到尾电流源\(I_{SS}\)上。漏极通过电阻\(R_D\)接电源\(V_{DD}\)。两个输入信号\(V_{in1}\)和\(V_{in2}\)分别加到\(M_1\)和\(M_2\)的栅极,输出可以从单端取出(\(V_{out1}\)或\(V_{out2}\)),也可以取两端的差值(\(V_{out1} - V_{out2}\))。

图像 图1:两级全差分共源共栅运算放大器电路结构

尾电流源\(I_{SS}\)是整个电路的关键。它决定了\(M_1\)和\(M_2\)的静态工作点,更重要的是,它强制两个晶体管的源极电流之和恒定。当输入差分电压变化时,电流在\(M_1\)和\(M_2\)之间重新分配,但总和不变。

6.1.4 大信号特性:电流分配与线性范围

先看大信号行为。假设两个晶体管都工作在饱和区,忽略沟道长度调制效应,根据MOS管的平方律模型:

\[ I_{D1} = \frac{1}{2}\mu_n C_{ox}\frac{W}{L}(V_{GS1} - V_{TH})^2 \]
\[ I_{D2} = \frac{1}{2}\mu_n C_{ox}\frac{W}{L}(V_{GS2} - V_{TH})^2 \]

且\(I_{D1} + I_{D2} = I_{SS}\)。定义输入差分电压\(V_{id} = V_{in1} - V_{in2}\),经过推导可以得到:

\[ I_{D1} = \frac{I_{SS}}{2} + \frac{I_{SS}}{2}\frac{V_{id}}{\sqrt{\frac{4I_{SS}}{\mu_n C_{ox}(W/L)} - V_{id}^2}} \cdot \frac{1}{\sqrt{\frac{4I_{SS}}{\mu_n C_{ox}(W/L)}}} \]

这个表达式看起来复杂,但它的行为很直观。当\(V_{id} = 0\)时,\(I_{D1} = I_{D2} = I_{SS}/2\),两个管子平分尾电流。当\(V_{id}\)增大时,\(I_{D1}\)增加,\(I_{D2}\)减小。当\(V_{id}\)达到某个临界值时,\(M_2\)完全截止,所有电流都流过\(M_1\)。这个临界值称为转换电压(switching voltage),其值为:

\[ V_{id,sw} = \sqrt{\frac{2I_{SS}}{\mu_n C_{ox}(W/L)}} = \sqrt{2} \cdot V_{ov} \]

其中\(V_{ov}\)是过驱动电压。对于BJT差分对,对应的转换电压约为\(2V_T \approx 52.6\text{mV}\)(室温下),即电流分布从\(0.9I_Q/0.1I_Q\)变化到\(0.1I_Q/0.9I_Q\)所需的差分电压变化。

在转换点附近,电流-电压关系呈现明显的非线性。发射极耦合对的线性输入范围典型为\(V_T\)的2~3倍,即约52~78mV。MOS管的线性范围则取决于过驱动电压,通常设计在100mV到300mV之间。

6.1.5 小信号分析:差分增益与共模增益

在小信号条件下,差分对的工作可以分解为两种模式:差分模式和共模模式。这是分析差分电路的基本方法,建议读者熟练掌握。

差分模式。 在输入端施加大小相等、方向相反的信号\(V_{id}/2\)和\(-V_{id}/2\)。由于电路对称,源极节点在差分激励下保持电位不变,相当于交流地。因此\(M_1\)和\(M_2\)的源极可以看作接地,每个管子构成一个共源放大器。单端输出电压为:

\[ V_{out1} = -g_m R_D \cdot \frac{V_{id}}{2} \]

差分输出电压为:

\[ V_{out,d} = V_{out1} - V_{out2} = -g_m R_D V_{id} \]

因此差分电压增益为:

\[ A_d = \frac{V_{out,d}}{V_{id}} = -g_m R_D \]

共模模式。 在输入端施加相同的信号\(V_{icm}\)。此时两个晶体管的源极电压会跟随输入变化,尾电流源的有限输出阻抗\(R_{SS}\)不再是小信号地。共模增益为:

\[ A_{cm} = \frac{V_{out,d}}{V_{icm}} = -\frac{R_D}{2R_{SS}} \]

注意这里取的是差分输出。如果从单端输出看,共模增益约为\(-g_m R_D / (1 + 2g_m R_{SS})\),数值更小。

共模抑制比。 定义共模抑制比(CMRR)为差分增益与共模增益之比:

\[ \text{CMRR} = \frac{|A_d|}{|A_{cm}|} = 2g_m R_{SS} \]

这个表达式揭示了两个重要信息。第一,CMRR与尾电流源的输出阻抗成正比。理想电流源\(R_{SS} \to \infty\)时,CMRR趋于无穷大,共模信号被完全抑制。第二,CMRR与\(g_m\)成正比,因此增大晶体管的跨导有助于提高共模抑制能力。

实际设计中,\(R_{SS}\)由尾电流源的输出阻抗决定。采用共源共栅电流源可以将\(R_{SS}\)提升到\(g_m r_o^2\)的量级,从而使CMRR达到80dB以上。这也是为什么高性能运放的尾电流源几乎都用共源共栅结构。

6.1.6 半电路分析法

上面的推导用到了电路的对称性。更系统的方法是半电路分析:对于完全对称的电路,差分模式下的行为可以用"半边电路"来等效——把对称轴上的节点(源极)视为交流地,只分析一半电路。共模模式下,对称轴上的节点电流为零,可以将其断开,得到另一个半边电路。

半电路分析的价值在于把二阶问题化为一阶问题。设计者只需要分析一个共源放大器,就能完全掌握差分对的差分特性。对于更复杂的差分结构(如折叠共源共栅、全差分运放),这个方法同样适用。

6.1.7 有源负载差分对

6.1.8 从电阻负载到有源负载

电阻负载差分对的增益为\(A_d = g_m R_D\)。要提高增益,可以增大\(R_D\)或增大\(g_m\)。但\(R_D\)增大会消耗更多的电压裕度——电阻两端的直流压降\(I_{SS} R_D / 2\)随之增大,限制了输出摆幅。在1.8V电源电压下,这个矛盾尤为突出。

上一章讨论的电流源负载在这里派上了用场。用PMOS电流源代替\(R_D\),负载阻抗变为PMOS的输出电阻\(r_{o,P}\),通常在几十千欧到几百千欧的量级。差分增益变为:

\[ A_d = g_{m,N} (r_{o,N} \| r_{o,P}) \]

在0.18μm工艺中,\(g_m\)典型值为1~3mS,\(r_o\)典型值为20~50kΩ,单级增益可达40~60dB。采用有源负载而不是分立电阻可以保证得到较大的RC,从而可以得到较大的\(A_d\)。

6.1.9 电流镜负载与单端输出

实际运放通常需要单端输出,以便与后续电路(如共源极输出级)接口。将差分输出转换为单端输出的常用方法是用电流镜作为有源负载,如图6.2所示。

图像 图2:两级差分输入单端输出运算放大器结构框图

\(M_3\)和\(M_4\)构成电流镜,\(M_1\)和\(M_2\)构成输入差分对。当差分信号输入时,\(M_1\)的电流变化\(\Delta I\)通过电流镜复制到输出支路,\(M_2\)的电流变化\(-\Delta I\)直接在输出节点叠加。输出电流为\(2\Delta I\),实现了差分电流到单端电流的转换。

输出阻抗为\(r_{o2} \| r_{o4}\),因此电压增益为:

\[ A_d = g_{m1} (r_{o2} \| r_{o4}) \]

与电阻负载相比,电流镜负载有两个优势。第一,增益更高,因为\(r_o\)远大于\(R_D\)。第二,电流镜将差分信号"折叠"到单端,不需要额外的电平转换电路。

但电流镜负载也有代价。电流镜的匹配误差会引入系统失调,这在下一节会详细讨论。此外,电流镜的镜像精度受限于沟道长度调制效应,需要保证\(M_3\)和\(M_4\)的漏极电压接近。

6.1.10 共模输入范围

差分对的共模输入范围(ICMR)定义为其正常工作时允许的输入共模电压范围。对于NMOS输入差分对,下限受限于尾电流源的最小工作电压,上限受限于输入管进入线性区的临界点。

假设电源电压\(V_{DD} = 1.8V\),尾电流源的最小压降为\(V_{ov,cs} = 0.2V\),输入管的过驱动电压\(V_{ov,in} = 0.15V\),阈值电压\(V_{TH,N} = 0.5V\)。则:

\[ V_{icm,min} = V_{ov,cs} + V_{GS,in} = 0.2 + 0.65 = 0.85V \]
\[ V_{icm,max} = V_{DD} - V_{ov,load} + V_{TH,N} = 1.8 - 0.2 + 0.5 = 2.1V \]

实际上\(V_{icm,max}\)还受限于\(M_1\)的漏极电压,需要保证\(M_1\)工作在饱和区。在低电源电压下,共模输入范围往往成为设计瓶颈。轨至轨输入运放通过并联NMOS和PMOS差分对来扩展ICMR,但代价是电路复杂度增加。

6.1.11 失调电压

6.1.12 系统失调与随机失调

理想差分对在零输入时输出为零。实际电路并非如此。由于工艺偏差,两个"匹配"的晶体管在阈值电压、尺寸、迁移率等方面存在差异,导致零输入时输出不为零。将输出失调折算到输入端,得到输入失调电压\(V_{OS}\)。

失调分为两类。系统失调源于电路结构的不对称,例如电流镜负载的镜像误差。随机失调源于工艺波动,包括阈值电压失配、几何尺寸失配等。Pelgrom模型给出了阈值电压失配的统计规律:

\[ \sigma(\Delta V_{TH}) = \frac{A_{VT}}{\sqrt{WL}} \]

其中\(A_{VT}\)是工艺相关的失配系数,典型值为1~10 mV·μm。对于\(W/L = 10\mu m/0.5\mu m\)的器件,\(\sigma(\Delta V_{TH})\)约为1~3mV。增大器件面积可以减小失配,但代价是寄生电容增大,带宽降低。

6.1.13 失调对电路性能的影响

失调电压直接影响精密电路的精度。以12位ADC为例,若参考电压为4.096V,则1 LSB约为1mV。如果比较器的失调电压超过1mV,ADC的精度就会劣化。这就是为什么高精度比较器需要采用失调消除技术。

失调还会在输出端产生直流偏移,限制可用的输出摆幅。在直流耦合的多级放大器中,前级失调会被后级放大,可能导致输出饱和。设计者必须仔细评估每级的失调贡献,必要时加入失调消除电路。

6.1.14 失调消除技术

常用的失调消除技术有三种:斩波稳定、自动调零和修调。

斩波稳定将信号调制到高频,放大后再解调回基带,失调电压只经过一次调制,不会出现在输出端。这种方法的优点是连续时间工作,没有采样噪声;缺点是开关噪声和残余纹波。

自动调零在采样阶段将失调存储在电容上,在放大阶段用存储的失调抵消实际失调。这种方法简单有效,但引入了采样噪声和混叠效应。

修调是在生产测试阶段对失调进行测量,然后通过激光修调或熔丝编程来校正。这种方法精度高,但增加了测试成本。

6.1.15 噪声分析

6.1.16 差分对的噪声源

差分对的噪声源包括输入管的热噪声和闪烁噪声、负载管的热噪声和闪烁噪声、尾电流源的噪声。其中尾电流源的噪声以共模形式出现,在理想差分输出中被抑制,但单端输出时仍有贡献。

输入参考噪声电压可以用下式估算:

\[ \overline{V_{n,in}^2} = 2 \left( \overline{V_{n,M1}^2} + \overline{V_{n,M3}^2} \cdot \frac{g_{m3}^2}{g_{m1}^2} \right) \]

其中\(V_{n,M1}\)是输入管\(M_1\)的噪声,\(V_{n,M3}\)是负载管\(M_3\)的噪声。由于第二级噪声要除以第一级增益才能折算到输入端,因此基本可以忽略,所以输入等效噪声为第一级噪声的贡献。

图像 图3:输入等效噪声的计算

热噪声电压谱密度为:

\[ \overline{V_{n,th}^2} = 4kT\gamma g_m \]

闪烁噪声电压谱密度为:

\[ \overline{V_{n,1/f}^2} = \frac{K_f}{WLC_{ox}f} \]

6.1.17 噪声与功耗的权衡

从噪声表达式可以看出,降低噪声需要增大\(g_m\),即增大偏置电流或宽长比。但增大电流意味着功耗增加,增大面积意味着成本增加。在低噪声设计中,设计者必须在噪声、功耗和面积之间寻找平衡点。

一个实用的设计准则是:输入管的\(g_m\)决定了热噪声底,输入管的面积决定了\(1/f\)噪声转角频率。如果应用对低频噪声敏感(如音频、生物电信号),应优先增大面积;如果应用对宽带噪声敏感(如射频前端),应优先增大\(g_m\)。

6.1.18 差分放大器的频率响应

6.1.19 主极点与带宽

差分对的小信号等效电路与共源放大器类似,主极点由输出节点的电容决定:

\[ \omega_{p1} = \frac{1}{R_{out} C_{out}} \]

其中\(R_{out} = r_{o2} \| r_{o4}\),\(C_{out}\)包括负载电容、\(M_2\)和\(M_4\)的漏极电容、以及后级输入电容。

增益带宽积为:

\[ \text{GBW} = A_d \cdot \omega_{p1} = \frac{g_{m1}}{C_{out}} \]

这个表达式说明,GBW与偏置电流的平方根成正比(\(g_m \propto \sqrt{I_D}\)),与输出电容成反比。要提高GBW,要么增大电流,要么减小电容。在深亚微米工艺中,寄生电容随尺寸缩小而减小,这在一定程度上缓解了带宽压力。

6.1.20 零点的产生

差分对还有一个独特的零点,源于输入管栅漏电容\(C_{gd}\)的馈通。这个零点位于:

\[ \omega_z = \frac{g_m}{C_{gd}} \]

通常在\(f_T\)附近,远高于主极点频率,对带宽影响不大。但在宽带设计中,这个零点可能进入频带内,导致增益峰化。设计者可以通过共源共栅结构来消除\(C_{gd}\)的馈通效应。

6.1.21 差分结构的扩展

6.1.22 折叠共源共栅

基本差分对的一个限制是输出共模电平与输入共模电平耦合。折叠共源共栅结构将输入差分对和共源共栅输出级分离,允许输入共模电平接近地或电源,同时保持高输出阻抗。

图像 图4:全差分折叠式共源共栅运放

折叠结构的增益为:

\[ A_d = g_{m1} \left[ (g_{m5} r_{o5} r_{o3}) \| (g_{m7} r_{o7} r_{o9}) \right] \]

这个表达式中的\(g_m r_o^2\)项来自共源共栅结构,它提供了比基本差分对高一个数量级的输出阻抗。在0.18μm工艺中,折叠共源共栅的单级增益可达70~80dB。

6.1.23 全差分结构

全差分放大器同时提供正负两个输出,具有更大的输出摆幅和更好的共模抑制。它需要共模反馈电路(CMFB)来稳定输出共模电平,因为在高增益下,输出共模对偏置偏差极为敏感。

图像 图5:全差分套筒式共源共栅运放

全差分结构的输出摆幅是单端结构的两倍,这对低电源电压设计尤为重要。例如,在1.2V电源下,单端输出的最大摆幅约为0.8Vpp,而全差分输出可以达到1.6Vpp。代价是CMFB电路增加了设计复杂度。

6.1.24 差分信号在系统中的应用

差分信号的优势在系统层面体现得更加明显。在高速ADC中,差分输入可以抑制共模噪声和偶次谐波失真。在射频接收机中,差分LNA和混频器可以抑制本振泄漏和衬底耦合噪声。在SerDes接收端,差分信号通过双绞线或差分走线传输,对外部电磁干扰具有天然的免疫力。

以AD7625为例,这是一款单极性全差分输入的逐次逼近型ADC,最高采样率6Msps,模拟部分采用单一+5V供电,4.096V基准电压。它的每个输入端可以接受-0.1V到4.196V的模拟量输入,两个输入端之间可以接受最小-4.096V、最大4.096V的输入。输入范围覆盖了从负满量程到正满量程的整个区间。

6.1.25 设计实例:一个完整的差分放大器设计

6.1.26 设计规格

设计一个用于12位ADC驱动器的差分放大器,规格如下:

  • 电源电压:1.8V
  • 差分增益:20dB(10V/V)
  • 带宽:100MHz
  • 输出摆幅:1.2Vpp(差分)
  • 功耗:< 5mW
  • 输入共模范围:0.9V ± 0.3V

6.1.27 电路选择

考虑增益和带宽要求,选择两级结构:第一级为PMOS输入的折叠共源共栅差分对,第二级为共源极输出级。PMOS输入允许输入共模电平接近地,适合ADC驱动器的接口要求。

6.1.28 参数计算

根据功耗预算,总电流限制在2.8mA以内。分配如下:输入级1mA,输出级1.5mA,偏置电路0.3mA。

输入级跨导:

\[ g_{m1} = \sqrt{2\mu_p C_{ox}(W/L)_1 I_{D1}} \]

在0.18μm工艺中,\(\mu_p C_{ox} \approx 60\mu A/V^2\)。取\((W/L)_1 = 100\),\(I_{D1} = 0.5mA\),则:

\[ g_{m1} = \sqrt{2 \times 60 \times 10^{-6} \times 100 \times 0.5 \times 10^{-3}} \approx 2.45\text{mS} \]

第一级输出阻抗:

\[ R_{out1} = (g_{m5} r_{o5} r_{o3}) \| (g_{m7} r_{o7} r_{o9}) \]

取\(g_m = 2\text{mS}\),\(r_o = 40\text{k}\Omega\),则\(g_m r_o^2 = 3.2\text{M}\Omega\)。两路并联后\(R_{out1} \approx 1.6\text{M}\Omega\)。

第一级增益:

\[ A_1 = g_{m1} R_{out1} = 2.45 \times 1.6 = 3920 \approx 72\text{dB} \]

第二级增益:

\[ A_2 = g_{m,out} (r_{o,out} \| R_L) \]

取\(g_{m,out} = 10\text{mS}\),\(r_{o,out} = 20\text{k}\Omega\),\(R_L = 10\text{k}\Omega\),则\(A_2 = 10 \times 6.67 = 66.7 \approx 36\text{dB}\)。

总增益约108dB,远高于20dB的要求。多余的增益由反馈网络消耗,这是运放设计的常见做法——先做出高增益,再用反馈精确设定闭环增益。

6.1.29 仿真验证

设计完成后,需要仿真验证以下指标:

  • 开环增益和相位裕度
  • 闭环增益和带宽
  • 共模抑制比
  • 电源抑制比
  • 失调电压和噪声
  • 大信号摆幅和压摆率

图像 图6:建立运放电路原理图

仿真中特别要注意工艺角的变化。在slow-slow角下,增益可能下降10~20%,带宽可能下降30%。设计者必须确保在所有工艺角和温度范围内满足规格要求。

6.1.30 差分放大器的版图设计要点

差分放大器的性能高度依赖于版图对称性。失配直接转化为失调和共模增益,因此版图设计需要格外谨慎。

共质心布局。 输入差分对的两个晶体管应尽量靠近,采用交叉指状或共质心布局,以平均掉工艺梯度的影响。对于四个晶体管的匹配组,可以采用二维共质心布局。

虚拟器件。 在匹配组的边缘添加虚拟器件,可以消除刻蚀不均匀造成的边缘效应。虚拟器件不参与电路工作,但它们的几何尺寸与真实器件相同。

屏蔽与隔离。 差分输入走线应平行且等长,避免不对称的寄生电容。敏感节点(如高阻抗输出节点)应远离开关信号和数字电路,必要时添加保护环。

电源去耦。 尾电流源对电源噪声敏感,应在尾电流源附近放置去耦电容。电源走线应尽量宽,降低IR压降。

这些版图技巧看似琐碎,但对最终性能的影响往往是决定性的。一个电路原理图设计得再好,如果版图不对称,实际性能可能远低于仿真值。

6.1.31 本章小结

差分放大器是模拟集成电路的基石。它通过两个输入端之差来响应信号,天然抑制共模干扰,这使它在噪声环境、低电源电压和高速应用中成为首选结构。

本章的核心内容可以概括为以下几点:

第一,差分对的本质是一个电流开关。输入差分电压控制尾电流在两个支路之间的分配,小信号跨导\(g_m\)决定了增益,大信号转换电压决定了线性范围。

第二,有源负载将差分对的增益从\(g_m R_D\)提升到\(g_m r_o\),这是运放获得高增益的关键。电流镜负载同时实现了差分到单端的转换。

第三,失调电压是差分结构的固有缺陷。系统失调可以通过电路设计消除,随机失调只能通过增大面积来减小。失调消除技术(斩波、自动调零、修调)各有适用场景。

第四,噪声性能由输入管的\(g_m\)和面积决定。低噪声设计需要在功耗和面积之间权衡。

第五,差分结构可以扩展为折叠共源共栅、全差分等形式,以满足不同应用对增益、摆幅和共模范围的要求。

下一章将讨论反馈理论。差分放大器的高增益是反馈网络设计的前提,而反馈又将把增益的精确性、带宽的扩展和失真的抑制提升到一个新的层次。

مساعد AI ضيف
مساعد قلم حكيم من QuillSage
يجيب عن أسئلتك استنادًا إلى وثائق المساعدة — اكتب سؤالًا للبدء
الأسئلة الشائعة
  • كيف أنشئ مشروعًا جديدًا؟
  • كيف أرفع الموارد وأديرها؟
  • كيف أستخدم ميزة الاستخراج بواسطة AI؟
  • كيف أغيّر كلمة المرور؟

جارٍ إعادة الاتصال بالخادم…

فشلت إعادة الاتصال. إعادة المحاولة خلال ثوانٍ…

فشلت إعادة الاتصال.
يرجى إعادة المحاولة أو تحديث الصفحة.

أوقف الخادم الجلسة مؤقتًا.

فشل استئناف الجلسة.
يرجى إعادة المحاولة أو تحديث الصفحة.

حدث خطأ غير معالج. إعادة التحميل 🗙