第 12 章：差分放大器
差分放大器可能是模拟集成电路（主要是运算放大器）中使用最广泛的电路构建块。当我们讨论输入偏置电流时，我们在第 3 章第 3.4.3 节中简要介绍了一个。差分放大器可以用 BJT 或 MOSFET 实现。差分放大器将两个输入之间的电压差 (Vin+ - Vin-) 乘以某个常数因子 Ad，即差分增益。它可能有一个输出或一对输出，其中感兴趣的信号是两个输出之间的电压差。差分放大器还倾向于抑制输入信号中两个输入 (Vin+ + Vin-)/2 共有的部分。这称为共模信号。
12.1 从基础开始
通常最简单的方法是从非常基本的单个晶体管重新开始，然后按照逻辑顺序构建一个可行的差分放大器。考虑图 12.1.1 的单晶体管放大器级，它类似于我们在第 9 章中关于退化共发射极的部分中探讨的内容。当从V neg驱动时，该放大器实际上可以被视为反相共发射极放大器并且V pos被视为交流接地。或者当从V pos驱动并且V neg被视为交流接地时作为同相公共基极放大器。
图 12.1.1 交流耦合差动放大器
假设我们使耦合电容器 C 1和 C 2足够大，以便我们可以将它们视为感兴趣信号频率的交流短路。从V neg到V out的小信号电压增益为：
同样，从V pos到V out的小信号电压增益为：
晶体管放大其V be两端的小信号电压，在本例中为V pos - V neg。如果我们对V pos和V neg应用相同幅度的相位信号，使得V pos - V neg = 0，那么V be上将没有变化的信号，并且V out处的输出信号将为零。另一方面，如果我们应用彼此相差 180º 的等幅信号，则V pos - V neg= 输入幅度的两倍。该电压差将出现在V be 上，并在V out处放大g m *R L。
我们的简单差分放大器的反相或负输入端具有相对较高的公共发射极输入阻抗，而放大器的同相或正输入端具有相对较低的公共基极输入阻抗。这一观察的重要性以及如何充分利用它，将在关于跨阻放大器的下一章 (13) 中变得显而易见。
如果我们的差分放大器具有更多对称输入，其中正负输入的输入阻抗尽可能高，理想情况下为无穷大，那将是有利的。图 12.1.2 显示了使我们朝着这个方向前进的额外步骤。如果我们现在包括一个射极跟随器级 Q 2来缓冲正输入的公共基极放大器路径的相对较低的阻抗，我们将得到一对更对称的输入。
图 12.1.2 添加射极跟随器的差分放大器。
因为我们仍然交流耦合输入信号，所以需要第二组偏置电阻器 R B3和 R B4为新的射极跟随器提供直流偏置。如果我们改为直流耦合现在对称的输入，偏置电阻就变得不必要了，我们的差分放大器现在呈现出经典差分对的外观，我们将在下一节中讨论。
12.2 长尾对
图 12.2.1：带有电阻负载的长尾对
经典的差分对放大器由至少两个相同的晶体管构成，配置为 BJT 晶体管的发射极或 FET 的源极连接在一起。长尾对 (LTP) 或发射极耦合（源极耦合）对是一对晶体管，其中共享的发射极或源极节点由或多或少的恒定电流源/汇提供，这可能就像一个简单的连接到负电源的较大值电阻，如 R尾在图 12.2.1 中，（或 p 型器件的正电源）相对于输入信号的幅度产生较大的电压降，因此是“长尾”。给定提供给发射极或源极的或多或少的恒定电流，两个集电极或漏极电流的总和也或多或少随信号恒定。
基极或栅极的两个输入端可以输入差分或平衡输入信号，集电极或漏极的两个输出端保持平衡，或者一个输入端接地以将单端输入信号转换为差分输出。
电流源R tail的电阻越高，共模增益或A c越低，共模抑制比（CMRR）越好。在更复杂的设计中，可以用有源恒流源代替高电阻 R tail。通过两个输入和两个输出，这形成了一个差分放大器级。两个基极或门是输入，它们被这对差分放大。
即使该电路设计为具有两个输入和两个输出，也没有必要同时使用两个输入和两个输出。（请记住，差分放大器被定义为具有两个可能的输入和两个可能的输出。）差分放大器可以连接为单输入单输出设备；单输入、差分输出设备；或差分输入、差分输出设备。输出可以是单端的（仅取自集电极或漏极之一，或者根据后续电路的需要进行差分。
在使用 BJT 构建的长尾对中，发射极连接在一起，然后通过电流源接地或连接到负电源（对于使用 NPN 晶体管的 LTP）。在这种形式中，可以将其中一个晶体管视为在共发射极配置下运行的放大器，另一个作为射极跟随器，将另一个输入信号馈入第一级的发射极，如我们在前一节中讨论的那样。由于晶体管会放大基极和发射极之间流动的电流，因此流经第一个晶体管的集电极电路的电流与两个输入之间的差值成正比。然而，由于电路是完全对称的，任何一个元件都可以被视为放大器或跟随器，
偏置条件假设V pos和V neg处的电压相等，迫使偏置电流 I tail（由 R tail设置）在晶体管之间平均分配，导致 I C1 = I C2。当 R C1 = R C2 时，在V out + 和V out -产生相等的电压。
使用 MOSFET，我们可以构建一个源极耦合差分对，它是使用 BJT 的发射极耦合差分对的对应物。与 BJT 相比，将 MOSFET 用于差分对的主要优点是几乎无限的输入阻抗，而缺点通常是差分增益较低。
假设两个 MOSFET 相同。对于共模信号和差分输入信号，源极耦合差分对的分析与发射极耦合差分对的分析方式相同。漏极电流 I d1和 I d2的传输特性如图所示。
12.3 差分增益
我们可以如下计算差分电压增益。将 Q 1和 Q 2视为受其基极电压控制的电流源。R C1和 R C2然后将电流转换回电压。一、小信号集电极电流
其中跨导g m (Amps/Volts) 由 DC 集电极电流设置
在室温下。
然后，R C将 I c转换回电压。
将输入V diff = V pos - V neg带入图中，注意它在两个基极-发射极结上等分，但极性相反。把它们放在一起，你会在每个收集器上得到一个单端输出
两个输出相减得到差分输出
设置偏置的示例：R tail将偏置设置为 Ie = (-0.6V - V DD ) / R tail = (-0.6 V - (-15 V )) / 7.2 kΩ = 2 mA，在 Q 1之间等分和 Q 2给予
最后，我们很容易计算出g m = 1 mA / 25 mV = 0.04 A/ V。单端增益变为：
差分放大器的输出本身通常是差分的。如果不需要，则只能使用一个输出，而忽略另一个输出。或者为了避免牺牲增益，可以在差分级之后使用差分转单端级。这通常通过有源电流镜负载而不是集电极/漏电阻来实现。
长尾对经常用于实现带反馈的线性放大器的电路（如运算放大器）以及其他需要差分放大器的电路。
用作开关时，“左”基或门作为信号输入，“右”基或门接地；输出取自正确的收集器或漏极。当输入为零或负数时，输出接近于零；当输入为正时，输出为最正，动态操作与上述放大器使用相同。
通过发射极或源极退化电阻器引入的负反馈可以提高偏置稳定性和对器件参数变化的独立性。
具有小差分输入信号 v i的差分对
小信号操作
一些公式
- 差分输入电阻
- 差分电压增益
![A_d = -(2 alpha R_c)/(2(r_e+R_E)) 大约 -R_C/(r_e+R_E)]( "A_d = -(2 alpha R_c)/(2(r_e+R_E)) 大约 -R_C/(r_e+R_E)")
3、共模增益：
增加差分对的线性差分输入范围
有时在电路中加入发射极负反馈电阻REF是有利的，如图12.3.1所示。电阻器的缺点是降低了电路的差分电压增益。然而，这样做的两个原因是增加输入阻抗和减少由于 BJT 的非线性引起的失真。右图显示了差分放大器的传输特性（R EF =40V T /I EE）。
为了提高线性度，我们引入了发射极负反馈电阻，将线性范围从几个V T增加到大约 I Tail R。
电流镜作为负载
下图显示了发射极耦合对的变体，其中集电极电阻被电流镜取代。这种电路在集成电路中特别受欢迎，因为匹配的晶体管比进动匹配的高值电阻更容易构建。通过假设大 ß 进行简单分析，从而忽略Q 3和 Q 4 的基极电流，得出以下等式：
为了
大约与 v id成正比。此外请注意，共模输入组件不会影响输出电流。
概括
本章介绍了有关差分放大器的信息。以下信息总结了本章的要点。
差动放大器是输出信号取决于输入信号之间的差值的任何放大器。通过在单个晶体管中组合共发射极和共基极配置，可以制成两输入、单输出差分放大器。
差分放大器可以具有彼此同相、彼此异相 180º 或相差 180º 以外的其他相位的输入信号。
