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日志

模拟集成电路入门30问之28

已有 185 次阅读2021-5-29 09:34 |系统分类:芯片设计| 模拟集成电路, 差分放大器

28. 如何理解模拟集成电路模块系列之十二:差分放大器?

大家好!今天我讲解的模拟集成电路模块是在高速放大器功能中使用最为频繁的差分放大器。之所以差分放大器模块比较频繁,主要是因为它是高速放大器中的电压放大器这个类型,而一般我们在进行信号处理时都处理的是电压信号,这样电压放大器就是一个比较通用的功能模块了,而差分放大器由于具有差分输入的特性,所以其共模抑制比特性比单端电压放大器高。

为了能更好的对差分放大器进行讲解,我从电路结构和性能参数两个方面对其进行分析;从电路结构方面看,差分放大器分为偏置电路、输入级、缓冲级、输出级四个部分;其中偏置电路是为输入级、缓冲级、输出级提供工作点,它主要决定差分放大器的工作电流和基本器件的截止频率;输入级是差分放大器的第一级电压放大级,它的输入信号为差分电压信号,同时其输入共模电平和前级模块的输出信号匹配;缓冲级是将输入级的电压信号再进行放大,并调节输出共模电平来匹配输出级对输入信号共模电平的需求;输出级主要功能是提供足够的输出幅度,同时将输出共模电平调节到下一个功能模块的输入共模电平。

差分放大器的性能参数也和其他功能模块一样,有四个类型:输入特性、输出特性、交流特性、极限特性;第一类型,输入特性是工作电压、工作电流、最大输入电压,工作电压一般表现出差分放大器电路对工作环境的适应程度,如果工作电压范围广,则适应性强;如果工作电压范围窄,则工作条件比较苛刻;工作电流决定了差分放大器电路在恒定电压下的功耗,对于差分放大器而言,工作电流的变化主要受工艺偏差的影响,当差分放大器的器件处于大信号工作模式,电流变化也是周期性的,所以一般会采用平均工作电流来进行评估,但是在评估差分放大器需要供电模块的输出功率时,就需要采用最大工作电流这个指标;最大输入电压是指差分放大器能够线性放大的最大输入信号,因为如果输入信号电压幅度太大,而由于差分放大器的增益一定,输出幅度会超过差分放大器的最大输出能力,从而使得差分放大器进入到非线性放大区,这样使得差分放大器工作失效。

第二个类型,输出特性是输出幅度、传输延时、上升/下降时间、温度系数。输出幅度是差分放大器的主要性能,它是放大器能够输出的最大电压幅度,一般这个值必须在输出缓冲器的最大输入电压范围内,不然会导致输出缓冲器进行非线性放大区,从而工作实效;传输延时是指的差分放大器中信号从输入级进入到输出级输出做经历的时间,一般来说它在连续模式下不是一个重要的性能指标,但是在突发模式下由于给差分放大器反应的时间比较有限,所以这时传输延时必须考虑;上升/下降时间时在差分放大器正常工作时对随机信号放大输出后的瞬态特性,它间接反应了差分放大器的高频特性,同时也决定了放大器输出眼图的质量;温度系数是在差分放大器在温度每升高1时电压增益变化的百分比。

第三个类型,交流特性是高频截止频率、增益、等效输入噪声,高频截止频率是差分放大器的重要指标,它决定了差分放大器能够处理的最高速率信号,这决定了放大器能应用的速率场景数量;增益也是差分放大器环路的重要指标,它决定了差分放大器能处理的最大输入信号的大小;等效输入噪声是差分放大器的关键指标,它决定了差分放大器可以处理的最小输入电压信号的大小。

最后一个类型,极限特性是:最大工作电压、工作温度范围。这个最大工作电压和输入电压范围的区别在于,在最大工作电压下可能差分放大器电路工作不正常了,但在输入电压范围的最大值时,差分放大器电路必须是正常工作的。工作温度范围是指PN结温下的范围,它和差分放大器的温度范围有些许区别,一般来说,极限特性下工作温度范围会比差分放大器的温度范围宽。

好,总结一下,这一讲我从四个电路部分,偏置电路、输入级、缓冲级、输出级和十二个性能参数,工作电压、工作电流、最大输入电压、输出幅度、传输延时、上升/下降时间、温度系数、高频截止频率、增益、等效输入噪声、最大工作电压、工作温度范围,对差分放大器电路进行了分析,希望对大家有所帮助!

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