模拟IC设计知识分享(5) - 差分放大电路和共模反馈

差分放大电路在信号处理中扮演着重要角色，尤其在抑制共模噪声和提高电路稳定性方面。其核心在于利用两个放大器结构相似但输入端相反的电压信号，从而实现对差模信号的有效放大，而共模信号则被抑制。下面，我们将深入探讨差分放大电路的工作原理以及其在实际应用中的优势。

当两个节点施加相等的直流电压和极性相反的交流电压时，节点之间的电压将等于交流幅度的两倍，从而消除直流电位的影响。这种特性使得差分放大器在电路中能够更稳定地工作，尤其是当直流电位发生变化时，其影响仅限于各自节点的电压变化，而不影响节点间电压。

在实际电路中，信号耦合和串扰是不可避免的干扰源，但它们倾向于以相同趋势影响两侧电路。差分结构通过有效抑制这些环境引入的干扰，显著增强了电路稳定性。要深入理解这一结构，需要考虑输入和输出的共模信号，并了解希望它们达到的值。

基本差分对由两个独立的电路组成，对各自输入信号进行放大。当输入相同的共模信号时，输出的共模信号也相同。引入尾电流源是为了确保输出共模电压的稳定性。通过尾电流源设定的电流，可以独立于输入共模电压，确保输出共模电压在输入共模电压变化时保持稳定，从而在电路设计中提供诸多便利。

在DC分析中，差分对的I-O特性展现出一定的范围。在特定情况下，当输入共模电压接近零时，M2可能截止，此时电路类似于一个普通单端放大器。而当两个输入的共模信号相等时，输出共模电压也相等。通过设置输入共模电压为相等值，可以保证输出共模电压同样相等，而输入共模电压不一定与输出共模电压完全一致。

差分电路的分析通常分为差模和共模信号两部分。对于差模信号，电路表现类似于两个独立的单端放大器，其增益为输入信号的反向比例。而对于共模信号，分析侧重于输出共模电压的稳定性，通过设计电路结构以减小共模增益，从而降低噪声影响。理想情况下，共模增益为零，即输出共模电压与输入共模电压无关，实现最佳的共模噪声抑制。

当将负载电阻替换为PMOS电流源时，输出共模电压的定义方式发生变化，这需要一种新的方法来确保输出共模电压的稳定性。为解决输出共模电压的不稳定性问题，引入了共模反馈机制。通过设计反馈网络来采样输出共模电压，将误差信号输入到偏置网络，从而抵消偏置网络的失配，实现输出共模电压的稳定控制。

在实现共模反馈时，多种方法可供选择，包括使用电阻分压器、电容采样等。每种方法都有其优势和局限性。使用电阻分压器时，需要考虑输出电阻、面积消耗、时间常数以及对直流结点电压的影响。而使用电容采样则可以避免直接连接外部电压，同时实现共模电压的跟踪，但需考虑电容的影响，如增加负载电容和降低开关性能。

为解决输出共模电压稳定性问题，还可以采用时钟交替导通的电路设计，确保电路在半周期内能够正常放大信号。此外，使用源跟随器对来采集输出共模电压，虽然能够实现跟踪共模电压，但会导致输出电压的swing减少。因此，在需要高swing的场合应谨慎使用。

单端输出的差分对则通过电流镜结构实现，从而避免了共模反馈的需求。在这种配置下，输入共模电压的限制相对较小，但由于镜像极点的存在，电路稳定性会受到影响。单端输出的共模增益和共模抑制比（CMRR）可以通过类似的方法计算，反映了电路对共模信号的抑制能力。

作为进阶形式，全差分放大器可以进一步利用cascode结构，如telescopic cascode，实现极高的增益。然而，这种结构牺牲了swing，增加了输出电阻，导致带宽受限。同时，telescopic cascode不能用作buffer，因此在设计时需要权衡增益与稳定性、swing和带宽之间的关系。

在实际应用中，折叠cascode放大器通过优化信号路径和电路结构，提供了一种平衡增益、swing和稳定性需求的解决方案。通过将输入器件与cascode结构结合，折叠cascode放大器实现了较高的增益、较好的swing特性以及稳定性，同时提供了作为buffer的潜力。

综上所述，差分放大电路通过巧妙设计，能够有效处理信号，抑制共模噪声，提高电路性能。不同的电路结构和设计策略为工程师提供了丰富的选择，以适应各种应用需求。在模拟IC设计中，深入理解差分放大电路的工作原理和优化策略是实现高性能电路设计的关键。

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