（a）（b）
零漂：直流放大器输入为零时，输出电压不为起始值的现象称为零点漂移。
导致零漂的主要原因：温度。放大器级数越多，零漂越严重。
解决办法：使用差分电路。
二、差分放大器
1．电路构成
由个特性相同的基本放大电路组合而成。输入信号分压为i1u和i2u，分别加到两管基极；
2．抑制零漂的原理
V1、V2两管对称，在没有加入输入信号时
c2c1u u =，0c2c1o =-=u u u
当温度变化时，根据对称原则，两管作相同变化，输出信号电压也相等，所以
0c2c1o =-=u u u
可见，两管的零漂正好在输出端得到抵消，从而有效的抑制了零漂。
3．电压放大倍数 （1）差模放大倍数D U A
如图所示，因21R R =，输入信号被分成大小相等，极
性相反的两个信号，2/i i1u u =，2i i2/u u -=，分别输入两管基极。此种方式称为差模输入。
两个大小相等，极性相反的信号称为差模信号。
D U A 的推导：
当放大器以差模方式工作时，
c1c2c2c1c1o Δ2)Δ(Δu u u u u u =--+=，设两基本放大器的放大倍
数为1U A 、2U A 且1
U A =
2U A 。整个差分放大倍数为
1i1
c1i o D
22U U A u u
u u A ===
即
21D U U U A A A ==
所以，差分放大器的差模放大倍数等于电路的单管放大电路的放大倍数。
结论：零点漂移是以牺牲一个单管放大电路的电压放大倍数而得到抑制的。
（2）共模放大倍数C U A
如果差分放大电路中的两个输入信号大小和极性相同，则称为共模信号，这种输入方式为共模输入。总的输出为
0c2c1o =-=u u u
由此可见，一个完全对称的差分放大器其共模放大倍数为零。
实际上，差分放大器不可能完全对称，共模放大倍数也并不为零，单通常较小。
从上面分析可知，输入信号有差别，输出信号才不为零。所以称差分放大器。
4．共模抑制比
衡量差分放大器抑制零漂的能力用共模抑制比CMR
K 来表示，其定义为
C D
CMR
U U A A K =
此比值越大，表明性能越好，一般为60
～
80 dB ，
较高的为120 dB 。注意对于电压放大倍数A ，其分贝值（dB ）=
20 lg A 5．实用电路
图示为一种更实用的差分放大器，它是在差模放大器
的基础上加一个调零电位器P R 、一个共发射极电阻e R 、一个辅助电源E E -。具有进一步抑制零漂的能力。
P R ——调节电路的对称性。当i u = 0时，o u 不一定为
零，调节P R 使o u = 0，P R 一般取值几百至1 k Ω。
对地而言，V 9A =U ,U V 001.0=，可以采用两种方法。（1）分别测量A U 和U 方法是很不准确的。因为对于一个量程为要测出1 mV 的电压很难。（2）直接测量AB U 。问题，
要测量1mV的电压差，可能出现的干扰信号（交流杂波）要比1mV高很多。
利用差分放大器，可以在很大程度上对于这种干扰进行抑制。
方法：将差分放大器一个输入端接A点，另一个接B 点。这样，干扰信号就是以同相的方式（即同极性）从输入端输入的。因此，在输出端几乎没有与之相应的输出信号，注意，1 mV的差分信号得到了相应放大。
1．直流放大器的缺点：零点漂移。差分放大器可有效的抑制零漂。
2．差分放大器的四种连接方式：单端输入单端输出、单端输入双端输出、双端输入单端输出、双端输入双端输出。
3．差分放大器的共模抑制比越大，其抑制零漂的能力越强。
4．直流放大器和差分放大器是集成运算放大器中最基本的电路。
差分放大器的工作原理 差分放大器也叫差动放大器是一种将两个输入端电压的差以一固定增益放大的电子放大器，有时简称为“差放”。差分放大器通常被用作功率放大器（简称“功放”）和发射极耦合逻辑电路 (ECL, Emitter Coupled Logic) 的输入级。 如果Q1 Q2的特性很相似，则V a,V b将同样变化。例如，V a变化+1V，V b也变化+1V，因为输出电压VOUT=V a-V b=0V,即V a的 变化与V b的变化相互抵消。这就是差动放大器可以作直流信号放大的原因。若差放的两个输入为，则它的输出V out为： 其中Ad是差模增益 (differential-mode gain)，Ac是共模增益 (common-mode gain)。 因此为了提高信/噪比，应提高差动放大倍数，降低共模放大倍数。二者之比称做共模仰制比（CMRR, common-mode rejection ratio）。共模放大倍数AC可用下式求出： A c=2R l/2R e 通常以差模增益和共模增益的比值共模抑制比 (CMRR, common-mode rejection ratio) 衡量差分放大器消除共模信号的能力： 由上式可知，当共模增益Ac→0时，CMRR→∞。Re越大，Ac就越低，因此共模抑制比也就越大。因此对于完全对称的差分放大器来说，其Ac = 0，故输出电压可以表示为： 所谓共模放大倍数，就是V a，V b输入相同信号时的放大倍数。如果共模放大倍数为0，则输入噪声对输出没有影响。 要减小共模放大倍数，加大R E就行通常使用内阻大的恒流电路来带替R E
差分放大器是普通的单端输入放大器的一种推广，只要将差放的一个输入端接地，即可得到单端输入的放大器。很多系统在差分放大器的一个输入端输入反馈信号，另一个输入端输入反馈信号，从而实现负反馈。常用于电机或者伺服电机控制，稳压电源，测量仪器以及信号放大。在离散电子学中，实现差分放大器的一个常用手段是差动放大，见于多数运算放大器集成电路中的差分电路。 单端输出的差动放大电路 (不平衡输出) 称为单端Single ended或不平衡输出Unbalance Output。 单端较差动输出之幅度小一倍，使用单端输出时，共模讯号不能被抑制，因Vi1与Vi2同时增加，VC1与VC2则减少，而且VC1=VC2，但Vo =VC2，并非于零(产生零点漂移)。 但是加大RE阻值可以增大负回输而抑制输出，并且抑制共模讯号，因Vi1=Vi2时， Ii1及Ii2也同时增加，IE亦上升而令VE升高，这对Q1和Q2产生负回输， 令Q1和Q2之增益减少，即Vo减少。 当差动讯号输入时，Vi1 = -Vi2，IC1增加而IC2减少，总电流IE = IC1 + IC2便不变， 因此VE也不变，加大RE电阻值之电路会将差动讯号放大，不会对Q1及Q2产生负回输 及抑制。 。 b)减低功率消耗(相对纯电阻来说)。 c)提高差动放大之输出电压。 d)提高共模抑制比CMRR。 即差动输入，则IC1升而IC2下降(并且，ΔIC1 = ΔIC2) 因电流镜像原理，IC4 = IC1 故此，Io = IC4 IC2 = IC1 IC2 (ΔIo = 2ΔIC1或2ΔIC2) 这说明了输出电流是IC1和IC2的相差，即将输出变为具有双端差动输出性能的单端输出 (故对共模讯号之抑制有改善因双端差动输出才能产生消除共模讯号作用)。
目录 1. 设计指标 (1) 2. 运算放大器主体结构的选择 (1) 3. 共模反馈电路（CMFB）的选择 (1) 4. 运算放大器设计策略 (2) 5. 手工设计过程 (2) 5.1 运算放大器参数的确定 (2) 5.1.1 补偿电容Cc和调零电阻的确定 (2) 5.1.2 确定输入级尾电流I0的大小和M0的宽长比 (3) 5.1.3 确定M1和M2的宽长比 (3) 5.1.4确定M5、M6的宽长比 (3) 5.1.5 确定M7、M8、M9和M10宽长比 (3) 5.1.6 确定M3和M4宽长比 (3) 5.1.7 确定M11、M12、M13和M14的宽长比 (4) 5.1.8 确定偏置电压 (4) 5.2 CMFB参数的确定 (4) 6. HSPICE仿真 (5) 6.1 直流参数仿真 (5) 6.1.1共模输入电压范围（ICMR） (5) 6.1.2 输出电压范围测试 (6) 6.2 交流参数仿真 (6) 6.2.1 开环增益、增益带宽积、相位裕度、增益裕度的仿真 (6) 6.2.2 共模抑制比（CMRR）的仿真 (7) 6.2.3电源抑制比（PSRR）的仿真 (8) 6.2.4输出阻抗仿真 (9) 6.3瞬态参数仿真 (10) 6.3.1 转换速率（SR） (10) 6.3.2 输入正弦信号的仿真 (11) 7. 设计总结 (11) 附录（整体电路的网表文件） (12)
采用折叠式结构的两级全差分运算放大器的设计 1. 设计指标 5000/ 2.5 2.551010/21~22v DD SS L out dias A V V V V V V GB MHz C pF SR V s V V ICMR V P mW μ>==?== >=±=?≤的范围 2. 运算放大器主体结构的选择 图1 折叠式共源共栅两级运算放大器 运算放大器有很多种结构，按照不同的标准有不同的分类。从电路结构来看, 有套筒 式共源共栅、折叠式共源共栅、增益提高式和一般的两级运算放大器等。本设计采用的是如图1所示的折叠式共源共栅两级运算放大器，采用折叠式结构可以获得很高的共模输入电压范围，与套筒式的结构相比，可以获得更大的输出电压摆幅。 由于折叠式共源共栅放大器输出电压增益没有套筒式结构电压增益那么高，因此为了得到更高的增益，本设计采用了两级运放结构，第一级由M0-M10构成折叠式共源共栅结构，第二级由M11-M14构成共源级结构，既可以提高电压的增益，又可以获得比第一级更高的输出电压摆幅。 为了保证运放在闭环状态下能稳定的工作，本设计通过米勒补偿电容Cc 和调零电阻Rz 对运放进行补偿，提高相位裕量！ 另外，本文设计的是全差分运算放大器，与单端输出的运算放大器相比较，可以获得更高的共模抑制比，避免镜像极点及输出电压摆幅。 3. 共模反馈电路（CMFB ）的选择 由于采用的是高增益的全差分结构，输出共模电平对器件的特性和失配相当敏感，而且不能通过差动反馈来达到稳定，因此，必须增加共模反馈电路（CMFB ）来检测两个输出端
全差分运算放大器设计 岳生生（200403020126） 一、设计指标 以上华0.6um CMOS 工艺设计一个全差分运算放大器，设计指标如下： ?直流增益：>80dB ?单位增益带宽：>50MHz ?负载电容：＝5pF ?相位裕量：>60度 ?增益裕量：>12dB ?差分压摆率：>200V/us ?共模电压：2.5V (VDD=5V) ?差分输入摆幅：>±4V 二、运放结构选择
运算放大器的结构重要有三种：（a ）简单两级运放，two-stage 。如图2所示；（b ）折叠共源共栅，folded-cascode 。如图3所示；（c ）共源共栅，telescopic 。如图1的前级所示。本次设计的运算放大器的设计指标要求差分输出幅度为±4V ，即输出端的所有NMOS 管的,DSAT N V 之和小于0.5V ，输出端的所有PMOS 管的,DSAT P V 之和也必须小于0.5V 。对于单级的折叠共源共栅和直接共源共栅两种结构，都比较难达到该 要求，因此我们采用两级运算放大器结构。另外，简单的两级运放的直流增益比较小，因此我们采用共源共栅的输入级结构。考虑到折叠共源共栅输入级结构的功耗比较大，故我们选择直接共源共栅的输入级，最后选择如图1所示的运放结构。两级运算放大器设计必须保证运放的稳定性，我们用Miller 补偿或Cascode 补偿技术来进行零极点补偿。 三、性能指标分析 1、 差分直流增益 (Adm>80db) 该运算放大器存在两级：（1）、Cascode 级增大直流增益（M1-M8）;（2）、共源放大器（M9-M12） 第一级增益 1 3 5 11 1357 113 51 3 57 5 3 ()m m m o o o o o m m m m o o o o m m g g g g g g G A R r r r r g g r r r r =-=-=-+ 第二级增益 9 2 2 9112 9 9 11 ()m o o o m m o o g g G A R r r g g =-=-=- + 整个运算放大器的增益： 4 1 3 5 9 1 2 1 3 5 7 5 3 9 11 (80)10m m m m overall o o o o m m o o dB g g g g A A A g g g g r r r r = = ≥++ 2、 差分压摆率 （>200V/us ） 转换速率（slew rate ）是大信号输入时，电流输出的最大驱动能力。 定义转换速率SR ：
一．差分信号的特点： 图1 差分信号 1.差分信号是一对幅度相同，相位相反的信号。差分信号会以一个共模信号 V ocm 为中心，如图1所示。差分信号包含差模信号和公模信号两个部分， 差模与公模的定义分别为：Vdiff=(V out+-V out- )/2，Vocm=(V out+ +V out- )/2。 2.差分信号的摆幅是单端信号的两倍。如图1，绿色表示的是单端信号的摆 幅，而蓝色表示的是差分信号的摆幅。所以在同样电源电压供电条件下，使用差分信号增大了系统的动态范围。 3.差分信号可以抑制共模噪声，提高系统的信噪比。In a differential system, keeping the transport wires as close as possible to one another makes the noise coupled into the conductors appear as a common-mode voltage. Noise that is common to the power supplies will also appear as a common-mode voltage. Since the differential amplifier rejects common-mode voltages, the system is more immune to external noise. 4.差分信号可以抑制偶次谐波，提高系统的总谐波失真性能。 Differential systems provide increased immunity to external noise, reduced even-order harmonics, and twice the dynamic range when compared to signal-ended system. 二．分析差分放大器电路 图2.差分放大器电路分析图
专业课程设计任务书 第一周课题（四选一） 1．1M调幅接收机设计 要求：中心频率f0=1MHz，低频信号频率f m=10kHz。 2．锁相频率合成器设计 要求：锁相环使用C4046芯片，频率范围为10k~100k，步进10k。 3．LC低通滤波器设计 要求：设计一五阶Butterworth低通滤波器，截止频率为1.6MHz，输入、输出阻抗为50Ω 4．差分编码器（码发生器和编码器）设计 要求：码发生器输出一n=4的m序列伪码，码元传输速率10kB 第二周课题（三选一） 5．FSK调制解调系统设计 要求：码元传输速率1kB，载波频率分别为300kHz和600kHz 6．高频小信号放大器设计 要求：中心频率f0=1MHz，通频带30kHz<2Δf0.7<50kHz，电压增益不低于15dB 7．高频LC振荡电路设计制作 要求：（1）设计一个LC正弦波振荡电路 （2）电路采用单电源12V （3）可采用考毕兹，克拉波或西勒振荡器电路稳定输出频率 （4）振荡频率在1-2MHz连续可调 （5）在频率范围内输出峰峰值大于4V且无明显失真
课题一 课程设计报告内容索引 内容页码 1、课程设计题目 (5) 2、主要技术指标（电路功能及其精度等） (5) 3、方案论证及选择 (5) 4、系统组成框图 (8) 5、单元电路设计及说明 (9) 6、总体电路图 (10) 7、元器件列表 (10) 8、总结 (10) 9、参考文献 (11)
一、课程设计题目 差分编码器设计 要求：码发生器输出N=4的序列伪码，码元传输速率10KB 二、主要技术指标 1、码发生器输出n=4的序列伪码 2、码元传输速率为10KB 三、方案论证及选择 方案一 1基本原理： DQPSK（Differential QuadriPhase-Shift Keying，差分四相正交相移健控）是在QPSK（四相正交绝对调相）的基础上作的改进，它克服了QPSK信号载波的相位模糊问题，用相邻码元之间载波相位的相对变化来表示两位二进制数字信息。常用的DQPSK系统的方框图如图1所示，信息源来的信码先通过串/并变换电路分成两路并行二进制信号，再送入差分编码器实现两路二进制（即四进制）的差分编码。由于格雷码有其自身的优点，即判决接收到一个信号码元时，如发生错误，最容易判为它相邻的信号码元，即最多错一比特，所以送入QPSK四相绝对调制器要用格雷码。由于差分编码器是对自然二进制作差分编码，所以要在差分编码器和QPSK调制器之间做一个二－格变换电路，把双比特自然二进制码变换为双比特格雷码，再输入QPSK调制器。
全差分套筒式运算放大器设计 1、设计内容 本设计基于经典的全差分套筒式结构设计了一个高增益运算放大器，采用镜像电流源作为偏置。为了获得更大的输出摆幅及差模增益，电路采用了共模反馈及二级放大电路。 本设计所用到的器件均采用SMIC 0.18μm的工艺库。 2、设计要求及工艺参数 本设计要实现的各项指标和相关的工艺参数如表1和表2所示：
3、放大器设计 3.1 全差分套筒式放大器拓扑结构与实际电路 图1 全差分套筒式放大器拓扑结构 图2 最终电路图
3.2 设计过程 在图1中，Mb1和M9组成的恒流源为差放提供恒流源偏置，且M1，M2完全一样，即两管子所有参数均相同。Mb2、M7和M8构成了镜像电流源，M5、M6和M7、M8构成了共源共栅电流源，M1、M2、M3、M4构成了共源共栅结构，可以显著提高输出阻抗，提高放大倍数（把M3的输出阻抗提高至原来的（gm3 + gmb3）ro2倍。但同时降低了输出电压摆幅。为了提高摆幅，控制增益，在套筒式差分放大器输出端增加二级放大。 本设计中功率上限为10mW，可以给一级放大电路分配3mA的电流。设计要求摆幅为3V，所以图1中M1、M3、M5、M9的过驱动电压之和不大于1.8-3/2=0.3V。我们可以平均分配每个管子的过驱动电压。根据漏电计算流公式(1)（考虑沟道长度调制效应），可以计算出每个管子的宽长比。 I D=1 2μn C ox W L (V GS?V TH)2(1+λV DS)(1) 其中，C ox等于ε/t ox，μn和t ox可以从工艺库中查找。 4、仿真结果 经过调试优化之后的仿真结果如以下各图所示： 图3 增益及相位裕度 从图中可以看出，本设计的低频增益达到了74.25dB，达到了预期要求。3dB 带宽为35kHz左右，比较小，可见设计还有改进的余地。 当CL为2pF时，相位裕度： PM=180°+∠βH(ω)=180°?125.5°=54.5° 电源电压为1.8V时，输出摆幅如下图所示，达到了3V。
全差分运算放大器设计 岳生生（0126） 一、设计指标 以上华CMOS 工艺设计一个全差分运算放大器，设计指标如下： 直流增益：>80dB 单位增益带宽：>50MHz 负载电容：＝5pF 相位裕量：>60度 增益裕量：>12dB 差分压摆率：>200V/us 共模电压：(VDD=5V) 差分输入摆幅：>±4V 运放结构选择
运算放大器的结构重要有三种：（a ）简单两级运放，two-stage 。如图2所示；（b ）折叠共源共栅，folded-cascode 。如图3所示；（c ）共源共栅，telescopic 。如图1的前级所示。本次设计的运算放大器的设计指标要求差分输出幅度为±4V ，即输出端的所有NMOS 管的 ,DSAT N V 之和小于，输出端的所有PMOS 管的 ,DSAT P V 之和也必须小于。对于单 级的折叠共源共栅和直接共源共栅两种结构，都比较难达到该要求，因此我们采用两级运算放大器结构。另外，简单的两级运放的直流增益比较小，因此我们采用共源共栅的输入级结构。考虑到折叠共源共栅输入级结构的功耗比较大，故我们选择直接共源共栅的输入级，最后选择如图1所示的运放结构。两级运算放大器设计必须保证运放的稳定性，我们用Miller 补偿或Cascode 补偿技术来进行零极点补偿。 性能指标分析 差分直流增益 (Adm>80db) 该运算放大器存在两级：（1）、Cascode 级增大直流增益（M1-M8）;（2）、共源放大器（M9-M12） 第一级增益 1 3 5 1 1 1 3 5 7 1 1 3 5 1 3 5 7 5 3 ()m m m o o o o o m m m m o o o o m m g g g g g g G A R r r r r g g r r r r =-=-=- +P 第二级增益9 2 2 9 11 2 9 9 11 ()m o o o m m o o g g G A R r r g g =-=-=-+P 整个运算放大器的增益： 4 1 3 5 9 1 2 1 3 5 7 5 3 9 11 (80)10m m m m overall o o o o m m o o dB g g g g A A A g g g g r r r r == ≥++ 差分压摆率 （>200V/us ） 转换速率（slew rate ）是大信号输入时，电流输出的最大驱动能力。 定义转换速率SR ： 1）、输入级： max 1max |2| Cc out DS C C d SR dt I v I C C = = = 单位增益带宽1m u C g C ω= ，可以得到 1m C u g C ω =
差分放大器 [英]Differential amplifier 由两个参数特性相同的晶体管用直接耦合方式构成的放大器。若两个输入端上分别输入大小相同且相位相同的信号时，输出为零，从而克服零点漂移。适于作直流放大器。 差分放大器是一种将两个输入端电压的差以一固定增益放大的电子放大器，有时简称为“差放”。差分放大器通常被用作功率放大器（简称“功放”）和发射极耦合逻辑电路(ECL, Emitter Coupled Logic) 的输入级。 差分放大器是普通的单端输入放大器的一种推广，只要将差放的一个输入端接地，即可得到单端输入的放大器。 很多系统在差分放大器的一个输入端输入输入信号，另一个输入端输入反馈信号，从而实现负反馈。常用于电机或者伺服电机控制，以及信号放大。在离散电子学中，实现差分放大器的一个常用手段是差动放大，见于多数运算放大器集成电路中的差分电路。 下图为差分放大器电路图，未显示偏置等电路。 差分放大器是基本放大电路之一，由于它具有抑制零点漂移的优异性能，因此得到广泛的应用，并成为集成电路中重要的基本单元电路，常作为集成运算放大器的输入级。 差分放大器电路图，未显示偏置等电路。 典型的差分放大器电路如图1所示。即使在不对称的情况下，它也能较好地放大差模信号，而对共模信号的放大能力则很差，从而抑制了零点漂移。这一电路的特点，是在发射极串联了一个电阻Re。通常Re取值较大，由于分占了稳压电源较大的电压，使两管的静态工作点处于不合理的位置，因此引进辅助电源E E（一般取EE = －EC），以抵消Re上的直流压降，并为基极提供适当的偏置。 如图1所示，当输入差模信号时，T1管的ic1增加，T2管的ic2减小，增减的量相等，因此两管的电流通过Re的信号分量相等但方向相反，他们相互抵消，所以Re可视为短路，这时图1中的差分放大器就变成了没有Re的基本差分放大器电路，它对差模信号具有一定的放大能力。 对于共模信号，两管的共模电流在Re上的方向是相同的，在取值较大的Re上产生较大的反馈电压，深度的负反馈把放大倍数压得很低，因此抑制了零点漂移。 从上述可知，对差分放大器来说，其放大的信号分为两种：一种是差模信号，这是需要放大的有用的信号，这种信号在放大器的双端输入时呈现大小相等，极性相反的特性；另一种是共模信号，这是要尽量抑制其放大作用的信号。 差模电压放大倍数 UE = 对于差模信号，由于Uid1 = －Uid2，故射极电阻Re上的电流相互抵消，其压降保持不变，即0，可得到差模输入时的交流等效电路，如图2所示，由于电路对称，每个半边与单管共射极放大器完全一样。 双端输入——双端输出差分放大器的差模电压放大倍数为：
第4节 差分放大器设计 [学习要求] 掌握差分放大器的主要特性参数及其测试方法；学会设计具有恒流源的差分放大器及电路的调试技术。 [重点与难点] 重点：差分放大器的传输特性及差模特性。 难点：恒流源的镜像电流；输入输出信号的连接方式对性能的影响。 [理论内容] 一、具有恒流源的差分放大器 具有恒流源的差分放大器，应用十分广泛。特别是在模拟集成电路中，常作为输入级或中间放大级，电路如图1所示。其中，T 1、T 2称为差分对管，常采用双三极管如5G921或BG319等，它与电阻R Bl 、R B2、R Cl 、R C2及电位器RP 共同组成差分放大器的基本电路。T 3、T 4与电阻R E3、R E4、R 共同组成恒流源电路，为差分对管的射极提供恒定电流。均压电阻R 0I 1、R 2给差分放大器提供对称差模输入信号。晶体管T 1与T 2、T 3与T 4的特性应相同，电路参数应完全对称，改变RP 可调整电路的对称性。由于电路的这种对称性结构特点及恒流源的作用，无论是温度的变化，还是电源的波动(称之为共模信号)，对T 1、T 2两管的影响都是一样的。因此，差分放大器能有效地抑制零点漂移。 图1具有恒流源的差分放大器 1、输入输出信号的连接方式
如图1所示，差分放大器的输入信号与输出信号可以有4种不同的连接方 .id V . od V 式： ·双端输入—双端输出连接方式为①—A'—A ，②—B'—B ；③—C ，④—D 。 ·双端输入—单端输出连接方式为①—A'—A ，②—B'—B ；③、④分别接一电阻 RL 到地。 ·单端输入—双端输出连接方式为①—A ，②—B —地：③—C ，④—D 。 ·单端输入—单端输出连接方式为①—A ，②—B —地：③、④分别接一电阻R L 到地。 连接方式不同，电路的特性参数有所不同。 2、静态工作点的计算 静态时，差分放大器的输入端不加信号。对于恒流源电路的电流值 .id V 0 4444422I I I I I I I Q C Q C Q C Q C Q B R ≈≈+=+=β （1） 故称为0I R I 的镜像电流，其表达式为 407.0E EE R R R V V I I +??== （2） 上式表明，恒定电流主要由电源电压0I EE V ?及电阻R 、4E R 决定 对于差分对管T1、T2组成的对称电路，则有 2021I I I Q C Q C == （3） 21 01121C CC C Q C CC Q C Q C R I V R I V V V ?=?== （4） {}(){}mA I mV mA I mV r mA mA E be ?++?=?++?=226130026)1(3000ββ （5） 可见差分放大器的静态工作点，主要由恒流 源电流的大小决定 0I 二、主要特性参数及其测试方法 1、传输特性 传输特性是指差分放大器在差模信号输
设计课题 设计一个具有恒流偏置的单端输入-单端输出差分放大器。 学校：延安大学
一： 已知条件 正负电源电压V V V V EE cc 12,12-=-+=+；负载Ω=k R L 20； 输入差模信号mV V id 20=。 二：性能指标要求 差模输入电阻Ω>k R id 10；差模电压增益15≥vd A ；共模抑制 比dB K CMR 50>。 三：方案设计及论证 方案一：
方案二
方案论证： 在放大电路中，任何元件参数的变化，都将产生输出电压的漂移，由温度变化所引起的半导体参数的变化是产生零点漂移的主要原因。采用特性相同的管子使它们产生的温漂相互抵消，故构成差分放大电路。差分放大电路的基本性能是放大差模信号，抑制共模信号好，采用恒流源代替稳流电阻，从而尽可能的提高共模抑制比。 论证方案一：用电阻R6来抑制温漂 ?优点：R6 越大抑制温漂的能力越强； ?缺点：<1>在集成电路中难以制作大电阻； <2> R6的增大也会导致Vee的增大（实际中Vee不
可能随意变化） 论证方案二 优点：（1）引入恒流源来代替R6,理想的恒流源内阻趋于无穷，直流压降不会太高，符合实际情况； （2）电路中恒流源部分增加了两个电位器，其中47R的用来调整电路对称性，10K的用来控制Ic的大小，从而调节静态工作点。 通过分析最终选择方案二。 四：实验工作原理及元器件参数确定 ?静态分析：当输入信号为0时， ?I EQ≈(Vee-U BEQ)/2Re ?I BQ= I EQ /(1+β) ?U CEQ=U CQ-U EQ≈Vcc-I CQ Rc+U BEQ 动态分析 ?已知：R1=R4,R2=R3
全差分运算放大器设计 岳生生（6） 一、设计指标 以上华0.6um CMOS 工艺设计一个全差分运算放大器，设计指标如下： ?直流增益：>80dB ?单位增益带宽：>50MHz ?负载电容：＝5pF ?相位裕量：>60度 ?增益裕量：>12dB ?差分压摆率：>200V/us ?共模电压：2.5V (VDD=5V) ?差分输入摆幅：>±4V 二、运放结构选择
运算放大器的结构重要有三种：（a ）简单两级运放，two-stage 。如图2所示；（b ）折叠共源共栅，folded-cascode 。如图3所示；（c ）共源共栅，telescopic 。如图1的前级所示。本次设计的运算放大器的设计指标要求差分输出幅度为±4V ，即输出端的所有NMOS 管的,DSAT N V 之和小于0.5V ，输出端的所有PMOS 管的 ,DSAT P V 之和也必须小于0.5V 。对于单级的折叠共源共栅和直接共源共栅两种结构，都比较难达到该 要求，因此我们采用两级运算放大器结构。另外，简单的两级运放的直流增益比较小，因此我们采用共源共栅的输入级结构。考虑到折叠共源共栅输入级结构的功耗比较大，故我们选择直接共源共栅的输入级，最后选择如图1所示的运放结构。两级运算放大器设计必须保证运放的稳定性，我们用Miller 补偿或Cascode 补偿技术来进行零极点补偿。 三、性能指标分析 1、 差分直流增益 (Adm>80db) 该运算放大器存在两级：（1）、Cascode 级增大直流增益（M1-M8）;（2）、共源放大器（M9-M12） 第一级增益 1 3 5 11135711 3 5 1 3 5 7 5 3 ()m m m o o o o o m m m m o o o o m m g g g g g g G A R r r r r g g r r r r =-=-=- +P 第二级增益 9 2 291129 9 11 ()m o o o m m o o g g G A R r r g g =-=-=- +P 整个运算放大器的增益： 4 1 3 5 9 1 2 1 3 5 7 5 3 9 11 (80)10m m m m overall o o o o m m o o dB g g g g A A A g g g g r r r r == ≥++ 2、 差分压摆率 （>200V/us ） 转换速率（slew rate ）是大信号输入时，电流输出的最大驱动能力。 定义转换速率SR ：
对于全差分放大器，一般可以得到更大的swing (由于差分信号)，同时可以实现对共模干扰、噪声以及偶数阶的非线性的抑制；但其需要有两个匹配的反馈网络，以及共模反馈电路 顺便提一下，对于全差分的折叠共源共栅（folded cascode）放大器，需要注意 转换速率（正向与负向）对输入对差分对的尾电流源和cascode电流源的考虑 非主极点的位置–输入对管的drain节点（注意全差分没有镜像极点的问题..），如果考虑PMOS输入的结构，将会折叠到n管的cascode，从而减小此节点阻抗，提高此非主极点的频率；但是P输入结构亦有其问题，如直流增益和cmfb电路的速度（考虑cmfb控制的为cascode的pmos电流源） 关于共模反馈CMFB 从反馈环路来看，共模的稳定问题来源于闭环的共模增益：由于输入差分对的尾电流源的local-feedback，通常共模增益较小，导致运放无法控制其输出共模点；通过CMFB共模反馈电路，可以提高共模反馈环路的增益，以稳定共模信号。 设计CMFB需考虑补偿以减小环路的稳定时间（settling time）和提高稳定性。 从性能上，我们希望共模反馈的单位增益带宽足够大，但由于cmfb的环路相较于差模通路可能有更多高频极点，故此在一定的功耗要求下其UGB一般比较难做的高，有书中提到可以将其设计为差模UGB 的1/3 一般共模反馈的方法是控制放大器的电流源，这里如果是folded-cascode的结构，可以考虑用cmfb控制cascode的电流源而不是输入差分对的电流源—-因其在共模环路中有较少的节点–>更容易补偿等..（另一种考虑是控制尾电流源可能导致共模增益的问题) 另外，对于cmfb控制的尾电流源，常见将尾电流源分为两半，其中之一由cmfb控制，另一半接恒定偏置电流；这种结构的具体分析可见Gray书12.4.2节的内容，简单来说，single-stage的opamp中控制尾电流源的cmfb结构，其UGB主要为gmt/CL, 其中gmt为尾电流源的跨导，这里拆分尾电流源来减半cmc共模控制的部分，这样UGB减小，即缩减带宽来提升共模反馈环路的相位裕度，当然cmfb的增益相应也减小了；另外恒定偏置部分也可帮助共模电压的初始建立，减小cmfb大的扰动。 具体的，共模反馈可以分为连续时间和开关电容两类 连续时间的共模反馈 一般的问题是信号幅度的限制和共模信号干扰，具体的共模反馈的方法： 1.电阻分压resistive-divider （如下左图） 电阻和cm-sense amplifier的输入电容会引入一个极点，可以通过在电阻上并联电容的方法，引入一个左半平面零点，来减小高频极点的影响
《IC课程设计》报告——模拟部分电流镜负载的差分放大器设计
摘要 在对单极放大器与差动放大器的电路中，电流源起一个大电阻的作用，但不消耗过多的电压余度。而且，工作在包河区的MOS器件可以当作一个电流源。 在模拟电路中，电流源的设计是基于对基准电流的“复制”，前提是已经存在一个精确的电流源可以利用。但是，这一方法可能引起一个无休止的循环。一个相对比较复杂的电路被用来产生一个稳定的基准电流，这个基准电流再被复制，从而得到系统中很多电流源。而电流镜的作用就是精确地复制电流而不收工艺和温度的影响。在典型的电流镜中差动对的尾电流源通过一个NMOS镜像来偏置，负载电流源通过一个PMOS镜像来偏置。电流镜中的所有晶体管通常都采用相同的栅长，以减小由于边缘扩散所产生的误差。而且，短沟器件的阈值电压对沟道长度有一定的依赖性。因此，电流值之比只能通过调节晶体管的宽度来实现。而本题就是利用这一原理来实现的。 目录 1设计目标 (1) 2相关背景知识 (2) 3设计过程 (6) 3.1 电路结构设计 (6) 3.2 主要电路参数的手工推导 (6) 3.3 参数验证（手工推导） (7) 4 电路仿真 (9) 4.1 用于仿真的电路图 (9) NMOS： (9) PMOS (9) 整体电路图 (10) 4.2 仿真网表（注意加上注释） (10) 4.3 仿真波形 (13) 5 讨论 (17) 6 收获和建议 (17) 参考文献 (19)
1设计目标 设计一个电流镜负载的差分放大器，参考电路图如下：
2相关背景知识 据题目所述，电流镜负载的差分放大器的制作为0.35um CMOS 工艺，要求在5v 的电源电压下，负载电容为2pF 时，增益带宽积大于25MHz ，低频开环增益大于100，同时功耗和面积越小表示性能越优。 我们首先根据0.35um CMOS 工艺大致确定单个CMOS 的性能，即在一定值的W/L 下确定MOS 管在小信号模型中的等效输出电阻和栅跨导，然后记下得到的参数并将其带入到整体电路中计算，推导电流镜负载的差分放大器电路中的器件参数，例如，小信号模型的增益、带宽、功耗等，再分析是否满足题目中的各项指标的要求。若不满足，则依据摘要理所说的，调节晶体管的宽度，然后用调整后的参数进行仿真、验证，直到符合要求为止。 相关背景知识： 1. 差分式放大器 差分式放大器是由两个各项参数都相同的三端器件（包括BJT 、FET ）所组成的差分式放大电路，并在两器件下端公共接点处连接一电流源。差分式又分为差模和共模信号：输入电压Vid 为Vi1和Vi2的差成为共模电压；另外，若输入电压Vic 为VI1和Vi2的算术平方根，则称为共模电压。当输入电压是共模形式时，，即在两个输入端各加入相同的信号电压，在差分放大电路中，无论是温度变化，还是电源波动引起的变化，其效果相当于在两个输入端加入了共模信号，两输出端输出的共模电压相同，故双端输出时输出电压为零；当输入电压是差模形式时，即在电路的两个输入端各加一个大小相等、极性相反的信号电压，一管电流将增加，另一管电流则减小，所以在两输出端间有信号电压输出。而差分放大器正是利用共模输入的特点来克服噪声信号和零点漂移的。此题要求用双端差模信号输入，单端输出，相应的计算公式如下： 1. 差模输入电压：12 id i i v v v =- 2. 共模输入电压：() 122 i i ic v v v += 3. 差模输出电压： 12 od o o v v v =- 4. 共模输出电压：12 2 o o oc v v v += 5. 双端输入——单端输出的差模电压增益： 2(2|| v d m d s d s A g r r = 6. 双端输入——单端输出的等效栅跨导：
差分放大器
单端与差动的工作方式 共模电平 单端信号的参考电位为某一固定电位(通常为地电位), 差动信号定义为两个结点电位之差, 且这两个结点的电位相对于某一固定电位大小相等,极性相反。在差动信号中, 中心电位称为“共模”(CM)电平。 差动工作比单端工作有什么优点 # 2 ?
用差分放大器消除时钟噪声 差动工作与单端工作相比, 一个重要优势在于它对环境噪声具有更强的抗干扰能力!! 对称差动时钟大信号通过寄单端工作时时钟大信号通过生电容耦合到小信号的噪声因极性相反而相互抵消 寄生电容干扰放大的小信号 V 01 V V 01-V 02 02 ,# 3 极性相反的两路受干扰小信号, 差动输出时干扰消除了! 差动工作还有什么优点?
差分放大器的优点 V X -V Y 差动输出时电 电源噪声对单端电路产生的干扰源噪声产生的干扰消除了 差动信号的优点： 1能有效抑制共模噪声 1. 能有效抑制共模噪声。 2. 增大了输出电压摆幅(是单端输出的两倍)。 3. 偏置电路更简单(差分对可以直接耦和)、输出线性度更高。 4.,# 4 4. 缺点是芯片面积和功耗略有增加, 但绝对物有所值! 如何放大一个差分信号？
简单差动电路 将两条相同的单端信号路径结合起简 来,分别处理两个差动相位信号V in1和V in2, 但当V in1和V in2存在很大的共 单 差 动模干扰或各自的直流电平设置的不好时, 随着共模电平V inCM 的变化, M 1和M 2的偏置电流会变化, 从而导对 V in1和V in2是差动相位信号致跨导和输出共模电平变化, 跨导的变化会改变小信号增益, 输出共模电平相对于理想值的偏离会降低最大允许输出摆幅, 严重时会导致, , 输入共模电平对输出的影响 输出端出现严重失真,因此,重要的是应使M 1和M 2的偏置电流受输入共模电平的影响尽可能小。# 5 如何减小输入共模电平变化的影响呢?
CMOS运算放大器的设计
毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重承诺：所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。 作者签名：日期： 指导教师签名：日期： 使用授权说明 本人完全了解大学关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。 作者签名：日期：
学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名：日期：年月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 涉密论文按学校规定处理。 作者签名：日期：年月日 导师签名：日期：年月日
全差分放大器的概念及其优势 目前，世界上大多数的高速模数转换器(ADC)都具有差分输入。这些ADC被广泛的运用于多种终端的应用当中，但不仅仅局限于通信无线基础设施和回传，以及测试与测量示波器和频谱分析仪。为了支持这一输入架构，工程师必须设计与ADC 进行差分对接的信号链。 为了获得最佳性能，用户必须在信号链上选择一个balun(平衡不平衡变换器)，虽然这可能会导致某些应用中的耦合问题。然而，耦合问题并不是总是发生，特别是在某些需要DC分量的测试和测量应用中更是如此。全差分放大器(FDA)是一种多用途的工具，它可以替代balun(或与它一同使用)的同时，并且提供多种优点。与传统的使用单端输出的放大器相比，电路设计人员在使用由FDA实现的全差分信号处理频谱分析仪时，能够增加电路对外部噪声的抗扰度，从而将动态范围加倍，并且减少偶次谐波。 在这篇文章中，我们会回顾一下全差分放大器(FDA)的基本知识，FDA的重要技术规格，以及这些技术规格的含义，并且谈一谈如何使用一个balun类型的FDA，从而实现信号链与额外性能的对接。 FDA是什么? 想象一下，如果你不使用高级器件——FDA集成电路来驱动差分ADC。除了balun，一个解决方案就需要通过两个运算放大器来提供差分信号，其中一个运算放大器提供正(VIN+)输入信号，另外一个提供负(VIN-)输入信号。如果想要在运算放大器(op amp)外部建立适当增益，你将总共需要使用8个电阻器，这设计起来将会十分复杂。现在，工程师只需要一半数量的电阻器和一个IC，就可以使用一个FDA来提供ADC的单端至差分接口和一个差分至差分接口。同时，这个IC无需balun 便可以使得DC分量导通，这一点不同于提供DC隔离的balun。这个的关键点是在许多应用中需DC和低频的出色的频率响应。 那么，FDA到底是什么呢?基本上来说，FDA是具有两个放大器的器件。主差分放大器(从VIN至VOUT)由多个反馈路径和Vocm误差放大器组成，而Vocm误差放大器更多情况下被称为共模输出放大器。 我们先来讨论一下Vocm误差放大器。Vocm放大器在内部采样差分电压(VOUT+和VOUT–)，并且将这个电压与施加到VOCM引脚上的电压相比较。通过一个内部反馈环路，Vocm放大器将Vocm误差放大器的“误差”电压(输入引脚间的电压)驱动为0，这样的话，VOUT_cm(图1)=Vocm。如果VOCM引脚保持在悬空的状态时，通常由一个内部分压器将偏置点的缺省值设定为VCC/2(电源间的中间位置)。(VOCM)引脚上的Vocm设置会影响到总体输出摆幅(稍后讨论)。这些特性不同于具有单端
模拟集成电路课程设计报告电流镜负载的差分放大器
摘要: 差分放大器是最重要的电路发明之一，它可以追溯到真空管时代。有于差动放大具有很多有用的特性，像对差模输入信号的放大作用和对共模输入信号的抑制作用，所以它已经成为当代高性能模拟电路和混合信号电路的主要选择。电流源在差分放大器中广泛应用，电流源起一个大电阻的作用，但不消耗过多的电压余度。在模拟电路中，电流源的设计是基于对基准电流的“复制”，稳定的基准电流则由一个相对复杂的电路来产生。在电流镜中，只需调整MOS管的W/L就能获得不同的、精确的复制电流。在本课程设计中，将根据典型电流镜负载差动对中，增益、带宽与MOS管W/L之间的关系，获得满足要求的放大器。
一.设计目标 ................................................................................................................................ - 1 - 二．单个MOS管的的特性 ...................................................................................................... - 2 - 2.1 、NMOS特性仿真...................................................................................................... - 2 - 2.2 、PMOS特性仿真 ...................................................................................................... - 4 - 三．电路设计与参数推导.......................................................................................................... - 6 - 3.1电路设计：.................................................................................................................... - 6 - 3.2手工推导参数................................................................................................................ - 7 - 四．差分放大器仿真 ................................................................................................................. - 9 - 4.1、HSPICE仿真：......................................................................................................... - 9 - 4.2、器件参数修改........................................................................................................... - 10 - 4.3 仿真波形..................................................................................................................... - 12 - 4.2、共模电平的范围：................................................................................................... - 13 - 4.3 数据对比..................................................................................................................... - 16 - 五.总结 ...................................................................................................................................... - 17 -