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差动放大级:只放大差,丢弃共模
运放之口只挑两输入之差放大、把共模压下。亲手拉开两输入之差,看共享的尾电流偏向一侧、产生差动输出。
拉开输入之差,让电流偏移
下面这一对共享一个尾电流。拉开输入之差 vdiff = v+ − v−。差为零时电流左右均分,但一侧输入升高,电流便偏向那条支路、产生差动输出。
差动输入 vdiffvdiff = 0 mV
电流偏移与差动输出
I1 : I2 = 50 : 50
vod = Ad vdiff (Ad = gm Rd)
两输入相等。尾电流左右均分,两支路电流相同。输出之差为零。
平衡 · 差动输出为0
共享尾电流的一对
差动放大级把两只完全相同的晶体管的源(或发射极)并到一起,下面挂一个恒定的尾电流源。两支路可用电流之和始终固定为这个尾电流。所以一支取得多,另一支就取得少。两输入只决定如何把这固定之和左右分配。
放大差:电流偏移
一侧输入 v+ 高于另一侧 v−,那只晶体管导通更强、引走更多尾电流。对侧支路便相应减少。两支路接相同负载电阻,电流多的一侧电压降得多、另一侧降得少,于是两输出之差正比于输入之差而拉开。这个差动增益是 Ad = gm Rd,与共源放大器同形。
抑制共模:CMRR
这次设两输入一起上升同样的量。二者之差仍为零,没有理由让电流偏向任何一侧。加之下方尾电流源把和保持恒定,两支路电流仍各为一半。所以差动输出纹丝不动。像噪声、温漂、电源抖动这样等量加在两输入上的共模信号,便如此被抑制。差动增益与共模增益之比就是共模抑制比 CMRR,越大越好。只干净放大差的这一性质,正是差动对成为一切运放输入级的原因。
观察I1 + I2 = Itail
两支路电流之和始终固定为尾电流。
选择vod = Ad ?
差动输出放大两输入之差。
填空Ad = gm ?
差动增益是跨导乘负载电阻。
自己来CMRR = Ad / ?
CMRR 是差动增益除以共模增益。
回到第一屏
两输入相等时尾电流左右均分、差动输出为零。升高一侧输入,电流偏向那条支路、输出正比于差而拉开。秘密是下方并起的一个尾电流。和始终恒定,一方取走多少另一方就让出多少,那倾斜便是差动输出。而两输入一起上升时无差可偏、和又固定,输出岿然不动。只放大差、丢弃共模的这一对,正是下面将遇见的运放巨大增益所始的输入级。
差动放大级是共享尾电流的成对两只晶体管。两输入之差 vdiff = v+ − v− 把尾电流偏向一侧,产生差动输出 vod = Ad·vdiff(Ad = gm Rd)。反之,两输入一起移动的共模信号被抑制,因尾电流源把和保持恒定、输出不变。差动增益与共模增益之比是 CMRR,这“只放大差”就是一切运放的输入级。
接下来的脉络
把差动级造出的大差动增益叠多级,就得到运放近乎无穷的开环增益。但增益不是免费的。下一单元看运放增益随频率升高而下降的现实,以及增益与带宽之积保持恒定的增益带宽积(GBW)。