差分放大器cmos.docx

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差分放大器cmos

学院

模拟集成电路分析与设计

题　　目：

　差分放大器　

院　　系：

专业年级：

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　　学号：

2012年　12　月　8日

差分放大器

一，差分放大器的概况

能把两个输入电压的差值加以放大的电路，也称差动放大器。

这是一种零点漂移很小的直接耦合放大器，常用于直流放大。

它可以是平衡（术语“平衡”意味着差分）输入和输出，也可以是单端（非平衡）输入和输出，常用来实现平衡与不平衡电路的相互转换，是各种集成电路的一种基本单元。

　　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。

差分放大器电路图，未显示偏置等电路

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,EmitterCoupledLogic）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。

二，差分放大器举例

差分放大器可以用晶体三极管（晶体管）或电子管作为它的有源器件。

输出电压u0=u01-u02,是晶体管T1和T2集电极输出电压u01和u02之差。

当T1和T2的输入电压幅度相等但极性相反,即us1=-us2时，差分放大器的增益Kd（称差模增益）和单管放大器的增益相等,即Kd≈Rc/re,式中Rc=Rc1=Rc2,re是晶体管的射极电阻。

通常re很小,因而Kd较大。

当us1=us2,即两输入电压的幅度与极性均相等时，放大器的输出u0应等于零,增益也等于零。

实际放大电路不可能完全对称，因而这时还有一定的增

差分放大器基本电路

益。

这种增益称为共模增益，记为Kc。

在实际应用中,温度变化和电源电压不稳等因素对放大作用的影响，等效于每个晶体管的输入端产生了一个漂移电压。

利用电路的对称性可以使之互相抵消或予以削弱，使输出端的漂移电压大大减小。

显然，共模增益越小，即电路对称性越好时，这种漂移电压也越小。

　　通常用差模增益Kd和共模增益Kc的比值Kd/Kc来表示差分放大器的性能。

这个比值称为共模抑制比（CMRR）。

一般差分放大器的共模抑制比约为几十分贝，性能较高的可达百分贝以上。

分析表明,共模抑制比CMRR≈βRe/hie,式中hie表示晶体管的输入电阻。

因此采用电流放大系数β大的晶体管或复合管，或者采用恒流源电路代替发射极公共电阻Re都可以提高差分放大器的共模抑制比。

图2是用恒流源代替Re的差分放大器。

这种电路已广泛用于各种集成电路。

晶体三极管电子管

三，三极晶体管介绍

（1）简介

半导体三极管又称“晶体三极管”或“晶体管”。

在半导体锗或硅的单晶上制备两个能相互影响的PN结，组成一个PNP（或NPN）结构。

中间的N区（或P区）叫基区，两边的区域叫发射区和集电区，这三部分各有一条电极引线，分别叫基极B、发射极E和集电极C，是能起放大、振荡或开关等作用的半导体电子器件。

（2）晶体三极管的工作原理

晶体三极管（以下简称三极管）按材料分有两种：

锗管和硅管。

而每一种又有NPN和PNP两种结构形式，但使用最多的是硅NPN和锗PNP两种三极管，（其中，N表示在高纯度硅中加入磷，是指取代一些硅原子，在电压刺激下产生自由电子导电，而p是加入硼取代硅，产生大量空穴利于导电）。

两者除了电源极性不同外，其工作原理都是相同的，下面仅介绍NPN硅管的电流放大原理。

　对于NPN管，它是由2块N型半导体中间夹着一块P型半导体所组成，发射区与基区之间形成的PN结称为发射结，而集电区与基区形成的PN结称为集电结，三条引线分别称为发射极e、基极b和集电极c。

当b点电位高于e点电位零点几伏时，发射结处于正偏状态，而C点电位高于b点电位几伏时，集电结处于反偏状态，集电极电源Ec要高于基极电源Ebo。

在制造三极管时，有意识地使发射区的多数载流子浓度大于基区的，同时基区做得很薄，而且，要严格控制杂质含量，这样，一旦接通电源后，由于发射结正偏，发射区的多数载流子（电子）及基区的多数载流子（空穴）很容易地越过发射结互相向对方扩散，但因前者的浓度基大于后者，所以通过发射结的电流基本上是电子流，这股电子流称为发射极电流了。

由于基区很薄，加上集电结的反偏，注入基区的电子大部分越过集电结进入集电区而形成集电极电流Ic，只剩下很少（1-10%）的电子在基区的空穴进行复合，被复合掉的基区空穴由基极电源Eb重新补给，从而形成了基极电流Ibo.根据电流连续性原理得：

Ie=Ib+Ic，这就是说，在基极补充一个很小的Ib，就可以在集电极上得到一个较大的Ic，这就是所谓电流放大作用，Ic与Ib是维持一定的比例关系，即：

β1=Ic/Ib式中：

β1--称为直流放大倍数，集电极电流的变化量△Ic与基极电流的变化量△Ib之比为：

β=△Ic/△Ib。

式中β--称为交流电流放大倍数，由于低频时β1和β的数值相差不大，所以有时为了方便起见，对两者不作严格区分，β值约为几十至一百多。

三极管是一种电流放大器件，但在实际使用中常常利用三极管的电流放大作用，通过电阻转变为电压放大作用。

（3）三极晶体管的分类

晶体三极管的种类很多，分类方法也有多种。

下面按用途、频率、功率、材料等进行分类。

　　1）按材料和极性分有硅材料的NPN与PNP三极管，锗材料的NPN与PNP三极管。

　　2）按用途分有高、中频放大管、低频放大管、低噪声放大管、光电管、开关管、高反压管、达林顿管、带阻尼的三极管等。

　　3）按功率分有小功率三极管、中功率三极管、大功率三极管。

　　4）按工作频率分有低频三极管、高频三极管和超高频三极管。

　　5）按制作工艺分有平面型三极管、合金型三极管、扩散型三极管。

　　6）按外形封装的不同可分为金属封装三极管、玻璃封装三极管、陶瓷封装三极管、塑料封装三极管等。

四，电子管介绍

（1）简介

电子管，是一种最早期的电信号放大器件。

被封闭在玻璃容器（一般为玻璃管）中的阴极电子发射部分、控制栅极、加速栅极、阳极（屏极）引线被焊在管坐上。

利用电场对真空中的控制栅极注入电子调制信号，并在阳极获得对信号放大或反馈振荡后的不同参数信号数据。

早期应用于电视机、收音机扩音机等电子产品中，近年来逐渐被半导体材料制作的放大器和集成电路取代，但目前在一些高保真的音响器材中，仍然使用低噪声、稳定系数高的电子管作为音频功率放大器件（香港人称使用电子管功率放大器为“煲胆”）。

（2）电子管的构造和原理

考虑一块被加热的金属板，当它的温度达到摄氏800度以上时，会形成电子的加速运动，以至能够摆脱金属板本身对它们的吸引而逃逸到金属表面以外的空间。

若在这一空间加上一个十几至几万伏的正向电压（在上面说到的显像管，阳极上就加有7000--27000伏的高压），这些电子就会被吸引飞向正向电压极，流经电源而形成回路电流。

二极管

　　把金属板（阴极），加热源（灯丝），正向电压极板（阳极）封装在一个适当的壳里，即上面说的玻璃（或金属，陶瓷）封装壳，再抽成几近真空，就是电子二极管。

　　需要说明的是由于制造工艺，杂质附着以及材料本身等原因，管内会残留微量余气，成品管都在管内涂敷了一层吸气剂。

吸气剂一般使用掺氮的蒸散型锆铝或锆钒材料。

目前除特殊用途外（如超高频和高压整流等），为便于使用和增加一至性，均为两只二极管，或二极三极，或三极三极以及二极五极等合装在一个管壳内，这就是复合管。

三极管

　　二极管的结构决定了它的单向导电的性质，当在阴极与阳极之间再加上一个带适当电压的极点，这个电压就会改变阴极的表面电位，从而影响了阴极热电子飞向阳极的数量，这就是调制极，一般是用金属丝做成螺旋状的栅网，所以又把它称为栅极。

这就是阀门功能了。

由此可以知道，当作为被放大的信号电压加在栅极----阴极之间时，由于它的变化必然会使阳极电流发生相应的变化，又由于阳极电压远高于阴极，因此栅阴极间微小的电压变化同样能使阳极产生相应的几十至上百倍的电压变化，这就是三极管放大电压

四极管

　　纯粹意义的四极管只是在电子管的发展史上作为验证管出现过而没有进入实用，在商品功放里超过半数以上的机种用的是束射四极管。

束射四极管全部是功率管，对功率管的要求是产生尽可能大的阳极电流。

束射四极管在电极的结构上做了一些特殊的安排，使其在保持和其它功率管体积差别不大的前提下，能够形成比其它功率管更大的阳极电流。

　　束射四极管的几个结构特点：

　　1.阴极为椭圆型，这就增加了阴极的有效发射面积，从而增加了热电子的发射量。

　　2.和三极管一样，在抑制栅极和阳极之间加有帘栅极，作用前面说过了。

　　3.在帘栅极和和阳极之间加了一对弓型金属板（说到重点了，注意下面的表述），这就是集束屏。

集束屏在管内和阴极相连即与阴极等电位，它迫使已经越过帘栅极的电子流只能沿弓型金属板的开口方向成束状射向阳极

四，差分放大器的噪声分析

（1）噪声

噪声是一个随机信号.对于电子系统的噪声,既不能精确地预见,也不能完全消除,但是可以采用适当的方式进行控制。

要控制噪声,首先要了解噪声的分布和分析噪声产生的原因,要分析、判断所遇到的噪声是干扰引起的,还是基本噪声引起的.对于外部源干扰引起的噪声,可以采取电磁屏蔽等措施予以消除或减弱;对于基本噪声,则必须分析系统的基本噪声机制,针对系统本身的噪声源采取相应的措施进行控制.

噪声机制主要有3种:

热噪声、低频噪声和散弹噪声.其中最常见的是热噪声.热噪声是导体中的电荷载流子的随机热激振动引起的.任何一个测量系统,其分辨力的最终限制将是热噪声.即使放大器能够做得完全没有噪声,信号源的内阻仍将贡献噪声.热噪声电压Et的均方值可写为:

E2t=4kTRΔf.式中,k为波尔兹曼常数,T代表导体的绝对温度,Δf代表测量系统的噪声带宽.低频噪声（1/f噪声）的一个主要特性就是它的谱密度随频率降低而无限增大.菲耶尔和温斯顿曾对1/f噪声进行过测量,低达6×10-5Hz.半导体器件中1/f噪声的主要根源归根结底是材料的表面特性.在被考虑的频宽范围内,相应的噪声电压的均方值是E2f≈KΔf/f.在电子管和晶体管中,存在着散弹噪声的噪声电流机构.这些器件中流动的电流不是平滑和连续的,而是各个携带着一个电子电荷的载流子的流动产生的电流脉冲之和.

（2）放大噪声模型

任何二端网络都有通用的噪声模型.把网络看成是无噪声的方框,其内噪声源用两个位于一端而且通常是在输入端的噪声发生器来表示.

放大器的噪声可以用与输入端串联的阻抗为零的电压发生器En和与输入端并联的阻抗无穷大的电流发生器In及一个复杂的相关系数C完全表示.信号源的热噪声用噪声发生器Et表示.这样,把全部噪声都看成是输入端的,认为放

大器与噪声无关,就便于讨论系统的信号和噪声.

五，差分放大器的噪声运用

差分放大器具有放大差模信号、抑制共模干扰信号和零点漂移的功能,在信号检测、自动控制电路中应用广泛.在实际应用中,差分放大通常处在系统的输入级因此尤其要注意差分放大电路本身的噪声,否则将直接影响整个系统的信噪比及其他相关技术指标.由前面对差分放大器的噪声分析,可以采取以下措施,尽可能减小差分放大器的噪声.

（1）保证两个通道参数的对称性.由前述对差分放大器的噪声源讨论可以看出,两个通道参数的对称性是至关重要的.在挑选元件时,要认真考虑,尽可能保证两个通道参数的对称性.元件的对称性比较容易保证,用数字万用表测试电阻的实际阻值,在系列标称值电阻中挑选、配对时,阻值差异控制在≤1%以内,即可满足一般电路的使用要求.差分对管配对时,可用晶体管特性图示仪测试差分对管的输出特性（双簇显示）和输入特性,挑选两个特性都比较一致的管子（β值相差≤1%）,即可获得满意的对称性.

（2）减小电阻的噪声贡献.电阻产生的热噪声是一个重要的噪声源.因此,差分放大器的所有电阻都采用低噪声电阻,调零电位器也应采用线绕多圈电位器,以减小电阻的噪声贡献.另外,在恒流管偏置电阻上并联一只1μF的电容,也能明显降低偏置电阻的噪声贡献.

（3）采用浮地输入方式,降低等效输入噪声.由前述对差分放大器的等效输入噪声的讨论看出,采用浮地源接法时,噪声电流比信号源一端接地的噪声电流小.实际应用中可采用不平衡—平衡转换电路构成浮地接法,或者采用两级差分,第一级单入双出,第二级双入.浮地输入时,共模抑制比提高了很多.

六，差分放大器的应用及发展趋势

要用于通信设备、视频系统以及测试与测量仪表等产品;低电压/低功耗运放主要面向手机、PDA等以电池供电的便携式电子产品;高精度运放主要针对测试测量仪表、汽车电子以及工业控制系统等。

通用运算放大器应用最广,几乎任何需要添加简单信号增益或信号调理功能的电子系统都可采用通用运放。

信息家电、手机、PDA、网络等新兴应用的兴起,为运算放大器提供了活跃的舞台,同时也对其提出新的技术要求。

近年来消费电子、通讯、网络等应用领域的发展对运放产品也提出新的技术要求，更低功耗、更小封装以及良好的匹配性能都变得十分重要。

为此，设计人员在设计方法上加创新，制造工艺与封装技术的进步也为提升运放性能提供了一定的保证。

在多方因素推动下，下一代运算放大器正朝着速度更快、集成度更高、价格更低的方向发展。

几乎现阶段每个完整的电子产品中都离不开放大器,而放大器性能的提高对电子产品的功能起着重要的决定作用。

说不清是放大器的发展决定了电子产品的发展进程还是电子产品的发展需求推动了放大器的发展空间,从电子产品的发展需求和放大器的发展趋势分析中我们或许可以寻找到答案。

从市场需求的角度看，全球对放大器的需求都保持强势增长。

中国市场也不例外，尤其在消费和通讯领域。

凌特公司信号调理产品线总经理ErikSoule表示，“通讯和网络基础设备市场已经开始复苏，未来几年这类设备在中国会有很大增长。

而这些应用都需要高速ADC驱动器，以及低噪声、低输入偏压运放等产品。

”

（1）通讯和视频应用使高速运放成为焦点

高速运放泛指频宽高于50MHz的运放，而现在为了与信号链后端组件（例如高速ADC或处理器）的需求相匹配，运放的频宽记录已突破GHz。

这主要源于后端组件的效能近年来显著提升，因而位居信号链前端的运放为了与后端组件相匹配，以避免拖累信号链的整体效能表现，于是开始向高速化发展，未来高速运放可能跃升为主流运放产品。

（2）便携式应用催生低电压/低功耗运算放大器

随着手机、PMP等依赖电池供电的便携式产品出现，强调低功耗、低电压的运放应运而生。

一般定义下的低电压运放，指工作电压低于2.5伏特，而所谓的低功耗运放，通常指供电电流低于1mA。

这类运放大多用在音频系统或是电压比较电路、滤波器等不需要太高频宽的应用。

此外，在测试、测量和医疗系统，工程师也希望在低功耗水平下获得改进的性能（例如，更高的带宽、更快的转换率和更低的失真度），所以在这些领域低功耗运放也有创新机会。

（3）精密运算放大器

精密放大器最初设计用于测试和测量设备,随着汽车和生产线上的性能监视子系统的需要,具有低输入偏移电压和偏移电流以及低温度系数和噪声特征的精密放大器开始用于传感器监视。

汽车OEM对性价比的要求甚于对使用的精度放大器的要求。

这意味着芯片制造商不得不寻找出路,以使用仅仅±5V或者甚至±3V达到它们使用±15V才能得到的精度。

这促进了许多架构和微调技术方面的创新,在一定程度上,也促进了裸片上为了处理滤波或者校准、自动置零和数字微调的有关附加电路的集成。

CMOS工艺线宽的不断缩小让芯片上可以增加额外电源。

CT、MRI（核磁共振）和超声波机等医疗系统中的通道计数急剧增加让放大器必须跟上ADC的发展。

就工艺而言,0.25μm芯片规格似乎是最佳点。

　　高精度运放一般指失调电压低于1mv的运放。

与低电压/低功耗运放不同,这类产品由于对信号精准度的要求极高,如果将这类运放整合到后端芯片中形成SoC,其他电路的噪声将严重干扰此类运放的正常运作,因此就现阶段的技术来看,这类运放将是最不容易被整合的组件。

高精度运放可用于工业自动化、医疗器材、量测仪器、汽车电子等领域

（4）通用运放在传统应用领域仍有发展空间

虽然随着应用需求不断变更,运放供货商必须顺应市场变化推出相应的新产品。

然而因为运放在业界已被广泛采用数十年之久,有些应用产品的生命周期也长达十多年,因此很多传统产品仍有其一定的市场需求,例如在汽车与工业自动化领域,就有很多设备还是需要用到传统的通用运放。

通用运放对工程师而言,可以说是最常用的半导体组件之一。

通过外部电阻的不同配置,一颗运放可以对输入信号进行各种微调后再输出,以符合信号链后端的ADC、电源管理芯片等组件的输入信号要求。

正因为其简单易用的特性,再加上极为经济实惠的价格,因而使得这类放大器始终在出货量上稳居运放市场的主流地位。

（5）制造工艺与封装技术进步提升运放性能  

新应用对运放提出诸如高速、低功耗、高集成度等新的技术要求。

为此,设计人员不断探索新的设计方法,但只从设计着手不足以实现具有竞争力的产品,只有配合适当的制造工艺和封装技术才能将不断优化产品性能,适应新的应用需求。

目前运放产品主要采用CMOS、双极、BiCMOS等工艺制造。

许多运算放大器系列都提供单通道、双通道和四通道三种封装形式,从而为设计提供了最大的灵活性。

各种新型封装的电路板占位面积正在日益缩小。

单通道运算放大器可采用SOT23封装以及结构相似但外形更加小巧的SC70封装,双通道器件有SOT23-8封装,采用WCSP芯片级封装的运算放大器的占位面积更小。

此外,领先半导体厂商还在不断研发新的工艺和封装技术以进一步提升运放产品的性能。

（6）降低噪声与提高集成度是未来运放发展的瓶颈  

众所周知,噪声对运放是非常关键的指标。

在大多数应用中,运放的前面都会有感测组件,其后端则有ADC与处理器,这些组件共同构成一个典型的信号传输路径。

由于运放周边配置的外部组件会带来噪声,如果运放本身的噪声也很大,那么对ADC而言,噪声将会淹没有效信号,这样以来,不管ADC的分辨率与频宽有多少,它输出给处理器的就只有噪声,这极大地影响了系统的正常运作。

所以不管是通用型、低电压/低功耗、还是高精度或高速运放,都需要把组件本身的噪声抑制到最低程度,才能有效实现信号路径的整体匹配,达到最佳的应用效果。

此外,为满足日益丰富的应用需求,放大器不再只是单一的产品,而是与其他器件集成在一起以提升性能与产品价值。

例如在视频放大器中整合滤波、多路技术以及DC恢复等功能。

作为无线通信设备中最具关键的零组件之一,功率放大器（PA）除了关系到各种通信系统的通信品质外,同时也是系统设备中最消耗功率以及体积较大的电路组件。

藉由功率放大器的作用,移动电话可将传输信号功率放大,再藉由射频信道将信号发送出去。

若将移动电话信号的发射比做人体血液的循环,则PA可比做人体内心脏的角色,射频信道则如同血管;好的PA正如同一颗强而有力的心脏,因此PA的好坏直接影响到信号传输的品质。

一般而言,功率放大器的应用领域涵盖蜂窝行动通信系统、卫星通信系统、微波通信系统、雷达、军事用途,以及ISM/WLAN等不同产品。

其中又以移动通信系统为PA最大的应用领域。

目前应用于移动电话中的PA,依其种类可分为分布式晶体管组件、单芯片、以及模块等型式。

由于PA是移动电话零组件中耗电量最大的组件,因此在制程技术的采用上,具电子移动率低、高频使用功耗低、且操作频率高等优点的GaAs制程技术变成了移动电话PA主要的制程技术。

随着移动电话系统逐渐由2G朝向2.5G与3G前进,操作温度、耗电量、与效率等要求更加严格的情形下,PA厂商亦开始投入InGaPHBT、E-modePHEMT等新制程技术的研发与生产工作。

另一方面,为了能使移动电话射频组件进一步朝向整合,甚至是射频系统单芯片的目标发展,制造成本较GaAs具竞争力,且性能逐步 拉近的SiGe制程亦逐渐成为厂商极力发展的重点。

因此,随着IDM与硅晶圆代工大厂纷纷投入SiGe制程,未来SiGe将可能成为GaAs半导体厂商在移动电话PA市场最大的竞争对手。

值得注意的是,PA在移动电话中的应用最明显的趋势则是PA组件朝向模块化产品的发展。

自90年代末期,ConexantSystems与Hitachi相继以多芯片模块（MCMs）的方式制造PA后,PA组件由早期的分散组件模式逐步朝向MMIC,而近一、两年,则更进一步采用多芯片封装技术整合了PA、switch和filter于同一个模块上,因其简便、易于使用的优点,颇能适合须快速推出新产品的移动电话发展潮流。