電(diàn)子電(diàn)路设计中的CMOS差分(fēn)放大器

2020-03-23

回顾一下電(diàn)子電(diàn)路设计生涯，COM差分(fēn)放大器用(yòng)了不知凡几。如果您使用(yòng)SoC进行電(diàn)子電(diàn)路设计，则可(kě)能(néng)需要构建自己的差分(fēn)放大器電(diàn)路。这些差分(fēn)放大器将集成到SoC中，只要您正确布置SoC，就可(kě)以放心信号不会失真。否则，您将需要布置多(duō)个分(fēn)立组件并正确布線(xiàn)。这是有(yǒu)助于理(lǐ)解CMOS差分(fēn)放大器和单端放大器之间差异的地方。

单端与差分(fēn)放大器

顾名思义，这些不同类型的放大器使用(yòng)单端或差分(fēn)信号。在PCB层，您在单端放大器上接地的任何连接都应参考同一接地层。发送到放大器输入的信号应参考与放大器相关连接相同的接地层。这类似于在标准逻辑门IC或类似组件中执行的操作。

对于差分(fēn)放大器，输入通常是模拟差分(fēn)信号，这意味着在每个输入端看到的電(diàn)压具有(yǒu)相同的峰峰值電(diàn)压和相反的极性。但是，差分(fēn)数字信号也可(kě)以与差分(fēn)放大器一起使用(yòng)。放大器看到的電(diàn)压定义為(wèi)反相输入和同相输入之间的差。很(hěn)好地提供了共模噪声抑制。

请注意，通过将输入之一连接到所需電(diàn)势（通常是接地），可(kě)以将差分(fēn)放大器与单端信号一起使用(yòng)。在这种情况下，您发送到放大器输入的输入单端信号将参考接地输入。运算放大器实际上是差分(fēn)放大器，通常以此处描述的方式作為(wèi)等效的单个放大器运行。為(wèi)了提供放大作用(yòng)，在输出和输入之一之间构建了一个反馈环路。放大的确切级别和输出的极性将取决于使用(yòng)放大器上的哪些输入以及反馈回路中出现的分(fēn)量值。

请注意在電(diàn)子電(diàn)路设计时，差分(fēn)放大器可(kě)以具有(yǒu)差分(fēn)输出（称為(wèi)全差分(fēn)放大器），也可(kě)以通过将端子之一接地将其转换為(wèi)单端输出。在全差分(fēn)放大器中，差分(fēn)输出可(kě)用(yòng)于多(duō)级差分(fēn)放大器（即级联放大器）。注意，可(kě)以独立于差分(fēn)電(diàn)压输出来控制某些CMOS差分(fēn)放大器的共模電(diàn)压输出。在多(duō)级放大器中，上游级的共模输出应设為(wèi)零，以防止下游放大器进入饱和状态。

CMOS差分(fēn)放大器中的耦合

電(diàn)子電(diàn)路设计中，如果要使用(yòng)分(fēn)立元件构建多(duō)级CMOS差分(fēn)放大器，则需要确定在放大器级之间使用(yòng)的耦合方法。在确定多(duō)级放大器的正确耦合方法时，您需要考虑放大器的带宽。例如，通常在放大器级之间使用(yòng)RC耦合作為(wèi)高通滤波器，从而有(yǒu)效地阻止上游放大器输出上的任何DC偏置。LC耦合对于无線(xiàn)電(diàn)信号也很(hěn)有(yǒu)用(yòng)，尽管要小(xiǎo)心放置在放大器级之间的LC滤波器的带宽。

无论使用(yòng)哪种耦合方法，在使用(yòng)高速或高频電(diàn)子電(diàn)路设计时都需要确保阻抗匹配。在高功率和高频率下工作时（例如，在微波或毫米波信号链的Tx端），您很(hěn)可(kě)能(néng)需要阻抗匹配每个放大器级，長(cháng)度匹配您的走線(xiàn)。负载拉力分(fēn)析是确定阻抗匹配的理(lǐ)想工具，谐波平衡分(fēn)析对于检查失真非常有(yǒu)用(yòng)。使用(yòng)调频信号时，您需要使用(yòng)谐波平衡分(fēn)析来确定单端或差分(fēn)放大器電(diàn)路中的三阶互调产物(wù)（3OIP）。

如果您使用(yòng)的是采用(yòng)CMOS工艺制造的模拟IC，则它可(kě)能(néng)会包括CMOS差分(fēn)放大器级。一个很(hěn)好的例子是集成收发器单元。该单元的数据输入端可(kě)能(néng)使用(yòng)差分(fēn)信号接收数据，该数据将输入到CMOS差分(fēn)放大器。在Rx和Tx端，您会发现一个单端放大器，它们分(fēn)别在接近饱和和線(xiàn)性状态下运行。

如果您使用(yòng)CMOS放大器进行波形处理(lǐ)（即，通过利用(yòng)高输入的饱和度将模拟信号转换為(wèi)方波），则需要确保输出不会交叉回到模拟部分(fēn)董事会。当放大器在饱和下运行时，这种类型的波动会利用(yòng)谐波产生，这会迫使周期性的输入模拟信号使输入饱和并形成方波。如果放大器的方波输出交叉回到上游模拟部分(fēn)，则高次谐波含量会干扰板上的其他(tā)敏感模拟信号。

CMOS差分(fēn)放大器（和其他(tā)放大器）的优点在于，输入具有(yǒu)高共模抑制比（CMRR）。一个體(tǐ)面的放大器将具有(yǒu)很(hěn)容易超过60 dB的CMRR。不同模拟部分(fēn)之间或模拟与新(xīn)方波之间的干扰将显示為(wèi)系统中其他(tā)位置的共模噪声。使用(yòng)单端放大器，您将获得噪声反馈效果，从而提高放大器输出的本底噪声。差分(fēn)放大器会自然地滤除这种共模噪声，并且您不会在系统的不同部分(fēn)之间反复放大噪声。

当您需要在電(diàn)路中包括CMOS差分(fēn)放大器并检查其行為(wèi)时，就需要電(diàn)子電(diàn)路设计和分(fēn)析软件，其中包括一整套布局和仿真。上海韬放電(diàn)子提供专业的電(diàn)子電(diàn)路设计服務(wù)，如果您有(yǒu)这方面的需求，请联系我们。