模拟集成电路设计初探

一、概述

本文总结的内容是本书上册最后两章的内容，也即以差分输入级为代表的电压反馈型运算放大器的设计。总体来看有如下特点：

1. 以差分输入放大器为主的输入级（抑制共模信号）
2. 以恒流源为主的偏置电路和有源负载（开环增益最大化）
3. 内部渥尔曼化、采用射极跟随器（稳定高频特性）
4. 输出级采用推挽方式输出（提高带载能力）

在书中实际的设计过程中，作者仅设计了一个简单的差分输入-推挽输出的“运放”，但尽管如此，其实测的某些性能也要高于某些商业运放了（根据作者的实验数据，笔者并未验证）。但我们起码可以认为，书中介绍的运放的设计方法是有一定可取之处的（在不集成的前提下，这种分立运放可以通过调整管参数来达成提高性能的目的），并且在笔者看来，这一部分更重要的目的在于给出了运放内部结构的分析思路，并对运放的实际应用进行了指导。
下面将主要介绍差分放大器的原理和设计，以及对综合多种技术的最终设计进行评测。

二、差分放大器原理

差分放大的主要原理在笔者总结来主要如下：

1. 共射共基相结合的输入级组态，使得同相/反相输入输出的存在十分自然；并且由于共射放大和共基放大的增益计算是类似的，所以其输出是平衡的；
2. 利用了共射放大的本质性，即在无增益控制的条件下，输出会将基射结电压变化放大hfe倍；又由于恒流源的控制作用和对管的一致性，一侧射极电流的变化会迅速反映到另一侧的相同变化，这也是反相输出的原理。

整体来看，差分放大器就是共用偏置源的两个共射极放大电路。

1、两相信号分析

首先分析一下信号的同相反相。对于Q1，当信号在Q1的基极输入、集电极输出时，显然是个经典的共射极组态，故输出是反相的；而当信号在Q2的集电极取出时，根据叠加定理，此时Q2基极接地，Q1输入的信号经Q1的射极跟随器进入Q2射极，成共基极组态，输出是同相的。
此外，在运放电路设计中曾有一个知识点是：运放的反相输入端输入阻抗高，同相端输入阻抗低。这也符合上述分析，即共射极放大电路输入阻抗高于共基极放大电路。
对于内在原理，可以认为由于Q1、Q2相同，在有一端输入信号、另一端接地时，两对管射极电流之和保持一定，变化量相反，故产生两种相位的信号；当两端加入了相同的信号时，由于射极电流变化趋势是相同的，故变化量抵消，在输出端看来没有信号输出（理想情况下的共模抑制）。扩展开来说，当输入端产生了相同的干扰（如温漂、噪声等），经过差分放大后会被消去，只剩下差模信号，这也是差分放大器名称的由来。
最后还可以得出结论，晶体管工作时的电位大小是无关紧要的，实际上最重要的是射极静态电流的选取。

2、漂移情况

理想的参数全同对管是不存在的，所以或多或少会存在参数的差别，这些差别可能会造成一定的干扰。由上述分析，差分放大器保持共模抑制性的关键在对管的ΔVBE是相等的，当ΔVBE不相等时，会产生一个微小的射极电流的偏差，经放大后会表现在输出端，即没有输入信号或输入信号相同时，输出会产生一个直流漂移或者微弱的交流信号。如果要做到较好地小信号性能，这种漂移是必须要解决的。单片式双晶体管可以最大限度地解决这一问题。

三、差分放大器的设计

差分放大器的设计要简单许多。

1. 选取供电电压，一般选择双电源供电，要高于最大输出电压+恒流源的工作电压；
2. 设计恒流源，确定对管的工作电流；
3. 设计恒流源的静态工作点；
4. 设计集电极电位，此时集电极电阻不再作为增益的确定，只是用来确定信号的中心轨；
5. 确定基极偏置电阻，双电源供电时即为下拉电阻，其阻值影响电路的输入阻抗。

在设计过程中单端输出时可以将非输出端的集电极负载去掉，但在单端输入时，不用的输入端的输入电阻不可省去，否则会因为输入阻抗不平衡导致直流漂移变大。

四、差分放大器性能指标

1、输入输出阻抗

和共射极放大电路的输入输出阻抗相同，差分放大器的输入阻抗为基极电阻，输出阻抗为集电极电阻。

2、共模抑制比

共模抑制比（CMRR）定义为：差模增益与共模增益比的常用对数的20倍。它描述了电路对共模信号的抑制能力，CMRR越大，共模抑制能力越好（在书中，作者采取的定义是相反的，但在一般的芯片手册中，CMRR的定义是按照上文定义的，故一般采取上文定义，或者取绝对值越大越好）。随频率的增加，CMRR一般是减小的。

五、差分放大器的应用电路

差分放大器主要有如下扩展应用：渥尔曼化、渥尔曼自举化、有源负载化、镜像电流源化等。相关电路即在最初的设计中替换相应部分，以获得相应的功能。
如图为渥尔曼化的差分放大，它可以提高放大器的频率特性。

六、常见的电流源

常见的电流源包括镜像电流源、精密镜像电流源、比例电流源、微电流源、多路电流源等。在模拟集成电路中，他们主要用来提供偏置或作为有源负载。

七、设计评测

图为简单设计的一个运放的内部结构，其基本性质已经具备了，但由于静态工作点的调整问题，实用性上还有欠缺。这是进行了渥尔曼自举、有源负载变化之后的电路。

八、总结

经过上册书的学习，设计一款运放似乎不再是难题了。但这一部分的关键还是在于学习分析运放内部电路的原理，在给运放搭建外围电路时稍加注意可能会得到更好的效果。

风扬江渊
2020.6.30