全差分运放实验
差分放大电路实验
3、差分放大电路的几个重要概念
➢差模信号uid：ui1= - ui2
差模信号与有用信号
➢共模信号uic ： ui1= ui2
共模信号与零点漂移
放大 抑制
➢共模抑制比CMRR：衡量差分放大电路性能好坏的重要指标
CMRR Aud Auc
5
四、实验内容
1、按电路图连接电路，将直流
稳压电源两组可调输出电压分别调至 12V，关闭电源后将输出端与实验板 相应端相连，注意电源VCC、VEE正 负极性。
衡量差分放大电路性能好坏的重要指标ucud四实验内容实验内容1按电路图连接电路将直流稳压电源两组可调输出电压分别调至12v关闭电源后将输出端与实验板相应端相连注意电源vcc负极性
差分放大器
1
一、实验目的
1、了解正负电源供电的差分放大器偏置电路的特点及抑制零 点漂移的方法。 2、学习差分放大电路的测试方法。 3、了解具有晶体管恒流源的差分放大电路的特点。
V i1
T1
R C2
10k
R1
Voc2
62k
V i2
T2
R
R p1
R
510
510
330
T3
R2
13k Re
数字信号 3k
-12v
发生器
8
5、根据3、4测量与计算结果求出共模抑制比
五、注意事项
CMRR Aud Auc
1、接拆线前先断电，勿带电操作
2、正确连接VCC、VEE和接地端 3、正确使用两种测量电压的仪表 4、正确使用仪器仪表的信号传输
二、实验设备
直流稳压电源
一台
数字万用表
一只
函数信号发生器
一台
交流毫伏表
实验5 差分放大电路
实验五 差分放大电路1、熟悉差分放大电路的工作原理；2、掌握差分放大电路的基本测试方法。
1、FD -SJ -MN 多功能模拟实验箱；2、DT 9505数字万用表；3、XJ 4318双踪示波器。
1、计算图6-1的静态工作点（设Ω=K r be 3，100=β）及电压放大倍数。
2、在图6-1基础上画出单端输入和共模输入的电路。
实验电路如图6-1所示：图6-1 差分放大电路一、测量静态工作点。
1、调零将输入端与1OUT 和2OUT 断开，接通直流电源，调节电位器W R ，使双端输出00=V 。
2、测量静态工作点，分别测量1V 、2V ，3V 各极对地电压填入表6-1中。
表6-1二、测量差模电压放大倍数。
如图6-1所示，在输入端加入直流电压信号V V id 1.0±=（1OUT 接1i V 输出V 1.0+，2OUT 接2i V 输出V 1.0-），并按表6-2要求测量并记录，由测量数据算出单端和双端输出的电压放大倍数。
表6-21、测量值①111C CC V V V -'=∆，222C C C V V V -'=∆；0V 为两差分管集电极之间的电压。
②单端差模放大倍数：2.0)1.0(1.01121111C C i i C id C d V V V V V V V A ∆=--∆=-∆=∆∆=，2.0)1.0(1.02221222C C i i C id C d VV V V V V V A ∆=--∆=-∆=∆∆= ③双端差模放大倍数：idV V A ∆=0双。
2、理论值：①单端差模放大倍数：2)1(211W be Cd R r R A ⋅++⋅-=ββ，2)1(212W be C d R r R A ⋅++⋅+=ββ ②双端差模放大倍数：2)1(Wbe CRr R A ⋅++-=ββ双。
三、测量共模电压放大倍数。
将两差分管的输入端1b ，2b 短接，再将输入端接到信号源的一个输入端，信号源的另一端断开不接入。
经典全差分运放FullyDifferentialFolded-cascodeOPAMP
经典全差分运放FullyDifferentialFolded-cascodeOPAMPFully Differential Folded-cascode OPAMP(一)电路架构：1.Design of the biasing circuit:一开始，可以先设计biasing circuit。
偏压电路有许多架构，如果采用wide-swing和constant-g m的合并电路，就必须加入激活电路。
激活电路的设计以不影响偏压电路的正常工作，和低消耗功率为原则。
如Fig.1(b)所示，Q18的W/L是small，因此Q17、Q18所吃的静态电流很小，消耗功率也小。
基本的操作原理在J&M的课本里有详细描述。
但要如何inject激活电路的电流到偏压网络呢？让我们来看看Fig.1(a)，注意其中有两个loop和其对称性，只要仔细观察，这两个loop都会形成正回授。
当你用NMOS技术设计时，可以将激活电流inject到标示点X、Y，以产生PMOS(Q14、Q9)的drain电流。
同理，你也可以用PMOS设计激活电路，当然，电流的injecting point就不同了。
Rb值的设计，必须看你要偏压网络流多少电流来计算。
算完后可以做仿真，以得到最佳值，使偏压电流很match。
Fig.1(a)Fig.1(b)2.Design of the main amplifier:由于这个amplifier是one stage的设计，gain会不够，所以必须使用cascode的架构。
又为了增加output swing，故再把PMOS 给折叠下来，形成folded-cascode，最后输出是double-ended output。
先不管fully-differential架构的优点与应用，我们来看看整个架构的内部行为。
首先必须了解电路的大信号行为，最重要的为slewing。
如Fig.2所示，其中没加Q11和Q12。
考虑一个pulse加在Vin-与Vin+之间，当pulse由low 到high，Q1 turn on & Q2 turn off，所以流过Q4的drain电流全部流到Q5，并对node X上的电容充电，Vout-的dc电压会缓缓上升，此即称为positive slewing，slew rate 如下：SR=另一方面，流经Q10和Q9的电流会discharge在node Y上的电荷，这个电流由CMFB所控制。
差分放大器实验报告
差分放大器实验报告引言差分放大器是一种常用的电路，可以将两个输入信号的差值放大，同时抵消掉共模信号。
这在电子工程领域具有广泛的应用，例如在信号放大、滤波和传感器测量等方面。
本实验通过搭建差分放大器电路，对其特性进行了实验研究。
实验目的1.了解差分放大器的基本原理；2.掌握差分放大器的电路组成和搭建方法；3.研究差分放大器的输入-输出特性。
实验原理差分放大器由两个输入端口和一个输出端口组成。
其基本原理是通过放大两个输入信号的差值，同时抵消掉共模信号，使得输出信号只包含差分信号。
差分放大器的电路图如下所示：+Vcc|R1|Vin+ ----|____||R2|Vin- ----|____||RE||||Vout其中，Vin+和Vin-分别为输入信号的正负端口，Vout为输出信号。
R1和R2是输入电阻，RE是负载电阻，+Vcc为电源电压。
差分放大器的工作原理可通过以下几个步骤来解释： 1. 假设Vin+和Vin-的信号分别为v1和v2，输入电流流过R1和R2，产生的电压分别为v1’和v2’。
2. 根据欧姆定律，v1’ = R1 * Iin，v2’ = R2 * I in，式中Iin为输入电流。
3. 差分放大器的电压放大倍数为A，输出电压Vout = A * (v1’ - v2’)。
4. 通过信号分析，可以得到差模增益Ad和共模增益Ac，其中Ad = A，Ac = 0。
5. 当共模信号Vcm存在时，Vcm = (Vin+ + Vin-) / 2，会引入输出信号，此时Ac ≠ 0。
6. 差模增益和共模增益之比称为差模抑制比CMRR，CMRR = Ad / Ac。
实验步骤1. 实验仪器和器件清单•双踪示波器•函数信号发生器•直流电源•电阻•电容•NPN晶体管2. 搭建电路按照上述差分放大器的电路图，搭建差分放大器电路，并连接调试好示波器和函数信号发生器。
3. 测试输入-输出特性3.1 调节函数信号发生器产生输入信号，并设置不同幅值和频率的正弦波。
全差分运放设计
2003 年 12 月 31 日
作者: 唐长文, 菅洪彦
全差分运算放大器设计
唐长文 (011021361)，菅洪彦(021021061) zwtang@, hyjian@ 复旦大学专用集成电路与系统国家重点实验室 一、设计指标 在上华 0.6um CMOS 2P2M 工艺上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 ° 增益裕量 : >12dB 差分压摆率 : >200 V µ s 共模电平 共模负反馈单位增益带宽 等效输入噪声 输入失调电压 差分输出摆幅 二、运放结构选择 : : : : : 2.5V (VDD=5V) >10MHz 20 nV <10mV > ± 4V
第二极点： ω p2 = 6.
共模负反馈: CMFB 为了稳定全差分运放输出共模电压，必须设计共模负反馈电路。在设计输出平衡的全差分 运算放大器的时候，必须考虑到以下几点[1]: 共模负反馈的开环直流增益要求足够大，最好能够与差分开环直流增益相当； 共模负反馈的单位增益带宽也要求足够大，最好接近差分单位增益带宽； 为了确保共模负反馈的稳定，一般情况下要求进行共模回路补偿； 共模信号检测器要求具有很好的线性特性； 共模负反馈与差模信号无关，即使差模信号通路是关断的。 图 4 是一种共模负反馈实现结构[1]，该结构共用了共模放大器和差模放大器的输入级中电 流镜及输出负载。这样，一方面降低了功耗；另一方面保证共模放大器与差模放大器在交流特 性上保持完全一致。因为共模放大器的输出级与差模放大器的输出级可以完全共用，电容补偿 电路也完全一样。只要差模放大器频率特性是稳定的，则共模负反馈也是稳定的。这种共模负 反馈电路使得全差分运算放大器可以像单端输出的运算放大器[7]一样设计，而不用考虑共模负 反馈电路对全差分运算放大器的影响。
全差分两级放大电路
综合课程设计研究报告课题名称：全差分两级运放研究人员：指导教师：王向展宁宁201 年1月1日微电子与固体电子学院目录一、绪论 (1)（一）研究工作的背景与意义 (1)（二）国内外现状分析 (1)二、研究目标、研究内容与技术指标 (1)（一）研究目标 (2)（二）研究内容 (2)（三）关键技术 (2)（四）技术指标 (3)三、电路工作原理 (3)（一）电路结构理论 (4)（二）关键电路模块 (4)（三）非理想效应 (5)四、电路设计与仿真 (6)（一）电路设计方案 (6)（二）电路设计结构 (9)（三）电路仿真及结果 (10)五、全文总结与展望 (12)参考文献 (13)一、绪论（一）研究工作的背景与意义随着模拟集成电路技术的发展，高速、高精度运算放大器得到广泛应用。
全差分运算放大器在输入动态范围、抑制共模信号和噪声的能力等方面，较单端输出运放有很大优势，成为应用很广的电路单元。
另外，全差分输出时的输出电压信号幅度比单端输出时增大一倍，这对低电源电压供电的现代CMOS电路尤为重要，因为这可以扩大输出信号的动态范围。
因此，本文讨论并设计了满足一定要求的全差分运算放大器。
（二）国内外现状分析从第一颗运算放大器IC问世到现在，运算放大器技术已经在半导体制造工艺和电路设计两方面取得了巨大进展。
在大约40年的发展过程中，IC制造商们利用上述先进技术设计出了近乎“完美”的放大器。
虽然什么是理想放大器很难有一个精确定义，但它却为模拟设计工程师提供了一个目标。
理想放大器应该无噪声、具有无穷大增益、无穷大输入阻抗、零偏置电流以及零失调电压，它还应该不受封装尺寸限制，不占用空间。
上述这些，都是许多教科书为了得到简单的传递函数而做出的种种假设。
未来放大器市场增长的驱动力主要有三方面：其一,便携式应用的低功耗要求将推动具有低操作电源电压/电流的放大器增长;其二,高分辨率应用需要能降低噪声和失真度的放大器;其三,由于性能和价格压力持续上扬,因此能够集成其他功能的放大器前景乐观。
实验七全差分运放的仿真方法
◦ 随着频率的上升，A0会开始下降，A0下降至0dB时的频率即为 GBW；
相位裕度：
◦ 为保证运放工作的稳定性，当增益下降到0dB时，相位的移动应小 于180度，一般取余量应大于60度，即相位的移动应小于120度；
仿真开环增益的电路如下页所示。
V1为幅度为1，相位为0的交流信号。E0与E1为两个压控电压源 （VCVS），其增益分别为0.5与-0.5。e1 net9 net5 VCVS net7 net16 -0.5 .option acout=0
对I2进行AC分析。Voutp的幅相频特性，即为输出阻抗的幅相频特性。
转换速率：表示大信号工作时运放性能的一个重要参数，是运放输出 电压对时间的变化率。
图中，运放构成单位增益的反相放大器，输入端的V3为PWL，用于施 加差分输入电压。
注意：实际的运放指标仿真，要带上实际应用中所要连接 的的等效负载。
有兴趣的同学可以推导一下CMRR和PSRR仿真电路的测量 原理。
.probe vdb(Vop,Von) vp(Vop,Von)
V2取幅度为1V且偏置于V0上的交流电压源。对电路进行AC分析。 CMRR的值为: CMRR的幅值为=Vdb(Vop,Von)-Vdb(Vop) CMRR的相角为=Vp(Vop,Von)-Vp(Vop)
定义：PSRR可用下式表示： PSRR=20log[Av/(dVout/dVcc)]
1、了解和掌握全差分运放的各项指标的仿真方法。仿真结果。
Vdd = 3.3V 提示：进行仿真之前，对该基本运放进行直流扫描，确定工作点。
通过开环增益的仿真，我们将获得以下运放参数。
开环增益：
◦ 低频工作时(<200Hz)，运放开环放大倍数；
全差分运放
全差分放大器（转自小辉辉的博客）Title: Fully differential amplifiersBy Jim KarkiSystems Specialist, High-Speed AmplifiersIntroduction专业音频工程师通常使用术语“平衡”来指代差分信号传输。
这也告知了我们对称的概念，同时它在差分系统中也是非常重要的。
在差分系统中，驱动器有平衡的输出，传输线有平衡的特性，并且接收器有平衡的输入。
通常由两个方法用来处理差分信号：电子法和变压器法。
1. 电子的方法有着如成本低、尺寸和重量小以及优异的低频、直流响应等特点。
2. 变压器提供的好处是优异的共模抑制比、直流隔离、无功耗（效率几乎为100%），并且抗恶劣的EMC环境干扰。
本文着重介绍对于差分信号情况下的集成全差分放大器。
这里将讨论一些基本的操作，如怎样将单端信号转换成差分信号以及怎样搭建有源抗混叠滤波器。
What is an integrated, fully differential amplifier?一个集成的全差分放大器在框架上与标准运算放大器是非常相似的。
图1显示了一个简化版的集成全差分放大器。
Q1和Q2是输入差分对。
在一个标准运算放大器中，输出电流是只从输入差分对的一边取出的，并且输入电流是用来建立一个单端输出电压的。
在一个全差分放大器中，来自差分输入对两边的电流都是用于在由Q3/Q5集电极和Q4/Q6集电极处形成的高阻抗节点处建立电压的。
这些电压然后被缓冲至差分输出OUT+和OUT-。
对于一阶近似，送到IN+和IN-的共模电压并没有使得流过Q1或者Q2的电流产生变化，因此没有产生输出电压；它被抑制了。
共模输出电压不是由输入端控制的。
VCM误差放大器通过对输入端采样、将其与VCM处的电压作比较并调节内部反馈的方式来控制共模输出电压。
这两个互补放大器路径共享同一个输入差分对，它们的特性是经过非常良好的匹配的，并且这样的框架使得它们的工作点互相靠的很近。
差分放大器试验报告
差分放大器实验报告篇一：差分放大器设计的实验报告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模信号Vidcc??12V,?VEE??12V；负载RL输入差?20k?；?20mV。
?10k?；差模电压增益Avd?15；共模抑制二：性能指标要求差模输入电阻R比KCMRid?50dB。
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，?IEQ≈(Vee-UBEQ) /2Re?IBQ=IEQ/(1+β)?UCEQ=UCQ-UEQ≈Vcc-ICQRc+UBEQ动态分析?已知：R1=R4,R2=R3篇二：加法器及差分放大器项目实验报告加法器及差分放大器项目实验报告一、项目内容和要求（一）、加法器1、任务目的：（1）掌握运算放大器线性电路的设计方法；（2）理解运算放大器的工作原理；（3）掌握应用仿真软件对运算放大器进行仿真分析的方法。
2、任务内容：2.1设计一个反相加法器电路，技术指标如下：（1）电路指标运算关系:UO??(5Ui1?2Ui2)。
运放差分放大电路
运放差分放大电路差分放大电路一. 实验目的:1． 掌握差分放大电路的基本概念；2． 了解零漂差生的原理与抑制零漂的方法； 3． 掌握差分放大电路的基本测试方法。
二. 实验原理:1. 由运放构成的高阻抗差分放大电路图为高输入阻抗差分放大器,应用十分广泛.从仪器测量放大器,到特种测量放大器,几乎都能见到其踪迹。
从图中可以看到A1、A2两个同相运放电路构成输入级，在与差分放大器A3串联组成三运放差分防大电路。
电路中有关电阻保持严格对称,具有以下几个优点: (1)A1和A2提高了差模信号与共模信号之比,即提高了信噪比;(2)在保证有关电阻严格对称的条件下,各电阻阻值的误差对该电路的共模抑制比K CMRR 没有影响;(3)电路对共模信号几乎没有放大作用,共模电压增益接近零。
因为电路中R1=R2、 R3=R4、 R5=R6 ，故可导出两级差模总增益为：35P 1p i2i1ovd R R R 2R R u u u A ⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛+-=-= 通常，第一级增益要尽量高，第二级增益一般为1~2倍，这里第一级选择100倍，第二级为1倍。
则取R3=R4=R5=R6=10K Ω,要求匹配性好，一般用金属膜精密电阻，阻值可在10K Ω~几百K Ω间选择。
则 A vd =(R P +2R 1)/R P先定R P ，通常在1K Ω~10K Ω内，这里取R P ＝1K Ω，则可由上式求得R 1=99R P /2=49.5K Ω 取标称值51K Ω。
通常R S1和R S2不要超过R P /2，这里选R S1＝ R S2＝510，用于保护运放输入级。
A1和A2应选用低温飘、高K CMRR 的运放，性能一致性要好。
三. 实验内容 1． 搭接电路 2． 静态调试要求运放各管脚在零输入时，电位正常，与估算值基本吻合。
3．动态调试根据电路给定的参数，进行高阻抗差分放大电路的输出测量。
可分为差模、共模方式输入，自拟实验测试表格，将测试结果记录在表格中。
差分发大电路实验报告
差分发大电路实验报告实验课程：差分发大电路实验实验目的：1.了解差分发大电路的工作原理；2.学习差分放大电路的特点及应用；3.掌握差分放大电路的设计和调试方法。
实验仪器：1.函数发生器；2.示波器；3.电压表；4.实验电路板；5.其他常用仪器。
实验材料：1.电阻、电容、二极管等无源元件；2.集成电路及其外围元件；3.其他辅助材料。
实验原理：差分放大电路是一种常用的信号放大电路，由两个互补的晶体管或运放组成。
其输入信号通过一个耦合电容耦合到两个晶体管的基极，晶体管的发射极与负电源相连，集电极通过负载电阻与正电源相连。
差分放大电路的优点是具有较好的抗共模干扰能力，可以实现较大的信号增益。
实验步骤：1.按照电路图搭建差分发大电路，并连接所需的外围元件；2.将函数发生器连接到输入端，调整函数发生器的输出频率、幅值和波形，并将示波器连接到输出端来观察输出信号；3.逐渐调整输入信号的幅度，并记录输入和输出电压的数值；4.通过改变负载电阻的数值来观察输出信号的改变，并记录相应的数据；5.分析实验结果，绘制输入输出电压的关系曲线，并计算出差分放大电路的增益；6.根据实验结果，总结出差分放大电路的特点和应用。
实验结果和数据：1.通过调整函数发生器的输出频率、幅值和波形，观察到输出信号随输入信号的变化；2.记录了不同输入信号幅度下的输入输出电压数据，并绘制了相关曲线；3.通过改变负载电阻的数值，观察到输出信号的变化，并记录了相应的数据。
实验分析和讨论：1.根据实验数据，计算出差分放大电路的增益，并与理论值进行比较；2.通过观察实验数据，分析差分放大电路的特点和应用，如抗共模干扰能力和信号增益等；3.对比不同输入信号幅度、频率和负载电阻下的输出结果，探讨差分放大电路的适用范围和工作条件。
实验总结：通过本次实验，我对差分放大电路的工作原理、特点和应用有了更深入的理解。
通过搭建实验电路、调试和观察实验结果，我学会了差分放大电路的设计和调试方法，并能够根据实验数据进行相应的分析和计算。
差分放大电路的实验方案探究
差分放大电路的实验方案探究一、实验目的1.熟悉差分放大电路的原理和构成；2.了解差分放大电路的工作特性；3.掌握差分放大电路的实验测试方法。
二、实验原理差分放大电路是一种电路，它主要由两个放大电路组成，分别称为“正”和“负”放大电路。
它们的输入信号是相反的，但是输出信号是相同的，因此可以抵消外界噪声的影响。
差分放大电路的输出电压与输入电压的差值有关，因此它可以用来放大微小的差值信号。
三、实验准备1.电路板一块；2.放大器一个；3.电阻一些；4.电容一些；5.双极型晶体管一些；6.电源一个；7.万用表一个；8.频率计一个。
四、实验步骤1.用电路板把放大器、电阻、电容和双极型晶体管组装成差分放大电路；2.将电源供电，用万用表测量输入、输出电压；3.用频率计测量输入、输出频率；4.改变放大器的工作电流，观察输入、输出电压和频率的变化；5.用万用表测量放大器的增益；6.用万用表测量放大器的负载阻抗；7.用万用表测量放大器的输入阻抗；8.用万用表测量放大器的输出阻抗；9.用万用表测量放大器的噪声比；10.用万用表测量放大器的输出电压和输入电压的比值；11.用万用表测量放大器的输出频率和输入频率的比值。
五、实验结论通过上述实验，可以得出以下结论：1.差分放大电路的输出电压与输入电压的差值有关；2.改变放大器的工作电流，可以改变输入、输出电压和频率；3.放大器的增益、负载阻抗、输入阻抗、输出阻抗、噪声比和输出电压和输入电压的比值都可以通过实验测量；4.放大器的输出频率和输入频率的比值可以通过实验测量。
差分放大电路实验
差分放大电路实验一、实验目的(1)掌握差分放大电路的基本结构。
(2)了解差分放大电路抑制共模信号的原理。
(3)熟悉差分放大电路零点调整方法。
(4)掌握差分放大电路主要性能指标的测量。
二、实验仪器直流稳压电源、数字示波器、低频波形发生器、数字万用表。
三、实验原理(1)实验电路。
1.实验电路差分放大电路能够抑制共模信号，克服由温度和电源电压变化引起的零点漂移。
图2.11是双端输入双端输出差分放大电路，可以看作由两个完全对称的共射放大电路组成。
Rs1、Rs2和Rw1网络用于从浮地输入vs产生差模信号输入Vi。
发射极采用电阻Re或电流源，可以抑制单管的零漂，防止双管同时饱和或截止，其结构类似射极分压偏置共射电路，即使电路处于单端输出方式时，仍有较强的抑制零漂能力。
平衡电位器Rw用于调零，在零输入的情况下，保证输出电压为零，消除电路不完全对称引起的失调。
温度、电源电压变化对放大电路的影响，可以等效为在两个三极管输入端加入一对大小和相位都相同的共模信号。
因为电路对称，两个三极管在共模信号作用下，集电极电位变化相同，其双端输出电压Vo为0，说明差分电路对共模信号无放大能力，从而达到克服零漂的目的。
当输入一对大小相同、相位相反的差模信号时，由于两个三极管是反向变化的，T1管的集电极电位升高时，T2管的集电极电位必然下降，因此vo产生输出电压，说明差分电路对差模信号有放大能力。
如果输入信号既非共模又非差模，则可将其分解为共模分量与差模分量的叠加，则其差模成分得到放大，共模成分得到抑制。
2.差模电压增益双端输出时：2)12//(V V id od W be L C vd R r R R A ββ++-==（） 单端输出时2)1//(21W be L C vd R r R R A ββ++⋅-=（） 3. 共模电压增益双端输出时，共模电压增益为0单端输出时：)22()1//(v v ie oc1e W be L C vd R R r R R A +⋅++-==ββ（） 4. 共模抑制比双端输出时，共模抑制比无穷大。
高增益CMOS全差分运放的研究和设计
ｐｏｓｓｅｓｓｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｍａｒｋｅｔ ａｎｄ ｔｈｅｉｒ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ａｒｅ ｉｎ ｈｉｇｈ ｃｈａｌｌｅｎｇｅ．Ｔｏ ｓｏｌｖｅ ｔｈｉｓ ｐｒｏｂｌｅｍ，ｗｅ ｈａｄ ｔｏ ｔａｋｅ ｃａｒｅ ｉｎ ｓｕｃｈ ａｓｐｅｃｔ ａｓ ｃｉｒｃｕｉｔ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ、ｍａｔｅｒｉａｌ、ｔｅｃｌｍｏｌｏｇｙ．
ｏｐｅｒａｔｉｏｎａｌ ａｍｐｌｉｆｉｅｒ ｗｉｌｌ ｅｎｈａｎｃｅ ｔｈｅ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆ ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ．Ｎｏｗ，ｔｈｅ ｒｅｓｅａｒｃｈ
ｆｏｃｕｓ ｏｎ ｔｈｅ ｈｉｇｈ ｓｐｅｅｄ ｓｉｇｎａｌ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ ａｎｄ ｌｏｗ ｐｏｗｅｒ ｄｉｓｓｉｐａｔｉｏｎ，ｗｈｉｃｈ ａｒｅ ａｐｐｒｏｐｒｉａｔｅ ｄｏｍａｉｎｓ ｗｅ ｃａｎ ｍａｋｅ ｂｒｅａｋｏｕｔ．
１．３本文的工作以及文章组织
本文就是对工作在３Ｖ的运放放大电路进行研究，并分析各类 运放的性能指标。按照所提出的性能指标选择电路结构，这里我们 采用的是运算放大电路中的套筒式（ｔｅｌｅｓｃｏｐｉｃ）结构。通过对其性 能的分析，并进行器件参数上的优化，设计出一个增益在７８ｄＢ， 功耗只有ｌ ５ｒｏＷ的运算放大器单元，基本能够满足了设计的要求， 最后在ＣＡＤＥＮＣＥ上画出版图。
这里我们具体的介绍一下目前运放的性能中一些重要的指标参 数，主要有开环增益、单位增益带宽、输出摆幅、建立时间、噪声等。 在后面的设计中，我们将进一步说明对每个参数的取舍以及折中的处 理办法。
高精度、宽带宽CMOS全差分运算放大器技术研究
高精度、宽带宽CMOS全差分运算放大器技术研究一、本文概述随着现代电子技术的飞速发展，高精度、宽带宽CMOS全差分运算放大器在诸多领域，如通信、医疗、测量和控制系统等，扮演着越来越重要的角色。
这些应用对于运算放大器的性能要求日益提高，不仅需要高精度的放大能力，还要求具备宽带宽的响应特性。
因此，研究CMOS全差分运算放大器的技术，特别是针对高精度、宽带宽的要求，具有重要的理论价值和实践意义。
本文旨在探讨高精度、宽带宽CMOS全差分运算放大器的设计技术，分析其关键性能指标，研究其电路结构和工作原理，并探讨其在实际应用中的优化策略。
我们将介绍CMOS全差分运算放大器的基本原理和关键技术指标，如增益、带宽、失真度等。
然后，我们将详细分析高精度、宽带宽CMOS全差分运算放大器的电路结构和设计方法，包括差分输入级、增益级、输出级等关键部分的设计考虑。
接着，我们将讨论在实际应用中如何优化这些关键部分，以提高运算放大器的整体性能。
我们将通过实验验证本文提出的设计方法和优化策略的有效性，为高精度、宽带宽CMOS全差分运算放大器的实际应用提供参考。
通过本文的研究，我们期望能够为高精度、宽带宽CMOS全差分运算放大器的设计提供理论支持和实践指导，推动其在相关领域的应用和发展。
二、CMOS全差分运算放大器的基本原理CMOS全差分运算放大器（Fully Differential CMOS Operational Amplifier, FDCOA）是集成电路设计中的一个关键组件，其基本原理基于差分信号处理和CMOS（互补金属氧化物半导体）技术的优势。
这种运算放大器采用差分输入和差分输出，以减小共模噪声和失真，提高信号的信噪比和线性度。
在FDCOA中，两个完全对称的输入级分别接收正、负输入信号，它们的输出通过中间级和输出级进行差分放大。
这种结构能够显著抑制偶次谐波失真和共模噪声，使得电路在宽带宽范围内具有高精度和低失真特性。
全差分运放实验
两级CMOS全差分运算放大器的设计和仿真 (2)1、软件的安装 (2)1.1 Cadence orcad的安装 (2)1.2 Hspice的安装 (2)1.3Cosmos Scope的安装 (2)2、实验要求 (2)3、电路图手工计算 (3)3.1 运放主结构计算 (3)3.2 偏置电路 (5)3.3 共模反馈电路 (7)4、使用Orcad绘制电路图 (7)5、电路仿真 (11)6、仿真结果查看 (13)7、其他性能参数的仿真 (15)两级CMOS全差分运算放大器的设计和仿真1、软件的安装在该试验中要用到三个软件，分别为Cadence orcad（绘制电路图与网表提取工具），Hspice （电路仿真工具）和Cosmos Scope（仿真结果查看工具）。
所有用到的软件安装程序均放在D盘EDA文件夹中。
1.1 Cadence orcad的安装打开D盘中的\eda\OrCad9.23，点击Setup.exe，点击下一步，到输入Install Code步骤，打开Crack文件夹中的Install.tex文件，将Orcad Capture后面的码复制到Install Code里，然后点击下一步。
直至安装完毕。
1.2 Hspice的安装打开D盘eda\hspice_vA-2008.03，点击Hspice的安装程序进行安装，均点击下一步，直至安装结束。
然后将该文件夹中的hspice2008.lic文件拷贝到C:\synopsys\Hspice_A-2008.03下。
右键点击电脑桌面我的电脑/属性/高级/环境变量/系统变量（如果只想让管理员用，则是administrator的用户变量）/新建/变量名lm_license_file 变量值就是license文件的路径，/hspice2008.lic，也就是变量值为C:\synopsys\Hspice_A-2008.03\hspice2008.lic 然后确定。
1.3Cosmos Scope的安装打开D盘eda\cosmos2007\HSpice_CosmosScope_Z-2007.03-SP1_win，点击安装程序进行安装。
差分放大电路实验报告
*****电子科学与工程系 模拟电子技术验证性实验报告
实验名称 差分放大电路 实验时间 年 月 日
学生姓名 实验地点 同组人员
专业班级
一、实验目的
1、加深对差动放大器性能及特点的理解
2、学习差动放大器主要性能指标的测试方法 二、实验主要仪器设备和材料
1、模拟电路实验装置 一台
2、万用表 一块
3、数字毫伏表 一台
4、示波器 一台 三、实验内容和原理
图5－1是差动放大器的基本结构。
它由两个元件参数相同的基本共射放大电路组成。
当开关K 拨向左边时，构成典型的差动放大器。
调零电位器R P 用来调节T 1、T 2管的静态工作点，使得输入信号U i ＝0时，双端输出电压U O ＝0。
R E 为两管共用的发射极电阻， 它对差模信号无负反馈作用，因而不影响差模电压放大倍数，但对共模信号有较强的负反馈作用，故可以有效地抑制零漂，稳定静态工作点。
图5－1 差动放大器实验电路
当开关K 拨向右边时，构成具有恒流源的差动放大器。
它用晶体管恒流源代替发射极电阻R E ，可以进一步提高差动放大器抑制共模信号的能力。
(1)、静态工作点的估算 典型电路
EE BE
E E U -U I R （认为U B1＝U B2≈0）
C1C2E
1I =I =I 2。
实验课7 全差分运放的仿真方法
CMOS模拟集成电路实验报告实验课7 全差分运放的仿真方法目标：1、了解全差分运放的各项指标2、掌握全差分运放各项指标的仿真方法,对全差分运放的各指标进行仿真，给出各指标的仿真结果。
本次实验课使用的全差分运放首先分析此电路图，全差分运算放大器是一种具有差分输入，差分输出结构的运算放大器。
其相对于单端输出的放大器具有一些优势：因为当前的工艺尺寸在减少，所以供电的电源电压越来越小，所以在供电电压很小的情况下，单端输出很难理想工作，为了电路有很大的信号摆幅，采用类似上图的全差分运算放大器，其主要由主放大器和共模反馈环路组成。
1、开环增益的仿真得到的仿真图为1.开环增益：首先开环增益计算方法是低频工作时(<200Hz) ，运放开环放大倍数；通过仿真图截点可知增益为73.3db。
2.增益带宽积：随着频率的增大，A0会开始下降，A0下降至0dB 时的频率即为GBW，所以截取其对应增益为0的点即可得到其增益带宽积为1.03GB。
3.相位裕度：其计算方法为增益为0的时候对应的VP的纵坐标，如图即为-118，则其相位裕度为-118+180=62，而为保证运放工作的稳定性，当增益下降到0dB 时，相位的移动应小于180 度，一般取余量应大于60度，即相位的移动应小于120 度；所以得到的符合要求。
在做以上仿真的时候，关键步骤在于设定VCMFB，为了得到大的增益，并且使相位裕度符合要求，一直在不停地改变VCMFB，最初只是0.93,0.94,0.95的变化，后来发现增益还是远远不能满足要求，只有精确到小数点后4为到5位才能得到大增益。
2.CMRR 的仿真分析此题可得共模抑制比定义为差分增益和共模增益的比值，它反映了一个放大器对于共模信号和共模噪声的抑制能力。
因此需要仿真共模增益和差分增益。
可以利用两个放大器，一个连成共模放大，一个连成差模放大，用图1仿真差分增益图1用图2仿真共模增益图2将两个仿真写在一个sp文件中可以得到如下结果：相角仿真因为CMRR 的相角为=Vp(V op,Von)-Vp(V o p)黄色的为Vp(Vo p)，红色的为Vp(V op,Von)，两者相减，得到CMRR 的相角的仿真图为，其中蓝线为CMRR的相角仿真图，其它两条为上面的线，将它们放在一起对比：CMRR的幅度仿真其CMRR 的幅值为=Vdb(V op,V on)-Vdb(V op)，蓝线为Vdb(V op,V on)，粉线为Vdb(V op)，两者相减得到绿线，即为CMRR的幅值特性曲线截取其在100HZ之前的增益值可得低频时增益为49.1db。
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两级CMOS全差分运算放大器的设计和仿真 (2)1、软件的安装 (2)1.1 Cadence orcad的安装 (2)1.2 Hspice的安装 (2)1.3Cosmos Scope的安装 (2)2、实验要求 (2)3、电路图手工计算 (3)3.1 运放主结构计算 (3)3.2 偏置电路 (5)3.3 共模反馈电路 (7)4、使用Orcad绘制电路图 (7)5、电路仿真 (11)6、仿真结果查看 (13)7、其他性能参数的仿真 (15)两级CMOS全差分运算放大器的设计和仿真1、软件的安装在该试验中要用到三个软件，分别为Cadence orcad（绘制电路图与网表提取工具），Hspice （电路仿真工具）和Cosmos Scope（仿真结果查看工具）。
所有用到的软件安装程序均放在D盘EDA文件夹中。
1.1 Cadence orcad的安装打开D盘中的\eda\OrCad9.23，点击Setup.exe，点击下一步，到输入Install Code步骤，打开Crack文件夹中的Install.tex文件，将Orcad Capture后面的码复制到Install Code里，然后点击下一步。
直至安装完毕。
1.2 Hspice的安装打开D盘eda\hspice_vA-2008.03，点击Hspice的安装程序进行安装，均点击下一步，直至安装结束。
然后将该文件夹中的hspice2008.lic文件拷贝到C:\synopsys\Hspice_A-2008.03下。
右键点击电脑桌面我的电脑/属性/高级/环境变量/系统变量（如果只想让管理员用，则是administrator的用户变量）/新建/变量名lm_license_file 变量值就是license文件的路径，/hspice2008.lic，也就是变量值为C:\synopsys\Hspice_A-2008.03\hspice2008.lic 然后确定。
1.3Cosmos Scope的安装打开D盘eda\cosmos2007\HSpice_CosmosScope_Z-2007.03-SP1_win，点击安装程序进行安装。
然后将eda\cosmos2007\hspice-license文件夹中的cosmos2007.dat文件拷贝到C:\synopsys\Z-2007.03-SP1文件加下。
右键点击电脑桌面我的电脑/属性/高级/环境变量/系统变量，点击刚才新建的变量，也就是lm_license_file，在先前输入的变量值后面，输入分号，然后输入C:\synopsys\Z-2007.03-SP1\cosmos2007.dat，也就是Hspice和Cosmos两者的变量值用分号隔开。
2、实验要求在本实验中，要求所设计的运算放大器采用5V电源电压，负载电容为5pF，满足直流增益>80dB，单位增益带宽>20MHz，相位欲度大于60度，差分压摆率（slew rate）>100V/us。
3、电路图手工计算该运放电路由运放主结构，偏置电路和共模反馈电路三部分组成。
3.1 运放主结构计算图1 运放的主电路结构首先，我们从CSMC 0.5um 工艺库文件中得到工艺参数：6112.9910//n ox C F V S μ-=⨯，671.7710//p ox C F V S μ-=⨯，,0.7231TH N V V =，,0.906TH p V V =-1、确定Miller 补偿电容Cc为了保证相位裕量有060,我们要求第二极点2p w 和零点z w 满足以下两个条件:10z u w w ≥，91210m m p u C C g g w w C C ≥→≥，912m m L Cg gC C ≥。
则，0.20.21C L C C pF pF ≥=⨯5=，这里，我们取2C C pF =。
2、确定两级放大器中的工作电流共模负反溃的输入端电流与差模输入端相同，因此输入级的工作电流1150/2502DS C I SR C V us pf uA =∙=∙= 由于有一些寄生电容，并尽可能提高设计性能，预留一些余量。
可以取1200DS I uA =，则,13400DS I uA =。
输出级工作电流为，,11()8002DS C L CMFB SRI C C C uA =++=。
同样，由于有一些寄生电容，预留一些余量取,11900DS I uA =。
3、计算放大管的跨导m g根据全差分Slew Rate 要求，111111123331.522DS DS u DS u eff u DS C m eff I I w I w SR V w I C g V =⨯===。
M1 管的有效电压，120.4253eff uSRV V w ==。
M1管的跨导311120.94110/DS m eff I g A V V -==⨯。
121()()m W Wg L L=→=。
（该处由同学自己计算） 根据第二极点是单位增益带宽的两倍，91222m m u L Cg gp w C C =→=⨯。
M9 管的跨导3192 4.70510/m m L Cg g C A V C -=⨯⨯=⨯99()m Wg L=→ （该处由同学自己计算） 910()()W W L L =，M9 管的有效电压99920.383DS eff m IV V g ==。
4、电流源偏置管和Cascode 管的尺寸假定电流源偏置管M13、M11、M12、M7 和M8，和Cascode 管M3-M6 的有效电压0.3eff V V =，这样可以计算出所有管子的尺寸参数。
假定130.3eff V V =，则13132132()DS p ox eff I WL C V μ=， （该处由同学自己计算） 11111112131313()19()()()24()DS DS WIW W W L W I L L L L ==→==，1112()()W W L L = （该处由同学自己计算）M11-M12 管子的有效电压，11120.3eff eff V V V ==。
假定70.3eff V V =，则77272()DS n ox eff I WL C V μ=，取78()()W W L L =。
（该处由同学自己计算） 假定50.3eff V V =，则55252()DS n ox eff I WL C V μ=，56()()W W L L =。
（该处由同学自己计算） 假定30.3eff V V =，则33232()DS n ox eff I WL C V μ=，34()()W W L L =。
Cascode 管M3 的跨导为，33332210/DS m eff I g A V V -==⨯。
5、Miller 补偿电阻RC 的确定我们将零点从右半平面移动左半平面，并且使其为单位增益带宽频率u w 的1.2 倍，则111.2C m R g ≈Ohom 。
（该处由同学自己计算）由此，运放主结构的各个晶体管尺寸和电容电阻值均计算出来，在这里可以取所有管子的L=2um 。
3.2 偏置电路1、偏置电压的估算偏置电压的估算1,13()5(0.9060.4) 3.694b DD th p eff V V V V =-+=-+= 2,,11,3()()b in com th p eff SD th p eff V V V V V V V =++--+2.5(.9060.531)0.5(0.9060.4)=++--+=2.131V3,750.7230.40.4 1.523b th n DS DS V V V V V =++=++=,70.7230.4 1.123cntrl th n DS V V V V =+=+=（该电压并不由偏置电路产生，而是由共模反馈电路提供）图2 偏置电路2、偏置电路管子尺寸的计算在共源共栅输入级中需要三个电压偏置，为了使得输入级的动态范围大一些，根据宽摆幅电流源的设计要求，必须满足123()()()b b b W W WL L L == (3-9) 561378144()()()()()()4()b b b b b b b W W W W W W WL L L L L L L ====== (3-10) 101112()()4()b b b W W WL L L== (3-11) 设定偏置电流Ibias=25uA ，这样所有管子中的电流均为25uA ，设定0.3eff V V =，计算可以得到Mb1-Mb12的尺寸为：123()()()b b b W W WL L L=== 56789()()()()()b b b b b W W W W WL L L L L ===== 4()b WL= 101112()()()b b b W W WL L L=== （该处由同学自己计算）3.3 共模反馈电路图3是采用的共模负反馈实现结构，其工作原理如下：当(Voutn+V outp)/2>Vcom 时，反馈电平降低，导致输出管的栅极电压升高，从而把输出电压拉下，最终使差分输出的共模值稳定在Vcom 左右；当(V outn+Voutp)/2<Vcom 时，反馈电平Vcmfb 升高，导致输出管栅极电压降低，从而把输出电压抬高，最终使差分输出的共模值稳定在Vcom 左右。
在该电路中，Vb1与运放主结构的Vb1为同一个电压，Vcm=2.5V ，Vcmfb 就是反馈回运放主结构的电压，也就是图1中的Vcntrl 。
采运放输出的电阻电容取值都很大，在这里可以取电阻为100M ，电容为5pF 。
图3 共模电路共模负反馈放大器输入级与差模放大器输入级相匹配，直流工作电流相同。
为了提高增益也采用Cascode 结构，因此管子尺寸与运放主结构直接相关：1413()()W WL L =， 151611()()()2W W W L L L == 171()()W W L L = 1872()()3W WL L= （该处由同学自己计算） 4、使用Orcad 绘制电路图打开Orcad ，点击file-new-project ，弹出对话框，在name 上填写full opamp ，在Location处，点击Browse ，建立自己的工作目录，（此处建立目录名不要使用中文，否则Hspice2008无法仿真）并将路径指定到该工作目录下。
然后点击OK。
在弹出的空白页面处，点击p键，弹出如下对话框，点击Add Library按钮，按如下路径Library-pspice找到source.olb文件，然后打开，这样source.olb库文件被添加上。
同样方式将D:\eda\lib文件夹下的CSMC.OLB和HSPICE.OLB两个库文件添加上。