第 12 章：差分放大器

中文学习笔记，依据 ADI 原章节 重述并补充工程注释。不是逐句翻译，也不替代 ADI 原文与器件数据手册。

本章定位

差分对把两输入之差转换成电流分配，是运放、比较器和许多模拟前端的入口。理想尾电流源与器件匹配使共模变化被抑制，差模信号得到放大。

学习目标

• 能用物理直觉说明主要电路或器件的工作过程。
• 能写出本章核心近似式，并说明近似成立的条件。
• 能识别输入范围、输出余量、功耗、噪声或稳定性中的主要限制。
• 能阅读原理图并完成数量级检查。

原章小节索引

• 12.1 Starting with the basics
• 12.2 Long-tailed pair
• 12.3 Differential Gain
• The current mirror as a load
• Summary

长尾差分对

当两输入相等时，尾电流在两支路近似平均分配；差分输入使电流从一侧转移到另一侧。小信号范围内关系近似线性，大差分输入时几乎全部尾电流转向一支路。

差模增益

单端输出只取一侧电压，差分输出取两侧之差，后者增益更高且偶次失真和共模干扰更易抵消。负载电阻或有源负载决定电流到电压的转换增益。

共模范围与 CMRR

输入共模电压必须让输入管、尾电流源和负载都保有工作余量。CMRR 受尾源输出电阻、器件与负载不匹配影响，频率升高时寄生不对称会进一步降低。

电流镜有源负载

电流镜把两支路的变化电流合并到单端节点，同时提供高等效负载阻抗，从而提高增益。镜像误差和输出节点合规范围会成为新的限制。

核心公式与使用条件

• BJT 差分对小信号跨导约为 $g_m$，单端电流增益系数约 $g_m/2$
• 差模电压增益量级：$A_d\approx g_mR_{load}$
• $CMRR=|A_d/A_{cm}|$，常用 $20\log_{10}$ 表示

公式默认采用理想或一阶模型。用于实际设计前，应补入器件容差、温度范围、频率依赖和数据手册保证值。

常见误区

• 只验证差分输入范围，不验证共模输入范围。
• 把单端增益与差分增益混用。
• 假设尾电流源输出电阻无限大。

设计检查清单

1. 先标出所有电压极性、电流方向与直流工作点。
2. 验证器件处于假设的工作区，并检查输入/输出合规范围。
3. 对最大、最小电源与温度角点重复计算。
4. 计算功耗、噪声或带宽时写清单位和积分带宽。
5. 用仿真或实验验证瞬态、稳定性及最坏容差。

配图

图 1：选自 ADI 原章节；请结合本章中文解释阅读。

图 2：选自 ADI 原章节；请结合本章中文解释阅读。

图 3：选自 ADI 原章节；请结合本章中文解释阅读。

图 4：选自 ADI 原章节；请结合本章中文解释阅读。

复习题

1. 用自己的话说明“长尾差分对”解决的核心问题。
2. 针对“电流镜有源负载”，列出一个计算中必须检查的边界条件。
3. 选取本章一幅图，沿信号或能量流向逐节点解释其工作过程。

来源与署名

• 来源：ADI 原章节。
• 原始教材及图片：Analog Devices, Inc.，用于非商业教育学习；保留 ADI 署名。
• 本文中文讲解为重新组织的学习笔记；如与原文或最新数据手册不一致，以原始资料和器件数据手册为准。