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来了解一下差分对吧

加油射频工程师

1年前浏览661

差分信号具有两个特性：

(1) 两个信号线上的信号幅度相等，相位相反

(2) 两个信号线上的信号具有相同的直流电压，称为"共模电平VCM"

假设差分信号线上的两个信号为：

Vx=VCM+Asinwt,

Vy=VCM-Asinwt ;

则有用信号即为

Vx-Vy=2Asinwt

从上面等式可以看出，如果有噪声同时耦合到Vx和Vy上，不会对有用信号Vx-Vy产生影响，因为被抵消掉了。

虽然在数学上是这么个理，但是怎么在硬件中实现呢？

在芯片中，处理差分信号的电路模块，称之为"差分对"，英文为"differential pair"。

其中，ISS为"尾电流源"，英语叫"tail current source".

那上面的差分对，是怎么对差分信号进行处理的呢？

假设Vin1=Vin2=VCMin.

从上面的分析中，可以知道，差分对，对输入共模电压的变化不响应。这边的不响应不仅说是差分输出不响应，连共模输出也不响应。

即Vout=Vx-Vy不发生变化，VCMout也不会发生变化。

这一奇妙现象的发生，则得益于ISS，即尾电流源。

因为这个电流源，提供了稳定的电流输出，同时又响应了电压的变化。

当然这是理想情况，差分对的两半都是完全对称的，ISS是一个理想的电流源，这个时候，电路对共模输入电压的抑制是无穷大的，也就是说，不管共模输入电压怎么变，电路输出都不会改变。

但现实生活中，完全对称不可能实现，总有少许失配存在；理想的电流源也不存在，所以电路对共模输入电压的抑制不会无穷大。

首先考虑电流源的不理想性，即其输出电阻不是无穷大，假设其输出电阻为RSS。

假设M1和M2还是完全对称。

则考虑到ISS的输出电阻不为0，则差分对则可用下图表示，将原来的不理想电流源分成两部分：理想电流源+输出电阻Rss。

因为VCM变高，所以P点电压也升高(由前面的分析可知，虽然现在Iss不理想，但是趋势还是有的)，所以流过RSS的电流变大，所以ID1和ID2也变大，所以Vout1和Vout2变小。

考虑到对称性，将上述电路一分为二。

如下图所示。

输入共模电压的变化，会导致输出共模电压的变化。

但是，因为差分信号关注的是差模输出，所以对实际有用信号影响不大。

也就是说，如果尾电流源不是理想的，具有有限的输出电阻，那么输入端的共模噪声会影响单端信号，即vout1和vout2，但是对差分输出没有影响，即vout1-vout2没有变化。

如果除了电流源的有限大输出电阻外，差分两路也存在失配呢？

在加工过程中，不可避免地会出现失配。这个时候，当共模噪声耦合到输入端时，差分输出还能独善其身么，还可以不受影响么？答案是否定的。

假设，两个负载电阻不对称，值分别为RD以及RD+ ∆RD；ISS的输出电阻为RSS,M1和M2仍然对称。

由上面推导可知，当负载电阻不对称时，电路会存在“共模-差模转换”,其转换增益如上图所示。

也就是说，当输入端存在共模噪声时，差分输出端也会受到共模噪声的影响。

实际设计时，会通过增加尾电流源的输出阻抗，来减少这种影响。

通常采用CMRR(common-mode rejection ratio)来衡量CM-DM转换对整个信号的影响。

其中，ADM是指差分增益，ACM-DM是指CM-DM的转换增益。

CMMR表示的是当输入端包括差分输入和共模噪声时，输出端有用信号与无用信号(由于共模噪声产生的信号)之间的比值。

来源：加油射频工程师

电路芯片

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首次发布时间：2023-06-03

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