差分对
Differential Pair也称 差动对、差分放大器输入级、源耦合对、differential amplifier、source-coupled pair
两只匹配晶体管共享尾电流，把输入差值转换为两支路相反变化的电流；对共模信号的抑制来自对称与高阻尾源，而不是“差分”名称本身。
速览
约 1 分钟差分对比较两个输入而不是分别把它们对地放大。平衡时尾电流近似均分；小的差分电压使一边电流增加、另一边等量减少，大输入则把几乎全部尾电流转向一侧。真实共模抑制受尾电流源输出电阻、器件与负载失配、输入共模范围和输出余度限制。
系统理解
约 3 分钟差分对由两个共享源节点的匹配晶体管、尾电流源和负载组成。把输入写成共同的共模分量与方向相反的差模分量后，可以分别分析两类响应。理想对称、理想尾源条件下，共模变化不会改变支路电流，而差分输入会重新分配固定尾电流；因此电路天然适合抑制同时耦合到两根信号线的干扰。
在平衡点附近，单管跨导把差分电压转换为支路电流变化，差分输出再由负载电阻或有源负载形成电压。半边电路是对称差模激励下的分析工具，不代表真实电路被物理切成两半。随着输入差增大，电流转向关系逐渐非线性，最终一只管接近承载全部尾电流、另一只接近截止；尾电流和过驱动决定小信号线性范围。
输入共模范围由多处余度共同限制：输入管需要保持导通与目标工作区，尾电流源需要顺从电压，上方负载也要保持饱和。输出范围则取决于输入管与负载的叠加余度。提高尾电流、改变器件尺寸或使用级联结构会同时改变gm、噪声、功耗、共模范围和摆幅，不能独立调节单一指标。
有限尾源输出电阻会把共模输入转换为支路电流变化；输入管、负载和布线的失配又会把共模响应转成差分输出，形成有限CMRR与输入失调。有源电流镜负载可把两支路电流合成为单端输出并提高有效跨导，但也引入镜像误差、额外极点和余度约束。源极退化可以扩大线性范围、稳定增益，却降低跨导并增加噪声或面积。
承接共源级与电流镜，向上连接运算放大器、比较器、全差分电路、共模反馈和模拟接口。
公式提示
关键参数
| 参数 | 单位 | 含义 |
|---|---|---|
| 尾电流与输入管过驱动 | A / V | 决定平衡点gm、功耗和大信号电流转向范围 |
| 差模增益 Ad 与共模增益 Ac | V/V | 分别衡量所需信号和共模扰动到输出的转换 |
| 输入共模范围 ICMR | V | 保持输入管、尾源和负载处于规定工作区的输入共模区间 |
| 输入失调与CMRR | V / ratio | 量化失配导致的等效输入误差和共模抑制能力 |
| 输入参考噪声与带宽 | V/√Hz / Hz | 由输入管、负载、尾源和寄生动态共同决定 |
常见误区
- 认为差分对只响应输入差值，因此共模增益必然为零
- 认为尾电流恒定就能保证任意大输入下保持线性
- 认为半边电路可用于任何非对称负载或任意共模激励
- 认为增大器件面积只会改善失配，不会增加电容、面积和速度代价
- 认为有源电流镜负载只是一个理想电阻，不会引入误差与动态节点
工程深入
16 条结论 · 1 道例题差模与共模分解
小信号增益与大信号转向
电阻负载把差分电流转换为差分电压
两只相等电阻负载把方向相反的支路电流变化转换为方向相反的输出变化，双端差分电压增益在简单低频模型下约为−gmRD。12
Ad = vod/vid ≈ −gmRD
- Ad
- 双端差模电压增益，单位 V/V
- RD
- 每侧负载电阻，单位 Ω
成立条件 忽略器件ro与负载电容；采用vid=vin1−vin2、vod=vout1−vout2的幅值约定
例题：动手算一次教学假设，可复算
对称差分对每管平衡gm=1.5 mS、每侧RD=20 kΩ，若vid=4 mV，简单低频模型的双端输出约是多少？
已知
- gm=1.5 mS
- RD=20 kΩ
- vid=4 mV
- 忽略ro、尾阻有限值与电容
步骤
- Ad≈−gmRD=−1.5 mS×20 kΩ=−30 V/V，先求双端差模电压增益
- vod≈Ad·vid=−30×4 mV=−120 mV，小信号输入乘以局部增益
负号表示按所选端口定义输出差与输入差反相；每个单端输出的变化量在完全对称时约为一半。
不能外推到 必须先确认4 mV位于线性范围内；真实增益还受ro、负载、共模点、失配和带宽影响。
共模范围与非理想
退化、负载与系统应用
出处
2 本教材 · 2 处引用- 1
模拟CMOS集成电路设计
- 第 4 章 §§4.1–4.4，第 91–113 页 支持：差分对比较两个输入而不是各自对地放大；平衡时尾电流在两支路间近似均分；差分输入重新分配近似固定的尾电流；差分结构不自动保证共模完全消失；平衡点附近的电流差斜率由gm决定；电阻负载把差分电流转换为差分电压；大差分输入会把尾电流转向单侧；尾电流增大不会无条件扩大线性和增益；输入共模下限由输入管和尾源共同限定；输入共模上限与负载、输出静态点耦合；CMRR比较差模增益与共模泄漏；失配把共模与偏置误差转换为差分输出；源极退化扩大局部线性范围；有源电流镜负载完成单端输出转换；差模半边分析以共源级为基础；差分对验收必须跨越直流、交流与统计三层
- 2
CMOS模拟集成电路设计（第3版）
- 第 5 章 §5.2，第 159–175 页 支持：差分对比较两个输入而不是各自对地放大；平衡时尾电流在两支路间近似均分；差分输入重新分配近似固定的尾电流；差分结构不自动保证共模完全消失；平衡点附近的电流差斜率由gm决定；电阻负载把差分电流转换为差分电压；大差分输入会把尾电流转向单侧；尾电流增大不会无条件扩大线性和增益；输入共模下限由输入管和尾源共同限定；输入共模上限与负载、输出静态点耦合；CMRR比较差模增益与共模泄漏；失配把共模与偏置误差转换为差分输出；源极退化扩大局部线性范围；有源电流镜负载完成单端输出转换；差模半边分析以共源级为基础；差分对验收必须跨越直流、交流与统计三层