Fully differential amplifiers

Introduction
       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。因此，两个放大器中的失真也是匹配的，结果导致了差分信号的对称失真。对称失真倾向于抵消偶次谐波。实验室测试证明，当信号被差分地测量时，对比于测量任何一端的单端输出，在1MHz处THS4141的差分输出中的二次谐波分量减少了大约5dB。测量出的三次谐波分量没有变化。
Voltage definitions
       为了理解一个全差分放大器是怎样工作的，理解用于描述放大器的电压定义是非常重要的。图2 显示了代表全差分放大器及其输入输出电压定义的框图。

在+和-输入之间的电压差是差分输入电压VID。两个输入电压的平均值是共模输入电压VIC。
       在+和-输出之间的电压差是差分输出电压VOD。共模输出电压VOC是两个输出电压的平均值并且是由VCM处的电压控制的。
       Af是与频率相关的放大器差分增益，因此VOD=VID x Af。
Increased noise immunity
       现实中总会发生这种情况，当信号从一处传送至另一处，噪声会耦合进入线路。在一个差分系统中，保持传送线路互相尽可能靠近会使得被耦合进入电感的噪声表现为共模电压。在电源中常见的噪声也会表现为共模电压，系统对于外界噪声更具有抗干扰性。图3显示了全差分放大器的噪声抗干扰性。

Increased dynamic range
       由于在差分输出中相位变化的缘故，在同样电压摆幅的情况下，差分输出的动态范围相比单端输出提高了两倍（如图4）。

Basic Circuits
       为了在全差分放大器中保持平衡，必须从两边的输出以及两边的输入中均采取对称的反馈。两边形成了对称的反相放大器，并且反相放大器拓扑较容易适配全差分放大器。图5显示了怎样通过使用对称反馈来保持一个平衡的放大器，其中反馈电阻RF和输入电阻RG是相等的。

在两个反馈路径中保持对称来保持优良的CMRR性能是非常重要的。CMRR是直接正比于电阻匹配误差的。举个例子来说，一个0.1%的误差导致了60dB的CMRR。对由于不匹配电阻导致的反馈中的微小变化来说，放大器的差分增益约为两边的平均增益。输出平衡是由VCM误差放大器保持的。
       从前，产生差分信号一直是非常麻烦的。一旦差分方法被使用，需要多达三个放大器以及直流隔离电容来设置共模输出电压。集成的全差分放大器提供了一个更好的解决方案。图6 显示了一个将单端信号转换为差分信号的例子。
       全差分放大器的一个主要应用即ADC输入情况下的信号处理。低通滤波器需要用来去除高频噪声防止其混叠进入感兴趣的频带。多级反馈（MFB）是一个很容易适配全差分放大器的优良拓扑。一个MFB电路用于在一个二阶低通滤波器转移函数中实现一个复合极点对。这里有一个例子如图7所示。

       该滤波器电路额转移函数为

       K设定通带增益，fC是滤波器的截止频率，FSF是频率范围因数，Q是品质因数。

       其中Re是复合极点对的实部，Im是复合极点对的虚部。设定R2=R，R3=mR，C1=C，C2=nC，结果有：

       开始先确定比率，m和n，需要要的增益以及设计的该类滤波器的Q值，然后选择C并且计算需要fC的R值。
       R4、Rt和C3的组合有着多重影响。R4将放大器输出与ADC的输入想隔离。R4和Rt为在放大器和ADC之间的传输线提供双重中断，并且形成了一个分压器。C3帮助吸收ADC输入端口注射的电荷。R4和C3形成了一个实极点，它与MFB级中的复合极点协同制作一个三阶滤波器，甚至它可以被简单地放置在感兴趣的频率之外。
       一些带有差分输入的ADC会提供合适的VCM输出。典型地，在这里需要做的一切即提供旁路电容-0.1uF和/或者0.01uF。如果VCM没有被提供，VCM可以从如图8所示的ADC参考电压处产生。在求和点处的电压即为参考电压的中间点并且它将VOC集中于ADC输入范围的中间点。

每个电源引脚应该有一个6.8uF到10uF之间的钽电容与0.01uF到0.1uF的陶瓷电容互相靠近并联在一起。图7 显示了10uF和0.1uF电源旁路电容器。
Conclusion
       集成全差分放大器与标准单端运算放大器非常相似，除了全差分放阿呆器的输出是从差分输入对的两边取出从而产生差分输出的。
       当与单端系统相比，差分系统提供了提升的外部噪声抗干扰性能、减少的偶次谐波和双倍动态范围。
       通过实行两个对称的反馈路径，反相放大器拓扑非常容易适配全差分放大器。
       集成全差分放大器非常适合驱动差分ADC输入。他们为抗混叠滤波提供了简易的方法，并且所需的共模电压可以很方便地通过VCM输入来设定。