CMOS差分放大器在PCB中的使用和布局

白底运算放大电路

回想一下你的电子学入门课，你可能构建了大量使用运算放大器的电路，就像上图所示的那样。这些电路在处理模拟信号以及操纵和产生许多波形时是基本的。

如果您正在使用SoC为特定应用程序构建新设备，那么您可能不需要构建自己的放大电路;这些放大器将集成到SoC中，您可以放心，只要您正确布局SoC，您的信号就不会失真。否则，您将需要布局许多离散组件并正确路由互连。这就是它有助于理解CMOS差分放大器和单端放大器之间的区别。

单端与差动放大器

正如这些名称所示，这些不同类型的放大器使用单端或差分信号。在PCB级上，你在单端放大器上接地的任何连接都应该参考同一个地平面。发送到放大器输入端的信号应该与放大器上的相关连接指向同一个地平面。这类似于在标准逻辑门IC或类似组件中所做的工作。

差分放大器的输入通常是模拟信号差分信号，这意味着在每个输入处看到的电压具有相同的峰值电压和相反的极性。然而，微分数字信号也可以与微分放大器一起使用。放大器看到的电压被定义为逆变输入和非逆变输入之间的差值。这很好地提供了共模噪声抑制。

单端与单端输出的差动放大器

请注意，差分放大器可用于单端信号，通过将其中一个输入连接到所需的电位(通常是地)。在这种情况下，您发送到放大器输入端的输入单端信号引用于接地输入。运算放大器实际上是差动放大器，它们通常以这里描述的方式作为等效的单放大器运行。为了提供放大，在输出和一个输入之间构建了一个反馈回路;准确的放大电平和输出的极性将取决于放大器上使用的输入和反馈回路中出现的组件值。

请注意，差动放大器可以有差动输出(称为全差动放大器)，也可以通过接地其中一个端子转换为单端输出。在全差动放大器中，差动输出可用于多级差动放大器(即级联放大器)。注意，一些CMOS差动放大器的共模电压输出可以独立于差动电压输出控制。在多级放大器中，上游级的共模输出应设置为零，以防止下游放大器进入饱和。

CMOS差分放大器中的耦合

如果您正在从分立元件构建多级CMOS差分放大器，那么您需要确定放大器级之间使用的最佳耦合方法。在确定多级放大器的正确耦合方法时，需要考虑放大器的带宽。例如，RC耦合通常在放大器级之间用作高通滤波器，有效地阻止来自上游放大器输出的任何直流偏置。LC耦合对无线电信号也很有用，不过要注意在放大器级之间放置LC滤波器的带宽。

无论使用哪种耦合方法，在使用高速或高频电路时，都需要确保阻抗匹配。当工作在高功率和高频(即，在微波或毫米波信号链的Tx端)时，您很可能需要阻抗匹配每个放大器级和长度匹配你的痕迹．Load-pull分析是确定阻抗匹配的理想工具，和谐波平衡分析对检测畸变很有用。在处理频率调制信号时，您需要使用谐波平衡分析来确定单端或差分放大电路中的三阶互调产物(3OIP)。

如果你使用的是用CMOS工艺制造的模拟IC，那么它可能会包括一个CMOS差分放大器级。集成收发器就是一个很好的例子。该单元的数据输入端可能使用差分信号来接收数据，这些数据将被输入到CMOS差分放大器。在Rx和Tx端，你会发现一个单端放大器分别在饱和和线性状态下运行。

这个CMOS SoC可能包含至少一个CMOS差分放大器。

如果你使用CMOS放大器进行波形形成(即，通过利用高输入饱和将模拟信号转换为方波)，那么你需要确保输出不会交叉回板的模拟部分。这种类型的波形利用了放大器在饱和状态下运行时产生的谐波，这迫使周期输入模拟信号饱和输入并形成方波。如果放大器输出的方波穿过回上游模拟部分，则高阶谐波内容会干扰电路板中的其他敏感模拟信号。

CMOS差分放大器(和其他放大器)的伟大之处在于输入有高共模抑制比(CMRR);一个好的放大器的CMRR很容易超过~60 dB。不同模拟部分之间的干扰，或者模拟和新方波之间的干扰将在系统的其他地方以共模噪声的形式出现。对于单端放大器，你会有一个噪声反馈效应，提高放大器输出的噪声底限。差分放大器自然会过滤这种共模噪声，这样就不会在系统的不同部分之间重复放大噪声。

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