2.4.1 全差分放大器的基本结构
对于电路来说，处理单端信号和差分信号的区别往往很小。比如下图中比较了全差分对电路和单端输出差分对。他们之间的唯一区别是在全差分电路中电流镜负载被两个匹配的电流源取代。需要注意在两个电路中功耗实际上是一样的。由于单个节点上的电压摆幅往往被固定的供电和偏置电压限制，全差分电路能够获得相比于单端输出两倍的摆幅，因为它们充分利用了两个节点上的可用摆幅。同时，注意到单端输出的摆率为总的偏置电流除以总的负载电容，即\(I/C_L\)，而全差分电路中在摆率限制时每端的电流为\(I/2\)，因此全差分电压的摆率\(v_o\)同样也是\(I/2C_L-(-I/2C_L)=I/C_L\)。尽管下图的例子只是一个简单的差分对，但是对于更加复杂的放大器，比如折叠Cascode放大器，这也依然是成立的。
全差分放大器的小信号电路在很多层面上可以相似功耗的单端放大器。下图展示了单级放大器在相同功耗情况下的单端和全差分电路的小信号电路。假定这两种情况下差分对有着相同的直流偏置，且全差分的输出负载与单端输出相同，那么电路会有相同的小信号增益与带宽。
一个主要的使用全差分的动力是抑制噪声。下图展示了全差分电路引入的额外噪声。共模噪声\(n_{cm}\)在两个半边信号上都很显著，因此只有在两边做差时可以抵消掉共模噪声（例如，当噪声信号\(v_o^{'}\)用作具有良好共模抑制的电路的差分输入时）。在许多模拟集成电路中，最大的，噪声源是电源和偏置电压的波动，以及开关电容应用总的传输晶体管开关的关断。这表现为共模噪声，因此可以通过全差分电路来抵消。在实践中，这种抵消只能起到部分作用，因为不幸的是这种机制引入的噪声与电压之间往往是非线性的。例如，成低噪声往往从衬底电容馈入，并且与电压是非线性关系。此外，开关关断时的时钟馈通噪声经常带有一些独立于电压的非线性，因此会导致在一条通路上馈入的噪声多于另一条，从而导致反而会产生一个差分噪声。然而，几乎可以肯定的是，使用了噪声抵消的全差分设计会比单端输出设计表现得更好。
同时在两个半边信号上也会有很重要的无关的随机噪声信号源\(n_{i1}\)和\(n_{i2}\)。假设\(n_{i1}\)和\(n_{i2}\)有着相同的变量\(N_o^2\)，在差分输出端观察到的噪声变量是两路噪声变量之和，因此为\(2N_o^2\)。这种随机噪声的增大一眼看上去像是全差分模式的一个缺点。然而，由于在全差分电路中，摆幅是单端输出电路的两倍，最大的信号能量就增大了\(2^2=4\)倍，使得最大可达的信噪比增大了\(3dB\)。
全差分结构的另一个好处是，如果每个单端信号围绕共模信号对称变化，那么差分信号将会只有奇数阶的失真项，这些项一般会更小。为了理解失真上的改进，考虑下图所示的框图，其中有两个非线性元素，为了简化分析，共模电压被假定为零。
如果非线性是非记忆性的，那么输出可以用以下的泰勒展开方式来建模：
其中\(k_i\)是常数项。在这个例子中，差分输出\(v_{diff}\)仅有线性项\(2k_1v_1\)和奇数阶失真项（一般会小于偶数阶失真项）组成。有着这两条好处，大部分的现代模拟信号处理电路都通过全差分结构来实现。
一个使用全差分放大器的缺点是必须要添加一个共模反馈电路。这个额外的电路用于建立共模（平均）输出电压。考虑本节中最开始距离的简单单级全差分电路中，假设在尾电流中有着很小的误差，即使是0.0001%的尾电流增大，而有源负载电流没有相应的增加的话，那么电路中的所有节点电压都会缓慢向地电压降低，最终导致一些晶体管进入线性区进而降低电路的增益。在实践中，通过使用共模反馈电路来观测输出电压并建立电流从而保证所有晶体管被正确地偏置。理想情况下，共模反馈电路会保证共模电压不发生变化，一般接近于电源供电电压的一半，即使有很大的差分信号输入。
尽管在本节的单级放大器例子中，对于全差分和单端电路来说功耗一样，但在实际情况下全差分电路会需要一些额外的功耗。特别是共模反馈电路的功耗。此外，全差分电流镜放大器和全差分两级放大器相较单路输出，需要额外的功耗来产生两路输出。