差动放大电路

1、第二节 差动放大电路一、直接耦合电路中的主要问题二、差动放大电路三、差动式放大电路的输入输出方式一、直接耦合电路中的 主要问题1.级间耦合和电平移位 2.零点漂移问题 交流放大器放大的是随时间变化较快的周期性信号，为使电路简单、设计方便，常采用阻容耦合。但在实际应用中，常常要放大一些变化极为缓慢的非周期信号或者某一直流量，通常把这些信号叫做直流信号。 显然对于直流信号，不能采用阻容耦合或变压器耦合，必须采用直接耦合方式。这种直接耦合，能放大直流信号的放大器称为直流放大器。 分析直流放大器的基本方法与分析交流放大器相似。但在分析设计直流放大器，应尤其注意两个主要问题：一个是级间互相影响问题；另一

2、个是零点漂移问题。1.级间耦合和电平移位 由于交流放大器的级间耦合电容能隔断直流量，使各级放大器的静态工作点相互独立。直接耦合放大器，各级工作点不再独立，相互影响和牵制。 如图5-4所示电路中，VT1管的集电极电位恒等于VT2管的基极电位，即VCE1=VBE2。因此，无论VT2为硅或锗材料，都将使VT1管的动态范围太小（0.7V或0.3V），很容易产生饱和失真。图5-4 为了保证各级都有合适的动态范围，就必须采取有效措施，既保证各级工作点合理，又保证直流信号能有效的传递。通常采用的措施是提高后级的发射级电位，见图5-5所示。a图采用稳压二极管，b图采用电阻。容易理解a图的办法较好，因为稳压管的

3、动态电阻很小，对放大器的放大倍数影响小。 图5-52.零点漂移问题 实验研究发现，直接耦合放大器即使将输入端短路，输出电压并不为零。而且这个不为零的电压会随时间作缓慢的、无规则的、持续的变动，这种现象称为零点漂移，简称零漂。产生这种现象的原因在于直接耦合，当外界因素（如温度、电源电压、晶体管内部的杂散参数等）变化时输出电压随之变化。其中温度的影响最大，所以有时把零漂也叫温漂。第一级的零漂经第二级放大，再传给第三级，依次传递的结果使外界参数的微小变化，在输出端产生 了较大的零漂电压。这个变化的电压与有用的输出信号混在一起，严重时甚至会淹没有用信号，使放大器无法工作。 要抑制零漂，就要设法限制外界

4、因素的变化，但技术难度太大，或者引入负反馈稳定静态工作点。实际上即使采用了负反馈，也只是减小零漂，因此必须考虑更有效的措施，目前最成熟的技术就是采用差动放大电路。二、差动放大电路（一）基本差动式放大电路的工作原理（二）带RE的差动放大电路（三）具有恒流源的差动式放大电路（一）基本差动式放大电路的 工作原理1.静态分析 2.动态分析 3.共模抑制比 图5-6 图5-6所示为基本差动式放大电路，它由两个完全相同的单管共射极放大电路组成。差动式放大电路有两个输入端，要求电路对称，即VT1、VT2的特性相同，外接电阻对称，RB1RB2，RC1RC2，RS1RS2，12。1.静态分析 静态时Ui1Ui2

5、0。由于电路左右对称，输入信号为零时，IC1IC2，UC1UC2,则输出电压U0UC1UC20。 当电源电压波动或温度变化时，两管集电极电流和集电极电位同时发生变化。输出电压仍然为零。可见，尽管各管的零漂存在，但总输出电压为零，从而使得零漂得到抑制。 2.动态分析 （1）差模输入 （2）共模输入 （3）抑制零点漂移的原理 （1）差模输入 放大器的两个输入端分别输入大小相等极性相反的信号（即Ui1Ui2），这种输入方式称为差模输入。 差模输入电压 212122iiiiidUUUUUidiUU211idiUU212212122ccccodUUUUU 差模电压放大倍数 即差动式放大电路的差模电压放大

6、倍数等于单管共射极电路的电压放大倍数。 211122uuicidodudAAUUUUASbeCuudRrRAA1 如果接上RL，则 式中 由于两管对称，RL的中点电位不变，相当于交流的零电位。对于单个管子来讲负载是RL的一半，即。besLudrRRA)21/(LcLRRR 输入电阻：因为输入回路经过两个管子的发射极和两个RS，所以 输出电阻：因为输出端经过两个RC，所以 besirRr 2ro2RC（2）共模输入 在差动式放大电路的两个输入端，分别加入大小相等极性相同的信号。（即Ui1Ui2）,这种输入方式称为共模输入。共模输入信号用Uic表示。共模输入时（UicUi1Ui2）的输出电压与输入

7、电压之比称共模电压放大倍数，用AC表示。在电路完全对称的情况下，输出端电压UOUO1-UO20,故ACUC/Ui0,即输出电压为零，共模电压放大倍数为零。这种情况称为理想电路。 在差动放大电路中，无论是电源电压波动或温度变化都会使两管的集电极电流和集电极电位发生相同的变化，相当于在两输入端加入共模信号。由于电路完全对称，使得共模输出为零，共模电压放大倍数AC=0，从而抑制了零点漂移。 电路放大的只是差模信号。（3）抑制零点漂移的原理 3.共模抑制比 理想状态下，即电路完全对称时，差动式放大电路对共模信号有完全的抑制作用。实际电路中，差动式放大电路不可能作到绝对对称，这时UO0,AC0,ACUo

8、/Ui，为了衡量差动式电路对共模信号的抑制能力，引入共模抑制比，用KCMRR表示。 KCMRR| |cdAA 共模抑制比的大小反映了差动式放大电路对共模信号的抑制能力。其对数表示式为 KCMRR=20lg| |（dB） 由上式可以看出，KCMRR越大，差动式放大电路放大差模信号（有用信号）的能力越强，抑制共模信号（无用信号）的能力越强，即KCMRR越大越好。理想的差动式放大电路其共模抑制比KKCMRR。由于KKCMRR=，既在保证Aud不变的情况下，如何降低Ac，从而提高KCMRR。cdAA（二）带RE的差动放大电路1静态分析 2.2.稳定静态工作点的过程稳定静态工作点的过程 3.3.动态分析

9、动态分析 上面介绍的基本差动式放大电路对共模信号的抑制是靠电路两侧的对称性来实现的。但对于各管自身的工作点漂移没有抑制作用，若采用单端输出，则差模与共模放大倍数相等，这时K=1，失去了差动式放大电路的优势。即使是双端输出，由于实际电路的不完全对称性，仍然有共模电压输出。 为了不降低A，而降低Auc,从而提高共模抑制比。采用带公共RE的差动式放大电路如图5-7所示，这种电路也称为长尾式差动放大电路。 由于KCMRR是由差模放大倍数和共模电压放大倍数共同决定的，下面分别分析RE对差模电压放大倍数和共模放大倍数的影响。图5-71静态分析 如图5-7所示，由于流过RE的电流为IE1和IE2之和，又由于

10、电路对称，则IE1=IE2,流过RE的电流为2IE2. 静态工作点的估算： IBQRS+UBEQ+2IEQREUEE IEQ（1+）IBQ IBQESBEQEERRUU12 ICQ IBQ UCEQUCC+UEEICQRe2IEQRE 2.稳定静态工作点的过程 加RE后，当温度上升时，由于IC1和IC2同时增大，稳定过程实质上是一个负反馈过程。RE越大工作点越稳定，但RE过大会导致UE过高使静态工作点电流太小。加入负电源VEE可补偿RE上的压降。3动态分析 (1)RE对差模信号的影响 (2)RE对共模信号的影响 (1)RE对差模信号的影响 如图5-8所示，加入差模信号时由于Ui1Ui2，则IE

11、1IE2，流过RE的电流IEIE1+IE20。对差模信号来讲，RE上没有信号压降，即RE对差模电压放大倍数没有影响。图5-8 差模电压放大倍数 其中 输入电阻 输出电阻 Aud- beSLrRR/R RC/( )2LR/L ri2(RS+rbe) r02RC(2)RE对共模信号的影响 如图5-9加入共模信号时，由于Ui1Ui2,则IE1IE2，流过RE1的电流IEIE1+IE22IE1RE，对于共模信号可以等效成每管发射极接入2RE的电阻.图5-9 共模电压放大倍数为 Ac- 由于不加RE时 AC- 即加上RE使共模电压放大倍数减小。而且RE越大,AC越小,KCMRR越大。EbeSCRrRR)

12、(12beSCrRR（三）具有恒流源的差动式 放大电路 通过对带RE的差动式放大电路的分析可知，RE越大，KCMRR越大，但增大RE，相应的UEE也要增大。显然，使用过高的UEE是不合适的。 设想，在不增大UEE时，如果RE，AC0,则KCMRR，这是最理想的。为达到这个目的，用恒流源电路来代替RE，电路如图5-10所示。VT3管采用分压式偏置电路，无论VT1、VT2管有无信号输入，IB3恒定，IC3恒定，所以VT3称为恒流管。 由于IC3恒定，IE3恒定，则IE0，这时动态电阻rd为 rd 33EEIU图5-10三、差动式放大电路的 输入输出方式1双端输入双端输出 2.单端输入双端输出 3.

13、 .单端输入单端输出 4.双端输入单端输出 由于差动式放大电路有两个输入端，两个输出端，所以信号的输入和输出有四种方式，这四种方式分别是双端输入双端输出、双端输入单端输出、单端输入双端输出、单端输入单端输出。实际应用中根据不同需要可选择不同的输入、输出方式。 1双端输入双端输出 电路如图5-11所示，其中，差模电压放大倍数为 Aud 式中 beSLrRR/R RC/(RL/2)/L 输入电阻 输出电阻 此电路适用于输入、输出不需要接地， 对称输入、对称输出的场合。 ri2(RS+rbe) r02RC图5-112.单端输入双端输出 如图5-12所示，信号从一只管子的基极与地之间输入，另一只管子的基极接地，表面上似 乎两管不是工作在差动状态，但是，若将发射极公共电阻RE换成恒流源，那么，IC1的任何增加将等于IC2的减少，也就是说，输出端电压的变化情况将和差动输入（即双端输入）时一样。此时，VT1、VT2管的发射极电位UE将随着输入电压Ui而变化，变化量为，因此，单端输入的实质还是双端输入，其Ad、ri、r0的估算与双端输入双端输出的情况相同。 此电路适用于将单端输入转换成双端输出的场合 。图5-123. .单端输入单端输出 图5-13为单端输入单端输出的接法。信号只从一只管子的基极与地之间接入，输出信号从一只管子的集电极