差动放大电路课件1

5.2.1

概述

在一些超低頻及直流放大電路中，放大電路的級間耦合必須採用直接耦合方式；在積體電路中，製作大容量的電容是比較困難的，因此各級電路間的耦合都採用直接耦合方式。但由於零漂或溫漂，特別是第一級電路的靜態工作點有微小變化，則經過後級電路的放大，將使輸出端的電壓遠遠偏離零點。因此，如何抑制零漂就成為提高直接耦合放大電路性能所必須要解決的首要問題。下麵的討論將會告訴我們，抑制零漂最為有效的方法就是使用差動放大電路，該電路也是集成運算放大器的輸人級電路。本節將專門討論差動放大電路的結構及其抑制零漂的原理。

1共模抑制比反映抑制零漂能力的指標差分式放大電路中的一般概念根據1、2兩式又有差分式放大電路輸入輸出結構示意圖+-ui1+-ui2+-uo1差放uo2+-+-uid+-uo差模信號共模信號

差模電壓增益共模電壓增益總輸出電壓25.2.2

基本的差動放大電路

1.電路特點

電路如圖5-9所示，由兩個完全對稱的單管放大電路組成。圖中Rb1l=Rbl2、Rb21＝Rb22、RC1＝RC2、R1=R2，且VT1、VT2的特性相同。uI是輸入信號電壓，它經R1、R2分壓為uI1和uI2，分別加到兩管的基極(稱為雙端輸入)；uO是輸出電壓，它為兩管輸出電壓之差，即uO＝uO1－uO2(稱為雙端輸出)。

圖5-9基本差動放大電路及差模輸入方式

32.抑制零漂的原理

因為VT1、VT2完全對稱，所以在沒有加輸入信號即uI＝0時，ICQ1＝ICQ2，uO1=uO2，則輸出電壓uO＝0。當電源電壓波動或溫度變化時，兩管同時發生漂移，由於電路的對稱性，總有uO1=uO2，故uO＝uO1－uO2仍為零。這就說明，零點漂移因相互補償而抵消了。顯然，這種差動放大電路兩邊的對稱性越好，其抑制零漂的效果就越好。

3.放大倍數（1）差模放大倍數Aud

在圖5．9中，因為R1=R2，故、，分別輸入VT1管和VT2管的基極，這種輸入信號方式稱為差模輸入。uI1和uI2是兩個大小相等、極性相反的信號電壓，即uI1=－uI2，所以稱uI1和uI2為差模信號。

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放大電路以差模信號輸入時，有△uId＝△uI1－△uI2=2△uI1，此時，放大電路輸出有△uO1=－△uO2，則△uOd=△uO1－△uO2=2△uO1。設兩個單管放大電路的放大倍數為Au1、Au2，顯然Au1＝Au2。則整個差動放大電路的放大倍數為

由上式可見，差動放大電路採用雙端輸入、雙端輸出時，它的差模放大倍數與單管放大電路的放大倍數相同。所以，我們只要求出其中一個單管放大電路的放大倍數即可求得差動放大電路的Aud。也可以這樣講，差動電路多用了一個放大管，是為了換來對零漂的抑制作用。

5（2）共模放大倍數Auc

如圖5-10所示，此時兩管輸入信號uI1=uI2=uIC，它們是大小相等、極性相同的信號，稱為共模信號，這種輸入方式稱為共模輸入。因為兩邊電路完全對稱，所以△uO1=△uO2，則△uOC=△uO1－△uO2=0圖5-10差動放大器的共模輸入方式

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一個完全對稱的差動放大電路，它的共模放大倍數為

實際的差動放大電路不可能兩邊完全對稱，Auc並不為0，但通常很小。圖5-10中，如當外界的干擾信號同時從兩管基極輸入時，就相當於共模輸入，再如由於溫度變化，造成兩管產生同樣的零漂電壓，也相當於在輸入端加入共模信號。由上面分析可知，差動放大電路不能放大共模信號，Auc很小，所以能有效抑制共模信號的干擾，這就是差動放大電路抑制共模信號或溫漂的原理。

74.共模抑制比KCMR

所謂共模抑制比，就是差動放大電路的差模放大倍數與共模放大倍數之比的絕對值，即

用分貝來表示，有

共模抑制比是衡量差動放大電路性能優劣的重要指標之一。共模抑制比越大，說明放大電路對共模信號的抑制能力越強，電路受共模信號干擾的影響越小，放大電路品質越好。

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圖5-11所示為帶射極公共電阻Re的差放電路，也叫長尾式差動放大器。它由兩個完全相同的單管共射極電路組成。差動式放大電路有兩個輸入端，兩個輸出端，要求電路對稱，即T1、T2的特性相同，外接電阻對稱相等，Rc1=Rc2，各元件的溫度特性相同。特點：電路對稱，射級電阻共用，或射級直接接電流源（大的電阻和電流源的作用是一樣的）,有兩個輸入端，有兩個輸出端。5.2.3

射極耦合差動放大電路

圖5-11基本差分式放大電路1.電路特點9

2.靜態分析靜態時Ui1=Ui2=0。由於電路左右對稱，輸入信號為零時，IC1=IC2，UC1=UC2，則輸出電壓Uo=ΔUC1-ΔUC2=0

當電源電壓波動或溫度變化時，兩管集電極電流和集電極電位同時發生變化。輸出電壓仍然為零。可見，儘管各管的零漂存在，但輸出電壓為零，從而使得零漂得到抑制。10

3.動態分析（1）共模信號的抑制和共模放大倍數Aud1)

共模信號抑制原理

雙端輸出的共模信號抑制情況與基本差動放大電路一樣。

若以VTl管集電極Cl（或VT2管集電極C2）對“地”電壓uOl（或uO2）作為輸出（稱之為單端輸出），則在溫度變化時，將會有一定的輸出漂移電壓ΔuOl（或ΔuO2）。但是由於射極公用電阻Re的電流負回饋作用很強，抑制共模信號的效果仍然比較好，抑制過程可表示如下：

11Re越大，負回饋作用越強，抑制共模信號的效果越好。但是，隨著Re的增大，Re上的直流壓降也越大，VTl和VT2的管壓降也就越小，從而影響了電路的靜態工作點和輸出信號的動態範圍。為此，在電路中引入了一個負電源UEE來補償Re上的直流壓降，以保證兩管的靜態電壓為正常值，同時輸出電壓變化範圍也不受影響。

2)

共模放大倍數

首先求單端輸出時的共模放大倍數。

圖5．12為兩管輸入共模信號電壓時的等效電路，因為兩管電流同時增大ΔiC(ΔiC≈ΔiE)，所以公用電阻Re中的電流增量為Δ2iE，由此可得電壓方程為

12所以單端輸出時共模電壓放大倍數為

圖5-12共模輸入時的等效電路

13

可見，Re越大，Auc1越小，抑制共模信號的能力越強。而雙端輸出時，由於ΔuOC=ΔuOC1－ΔuOC2=0。所以差動放大電路在雙端輸出時，若電路參數完全對稱，則共模電壓放大倍數為零。

（2）差模放大倍數Aud和輸入、輸出電阻1)

雙端輸入、雙端輸出電路

輸入差模信號時，一管集電極電流增加ΔiC1(≈ΔiE1)，另一管集電極電流減少ΔiC2(≈ΔiE2)，在電路完全對稱的條件下，一管電流的增加量必等於另一管的減少量，所以Re兩端的電壓仍然不變，故兩管的公共發射極電位恒定，即Re對差模信號不起電流負回饋作用。由此可得雙端輸入、雙端輸出的差模等效電路如圖5．13所示。

14先不考慮接入負載RL的情況，由等效電路可得

圖5-13差模輸入時的等效電路

15輸出電壓為

則差模電壓放大倍數為

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當在兩個三極管集電極之間接人負載電阻RL時，由於輸入差模信號使得一管集電極電位降低，另一管集電極電位升高，可以認為RL中點處的電位保持不變，也就是說，在RL/2處相當於交流接地。當考慮RL時，上式應改為

可見，雙端輸入、雙端輸出的差動放大電路的電壓放大倍數與單管放大電路相同。即用成倍元器件為代價，換來對共模信號的抑制效果。

差模輸入電阻為Rid=2(Rb＋rbe)兩管集電極之間的輸出電阻為Ro=2Rc172)雙端輸入，單端輸出差模電壓增益差模電壓增益為：

，為單管電路的電壓增益的一半。圖5-14雙入單出差模交流通路18

由於兩管集電極電位總是向相反方向變化的，所以改成VT2集電極輸出時，則輸出電壓將與輸入電壓同相，即電壓放大倍數的運算式中沒有負號。

差模輸入電阻和輸出電阻為

Rid=2(Rb＋rbe)Ro=Rc（2）共模抑制比KCMR

在理想狀態下，差動放大電路兩側的參數完全對稱，兩管輸出端的共模信號相等，則雙端輸出電路的共模電壓放大倍數為0，共模抑制比KCMR=∞。

對於單端輸出的差動電路，根據式(5-17)和式(5-23)可得共模抑制比為公用射極電阻Re越大，抑制共模信號的能力越強。

195.2.4

恒流源式差動放大電路

為了獲得較大的KCMR，同時又不使UEE值過高，可採用三極管恒流源代替Re，這就構成了恒流源式差動放大電路，如圖5-15（a）所示。電路中的VT3、R1、R2和R3組成恒流源電路代替原來的公用電阻Re。

由於恒流源的動態電阻(rce=ΔuCE／ΔiC)很大，通常為幾百千歐，故可大大提高差動放大電路的共模抑制比KCMR。有時，為了簡化起見，常常不把恒流源式差動電路中恒流管VT3的具體電路畫出來，而採用一個簡化的恒流源符號來表示，如圖5-15(b)所示。20圖5-15恒流源式差動放大電路a)恒流源式差動放大電路b)用恒流源表示VT321

根據差分式放大電路輸入輸出端口的接法不同，可以有四種工作方式如圖5-16所示：雙端輸入、雙端輸出（雙----雙）；雙端輸入、單端輸出（雙----單）；單端輸入、雙端輸出（單----雙）；單端輸入、單端輸出（單----單）。5.2.5

差動放大電路的輸入、輸出連接方式

22圖5-16差動放大電路四種接法

(a)雙入雙出(b)雙入單出(c)單入雙出(d)單入單出23

5.2.6

差動放大電路的傳輸特性

傳輸特性就是差動放大電路的輸出差模信號隨輸入差模信號變化的曲線，我們可以利用BJT的be結存在的關係式（）求出集電極電流ic1，ic2=f(vid)的關係，即可得到如圖5-17中實線所示的傳輸特性。從傳輸特性可看出：

（1)當時，，即，電路處於靜態工作狀態，在曲線的Q點。

(2)uid在0~±VT範圍內，當uid增加時，增加，減小，、與uid

間呈線性關係，放大電路工作在放大區。前面討論的差動放大電路的工作狀態均局限於這個區域，如圖中用虛線表示的線性區間。

24(3)當≥4VT，即超過±100mV時，曲線趨於平坦。當增大時，一管電流趨於飽和值，另一管電流趨於0，此時電路工作在特性的非線性區。差動放大電路呈現良好的限幅特性。

(4)為了擴大傳輸特性的線性工作範圍，可在兩管的發射極上分別串接電阻Re1=Re2=Re來改善，利用Re的電流負回饋作用，減小電路的增益，使傳輸特性曲線斜率減小