南邮模电 第四章 差动放大电路和功率放大电路

RC
＋
V1 ＋ Uid1 － －
Uid2
V2
Uid=Uid1-Uid2
－
＋
11
图4―13基本差动放大器的差模等效通路
U od 1. 差模电压放大倍数 Aud U id 在双端输出时 U od U od 1 U od 2 2U od 1 2U od 2
U id U id1 U id 2 2U id1 2U id 2
＋
~ U i1 U i 2 2 ~ U i1 U i 2 2
~
RE －UEE

U i1 U i 2 2 2
~ U i1 U i 2
32
双端输出时： Uo AudUid Aud (Ui1 Ui 2 )
1 单端输出时： U o1 AudU id Auc (单)U ic 2 1 U o 2 Aud U id Auc (单)U ic 2
6
图4―12 基本差动放大器
RC UC1 U i1 ＋ V1
RL Uo － V2
RC UC2
U CC
U CE1Q U CE 2Q U CC 0.7 I C1Q RC
U C1Q U C 2Q U CC I C1Q RC
静态时，差动放 大器两输出端之 间的直流电压为 零。
7
34
六、放大电路的四种接法

差动放大电路有两个输入端和两个输出端， 所以信号的输入端和输出端有四种不同的连 接方式，即（1）单端输入，单端输出；（2） 双端输入，双端输出；（3）单端输入，双端 输出；（4）双端输入，单端输出。图4.2.6 给出了电路图。
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（a）双端输入、双端输出 （b）双端输入、单端输出
RL
RC
UC2
UCC
＋ U － o V1 V2
RE UEE －
工作原理是：当输入信 号Ui=0时，则两管的电 流相等，两管的集点极 电位也相等，所以输出 电压Uo=UC1-UC2=0。 温度上升时，两管电流 均增加，则集电极电位 均下降，由于它们处于 同一温度环境，因此两 管的电流和电压变化量 均相等，其输出电压仍 然为零。
当Aud Auc (单)时：
1 1 U o1 AudU id Aud (U i1 U i 2 ) 2 2 1 1 U o 2 AudU id Aud (U i1 U i 2 ) 2 2
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在实际应用中，当只有一路信号源接到差动
放大器的两个输入端时：
如两端都不接地，这种接法称为双端输入； 如信号源一端接地，这种接法称为单端输入。
Uod Uod 1 Uod 2 RL 所以 Aud Uid Uid1 Uid 2 rbe
式中： R ' R 1 R L C L 2 结论：双端输出时的差模电压放大倍数等于单 边共射放大器的电压放大倍数。
12
单端输出时:
RC UC1 U i1 U i2 ＋ RC UC2 U CC
第四章 差动放大电 路和功率放大电路
1
差动放大电路
4.1 零点漂移现象
1.静态时，由于温度变化，电源波动等因素 的影响，会使工作点电压(即集电极电位)偏离设
定值而缓慢地上下飘动。
2
2. 对直接耦合放大电路，这种飘动会逐级放 大，会使后级放大器进入截止和饱和， 这样整 个电路将无法正常工作。 3.差动放大器电路能有效地克服零点漂移。
通常满足(1+β)2RE>>rbe，所以上式可简化为
RC Auc ( 单） 2 RE
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结论：由于射极电阻2RE的存在，使单端输出时的
共模电压放大总倍数大为减小。即差动放大器对共 模信号不是放大而是抑制，且RE↑→抑制作用越强。
差动电路能够克服零点漂移现象的根本原因：
共模信号一般指由于外界影响（β，T，
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室温下，当两管的射极电流相差10倍时：
U BE1 U BE 2 I E1 UT ln IE2 UT ln 10 60m V
仅为此时两管UBE电压(>0.7V)的10%。因此，
UBE1≈UBE2。
U BE1 I E1R1 U BE 2 I E 2 R2
I E1R1 I E 2 R2

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二、差模放大特性
U i1
＋ Uid1 － － Uid2 ＋
RC
UC1 ＋ V1
RL Uo － V2
RC
UC2
U CC
Uid=Uid1-Uid2
RE －UEE
U i2
RE上只有静态电压，而不产生差模信号电压。
双端输出时，负载RL的中点电位为0。
10
RC ＋ Uod ＋ RL RL Uod1 2 2 － － ＋ Uod2 －
UCE2Q≈- UC1Q+0.7
8
4.2.3 差动放大电路的动态分析
一、 输入信号的类型
（1）差模输入信号 在放大器两输入端分别输入大小相等、 相位相反的信号，即 ui1=-ui2时，差模输入信号用uid来表示。ui1=-ui2=1/2uid （2）共模输入信号 在放大器两输入端分别输入大小相等、相位相同的信号， 即ui1=ui2时，共模输入信号常用uic来表示。 ui1=ui2=uic （3）输入任意大小信号 放大器两输入端输入大小不相等时，将其分解成一对差-模信 号和一对共模信号。 uid = ui1-ui2 uic =1/2( ui1+ui2)
RC
UC1
＋
RL ＋
RC
－ UC2
U CC
V1
Uo
V2
＋
U i1
~
RE
－UEE
~
U i2
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U i1 U i 2 U i1 U i 2 U i1 U id1 U ic1 2 2 U i1 U i 2 U i1 U i 2 Ui2 U id 2 U ic 2 2 2
' R 式中： L RC RL
14
RE
结论：单端输出时的差模电压放大倍数为单边共
射电路电压放大倍数的一半，且两输出端信号的
相位相反。
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2. 差模输入电阻
RC ＋ Uod ＋ RL RL Uod1 2 2 － － ＋ Uod2 － RC
Iid
＋
V1
V2
Uid1
－
Uid2
Rid
Uid 2Uid1 2rbe I id I id
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3. 差模输出电阻
RC ＋ Uod ＋ RL RL Uod1 2 2 － － ＋ Uod2 － RC
Iid
＋
V1
V2
Uid1
－
Uid2
双端输出时为 单端输出时为
Rod 2RC
Rod (单） RC
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三、共模抑制特性
RC UC1
U ic1 ＋ － －
RL
＋ V1 Uo － V2
RC UC2
U i1 U i 2 共模信号：U ic1 U ic2 U ic 2 U i1 U i 2 差模信号：U id1 U id 2 2
差模输入电压： Uid Uid1 Uid 2 Ui1 Ui 2
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RC UC1
＋
RL
＋ V1 Uo － V2
RC UC2
U CC
U i2
RE －UEE
图4―12 基本差动放大器
静态电流IBQ1=IBQ2，从而ICQ1=ICQ2
即：
由于输出回路的不对称性，使得两 管UCEQ各不相同，此时 UCEQ2≈UCC+0.7-ICQ1RC与双端输出时相 同。对于UCEQ2，求解较复杂。首先由 节点UC1，根据流入节点电流等于流 出节点电流列方程：
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1.共模电压放大倍数Auc
双端输出时的共模电压放大倍数
U oc U oc1 U oc 2 Auc 0 U ic U ic
单端输出时的共模电压放大倍数
Auc (单） U oc1 U ic 或 Auc (单） U oc 2 U ic U oc1 U oc 2 RC Auc (单） U ic U ic rbe (1 )2 RE
36
37
P79 例4.2
38
4.3 电流源电路及具有电流源的差动 放大电路
4.3.1 电流源电路 电流源电路是提供恒定电流的一类电子线路， 是组成集成运放的基本单元电路，主要作用 是为放大电路提供稳定的偏置电流，或作为 放大电路的有源负载。

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一、镜像电流源
UCC Rr IC1 V1 Ir
U CC
UiC
U i1
RE －UEE
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U i2
U ic2
＋
共模等效通路 对共模信号而言，每个管子的射极相当 于各接有2RE的电阻 双端输出时，负载RL上的电流为零，相当 于RL开路。
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RC Uo c1 ＋ Uic － 2RE ＋ V1 Uoc － V2
RC Uoc2
2 RE
图4―14 基本差动放大器的共模等效通路
U BE1 I E1R1 U BE 2 I E 2 R2
I E1 U BE1 U T ln I S1 IE2 U BE 2 U T ln IS2 I S1 I S 2R1ຫໍສະໝຸດ U BE1 U BE 2
I E1 U T ln IE2
图4―6比例电流源
IE2 U T ln I E1
4.3.1（b）
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集成电路中多路镜像电流源的实现
UCC
V1 Rr Ir IC1 IC2 IC3 R r Ir V2 UCC V3 IC2 IC3
(a)三集电极横向PNP管电路
(b)等价电路
图4―5多集电极晶体管镜像电流源
42
三、比例电流源
UCC Ir Rr IB1 V1 IE1 － ＋ UBE1 IB2 ＋ UBE2 － R2 V2 IE2 IC2
UCC），引起工作点的漂移，折算到输入端就是一
种共模信号，双端输出时，只要对称性好，则 UOC=0，可以完全抑制外界的干扰。单端输出时，
由于RE的调节作用使输出大为减少。
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RC
RC ＋ V1
Uoc1 ＋
Uic －
Uoc
－ V2
Uoc2
2RE
2 RE
2. 共模输入电阻
U ic U ic Ric I ic 2 I ic1 1 rbe ( 1 )2 RE 2
K CMR (单)
Aud (单) Auc (单)

RE RL rbe RC
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KCMR实质上是反映实际差动电路的对称性。 理想情况下：在双端输出理想对称的情况下，
Auc=0， KCMR→∞。
为了定量分析，通常用单端输出的KCMR。
25
26
27
28

29
四、对任意输入信号的放大特性
问题：为何增加该连线？
IC2
I C 2 I C1 I r 2 I B1 Ir 2
IC 2
I C1
1
V2
1I r Ir 1 2
( 1 1)
图4―3 镜像电流源
UCC U BE UCC Ir Rr Rr
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电流源电路的电路符号如图4.3.1（b）， 其中ro为交流输出电阻，镜像电流源的 ro=rce2，由于rce很大，因此镜像电流源输出 电流恒定
3
零点漂移衡量指标：等效输入漂移电压ΔUip
UCC RB
等效输入
漂移电压
RC ΔUC
输出漂移电压
+
_
U C ΔUip = Au
等效输入漂移电压限制
了放大器所能放大的最
小信号。
图4―11 放大器的零点漂移
4
4.2差动放大电路的工作原理及性能分析
4.2.1差动放大电路的工作原理

RC
UC1 Ui1 Ui2
5
4.2.2差动放大电路的静态分析
U CC
当Ui1=Ui2=0时
U E U BE 0.7V
RC UC1 ＋
RL
RC － UC2
则流过RE的电流I为
U i1
U i2
V1
Uo
V2
U E (U EE ) I RE U EE 0.7 RE
RE －UEE
故有
I C1Q I C 2Q I E1Q I E 2Q 1 I 2
3.共模输出电阻
双端输出时为
单端输出时为
Roc 双 0 Roc (单） RC
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三、共模抑制比KCMR
差模：需要放大的有用信号，尽可能的放大。
共模：无用的干扰信号，需要抑制。
为了衡量差动放大电路对差模信号的放大和对共
模信号的抑制能力，通用共模抑制比来衡量。
KCMR Aud Auc KCMR Aud 20lg Auc (dB)
RL V1
Uo －
V2
RE
－UEE
信号只从一端输出。
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RC
UC1
RC ＋
RL V1 U od － V2 UC2
Uid=Uid1-Uid2 U i1
U i2
' U od 1 U od 1 1 1 RL Aud ( 单） Aud U id 2U id1 2 2 rbe ' U od 2 U od 2 1 1 RL Aud 或 Aud ( 单） U id 2U id 2 2 2 rbe