差分放大电路
差分放大电路和集成运算放大器
差分放大电路的应用
差分放大电路广泛应用于各种模拟电路中，如 音频信号处理、通信系统、测量仪器等。
在高速数字电路中，差分信号传输可以有效地 抑制电磁干扰（EMI），因此差分放大电路也 常用于高速数据采集和传输系统。
工业自动化领域
工业自动化领域对于高精度、高速的信号处理需求越来越大，差分放大 电路和集成运算放大器将在该领域发挥更大的作用，如运动控制系统、 过程控制系统等。
面临的挑战与机遇
技术创新
随着电子技术的不断发展，差分 放大电路和集成运算放大器需要 不断创新，以满足更高的性能要
求。
应用领域的多样化
随着应用领域的不断拓展，差分放 大电路和集成运算放大器的应用场 景将更加多样化，需要不断适应新 的应用需求。
应用比较
差分放大电路
差分放大电路适用于需要抑制共模信号和噪声的应用场合，如信号放大、差分信号传输、模拟电路中的减法器和 微分器等。
集成运算放大器
集成运算放大器适用于各种模拟信号处理和控制电路，如放大器、滤波器、比较器和振荡器等。
优缺点比较
差分放大电路
差分放大电路的优点在于其高共模抑制比和低噪声性能，能够有效地抑制共模信号和噪声，提高电路 的抗干扰能力。此外，差分放大电路还具有高输入阻抗和低输出阻抗的优点。然而，差分放大电路的 成本较高，体积也较大。
另外，由于差分放大电路具有低噪声和高共模 抑制比的特点，因此在高精度测量和自动控制 系统中也得到了广泛应用。
CHAPTER 02
集成运算放大器
集成运算放大器的基本概念
集成运算放大器（简称运放） 是一种高放大倍数的集成电路， 能够实现对微弱信号的放大和 处理。
差分放大电路
差模电压放大倍数Aud为： Aud=uod/uid=2uo1/2ui1=Aud1=-βRL//rbe，(RL/=RC//(RL/2) (2)输入电阻Rid为: (3)输出电阻Ro为: Rid=2rbe， Ro=2RC
(4) 共模电压放大倍数 差分放大电路共模输入时电路如图3-4所示 Avc定义为：
vi1 vi 2 vi vic 2 2
vid1 vid 2 vi1 vi 2 vi 2 2
变换后的电路如图3-6b) 所示。进行这样的变换后， 图3-6 单端输入双端输出差分放大电路 电路便可以用双端输入的方 式进行分析。
5.共模抑制比 差分放大电路很难做到电路完全对称，并且Re不可能无穷 大，故Auc不为0。因此，零点漂移不能完全被克服，但将受到 很大的抑制。 在实际应用中，为了衡量差放抑制共模信号的能力（抑 制零漂的能力），制定了一项技术指标，称为共模抑制比 （KCMR）。
3. 电压放大倍数
差模电压增益
共模电压增益
uo Aud = u id uo Auc = u ic
其中
uo
——差模信号产生的输出
——共模信号产生的输出 uo
总输出电压
【例3-2】设有一个理想差 动放大器，已知：ui1=25mV， ui2=10mV，Aud=100，Auc=0。 求差模输入电压uid；共模输 入电压uic；输出电压uo。 解; uid=ui1-ui2=15mV uic=(ui1+ui2)/2=35/2=17.5m V uo=Auduid+Aucuic =100×15+0×17.5 =1500mV
I C3 I E3 VR 2 (VBE3 VBE3 (VR 2 VBE3 ) VBE3 R3 R3
《差分放大电路》课件
电源稳定性测 试：测量差分 放大电路的电 源稳定性，确 保其符合设计
要求
差分放大电路的调试与测试实例
测试目的：验证差分放大电路的性 能和稳定性
测试项目：输入信号、输出信号、 增益、相位、噪声等
添加标题
添加标题
添加标题
添加标题
测试方法：使用示波器、信号发生 器等仪器进行测试
测试结果分析：根据测试结果，分 析电路的性能和稳定性，找出存在 的问题并解决。
应用案例1：在 数字音频处理 中的应用，提
高音质
应用案例2：在 数字图像处理 中的应用，提 高图像清晰度
应用案例3：在 数字通信中的 应用，提高通
信质量
应用案例4：在 数字信号处理 中的其他应用， 如信号滤波、
信号放大等
差分放大电路在其他领域中的应用案例
音频信号处理：用于音频信号的放大和滤 波
医疗设备：用于医疗设备的信号放大和滤 波
添加标题
添加标题
添加标题
添加标题
差分放大电路的主要特点是具有较 高的共模抑制比和较低的噪声。
差分放大电路的基本结构包括输入 级、中间级和输出级。
差分放大电路的特点
输入信号为 差模信号
具有较高的 共模抑制比
输出信号为 差模信号
具有较高的 增益和带宽
差分放大电路的应用
信号处理：用于处理模拟信号，如 音频、视频等
稳定性优化：通过优化电路参数，提高电路的稳定性，如调整反馈系数、调整电路参数等。
差分放大电路的设计方法
差分放大电路的设计原则
输入阻抗匹配：确保输 入信号不受干扰
输出阻抗匹配：保证输 出信号的稳定性
共模抑制比：提高电路 的抗干扰能力
带宽：满足信号处理需 求
差分放大电路
（3）共模抑制比KCMR 在双端输出时，共模电压放大倍数，所以
KCMR是一个无穷大的数值，在单端输出时，可以 得到：
KCMR=
1.3 其他接法的差分放大电路
上节中的长尾式差分放 大电EE也要增大，这在集成 电路中不易实现；为了克服 这种困难，可以采用一个电 流源来代替Re。
基极电位为零。
IE＝
≈IC
UCC－（-UEE）＝ICRC+2IERe+UCE
UCE＝
3．抑制零点漂移的原理
静态时，ui1＝ui2＝0，即uid=0，由于电 路完全对称，UC1＝UC2，所以，uo=0，实现 了零输出。
当电源电压波动或者环境温度发生改变 时，两管的集电极电流和集电极电压将同时 发生同样的改变。其效果相当于在两个输入 端加入了共模信号，由于电路的对称性，在 理想的情况下，输出电压仍然保持不变，从 而抑制了零点漂移。
即可以有效的抑制零点漂移，提高共模 抑制比，同时发射极又不要求过高的负电压， 因此在集成电路中广为采用。
模拟 电子 技术 基础
（2）共模信号
双端输出
若输入信号为共模信号，即ui1＝ui2＝uic，称为共 模信号输入，由于两管的电流的变化方向一致，对电 阻Re而言，相当于每个管子发射极上面接了2Re的电 阻，双端输出时，由于电路对称，uo＝uc1－uc2＝0， 电压放大倍数为
单端输出 在单端输出的情况下，电压放大倍数为两个管子
在电路理想的情况下，输出信号电压可以表示为 uo＝AUD（ui1－ui2）＝AUDuid
通常称差模信号是两个输入信号之差，共模信号 是两个输入信号的算术平均值；分别表示为
uid＝ui1－ui2 uic＝（ui1＋ui2）/２
差分放大电路
差分放⼤电路6.1集成电路运算放⼤器中的电流源1．基本电流源 分压式射极偏置电路为基本电流源电路。
当三级管⼯作在放⼤区，由于射极电流仅由两分压电阻决定， 因此当负载发⽣变化（也即集电极电阻发⽣变化），输出电流（即集电极电流）保持不变，体现了恒流特性。
2．有源负载 由于电流源具有直流电阻⼩⽽交流电阻⼤的特点，因此在模拟集成电路中，常把它作为负载使⽤，称为有源负载。
3．电流源的应⽤（1）为集成运放各级提供稳定的偏置电流；（2）作为各放⼤级的有源负载，提⾼电压增益。
6.2差分式放⼤电路主要作⽤：作为多级放⼤电路的输⼊级，抑制零点漂移。
⼀、基本差分放⼤电路电路特点：由两个互为发射极耦合的共射电路组成，电路参数完全对称。
它有两个输⼊端，两个输出端，当输出信号从任⼀集电极取出，称为单端输出，⽽当从两个集电极之间取出，则称为双端输出或浮动输出。
1．差分式放⼤电路的类型：按输⼊和输出的⽅式分为：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。
2．静态分析 静态是指⽆外输⼊信号时电路所处的状态。
因此，在进⾏静态分析时，应把输⼊信号置零，即输⼊端短路。
共⽤电阻Re在半电路中应等效为2*Re。
3．动态分析（1）差模信号与共模信号 在讨论差分放⼤电路的性能特点时，必须先区分差模信号和共模信号这两个不同的概念，因为差分放⼤电路对差模信号和共模信号具有完全不同的放⼤性能。
⼀对任意数值的输⼊信号可以⽤差模信号和共模信号来表⽰。
通常，可以认为，共模信号是由⼀对幅值相等、极性相同的输⼊信号组成，差模信号是由⼀对幅值相等、极性相反的输⼊信号组成。
（2）垂直对称⽹络的⼆等分 垂直对称⼆端⼝⽹络，当在两输⼊端分别加上幅值相等、极性相同的信号和幅值相等、极性相反的输⼊信号时，其垂直对称线上分别等效为开路和对地短接。
这样，⼀个⼆端⼝⽹络变分解为两个半⽹络。
（3）差模信号输⼊ 将差分放⼤电路分解为两个半电路，在半电路中：双端输⼊：共⽤电阻Re短接或恒流源交流短接；单端输⼊共⽤电阻Re或恒流源开路。
差分放大电路公式(一)
差分放大电路公式(一)差分放大电路公式1. 差动增益公式•差动放大器的增益定义为差模输入电压与差模输出电压的比值：Ad = (Vout+ - Vout-) / (Vin+ - Vin-)•其中，Vin+和Vin-分别表示正输入与负输入的电压，Vout+和Vout-分别表示正输出与负输出的电压。
2. 共模增益公式•共模放大器的增益定义为共模输入电压与共模输出电压的比值：Ac = (Vout+ + Vout-) / (Vin+ + Vin-)•其中，Vin+和Vin-分别表示正输入与负输入的电压，Vout+和Vout-分别表示正输出与负输出的电压。
3. 差模增益与共模增益比值公式•增益差值定义为差动增益与共模增益的比值：CMRR = Ad / Ac•其中，CMRR表示共模抑制比（Common Mode Rejection Ratio）。
4. 差模输入电阻公式•差模输入电阻定义为差模输入电压与差模输入电流的比值：Rin = (Vin+ - Vin-) / Iin•其中，Vin+和Vin-分别表示正输入与负输入的电压，Iin表示差模输入电流。
5. 差模输出电阻公式•差模输出电阻定义为差模输出电压变化与差模输出电流变化的比值：Rout = dVout / dIout•其中，dVout表示差模输出电压变化，dIout表示差模输出电流变化。
举例说明假设我们有一个差分放大电路，如下图所示：R1 R2Vin+ -----/\/\/\/\------|---- RL| |Vin- -----/\/\/\/\------ VoutR3 R4其中，R1、R2、R3、R4为电阻，Vin+和Vin-为正输入与负输入的电压，Vout为输出电压。
我们可以根据上述公式计算出该差分放大电路的性能指标：1.差动增益（Ad）：根据差分放大电路公式，我们可以测量Vin+和Vin-的变化，并记录Vout+和Vout-的变化，然后计算出Ad的值。
差分放大电路
+Vcc
R3
R4 +15V
15k + Vo - 15k
RL 10k
+ R1 Vi 1k
T1
T2
R2
1k
-
Re 1K
差动放大电路
当两个输入端并接到一起，
且加入共模信号Vic时，
Vc1
Vc2
R1
rbe
Rc
(1
)2Re
Vic
即仍有Vo=Vc1−Vc2=0V，
+Vcc
R3
R4 +15V
15k + Vo - 15k
端信号中不同的部分
差分放大电路——一般结构
1、差模信号和共模信号的概念 ＋
vi1 ＋
＋
+vid/2
差模电压增益
Avd
=
vo vid
＋ vic
－
－
－
vid
-vid/2
＋
－
差放
vo －
vi2
vo ——差模信号产生的输出 差分式放大电路输入输出结构示意图
共模电压增益
Avc
=
vo vic
vo ——共模信号产生的输出
差分放大电路——一般结构
1、差模信号和共模信号的概念
差模信号
vid = vi1 vi2
共模信号
+
+-vid
vi1
+
vi2
--
差放
+-vo
+
+
vo1
vo2 -
-
vic
=
1 2
(vi1
vi2 )
差分式放大电路输入输出结构示意图
差分放大电路详解
VCC
ICQ (Rc
∥ RL )
UCQ2 VCC ICQ Rc
1、 双端输入单端输出：差模信号作用下的分析
Ad
1 2
(Rc ∥ RL ) Rb rbe
Ri 2(Rb rbe )，Ro Rc
1、 双端输入单端输出：共模信号作用下的分析
Ad
1 2
(Rc ∥ RL ) Rb rbe
Ac
Rb
2、单端输入双端输出
在输入信号作用下发射极 的电位变化吗？说明什么？
共模输入电压 差模输入电压
输入差模信号的同时总是伴随着共模信号输入：
uId uI，uIc uI / 2
2、单端输入双端输出
问题讨论：
1、UOQ产生的的原因？ 2、如何减小共模输出 电压？
静态时的值
uO
Ad
uI
Ac
uI 2
改进后的差分放大电路，在差模信号作用下，流经Re 的电流变化为0，Re对差模信号没有反馈作用，相当 于短路，可以提高对差模信号的放大能力
对电路进一步简化，并实现信号源和电源的共 地得到经典的长尾式放大电路
电路参数理想对称
在理想对称的情况下： 1、克服零点漂移； 2、零输入零输出。
三、长尾式差分放大电路的分析
2(Rb rbe )
Ac
Rb
(Rc ∥ RL ) rbe 2(1 )Re
KCMR Ro 2Rc
K CMR
Rb
rbe 2(1 )Re
2(Rb rbe )
Ro Rc
五、具有恒流源的差分放大电路
为什么要采用电流源？
Re 越大，共模负反馈越强，单端输出时的Ac 越小，KCMR越大，差分放大电路的性能越好。
BQ
差分放大电路
03 差分放大电路的分类
电压反馈型差分放大电路
电压反馈型差分放大电路通过电 压负反馈来减小输出电压的幅度，
从而减小了电路的增益。
电压反馈型差分放大电路通常具 有较低的输入阻抗和较高的输出 阻抗，适用于电流驱动能力较弱
的电路。
电压反馈型差分放大电路的优点 是稳定性好，噪声低，适用于信
号源内阻较高的应用场景。
电流反馈型差分放大电路
1
电流反馈型差分放大电路通过电流负反馈来减小 输出电流的幅度，从而减小了电路的增益。
2
电流反馈型差分放大电路通常具有较高的输入阻 抗和较低的输出阻抗，适用于电流驱动能力较强 的电路。
3
电流反馈型差分放大电路的优点是带宽较宽，响 应速度较快，适用于信号源内阻较低的应用场景。
缓冲和驱动
差分放大电路可以作为缓冲器和 驱动器，用于驱动后级电路或传 输线路，提高信号的驱动能力和 传输稳定性。
比较器
差分放大电路可以作为比较器， 用于比较两个电压或电流的大小 关系，常用于触发器、寄存器等 数字逻辑电路中。
在传感器信号处理中的应用
温度传感器信号处理
差分放大电路可以用于放大温度传感器的输 出信号，将微弱的温度变化转换为电信号， 便于后续处理和测量。
差分放大电路的特点
高增益
抑制共模干扰
差分放大电路具有很高的增益，通常在 100dB以上，因此能够将微弱的差分信号 放大到足够大的幅度。
由于差分放大电路只对两个输入信号的差 值进行放大，因此它能够有效地抑制共模 干扰，提高信号的信噪比。
宽频带
差分放大电路原理图
差分放大电路原理图
差分放大电路是一种常见的电路拓扑结构，用于将输入信号放大并增强其差分信号特性。
其原理图如下所示：
（以下仅对元件进行标注，无文字说明）
```
Vi1
│
▼
┌────────┐
┌──────┐ ──►│ │
│ │ ─│ Q1 │
Vi+ ─►│ Vin ├─┐ │ │
│ │ ├─►│ │
└──────┘ │ └────────┘
│ │
┌──────┐ │ │
│ │ ├─► ▼
Vi- ─►│ Vin ├─┐ │
│ │ ┌────────┐
└──────┘ ──►│ │
│ Q2 │
│ │
└────────┘
│
▼
Vo
```
该差分放大电路由两个输入端（Vi+和Vi-）和一个输出端（Vo）组成。
输入信号Vi1经过一个共射放大器Q1放大，而
输入信号Vi2经过一个共射放大器Q2放大，然后两个放大器
输出的信号通过负载电阻连接到输出端Vo。
通过调整输入信
号Vi1和Vi2的电压差异，可以实现对差分信号的放大和增强。
请注意，上述原理图没有标题。
原理图中各元件的具体参数和数值，以及其他详细的性能参数和计算公式等不在此范围内，因此不在原理图中进行说明。
差分放大电路
（2）动态分析
• 输入信号的分析：
• 1.共模输入信号：Ui1=Ui2大小相等，极 性 相同（无用，差动电路不能放大，是放 大 电路要抑制的）
• 2.差模输入信号：Ui1与Ui2大小相等， 极性相反（差动电路可放大）
• 3.比较输入信号：两电压无明显联系，可 分解成共模信号Uid=Ui1-Ui2;差模信号： Uic=(Ui1+Ui2)/2;
(2)双端输入，单端输出
• 不能抑制零点漂移（只有采用双端输入， 双端输出完全对称才能抑制温漂）；输入 信号没变，输出电压变为一半
• Aud=-1/2((βRc/ /Rl)/rbe) • Ri=2(Ro+rbe) • Ro=Rc • 用于集成信号的中间级，将双端输入转换
成单端输出
(3)单端输入，双端输出
• 模电路
（1），静态分析
• 若左右完全对称： • IE=UE-(-UEE)/RE
• U0=UC1-UC2=0;
• 抑制零点漂移的原理：当温度变化时，就 会引起两管集电极电流合集电极电位发生 相同的变化，即ΔΙc1=ΔΙc2, ΔUc1=ΔUc2， 即输出电压为零；可见，若差动放大电路 左右两边完全理想对称，从两管集电极之 间输出信号时，零点漂移就可以完全被抑 制。
差动放大电路指标
• 1 差模电压增益（差模电压放大倍数）：放 大电路的输出电压U0与差模输入电压Ui的 比值
• Aud=U0/Ui(Ui=Ui1-Ui2)
(1)双端输入，双端输出
• Aud=Uod/Uid=(Uc1Uc2)/(Ui1Ui2)=2Uo1/2Ui1=βR`/rbe
• (R`=Rc∕∕(Rl/2)) • Rid=Uid/Iid=2(Rb+rbe) • Ro=2Rc
差分放大电路差分放大电路的工作原理差分放大电路的
差分放大电路差分放大电路的工作原理差分放大电路的3.3差分放大电路 3.3.1差分放大电路的工作原理一、差分放大电路的组成及静态分析1、电路组成:差分放大器是由对称的两个基本放大电路通过射极公共电阻耦合构成的。
“对称”的含义是两个三极管的特性一致，电路参数对应相等。
2、电路特性:(1)差动放大电路对零漂在内的共模信号有抑制作用;(2)差动放大电路对差模信号有放大作用;(3)共模负反馈电阻Re的作用:?稳定静态工作点。
?对差模信号无影响。
?对共模信号有负反馈作用:Re越大对共模信号的抑制作用越强;也可能使电路的放大能力变差。
图1(a)电路 (b)直流通路3、静态分析V,U+IR EEBEQ1EEVU,EEBEQ1I ,EREVU,EEBEQII ,,CQCQ122REU,V,IR; U,V,IRCQ1CCCQ1C CQ2CCCQ2Cu,U -U,0oCQ1CQ2二、差分放大电路的动态分析1、差模输入与差模特性u ,–u i1i2u,u –u,2uidi1i2 i1u称为差模输入电压。
idi,–ic2c1i,I+i i,I+i,I-iC1CQ1c1 C2CQ2c2CQ1c1u,V –i R,U+ uC1CCC1CCQ1o1u,V –i R,U+ uC2CCC2CCQ2o2u,u –u,2uodC1C2o1图2差分放大电路差模信号输入(a)差模信号输入 (b)差模信号交流通路uod A,,Audud1uidR,,CA ,udrbe当图(a)所示电路中，两集电极之间接有负载电阻R时， L/ R,R//(R/2)LCL /R26mV26mV,,/Lrr(1)200(1),，，,,,，，,A ,bebbudI(mA)I(mA)rEQEQbeR= 2r ; R? 2R idbeOC例1、电路如图1所示，已知V,V,12V，R=20KΩ，R=10KΩ，R=20K CCEEECLΩ，V、V的β=β=80，U=U=0.7V，r’=200Ω。
差分放大电路差分放大电路的工作原理差分放大电路的
差分放大电路差分放大电路的工作原理差分放大电路的3.3差分放大电路 3.3.1差分放大电路的工作原理一、差分放大电路的组成及静态分析1、电路组成:差分放大器是由对称的两个基本放大电路通过射极公共电阻耦合构成的。
“对称”的含义是两个三极管的特性一致，电路参数对应相等。
2、电路特性:(1)差动放大电路对零漂在内的共模信号有抑制作用;(2)差动放大电路对差模信号有放大作用;(3)共模负反馈电阻Re的作用:?稳定静态工作点。
?对差模信号无影响。
?对共模信号有负反馈作用:Re越大对共模信号的抑制作用越强;也可能使电路的放大能力变差。
图1(a)电路 (b)直流通路3、静态分析V,U+IR EEBEQ1EEVU,EEBEQ1I ,EREVU,EEBEQII ,,CQCQ122REU,V,IR; U,V,IRCQ1CCCQ1C CQ2CCCQ2Cu,U -U,0oCQ1CQ2二、差分放大电路的动态分析1、差模输入与差模特性u ,–u i1i2u,u –u,2uidi1i2 i1u称为差模输入电压。
idi,–ic2c1i,I+i i,I+i,I-iC1CQ1c1 C2CQ2c2CQ1c1u,V –i R,U+ uC1CCC1CCQ1o1u,V –i R,U+ uC2CCC2CCQ2o2u,u –u,2uodC1C2o1图2差分放大电路差模信号输入(a)差模信号输入 (b)差模信号交流通路uod A,,Audud1uidR,,CA ,udrbe当图(a)所示电路中，两集电极之间接有负载电阻R时， L/ R,R//(R/2)LCL /R26mV26mV,,/Lrr(1)200(1),，，,,,，，,A ,bebbudI(mA)I(mA)rEQEQbeR= 2r ; R? 2R idbeOC例1、电路如图1所示，已知V,V,12V，R=20KΩ，R=10KΩ，R=20K CCEEECLΩ，V、V的β=β=80，U=U=0.7V，r’=200Ω。
差分放大电路资料
差模输出 共模输出
静态时的值
3. 任意信号的输入
输入信号既不是共模也不是差模信号：要把输
入信号分解为一对共模信号和一对差模信号，它们 共同作用在差动电路的输入端。
ui1=uic+uid
ui2=uic-uid
uic
ui1 ui2 2
uid
ui1 ui2 2
输入信号分解为差模和共模信号
例：已知输入信号 ui1=20 mv , ui2=10 mv，求共模 信号uic和差模信号uid.
电阻Ｒe不影响差模电压放大倍数！
Ri 2(Rb rbe )
Ro 2Rc
差分放大电路
4. 动态参数：Ad、Ri、 Ro、 Ac、KCMR
共模抑制比KCMR：综合考察差分放大电路放大差模信号 的能力和抑制共模信号的能力。
K CMR
Ad Ac
在参数理想对称的情况下，KCMR 。
在实际应用时，信号源需要有“ 接地”点，以避免 干扰；或负载需要有“ 接地”点，以安全工作。
由于IBQ ，Rb较小，其上的 电压降可忽略不计。
ui1 Rb1
-UBEQ
IBQ 2IEQ Re
-VEE
Rb2 ui2
I BQ1 I BQ2 I BQ ICQ1 ICQ2 ICQ I EQ1 I EQ2 I EQ U CQ1 U CQ2 U CQ
I EQ
VEE
U BEQ 2Re
+ RL/2
uod
ui1 rbe2 βIb
Rc1
RL/2
-
Rb2 (e) 交流等效电路
uod
2ic1(Rc
//
第5章差分放大电路
第5章 差分放大电路内容提要：本章介绍差分放大电路，包括差分放大电路的组成、差分放大电路的输入和输出方式、差分放大电路的静态计算和动态计算。
概述差分放大电路（简称差放）就其功能来讲，是放大两个输入信号之差。
由于它具有优良的抑制零点漂移的特性，因此成为集成运放的要紧组成单元。
在电子仪器和医用仪器中经常使用差分放大电路做信号转换电路，将双端输入信号转换为单端输出或将单端输入信号转换为双端输出。
5.1.1 差分放大电路的组成差分放大电路是一种对称结构的放大电路，差分放大电路是由两个特性相同的三极管VT 1、VT 2组成的对称电路，两部份之间通过射极公共电阻R e 耦合在一路。
在差分放大电路的电路图（图5-1-1）中。
R s1、R s2为VT 1、VT 2确信适合的静态工作点。
采纳双电源供电形式，可扩大线性放大范围。
差分放大电路的电路如图5-1-1所示。
+-i1u i2u图5-1-1 差分放大电路差分放大电路是对称电路。
对称电路的含义是两个三极管VT 1、VT 2的特性一致，电路参数对应相等。
即βββ==21BE BE2BE1U U U == be be2be1r r r ==c c21c R R R ==s s21s R R R == 5.1.2 差分放大电路的输入和输出方式差分放大电路一样有两个输入端：反相输入端和同相输入端，如图5-1-1所示。
在输入端A 输入极性为正的信号u i1，输出信号u o 的极性与其相反，称该输入端A 为反相输入端。
在输入端B 输入极性为正的信号i2u ，而输出信号u o 的极性与其相同，称该输入端B 为同相输入端。
极性的判定以图中确信的正方向为准。
信号从三极管的两个基极加入称为双端输入；信号从三极管的一个基极对地加入称为单端输入。
差分放大电路一样有两个输出端：集电极C 1和集电极C 2。
从集电极C 1和集电极C 2之间输出信号称为双端输出，从一个集电极对地输出信号称为单端输出。
差分式放大电路
IO I E 5
RE6 I E6 RE5
4. 带有源负载的射极耦合差分式放大电路
动态分析： (1)差模分析 两差分管对称， 故e点交流接地。
C1点：
2ib 3 ic 3 ic1 ( 2)ib 3 ib1 ib1 ib 3
由于对称性，所以有：
各管参数完全相同
（3）共模抑制比
K CMR Avd Avc
K CMR
Avd 20 lg Avc
dB
双端输出，理想情况 K CMR
单端输出 K CMR
A vd1 Avc1
ro
rbe
K CMR 越大， 抑制零漂能力越强
（4）频率响应
高频响应与共射电路相同，低频可放大直流信号。 P270表6.2.1 射极耦合差分式放大电路几种接法的性能指标比较
2. 有关概念 根据 vid = vi1 vi2 1 vic = (vi1 vi2 ) 2 有 v = v vid i1 ic 2 vid vi2 = vic 2
共模信号相当于两个输入 端信号中相同的部分 差模信号相当于两个输入 端信号中不同的部分 两输入端中的共模信号 大小相等，相位相同；差模信
将等式右边的第一项看作一对共模信号输入，第二项看作 是一对差模输入信号。其结果相当与差模输入与共模输入的叠 加。 1 1 vid vi1 ( vi1 ) vi1 等效于双端输入，性能指标与双 2 2 入完全相同。可见，差分放大电 1 路的性能与输入方式无关。 vic vi1 2
实际应用中，常有一端有输入另一端接地或者两输入信 号大小不相等的情况，这时均可将两输入看作差模输入和共 模输入方式共同作用之后的叠加。
Ri2 rbe3 (1 3 ) Re3 245.3K
第三章(三)差分放大电路
26 I EQ
200
5 7 .5 9
81 26 0 .2 8 5
7 5 8 9 7 .5 9 K
80
5 2 .7
R L 1 0 / /1 0 5 K
R id 2 rb e 2 7 .5 9 1 5 .2 k R od 2 RC 2 0 K
0CC
RC I CQ1
1 2 1 0 0 .2 8 5 9 .1 5(V )
rb e 2 0 0 (1 )
( 2 ) Au d R L RC / / 1 2 RL rb e
ui1 = 1.01 = 1.00 + 0.01 (V) ui2 = 0.99 = 1.00 – 0.01 (V) uid = u i1 – u i2= 1.01 – 0.99 uic = (ui1+ ui2 ) / 2 =1（V）
u i 1 u ic 1 2 u d ; u i 2 u ic 1 2 u id
I CQ1 I CQ 2
U CQ1 VCC RC I CQ1 U C Q 2 V C C R C I C Q 2 是集电极对地电位值！
（二）动态分析 1. 差模输入与差模特性 差模输入：差分放大电路的两个输入信号大小相等，极性相反。 差模电压放大倍数：差模输出电压uod与差模输入电压uid的比值。 差模输入电阻：从放大电路两个输入端看进去所呈现的等效电阻。 差模输出电阻：差分放大电路两管集电极之间即输出端看进去的对 差模信号所呈现的电阻。
ic1
ic2
IE
IE
REE:静态时：流过两倍的IE,对单边来讲相当于串接了2REE。 动态时：ui1引起ie增加，而ui2引起ie减小，一增一减，在RE上不
第十六次课 差分放大电路
-
R
R
C 3+ vo -4
C
R W RE
V EE
I R B1 B1 VBE I E1 RW /2 2IE1 RE VEE 0
V CC
2
R B1
RE对一半差分电路而言，只有2RE才能获得相同的电压降。
I B1
RB1
VEE VBE
(1 )(2RE
RW
/ 2)
I C1 = I B1
VCC RC
VC1 = VCC IC1RC VE1 = IBRB1 VBE VCE1 = VC VE
1
T1
RB1
T2管的静态工作点与T1管的相同 思考：接入负载后，静态工作点有无变化？
RW / 2
2RE VEE
VB 0 VE 0.7V VE 2 Re IE VEE IE 0.265mv VCE VC VE Vcc IC RC VE 4.05v
+ vo
ib1
2Re
–
2 Re rbe
ib2 Rc
Rs
ib2
ic2
vv
R ic
ic
ic
i 2i
i
b
R r 2(1 )R
S
be
e
2
v
R o R
i oc
c
o
例1.某差放电路如图所示，V1，V2参数相同， VBE1=VBE2=VBE=0.7V,β=100,rbb'=100Ω,R=5 1(1Ω)静态时两管的IBQ,ICQ和VCEQ各为多少？ (2)计算差模电压增益Avd; (3)计算差模输入电阻Rid和输出电阻Rod;
和V1管的集电极电位vC1;
(1)静态分析
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四、差分放大电路的四种接法
1. 双端输入单端输出：Q点分析
由于输入回路没有变 RL 化，所以IEQ、IBQ、ICQ U VCC I CQ ( Rc ∥ RL ) CQ1 Rc RL 与双端输出时一样。但 是UCEQ1≠ UCEQ2。 U CQ2 VCC I CQ Rc
差分放大电路（3.3.1和3.3.2）
一、零点漂移现象及其产生的原因 二、长尾式差分放大电路的组成 三、长尾式差分放大电路的分析 四、差分放大电路的四种接法 五、具有恒流源的差分放大电路 六、差分放大电路的改进
一、零点漂移Biblioteka 象及其产生的原因1. 什么是零点漂移现象：ΔuI＝0，ΔuO≠0的现象。
产生原因：温度变化，直流电源波动，元器件老化。 其中晶体管的特性对温度敏感是主要原因，故也称零 漂为温漂。 克服温漂的方法：引入直流负反馈，温度补偿。 典型电路：差分放大电路
3. 放大差模信号
差模信号：数值相等，极性相反 的输入信号，即
uI1 uI2 uId / 2
iB1 iB2 iC1 iC2 uC1 uC2 uO 2uC1
△iE1=－△ iE2，Re中电流不变，即Re 对差模信号无反馈作用。
差模信号作用时的动态分析
uO= Ad uId+ Ac uIc+UCQ1
=? =?
3. 四种接法的比较：电路参数理想对称条件下
输入方式： Ri均为2(Rb+rbe)；双端输入时无共模信 号输入，单端输入时有共模信号输入。 输出方式：Q点、Ad、 Ac、 KCMR、Ro均与之有关。
RL 单端输出：A ( Rc∥RL ) ( Rc∥ ) d 2( Rb rbe ) 2 双端输出：Ad ( Rc∥RL ) Rb rbe Ac 0 K CMR Ro 2 Rc
1. 双端输入单端输出：差模信号作用下的分析
1 ( Rc ∥ RL ) Ad 2 Rb rbe
Ri 2( Rb rbe )，Ro Rc
1. 双端输入单端输出：共模信号作用下的分析
1 ( Rc ∥ RL ) Ad 2 Rb rbe
( Rc ∥ RL ) Ac Rb rbe 2(1 ) Re
K CMR Rb rbe 2(1 ) Re 2( Rb rbe )
1. 双端输入单端输出：问题讨论
1 ( Rc ∥ RL ) Ad 2 Rb rbe
K CMR Rb rbe 2(1 ) Re 2( Rb rbe )
Ri 2( Rb rbe )，Ro Rc
2. 抑制共模信号
共模信号：数值相等、极性相同的 输入信号，即
uI1 uI2 uIc
iB1 iB2 iC1 iC2 uC1 uC2
uO uC1 uC2 (UCQ1 uC1 ) (UCQ2 uC2 ) 0
uOc 共模放大倍数 Ac ，参数理想对称时 Ac 0 uIc
解决方法：采用电流源！
五、具有恒流源的差分放大电路
等效电阻 为无穷大
近似为 恒流
I 2 I B3，I C3 I E3
R2 VEE U BEQ3 R1 R2 R3
六、差分放大电路的改进
1. 加调零电位器RW
1) RW取值应大些？还是小 些？ 2) RW对动态参数的影响？ 3) 若RW滑动端在中点，写 出Ad、Ri的表达式。
讨论一
若uI1=10mV， uI2=5mV，则 uId=？ uIc=？ 解： uI1=½ uI1+ ½ uI2+ ½ uI1- ½ uI2=uIc+ ½ uId uI2=½ uI1+ ½ uI2- ½ uI1+ ½ uI2=uIc- ½ uId
所以
uId= uI1-uI2； uIc= ½ （uI1+uI2）
Ad
Rc
RW Rb rbe (1 ) 2
Ri 2( Rb rbe ) (1 ) RW
2. 场效应管差分放大电路
Ad g m Rd Ri Ro 2Rd
为什么？ 差模放大倍数
uOd Ad uId
RL ( Rc ∥ ) 2 Ad Rb rbe
Ri 2( Rb rbe ) ，Ro 2Rc
uId iB 2( Rb rbe )
uOd
RL iC 2( Rc ∥ ) 2
4. 动态参数：Ad、Ri、 Ro、 Ac、KCMR
（1）T2的Rc可以短路吗？ 可以 （2）双端输出时的Ad是单端输出时的2倍吗？ （3）如何减小共模输出电压？ 增大Re
2. 单端输入双端输出
共模输入电压 差模输入电压
输入差模信号的同时总是伴随着共模信号输入：
uId uI，uIc uI / 2
2. 单端输入双端输出
问题讨论：
UOQ产生的原因？
静态时的值
uI uO Ad uI Ac U OQ 2
差模输出 共模输出
讨论二
-
单端输入单端输出电路
1、uI=10mV，则uId=? uIc=?
+
2、若Ad=－102、KCMR＝ 103用直流表测uO ，uO=? 3、什么情况下Ad为“＋”？
=?
+
uId=10mV ，uIc=5mV
Ac K CMR Ro Rc
Rb rbe 2(1 ) Re Rb rbe 2(1 ) Re 2( Rb rbe )
五、具有恒流源的差分放大电路
为什么要采用电流源？
Re 越大，共模负反馈越强，单端输出时的Ac越 小，KCMR越大，差分放大电路的性能越好。 但为使静态电流不变，Re 越大，VEE越大，以 至于Re太大就不合理了。 需在低电源条件下，得到趋于无穷大的Re。
三、长尾式差分放大电路的分析
1. Q点：令uI1= uI2=0
I BQ1 I BQ 2 I BQ I CQ1 I CQ 2 I CQ I EQ1 I EQ2 I EQ U CQ1 U CQ 2 U CQ uO U CQ1 U CQ 2 0
VEE I BQ Rb U BEQ 2 I EQ Re 因为Rb小，且I BQ很小，所以
二、长尾式差分放大电路的组成
零点 漂移 零输入 零输出 若V与UC的 变化一样， 则输出电压 就没有漂移
参数理想对称： Rb1= Rb2，Rc1= Rc2， Re1= Re2; T1、T2在任何温度 下特性均相同。
信号特点？ 能否放大？
长尾式差分放大电路的组成特点
典型 电路
信号特点？
在理想对称的情况下： 1. 克服零点漂移； 2. 零输入零输出。
Rb是必要的吗？
I EQ
VEE U BEQ 2 Re
1. Q点
晶体管输入回路方程：
VEE I BQ Rb UBEQ 2I EQ Re
通常，Rb较小，且IBQ很小，故
I EQ
VEE U BEQ 2Re
I BQ
I EQ 1
，U CEQ VCC I CQ Rc U BEQ
2. 抑制共模信号 ：Re的共模负反馈作用
uOc 共模放大倍数 Ac uIc 参数理想对称时 Ac 0
对于每一边 电路，Re=? Re的共模负反馈作用：温度变化所引起的变化等效为共模信号 如 T(℃)↑→IC1↑ IC2 ↑→UE↑→ IB1 ↓IB2 ↓→ IC1 ↓ IC2 ↓ 抑制了每只差分管集电极电流、电位的变化。
共模抑制比KCMR：综合考察差分放大电路放大差模信
号的能力和抑制共模信号的能力。
K CMR
Ad Ac
在参数理想对称的情况 下， K CMR 。
在实际应用时，信号源需要有“ 接地”点，以避免 干扰；或负载需要有“ 接地”点，以安全工作。
根据信号源和负载的接地情况，差分放大电路有四种 接法：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。