差分放大电路

方案三差分放大电路【项目目标】知识目标掌握场效应管的类型、场效应的电压控制作用及共源极放大电路的分析与应用。

能力目标具有识别场效应管的能力，具有共源极放大的分析能力。

将J8、J9与 J6、J7之间分别加一毫安表，J10、J11连接与J12 改变电位器RP6.将测量的结果记录如下： A1间的电流 A2间的电流 知识点导入镜像电流源的基本特性。

知识点讲解基本镜像电流源电路如图所示。

T 1、T 2参数完全相同（即β1=β2，I CEO1=I CEO2）。

原理：因为V BE1=V BE2，所以I C1=I C2βC1C1B C1REF 22I I I I I +=+=I REF ——基准电流：C2REFC1/21I I I =+=β推出，当β>>2时，I C2= I C1≈I REF ()6060B1Rp R U U Rp R V BE CC ++--=+-=≈6CC Rp R V +优点： （1）I C2≈I REF ，即I C2不仅由I REF 确定，且总与I REF相等。

（2）T 1对T 2具有温度补偿作用，I C2温度稳定性能好（设温度增大，使I C2增大，则I C1增大，而I REF 一定，因此I B 减少，所以I C2减少）。

缺点： （1）I REF （即I C2）受电源变化的影响大，故要求电源十分稳定。

（2）适用于较大工作电流（mA 数量级）的场合。

若要I C2下降，则R 就必须增大，这在集成电路中因制作大阻值电阻需要占用较大的硅片面积。

（3）交流等效电阻R o 不够大，恒流特性不理想。

（4）I C2与I REF 的镜像精度决定于β。

当β较小时，I C2与I REF 的差别不能忽略。

巩固训练：将电路图中的值按照电位的阻值代入进行计算？看测量结果与理论之间的误差？电路测试2将J8、J9与 J6、J7之间分别加一毫安表，改变电位器RP6.将测量的结果A1间的电流图3.1.4 基本镜像电流源电路A2间的电流知识点导入镜像电流源的基本特性。

知识点讲解比例电流源（改进电路二）带有发射极电阻的镜像电流源，它是针对基本镜像电流源缺点（3）进行的改进，其中R e1=R e2，两管输入仍有对称性，所以：CCe1E1BERRo/211VRIVRIII=+++=βRI≈oe1BECC IRRVV≠+-求T2的输出电阻R o：⎪⎪⎩⎪⎪⎨⎧+==++≈+=+-=obee2ebeBbe1De1Be2eceboo)(//)//()(iiiRirRiRRrRRRRiriivβ)(e2cee2Bbee2e2ceoRrRRrRRrR-++++=β≈)1(e2Bbee2ce RRrRr+++β输出阻值较大，所以这种电流源具有很好的恒流特性。

温度稳定性比基本的电流源好得多。

若此电路R e1不等于R e2，则：V BE1+I E1R e1=V BE2+I E2R e2（式中，I E1即I R，I E2即I o）图3.1.6 镜像电流源及其等效电路≈I o ≈e2e1R BE2BE1)(R R I V V +-参数对称的两管在I C 相差10倍以内时，|V BE1-V BE1|<60mV 。

所以，如果I o 与I R 接近，或I R 较大，则ΔV BE 可忽略。

o I ≈R e2e1I R R即只要合理选择两T 射极电阻的比例，可得合适的I o 、R o 。

因此，此电流源又称为比例电流源。

巩固训练：将电路图中的值按照电位的阻值代入进行计算？看测量结果与理论之间的误差？知识链接：微电流源有些情况下，要求得到极其微小的输出电流I C2，这时可令比例电流源中的R e1=0，如图3.1.7即可以在R e2不大的情况下得到微电流I C2。

原理：当I R 一定时，I o 可确定为：BE 2e E2BE2BE1V R I V V ∆==-o I ≈e2BEe2BE2BE1E2R V R V V I ∆=-=可见，利用两管基-射电压差ΔV BE 可以控制I o 。

由于ΔV BE的数值小，用阻值不大的R e2即可得微小的工作电流——微电流源。

)1(e25be1e2ce o R R r R r R +++=β微电流源特点：（1）T 1，T 2是对管，基极相连，当V CC 、R 、R e2已知时，REF I ≈RV CC（略去V BE ），当V BE1、V BE2为定值时，e2BEC2R V I ∆=也确定了。

（2）当V CC 变化时，I REF 、ΔV BE 也变化，由于R e2的值一般为千欧级，变化部分主要降至R e2上，即ΔV BE2<<ΔV BE1，则I C2的变化远小于I REF 的变化。

因此电源电压波动对工作电流I C2影响不大。

（3）T 1管对T 2管有温度补偿作用，I C2的温度稳定性好。

总的说来，电流“小”而“稳”。

小——R 不大时I C2可以很小（微安量级）。

稳——R e2（负反馈）使恒流特性好，温度特性好，受电源变化影响小。

进一步，电流的数学关系为：I o R e2=V BE1-V BE2而 I C ≈T BE /s e V V IsCT BE lnI I V V =图3.1.7 微电流源电路sC1sC2s C1T e2o ln )mV (26)ln (lnI II II I V R I =-=C2C1e2o ln)mV (26I I R I = 若10C2C1=I I 则 I C2 R e =26ln10≈60mV即电流每增加10倍，I C2R e 总是增加60mV 。

因此得到电流每增加10倍，R e 上的电压增加60mV 的简单数学关系式，使计算十分方便。

思考：若要求提供10µA 的输出电流，使用V CC =6V 的电源，R =19kΩ，你如何设计这个电流源？前面曾提到，增大R c 可以提高共射放大电路的电压增益，但是，R c 不能很大，因为在集成工艺中制造大电阻的代价太高，而且，在电源电压不变的情况下，R c 越大，导致输出幅度越小。

那么，能否找到一种元件代替R c ，其动态电阻大，使得电压增益增大，但静态电阻较小，因而不致于减小输出幅度呢？自然地，可以考虑晶体管恒流源。

由于电流源具有直流电阻小，交流电阻大的特点，在模拟集成电路中较为广泛地把它作负载使用——有源负载，【项目操作】电路测试1、观察此电路的组成2、将J3、J13与 J4、J5之间分别加一毫安表，J1、J14连接。

调整RP7使得两毫安表的电流相等。

J3与J4之间放一电压表。

观察此时电压表的读数。

知识点导入差分放大电路基本特性、静态特性知识点讲解一、差分放大电路的静态特性因没有输入信号，即v s1=v s2=0时，由于电路完全对称：2c2c1o c2c2c1c1c c2c1=-=====v v v i R i R i i i i所以输入为0时，输出也为0。

电流源的主要应用二、差分放大电路的基本特性 （一）零漂及电路组成在直接耦合放大电路中提到了零漂的问题，抑制零漂的方法一般有如下几个方面： （1）选用高质量的硅管。

（2）采用补偿的方法，用一个热敏元件，抵消I C 受温度影响的变化。

（3）采用差动放大电路。

本节详细讨论差动放大器的工作原理和基本性能，如图3.2.1所示。

基本差动式放大器如图3.2.1所示。

T 1、T 2——特性相同的晶体管。

电路对称，参数也对称，如：V BE1=V BE2=V BE ，R c1=R c2=R c ， R b1=R b2=R b ，R s1=R s2=R s ， β1=β2=β；电路有两个输入端：b 1端，b 2端；有个输出端：c 1端，c 2端。

（二）共模信号和差模信号。

若v s1=-v s2——差模输入信号，大小相等，对共同端极性相反的两个信号，用v sd 表示。

若v s1=v s2——共模输入信号，大小相等，对共同端的极性相同，按共同模式变化的信号，用v sc 表示。

实际上，对于任何输入信号和输出信号，都是差模信号和共模信号的合成，为分析简便，将它们分开讨论。

考虑到电路的对称性和两信号共同作用的效果有：v s1→221212121sd sc s2s1s2s1s1v v v v v v v +=-++→ v s2→221212121sd scs2s1s2s1s2v v v v v v v -=+-+→于是，此时相应的差模输入信号为：v sd =v s1-v s2差模信号是两个输入信号之差，即v s1、v s2中含有大小相等极性相反的一对信号。

共模信号：v sc =(v s1+v s2)/2 共模信号则是二者的算术平均值，即v s1、v s2中含有大小相等，极性相同的一对信号。

即对于差放电路输入端的两个任意大小和极性的输入信号v s1和v s2均可分解为相应的差模信号和共模输入信号两部分。

(三)、差模信号和共模信号的放大倍数放大电路对差模输入信号的放大倍数称为差模电压放大倍数A VD ：A VD =v o /v sd 。

放大电路对共模输入信号的放大倍数称为共模电压放大倍数A VC ：A VC =v o /v sc 。

在差、共模信号同存情况下，线性工作情况中，可利用叠加原理求放大电路总的输出电压v o 。

v o =A VD v sd +A VC v sc例题讲解：如图3.2.2所示，v s1=5mV ，v s2=1mV ，则v sd =5-1=4mV ，v sc =0.5(5+1)=3mV 。

也就是说，两个输入信号可看作是sd sc s121v v v +=sd sc s221v v v -=v s1=5mV →3mV+2mV v s2=1mV →-3mV+2mV差模输入信号v sd =4mV 和共模输入信号v sc =3mV 叠加而成。

电路测试3将J3、J13与 J4、J5之间分别加一毫安表，J1、J14连接。

调整RP7使得两毫安表的电流相等。

J3与J4之间放一电压表。

J14、J15与J16、J17之间加一信知识点导入差分放大电路动态特性知识点讲解从测量的结果看：v b1增大使得i b1增大，使i c1增大使得v c1减小。

v b2减小使得i b2减小，又使i c2减小，使得v c2增大。

由此可推出：v o =v c1-v c2=2v （v 为每管变化量）。

若在输入端加共模信号，即v s1=v s2。

由于电路的对称性和恒流源偏置，理想情况下，v o =0，无输出。

这就是所谓“差动”的意思：两个输入端之间有差别，输出端才有变动。

3. 在差动式电路中，无论是温度的变化，还是电流源的波动都会引起两个三极管的i c及v c 的变化。

这个效果相当于在两个输入端加入了共模信号，理想情况下，v o 不变从而抑制了零漂。

当然实际情况下，要做到两管完全对称和理想恒流源是比较困难的，但输出漂移电压将大为减小。