《线性电子线路》PPT课件

第 4 章 放大器基础
4.4 差分放大器
差分放大器具有抑制零点漂移的作用，广泛用于集 成电路的输入级，是另一类基本放大器。
4.4.1 电路结构
VCC
VCC
RC
T1
+vi1
-
+ vo -
RL
REE VEE
RC
T2
+vi2
-
RC
T1
+vi1
-
RL +vo
-
REE
VEE
RC
T2
+vi2
-
▪ 由两完全对称的共发电路，经射极电阻 REE 耦合而成。 ▪ 采用正负双电源供电：VCC = |VEE|。
因此
KCMR A / A v(dd) v(cd)
第 4 章 放大器基础
失调及其温漂
▪ 输入失调电压 VIO
零输入时
T1
实 际
差
T2 放
+
VO
0-
等效为
+
VIO-
理+
想 差
VO
放-
失调电压 从等效的观点看：
VIO VO / Avd
VIO 就是使 VO = 0 时，在实际差放输入端所加的补偿电压。
4.4.3 电路两边不对称对性能的影响
实际差分放大器，电路不可能做到完全对称：
例如
T1、T2 两管集电极电阻 RC 不相等 或 T1、T2 两管的 及 VBE(on)不对
双端称输出时的 KCMR
产生运算误差
理想情况 vod1 vod2 voc1 voc2 KCMR Avd / Avc
实际情况
定义
K CMR
Avd Avc
KCMR 是用来衡量差分放大器对共模信号抑制能力
的一项重要指标，其值越大越好。
双端输出电路
KCMR
Avd Avc
单端输出电路
KCMR
Avd1 Avc1
REE
rbe
gm REE
提高 IEE(即增大 gm)、增大 REE
提高 KCMR
第 4 章 放大器基础
普通差放存在的问题：
REE
KCMR 抑制零点漂移能力 但 IEE Q 点降低 输出动态范围
采用恒流源的差分放大器
VCC
I EE
R2 R1 R2
(VEE ) VBE(on)3 R3
ICQ1 ICQ2 IEE / 2
Rid 2rbe
Avd2
RC
2rbe
Rod2 RC
Avc2
RC 2 Ro3
其中
Ro3
rce3 (1
RC
T2
+vi2
-
则 IEE =CiC1 + iC2 = 2ICQ+ 2iC
T1
因此 REE 上的共模电压：2iC REE +
✓RL 对共模视为开路。
vic1= vic
-
2REE
RC
+
voc
1-
因此流过 RL 的共模电流为 0。
✓直流电源短路接地。
半电路共模交流通路
第 4 章 放大器基础
2)共模性能指标分析
因此
Avc1
RL 2 REE
很小。
单端输出电路利用 REE 的负反
馈作用抑制共模信号。
RC
T1
+
vi1
-
RL +-vo
REE
VEE
RC
T2
+
vi2
-
✓利用 REE 抑制共模信号原理：
T ICQ VEQ VBEQ ( VBQ VEQ ) IBQ
ICQ ✓结论 无论电路采用何种输出方式，差放都具有放大
✓共模输入电阻
Ric
vic ii
vic1 ii
Ri1
T1
+
+
vic1= vi
c-
2REE
RC
voc
1-
rbe 2REE (1 )
✓共模输出电阻 无意义
半电路共模交流通路
✓共模电压增益
Avd
voc vic
voc1 voc2 vic
0
✓电路特点 双端输出电路利用对称性抑制共模信号。
✓利用对称性抑制共模信号(温漂)原理：
VIO 产生原因：
由两管参数不对称(如 VBE(on)、IS、RC 不等)引起失调。
第 4 章 放大器基础
▪ 输入失调电流 IIO
IIO 产生原因： 两管 不等，造成 ICQ1 ICQ2
从等效的观点看：
IIO 就是使 ICQ1 = ICQ2 时，在实际差放输入端所加的
补尝电流。
失调电流 IIO IBQ1 IBQ2
差模信号、抑制共模信号的能力。
第 4 章 放大器基础
差放性能指标归纳总结
▪ Rid 与电路输入、输出方式无关。
Rid 2Ri1 2rbe
▪ Rod 仅与电路输出方式有关。
双端输出 Rod 2Ro1 2RC ， 单端输出 Rod1 Ro1 RC
▪ Avd 仅与电路输出方式有关。
双端输出
Avd
vod1 2vid1
Av1 2
1 (RC // RL )
2
rbe
Avd2
减小
第 4 章 放大器基础
共模性能分析 ➢ 双端输出电路
1)半电路共模交流通路
✓每管发射极接 2REE。 因 iC1 = ICQ + iC iC2 = ICQ + i
VCC
RC
T1
+vi1
-
+ vo -
RL
REE VEE
当 RS 较大时： 失调以 IIO为主，为减小 VIO ，应选 IIO 小的差放。
第 4 章 放大器基础
▪ 调零电路
VCC
VCC
RS
RC
T1
+- VO
RW
RC
T2
RS
REE VEE
(发射极调零电路)
RC T1 +-VROW
RC
T2
RS
RS
REE VEE
(集电极调零电路)
调节电位器 RW ，改变两端发射极电位或集电极电
ii T1
+
+
vid1
-
RC
RL
2
vod
1-
半电路差模交流通路
✓差模输出电阻
Rod 2Ro1 2RC
✓差模电压增益
Avd
vod vid
vod1 vod2 vid1 vid2
2vod1 2vid1
Av1
(RC //
rbe
RL ) 2
注意：电路采用了成倍元件，但电压增益并Baidu Nhomakorabea有得到
提高。
第 4 章 放大器基础
因电路两边完全对称，因此差放分析的关键，就是 如何在差模输入与共模输入时，分别画出半电路交流通 路。在此基础上分析电路各项性能指标。
分析步骤： ▪ 差模分析
画半电路差模交流通路 计算 Avd、Rid、Rod 。
▪ 共模分析
画半电路共模交流通路 计算 Avc、KCMR、Ric 。
▪ 根据需要计算输出电压
Av1
RL
rbe
，
单端输出
Avd1
Avd2
RL ，
2rbe
其中 RL RC //( RL / 2) 其中 RL RC // RL
▪ Avc仅与电路输出方式有关。
双端输出 单端输出
Avc
voc vic
0
Avc1 Avc2
voc1 vic
Av1
RL 2 REE
第 4 章 放大器基础
共模抑制比
➢ 单端输出电路
VCC
ii T1
+
+
vid1
-
RC RL vod1= vod
-
半电路差模交流通路
RC
T1
+
vi1
-
RL +-vo
REE
VEE
RC
T2
+
vi2
-
与双端输出电路的区别：仅在于对 RL 的处理上。
Rid
vid ii
2Ri1
2rbe
Rod1 Ro1 RC
不变 减小
Avd1
vod1 vid
因 IG 0
则 VIO VIO IIORS VIO(mV 量级)
VIO 产生原因：
由两管参数(如 W/l、VGS(th))及 RD 不匹配引起失调。
注意： MOS 管差放的 VIO >> 三极管差放的 VIO 。
第 4 章 放大器基础
4.4.4 差模传输特性
完整描述差模输出电流随任意输入差模电压变化的 特性。
与双端输出电路的区别：仅在于对 RL 的处理上。
Ric
vic ii
Ri1 rbe 2REE (1 )
不变
Roc1 Ro1 RC
Avc1
voc vic
Av1
(RC // RL ) rbe 2REE (1
)
RL 2 REE
Avc2
第 4 章 放大器基础
✓单端输出电路特点
VCC
一般射极电阻 REE 取值较大
▪ 具有两种输出方式：双端输出、单端输出。
第 4 章 放大器基础
➢ 估算电路 Q 点
VCC
VCC
RC
T1
+
vi1
-
+ vo
RL
-
RC
T2
+
REE
vi2
-
RC
T1
ICQ1
RC
ICQ2
T2
REE
IEE
VEE
VEE
令 vi1 = vi2 = 0，画出电路直流通路。 由于电路采用正负双电源供电，则 VBQ1 = VBQ2 0
因此
I EE
VBE(on) VEE REE
，
ICQ1
ICQ2
I EE 2
，
VCQ1 VCQ2 VCC ICQ1RC
第 4 章 放大器基础
4.4.2 电路性能特点
差模信号和共模信号
▪ 差模信号：指大小相等、极性相反的信号。
表示为 差2 模输入电压
vi1 = vi2 = vid / vid = vi1 vi2
则
Avd2
(RC // RL )
2rbe
25
(3)计算 vo
Avc2
RC // RL 2 REE
0.11
由于 vic (vi1 vi2 ) / 2 vi / 2
vid vi1 vi2 vi
则
vo vo2 Avc2vic Avd2vid 479sint (mV)
第 4 章 放大器基础
若取 则
IB
(IBQ1 2
IBQ2)
IBQ1
IB
IIO 2
IBQ2
IB
IIO 2
VCC
IBQ1 RC
T1
RS REE
RC IBQ2
T2
RS
VEE
第 4 章 放大器基础
▪ 失调模型
-VIO +
RS
IIO
2
IIO
2
RS
IB
T1
IB
T2
总输入失调电压 VIO VIO IIORS
当 RS 较小时： 失调以 VIO 为主，为减小 VIO ，应选 VIO 小的差放；
R3
3 R3
rbe3 R1
//
R2
)
RC
RC
vo
vi1
T1 T2
vi2
T3
R3 R2
R1 VEE
KCMR gm Ro3 很大
第 4 章 放大器基础
任意输入时，输出信号的计算
▪ 单端输出时
vo1 voc1 vod1 Avc1vic Avd1vid
其中
vo2 voc2 vod2 Avc2vic Avd2vid
o解。：(1)分析 Q 点
IEE (VBE(on) VEE ) / REE 0.5 mA ICQ1 ICQ2 IEE / 2 0.25 mA
(2)分析 Avd2 、Avc2
VCC (12 V)
RC
10 k
vo
RC
vi T1
10 k RL T2
由于
rbe
(1
)
26 ICQ1
10.4
k
REE 22.6 k VEE (-12 V)
▪ 共模信号：指大小相等、极性相同的信号。
表示为 共模输入电压
vi1 = vi2 = vic vic = (vi1 + vi2 ) / 2
▪ 任意信号：均可分解为一对差模信号与一对共模信号
之代数和。
即
vi1 = vic+ vid / 2 vi1 = vic vid / 2
第 4 章 放大器基础
差放半电路分析法
vod1 vo(dc) vo(dd) / 2 vod2 vo(dc) vo(dd) / 2
voc1 vo(cc) vo(cd) / 2 voc2 vo(cc) vo(cd) / 2
由于 vo1 voc1 vod1
vo2 voc2 vod2
则 vo vo1 vo2 vo(dd) vo(cd) A v v(dd) id A v v(cd) ic
阻，使静态工作时双端输出电压减小到零。
第 4 章 放大器基础
▪ VIO 和 IIO 的温漂
若环境温度、电源电压等外界因素变化：
三极管参数变化 其中温度变化引起的温漂最大。
VIO 和 IIO 变化。
可以证明：
VIO T
VIO
IIO T
IIO
注意：调零电路可以克服失调，但不能消除温漂。
▪ MOS 差放的失调
Avc1
Avc2
RC // RL 2 REE
vic
vi1
2
vi2
Avd1
Avd2
(RC // RL )
2rbe
vid vi1 vi2
▪ 双端输出时
vo vo1 vo2 Avdvid
其中
Avd
(RC //
rbe
RL 2
)
vid vi1 vi2
第 4 章 放大器基础
例：图示电路，已知 = 100，vi = 20sint (mV)，求 v
T ICQ1 ICQ2 VCQ1 VCQ2 ( VCC ICQ1RC )
VO ( VCQ1 VCQ2) 0
第 4 章 放大器基础
➢ 单端输出电路
VCC
RC
T1
+
vi1
-
RL +-vo
REE
VEE
RC
T2
+
vi2
-
T1
+
vic1=
ic -
v
2REE
RC
RL
+
voc1=voc
-
半电路共模交流通路
双端输出： 计算 vo 。 单端输出： 计算 vo1 、 vo2 。
第 4 章 放大器基础
差模性能分析
➢ 双端输出电路
1)半电路差模交流通路
✓REE 对差模视为短路。
因
iC1 = ICQ + iC iC2 = ICQ - i
故 IEE = iCC1 + iC2 = 2ICQ(不变)
✓RL 中点视为交流地电位， 即每管负载为 RL / 2 。
✓直流电源短路接地。
VCC
RC
T1
+vi1
-
+ vo -
RL
REE VEE
RC
T2
+vi2
-
T1
+
vid1
-
+
RC
RL
2
vod
1-
半电路差模交流通路
注意：关键在于对公共器件的处理。
第 4 章 放大器基础
2)差模性能指标分析
✓差模输入电阻
Rid
vid ii
vid1 vid2 ii
2vid1 ii
2Ri1 2rbe