第4章放大器基础(2)
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表示为 差模输入电压 vid1 = vid2 = vid / 2 vid = vid1 vid2
共模信号：指大小相等、极性相同的信号。 表示为 vic1 = vic2 = vic
共模输入电压 vic = (vic1Biblioteka Baidu+ vic2 ) / 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。 例：vi1=vi, vi2=0分解为： vi1 = vic+ vid / 2 即 vi1=vi/2+vi/2, vi2=vi/2-vi/2 vi2 = vic vid / 2 差分放大器的性能包括差模和共模性能。 5
16
RL Avd g m RD / / 2
第4章
放大器基础
P197例4-3-3：
解：(1) Q 点及参数计算 I DQ1 I DQ2 ISS / 2 1mA n CoxW g m g m1 g m2 2 I DQ 1mS 2l (2)vid 、vic vic (vi1 vi2 ) / 2 10sin t mV vid vi1 vi2 20sin t mV (3) Avd 1、Avc1、Avd2、Avc2
第4章
放大器基础
估算电路 Q 点 （考虑RL开路的情况）
令 vi1 = vi2 = 0，画出电路直流通路。
由于电路对称，则
I SS I DQ1 I DQ2 I DQ ， 2 VDQ1 VDQ2 VDD - I DQ RD , VOQ VDQ1 VDQ2 0
IDQ1 T1 RD RD VDD IDQ2 T2
RD 2RSS
+ voc1 _
半边共模交流通路10
第4章
放大器基础
T1 + vic1 RD 2RSS
+ voc1 _
2)共模性能指标分析 共模输入电阻
Ric Ri1
（单端输入） （双端并联输入）
_
1 Ric Ri1 2
共模电压增益 共模输出电阻 电路特点
voc1 voc2 voc Avc 0 v ic vic
T I DQ VSQ VGSQ ( VGQ VSQ ) I DQ 结论 无论电路采用何种输出方式，差放都具有放大 差模信号、抑制共模信号的能力。
13
第4章
放大器基础
差放性能指标归纳总结
Rid Rod 仅与电路输出方式有关。 双端输出
Rod 2 RD ， 单端输出
单端输出电路
T1 + vic1 _ RD 2RSS RL
+ voc1 _
半边共模交流通路
与双端输出电路的区别：仅在于对 RL 的处理上。
Ric Ri1 （单端输入）
Roc1 Ro1 RD
voc1 g m RD / / RL Avc1 Av 1 1 2 g m RSS vic
第4章
概 4.1 4.2 4.3 4.4
放大器基础
述 放大器的基本概念 基本放大器 差分放大器 电流源电路及其应用
4.5 多级放大器 4.6 放大器的频率响应
1
第4章
放大器基础
4.3
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。
零点漂移问题
零点漂移：指 vi = 0 时，输出端静态电压的波动。 温度漂移：因温度变化引起的漂移，简称温漂。 温漂危害 淹没有用信号。 ： 若温度变 则第一级 Q 点变 (VCEQ1 + V)， 例如：假设放大器原输出端静态电压为 VCEQn， V 经后级逐级放大 输出静态电压变为 (VCEQn + Av总V) 当漂移严重即 V 较大时，温漂信号有可能淹没有用信号， 使电路丧失对有用信号的放大能力。 解决方法： 输入级采用低温漂的差分放大器。
Avc2
12
第4章
放大器基础
VDD RD T1 vi1 RSS VSS RL RD + vo1 _ T2 vi2
单端输出电路特点 一般射极电阻 RSS 取值较大
RD / / RL 因此Avc1 很小。 2 RSS
单端输出电路利用 RSS 的负反 馈作用抑制共模信号。 利用 RSS 抑制共模信号（温漂）原理：
与双端输出电路的区别：仅在于对 RL 的处理上。 Rid 2Ri1 不变 减小 Rod1 Ro1 RD
Avd1
vod1 vod1 Av 1 1 g m RD / / RL Avd2 减小 2v id1 vid 2 2
9
注：Avd2对应RL接在T2的D极，输出为vod2的情况。
（两输入端串联） （两输出端串联）
Rod 2 Ro1 2RD
注意：电路采用了成倍元件，但电压增益并没有得到 提高。
8
第4章
放大器基础
RD RD RL + vod1 _
单端输出电路
+ T1 + vid1 _ RD RL vod1 _
VDD
T1 vid1
T2 vid2
RSS VSS
半边电路差模交流通路
RSS VSS
ISS
IDQ通过下式获得： VSQ VSS VGSQ VSS I SS 2 I DQ = , RSS RSS
VGSQ VGS(th) 2 I DQl
n CoxW
（饱和区）
4
第4章
放大器基础
4.3.2 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。
2)差模性能指标分析 差模电压增益
vod1 _
vod vod1 vod2 2vod1 Avd 2v id1 vid vid1 vid2
Av 1
RL g m RD / / 2
(Av1为半边电路的电压增益)
差模输入电阻 差模输出电阻
vid Rid iid
2Ri1
恒流源偏置（长尾）的差分放大器
I EE R2 ( VEE ) VBE(on)3 R1 R2 R3
vo vi2
vi1
2 REE VEE 3 R3 其中 Ro3 ' rce3 (1 ) K CMR gm Ro3 ' 很大 R3 rbe3 R1 / / R2 20
voc Avc 0 单端输出 Avc1 Avc2 RC / / RL v ic 2 REE
KCMR g m REE
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第4章
放大器基础
存在的问题： REE 单端输出KCMR 基本不变（因gm=ICQ/VT）
IEE Q 点降低 输出动态范围
VCC RC RC T1 T2 R1 R2
T2 vid2
故 i SS= iD1 + iD2 = 2IDQ(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。
T1 + vid1 _ RD RL/2
+ vod1 _
注意：关键在于对公共器件的处理。
半边差模交流通路
7
第4章
放大器基础
+ T1 + vid1 _ RD RL/2
Avd1 Avd2 1 1 g m RD / / RL 1.25 2 2
Avc2 Avc2 RD 0.05 2 RSS
（4）vo1、vo2
vo1 Avc1vic Avd1vid 1.25 20 0.05 10 25.5sin t (mV) vo2 Avc2vic Avd2vid 24.5sin t (mV)
6
画半边电路共模交流通路 计算 Avc、KCMR、Ric 、Roc 。
第4章
放大器基础
RD T1 vid1 RSS VSS R L RD + vod _
VDD
差模性能分析
双端输出电路
1)半边差模交流通路 RSS 对差模视为短路。 因 iD1 = IDQ + id iD2 = IDQ - id
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第4章
放大器基础
双极型管差分放大器
1）电路结构
VCC T1 VCC
RC
+ vo RL
REE VEE
RC
T2
RC
RC RL + REE VEE
T1
+ vi1 -
+ vi2 -
+ vi1 -
vo
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|。 具有两种输出方式：双端输出、单端输出。
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第4章
放大器基础
共模抑制比
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 单端输出电路
K CMR K CMR Avd Avc Avd1 Avc1
g m RSS
提高 KCMR 用恒流源取 代 RSS(P196 图
4-3-6)
提高 ISS(即增大 gm)、增大 RSS 增大 RSS会引起 ISS的减小
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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 vo 2 voc2 vod2 Avc2vic Avd2 vid
2
第4章
放大器基础
4.3.1 电路结构
VDD RD T1 vi1 RSS VSS
(a)
VDD RD RD RL + vO1 _ T2 vi2
R L RD + v O _ T2 vi2
T1 vi1
RSS VSS
(b)
由两完全对称的共源电路，经源极电阻 RSS 耦合而成。 采用正负双电源供电：VDD = |VSS|。 具有两种输出方式：双端输出(图a)、单端输出(图 3 b)。
双出无意义
半边共模交流通路
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：
T I DQ1 I DQ2 VDQ1 VDQ2
VO ( VDQ1 VDQ2 ) 0
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第4章
放大器基础
VDD RD T1 vic1 RSS VSS RL RD + voc1 _ T2 vic2
第4章
放大器基础
RD T1 vic1 RSS VSS R L RD + v _ oc
VDD
共模性能分析 双端输出电路
1)半边共模交流通路 每管源极接 2RSS。 因
T2 vic2
iD1 = IDQ + id iD2 = IDQ + id
T1 + vic1 _
则 iSS = iD1 + iD2 = 2IDQ+ 2id 因此 RSS 上的共模电压：2iD RSS RL 对共模视为开路。 因此流过 RL 的共模电流为 0。 直流电源短路接地。
其中
Avc1
v i1 v i2 v ic 2
RD / / RL Avc2 2 RSS
1 Avd1 Avd2 g m RD / / RL 2
vid vi1 vi2
双端输出时
其中
vo vo1 vo 2 Avd vid
vid vi1 vi2
第4章
放大器基础
差放半边电路分析法
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，分别画出半边电路交流 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 画半边电路差模交流通路 计算 Avd、Rid、Rod 。 共模分析 根据需要计算输出电压 双端输出： 计算 vo 。 单端输出： 计算 vo1 、 vo2 。
Rod1 RD
Avd 仅与电路输出方式有关。
RL Avd gm RD / / 2 1 单端输出 Avd1 Avd2 gm RD / / RL 2
双端输出
Avc仅与电路输出方式有关。
双端输出 单端输出
voc Avc 0 v ic
Avc1 Avc2
voc1 RD / / RL vic 2 RSS
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第4章
放大器基础
2）差放性能指标归纳总结
Rid 与电路输出方式无关。 Rod 与电路输出方式有关。 双端输出
Rid 2 Ri1 2rbe
Rod1 Ro1 RC
Rod 2 Ro1 2 RC ，单端输出
Avd 与电路输出方式有关。 1 RC / / RL 双端输出 2 Avd rbe RC / / RL A A 单端输出 vd1 vd2 2rbe Avc与电路输出方式有关。 双端输出 KCMR与电路输出方式有关。 双端输出 K CMR 单端输出
共模信号：指大小相等、极性相同的信号。 表示为 vic1 = vic2 = vic
共模输入电压 vic = (vic1Biblioteka Baidu+ vic2 ) / 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。 例：vi1=vi, vi2=0分解为： vi1 = vic+ vid / 2 即 vi1=vi/2+vi/2, vi2=vi/2-vi/2 vi2 = vic vid / 2 差分放大器的性能包括差模和共模性能。 5
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RL Avd g m RD / / 2
第4章
放大器基础
P197例4-3-3：
解：(1) Q 点及参数计算 I DQ1 I DQ2 ISS / 2 1mA n CoxW g m g m1 g m2 2 I DQ 1mS 2l (2)vid 、vic vic (vi1 vi2 ) / 2 10sin t mV vid vi1 vi2 20sin t mV (3) Avd 1、Avc1、Avd2、Avc2
第4章
放大器基础
估算电路 Q 点 （考虑RL开路的情况）
令 vi1 = vi2 = 0，画出电路直流通路。
由于电路对称，则
I SS I DQ1 I DQ2 I DQ ， 2 VDQ1 VDQ2 VDD - I DQ RD , VOQ VDQ1 VDQ2 0
IDQ1 T1 RD RD VDD IDQ2 T2
RD 2RSS
+ voc1 _
半边共模交流通路10
第4章
放大器基础
T1 + vic1 RD 2RSS
+ voc1 _
2)共模性能指标分析 共模输入电阻
Ric Ri1
（单端输入） （双端并联输入）
_
1 Ric Ri1 2
共模电压增益 共模输出电阻 电路特点
voc1 voc2 voc Avc 0 v ic vic
T I DQ VSQ VGSQ ( VGQ VSQ ) I DQ 结论 无论电路采用何种输出方式，差放都具有放大 差模信号、抑制共模信号的能力。
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第4章
放大器基础
差放性能指标归纳总结
Rid Rod 仅与电路输出方式有关。 双端输出
Rod 2 RD ， 单端输出
单端输出电路
T1 + vic1 _ RD 2RSS RL
+ voc1 _
半边共模交流通路
与双端输出电路的区别：仅在于对 RL 的处理上。
Ric Ri1 （单端输入）
Roc1 Ro1 RD
voc1 g m RD / / RL Avc1 Av 1 1 2 g m RSS vic
第4章
概 4.1 4.2 4.3 4.4
放大器基础
述 放大器的基本概念 基本放大器 差分放大器 电流源电路及其应用
4.5 多级放大器 4.6 放大器的频率响应
1
第4章
放大器基础
4.3
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。
零点漂移问题
零点漂移：指 vi = 0 时，输出端静态电压的波动。 温度漂移：因温度变化引起的漂移，简称温漂。 温漂危害 淹没有用信号。 ： 若温度变 则第一级 Q 点变 (VCEQ1 + V)， 例如：假设放大器原输出端静态电压为 VCEQn， V 经后级逐级放大 输出静态电压变为 (VCEQn + Av总V) 当漂移严重即 V 较大时，温漂信号有可能淹没有用信号， 使电路丧失对有用信号的放大能力。 解决方法： 输入级采用低温漂的差分放大器。
Avc2
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第4章
放大器基础
VDD RD T1 vi1 RSS VSS RL RD + vo1 _ T2 vi2
单端输出电路特点 一般射极电阻 RSS 取值较大
RD / / RL 因此Avc1 很小。 2 RSS
单端输出电路利用 RSS 的负反 馈作用抑制共模信号。 利用 RSS 抑制共模信号（温漂）原理：
与双端输出电路的区别：仅在于对 RL 的处理上。 Rid 2Ri1 不变 减小 Rod1 Ro1 RD
Avd1
vod1 vod1 Av 1 1 g m RD / / RL Avd2 减小 2v id1 vid 2 2
9
注：Avd2对应RL接在T2的D极，输出为vod2的情况。
（两输入端串联） （两输出端串联）
Rod 2 Ro1 2RD
注意：电路采用了成倍元件，但电压增益并没有得到 提高。
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第4章
放大器基础
RD RD RL + vod1 _
单端输出电路
+ T1 + vid1 _ RD RL vod1 _
VDD
T1 vid1
T2 vid2
RSS VSS
半边电路差模交流通路
RSS VSS
ISS
IDQ通过下式获得： VSQ VSS VGSQ VSS I SS 2 I DQ = , RSS RSS
VGSQ VGS(th) 2 I DQl
n CoxW
（饱和区）
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第4章
放大器基础
4.3.2 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。
2)差模性能指标分析 差模电压增益
vod1 _
vod vod1 vod2 2vod1 Avd 2v id1 vid vid1 vid2
Av 1
RL g m RD / / 2
(Av1为半边电路的电压增益)
差模输入电阻 差模输出电阻
vid Rid iid
2Ri1
恒流源偏置（长尾）的差分放大器
I EE R2 ( VEE ) VBE(on)3 R1 R2 R3
vo vi2
vi1
2 REE VEE 3 R3 其中 Ro3 ' rce3 (1 ) K CMR gm Ro3 ' 很大 R3 rbe3 R1 / / R2 20
voc Avc 0 单端输出 Avc1 Avc2 RC / / RL v ic 2 REE
KCMR g m REE
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第4章
放大器基础
存在的问题： REE 单端输出KCMR 基本不变（因gm=ICQ/VT）
IEE Q 点降低 输出动态范围
VCC RC RC T1 T2 R1 R2
T2 vid2
故 i SS= iD1 + iD2 = 2IDQ(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。
T1 + vid1 _ RD RL/2
+ vod1 _
注意：关键在于对公共器件的处理。
半边差模交流通路
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第4章
放大器基础
+ T1 + vid1 _ RD RL/2
Avd1 Avd2 1 1 g m RD / / RL 1.25 2 2
Avc2 Avc2 RD 0.05 2 RSS
（4）vo1、vo2
vo1 Avc1vic Avd1vid 1.25 20 0.05 10 25.5sin t (mV) vo2 Avc2vic Avd2vid 24.5sin t (mV)
6
画半边电路共模交流通路 计算 Avc、KCMR、Ric 、Roc 。
第4章
放大器基础
RD T1 vid1 RSS VSS R L RD + vod _
VDD
差模性能分析
双端输出电路
1)半边差模交流通路 RSS 对差模视为短路。 因 iD1 = IDQ + id iD2 = IDQ - id
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第4章
放大器基础
双极型管差分放大器
1）电路结构
VCC T1 VCC
RC
+ vo RL
REE VEE
RC
T2
RC
RC RL + REE VEE
T1
+ vi1 -
+ vi2 -
+ vi1 -
vo
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|。 具有两种输出方式：双端输出、单端输出。
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第4章
放大器基础
共模抑制比
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 单端输出电路
K CMR K CMR Avd Avc Avd1 Avc1
g m RSS
提高 KCMR 用恒流源取 代 RSS(P196 图
4-3-6)
提高 ISS(即增大 gm)、增大 RSS 增大 RSS会引起 ISS的减小
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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 vo 2 voc2 vod2 Avc2vic Avd2 vid
2
第4章
放大器基础
4.3.1 电路结构
VDD RD T1 vi1 RSS VSS
(a)
VDD RD RD RL + vO1 _ T2 vi2
R L RD + v O _ T2 vi2
T1 vi1
RSS VSS
(b)
由两完全对称的共源电路，经源极电阻 RSS 耦合而成。 采用正负双电源供电：VDD = |VSS|。 具有两种输出方式：双端输出(图a)、单端输出(图 3 b)。
双出无意义
半边共模交流通路
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：
T I DQ1 I DQ2 VDQ1 VDQ2
VO ( VDQ1 VDQ2 ) 0
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第4章
放大器基础
VDD RD T1 vic1 RSS VSS RL RD + voc1 _ T2 vic2
第4章
放大器基础
RD T1 vic1 RSS VSS R L RD + v _ oc
VDD
共模性能分析 双端输出电路
1)半边共模交流通路 每管源极接 2RSS。 因
T2 vic2
iD1 = IDQ + id iD2 = IDQ + id
T1 + vic1 _
则 iSS = iD1 + iD2 = 2IDQ+ 2id 因此 RSS 上的共模电压：2iD RSS RL 对共模视为开路。 因此流过 RL 的共模电流为 0。 直流电源短路接地。
其中
Avc1
v i1 v i2 v ic 2
RD / / RL Avc2 2 RSS
1 Avd1 Avd2 g m RD / / RL 2
vid vi1 vi2
双端输出时
其中
vo vo1 vo 2 Avd vid
vid vi1 vi2
第4章
放大器基础
差放半边电路分析法
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，分别画出半边电路交流 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 画半边电路差模交流通路 计算 Avd、Rid、Rod 。 共模分析 根据需要计算输出电压 双端输出： 计算 vo 。 单端输出： 计算 vo1 、 vo2 。
Rod1 RD
Avd 仅与电路输出方式有关。
RL Avd gm RD / / 2 1 单端输出 Avd1 Avd2 gm RD / / RL 2
双端输出
Avc仅与电路输出方式有关。
双端输出 单端输出
voc Avc 0 v ic
Avc1 Avc2
voc1 RD / / RL vic 2 RSS
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第4章
放大器基础
2）差放性能指标归纳总结
Rid 与电路输出方式无关。 Rod 与电路输出方式有关。 双端输出
Rid 2 Ri1 2rbe
Rod1 Ro1 RC
Rod 2 Ro1 2 RC ，单端输出
Avd 与电路输出方式有关。 1 RC / / RL 双端输出 2 Avd rbe RC / / RL A A 单端输出 vd1 vd2 2rbe Avc与电路输出方式有关。 双端输出 KCMR与电路输出方式有关。 双端输出 K CMR 单端输出