差分放大器

令
uId uI1 uI2
uIc uI1 uI2 2
uI2
uId uIc 2
527
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6.1.1 差分放大器的分析
2. 工作原理
例6-1
uI1 10sin t (mV) uId 6sin t (mV) uI2 4sin t (mV)
Ro 2 Rc
538
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6.1.1 差分放大器的分析
7. 共模抑制比
衡量差分放大器放大差模信号和抑制共模信号的能力。 定义：差模电压放大倍数与共模电压放大倍数之比的绝对值。
K CMR Aud Auc
Common Mode Rejection Ratio
KCMR (dB) 20 lg KCMR
6.1.1 差分放大器的分析
9. 差分放大器的组合形式
（1）共集-共基差分放大器 分析：双端输入、单端输出；VT5、VT6
构成基本电流源，作为VT4的有源负载；
uO u u O1 O uI uI uO1
CC组态
uO1 (1 hfe ) RL1 uI hie (1 hfe ) RL1 hie 1 hfe uO1 1 uI 2
例6-3 某差分放大器两个输入端的信号分别为 uI1 和 uI2 ，输出电压 uO ，
三者的关系是 uO 100uI1 99uI2 。试求该差分放大器的差模电压放大倍数
和共模电压放大倍数及共模抑制比。
解：
uO Aud uId Auc uIc Aud (uI1 uI2 ) Auc (
1. 电路形式
差分式放大电路的组态基于不同的应用场合，有双、单端输入和 双、单端输出的情况。 单端输入时，另一端接地。
双入双出
双入单出
单入双出
单入单出
524
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6.1.1 差分放大器的分析
2. 工作原理
（1）输入信号的分析 ① 差模输入信号：uI1 uI2
即两管输入信号大小相等、相位相反，称为差模输入信号，记为 uId
越大 ，表示差分放大器对共模信号的抑制能力越强。
539
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6.1.1 差分放大器的分析
7.共模抑制比
减小共模输出电压提高共模抑制比的方法：
① 双端输出时，使电路尽可能对称；
② 单端输出时，
Rc Auc1 Au c2 2 Re
增大发射极电阻，受到发射极电源电压的限制。寻找一 种电阻：它对直流呈现很小的阻值，而对交流呈现非常 大的阻值； 恒流源电路 ③ 引入共模负反馈。
0
Rc // RL 2ro
hfe ro hie
K CMR Rid Ric Ro

2hie

2hie
1 [hie (1 )2ro ] 2
1 [hie (1 )2ro ] 2
2 Rc
Rc
2 Rc
Rc
542
以上对应电路均未接基极电阻或信号源内阻忽略不计。
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只要输入电压有差别，输出就变动！
533
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6.1.1 差分放大器的分析
3. 差模电压放大倍数和差模输入电阻
（2）差模输入电阻 Rid
Rid 2( Rb hie )
534
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6.1.1 差分放大器的分析
4. 共模电压放大倍数和共模输入电阻
（1）共模电压放大倍数
Auc1 ( Auc2 )、Auc
uId uI1 uI2
uI1 uId / 2
uI2 uId / 2
② 共模输入信号： uI1 uI2
即两管输入信号大小相等、相位相同，称为共模输入信号，记为 uIc
uIc uI1 uI2
零漂引起的就是共模信号，为有害信号。
525
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6.1.1 差分放大器的分析
双入双出 双入单出
hfe ( Rc // RL ) 2hie
1 hfe ( Rc // RL ) hie 2
单入双出
1 hfe ( Rc // RL ) hie 2
单入单出
hfe ( Rc // RL ) 2hie
Aud
Auc
0
Rc // RL 2ro
hfe ro hie
540
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6.1.1 差分放大器的分析
提高方法，电路举例 （1）恒流源电路 （2）引入级间共模负反馈
7.共模抑制比
ro
ro
hfe3 Re 1 (1 ) hoe3 R1 // R2 hie3 Re
541
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6.1.1 差分放大器的分析
射极电阻或射极电流源内阻
8.几种差分放大器方式性能参数比较
2. 工作原理
问题： 差分放大器的两个输入信号往往是一对任意数值的信
号，一般 分析 ？ 解决方法： 对输入信号进行分解，把一对任意数值的输入信 号分解为差模信号和共模信号的叠加，求出差模信号 和共模信号分别作用于差分放大器时的输出结果，然 后利用叠加原理，得出差分放大器在一对任意数值输 入信号作用下的性能指标。
6.1.2 差分放大器大信号输入时的传输特性
1. 双极型晶体管差分放大器的传输特性
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6.1.1 差分放大器的分析
3. 差模电压放大倍数和差模输入电阻
（1）差模电压放大倍数 Aud1 ( Aud2 )、Aud
单端输出差模电压放大倍数
Aud1 uO1 uO1 hR fe c uId 2uI1 2( Rb hie )
uO2 uO2 hfe Rc Aud2 Aud1 uId 2uI2 2( Rb hie )
Auc Aud 100 2 A Aud uc 99 2
A A uI1 uI2 ) ( Aud uc )uI1 ( Aud uc )uI2 2 2 2
Aud 99.5 Auc 1
KCMR 99.5
20lg KCMR 40dB
548
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Ri2 RL1
CB组态
543
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6.1.1 差分放大器的分析
9. 差分放大器的组合形式
（1）共集-共基差分放大器
uO hfe RL2 uO1 hie
1 hoe6 RL2
uO hfe uO1 hie hoe6
uO uO1 uO hfe uI uI uO1 2hie hoe6
544
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6.1.1 差分放大器的分析
9. 差分放大器的组合形式
（2）共集-共射差分放大器 分析：双端输入、单端输出；VT5、VT6
构成基本电流源，作为VT4的有源负载；
uO u u O1 O uI uI uO1
CC组态
uO1 (1 hfe ) RL1 uI hie (1 hfe ) RL1
526
uI1 uI2
，即，非差模也非共模，该怎样
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6.1.1 差分放大器的分析
2. 工作原理
具体分解方法：
uI1 uI1 uI2 uI1 uI2 2 2
uI2
uI1 uI2 uI1 uI2 2 2
uI1 uId uIc 2
（2）共模输入电阻 Ric
1 Ric [ Rb hie (1 hfe )( 2 Re )] 2
537
5.如何求输出电压 uo1, uo 2 和uo
uo1 uod1 uoc1
uo 2 uod 2 uoc2
uo uod uoc
uO1 Aud1uId Auc1uIc
Aud 100 Auc 0.1 K CMR 1000
uId uI1 uI2 4sin t mV
uO (100 4sin t 0.1 8sin t )mV (400.8sin t )mV
547
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6.1.1 差分放大器的分析
10. 例题分析
uo uc1 uc2 0
522
uc1 uc2
靠电路对称消除零漂！
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6.1.1 差分放大器的分析
1. 电路形式
射极电阻的几种不同形式
输入信号分别加到两管基极，输出两种取法 ① 从单管集电极取 —— 单端输出
② 从两管集电极之间取 —— 双端输出
523
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6.1.1 差分放大器的分析
uI1 0
相同
两管均为共射放大器，完 成放大差模信号的作用。
529
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6.1.1 差分放大器的分析
2. 工作原理
② 共模信号作用下： 两管相应电流始终相等，流过 Re 的信号电流
为 2iE ，产生的电压为 2iE Re
iE (2 Re )
引入了电流串连负反馈，使得从每个管子 集电极输出时的共模电压大大减小了。
530
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6.1.1 差分放大器的分析
2. 工作原理
（3）结论
差模等效
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱuI1 uI2 2 uI1 uI2 2
共模等效
结论
uI1 uI2 2
uI1 uI2 2
① 差分放大器对差模信号具有放大作用，而对共模信号具有抑制作用。 ② 差模输入信号正是要放大的有用输入信号，而共模输入信号则是有害的 输入信号（零点漂移）。 531
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6.1.1 差分放大器的分析
1. 电路形式 （长尾电路）
差分放大器的基本形式由两个性能完全相同的共发射极电 路拼接而成。 如何消除零漂？
输入信号为零，电路对称
U c1 U c2
Ic1 、Ic2
电路对称，晶体管参数相同，
Uo Uc1 Uc2 0
某种因素产生零漂，如温度升高，
Uc1 、Uc2
uId / 2 3sin t (mV)
uIc 7 sin t (mV)
差模输入信号 （任一端都不 接地）
uI 1
uI 2
共模输入信号
528
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6.1.1 差分放大器的分析
2. 工作原理
（2）电阻 Re 的分析 ① 差模信号作用下：两管各极电流的变化正好相反，当
VT1： iB1、iC1、iE1 VT2： iB2、iC2、iE2 反之亦然。 流过 Re 的信号电流彼此抵消，在 Re 上无信号电压
uO1 1 uI
Ri2 hie RL1
CE组态
545
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6.1.1 差分放大器的分析
9. 差分放大器的组合形式
（2）共集-共射差分放大器
uO hfe RL2 uO1 hie
1 hoe6 RL2
uO h fe uO1 hie hoe6
uO uO1 uO h fe uI uI uO1 hie hoe6
双端输出共模电压放大倍数
uOc uOc1 uOc2 Auc 0 uIc uIc
单端输出时，射极电阻 Re 引入了电流串联负反馈，使得共 模输出电压大大减小；双端输出、电路对称时，则共模输出 电压为零，即共模输入电压完全被抑制。
536
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6.1.1 差分放大器的分析
4. 共模电压放大倍数和共模输入电阻
532
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6.1.1 差分放大器的分析
双端输出
uO uO1 uO2
双端输出差模电压放大倍数
uO uO1 uO2 hfe Rc Aud Aud1 Aud2 uId uId Rb hie
uO AuduId Aud (uI1 uI2 )
546
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6.1.1 差分放大器的分析
10. 例题分析
uI2 6sint mV， 例6-2 某差分放大器已知 uI1 10sint mV ，
KCMR 60 ，已知 Auc为负值，求输出电压 uO 。 Aud 100dB，
解：
uO AuduId AucuIc
u u uIc I1 I2 8 sin t mV 2
uO uO1 uO 2
uO 2 Aud 2 uId Auc2 uIc
( Aud1 Aud 2 )uId ( Auc1 Au2 )uIc
Aud uId Auc uIc
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6.1.1 差分放大器的分析
6. 输出电阻
无论是差模输入还是共模输入，输出端是一样的， 输出电阻统一用 Ro 表示。
单端输出共模电压放大倍数
uOc1 uOc1 Auc1 uI1 uIc hfe Rc Rc Rb hie (1 hfe )2 Re 2 Re
和
Re
成反比，Re 越大， Auc1 越小。
535
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6.1.1 差分放大器的分析
单端输出共模电压放大倍数
Auc2 uOc2 uOc2 Auc1 uI2 uIc