差分放大器

共模特性分析 — 输入电阻
Rc1 Rc2
＋ －
iB1 iB2 iB , iIc 2iB
iEE 2 1 iB
c1 β∆iB1 ∆iB1 rbe1 ∆iB2
＋ －
∆uOc
c2 β∆iB2 rbe2
uIc iB1rbe1 iEE Re
共模输入电阻
Rc1
∆iC1 ∆iB1
＋ －
Rc2 ∆uOd
∆iC2 ∆iB2
－
Rc1
Rc2
＋ －
c1
＋ uId ∆iE1 2 Re －
b1
＋
－
β iB1 iB1 rbe1
uId 2
uOd
c2
β iB2 rbe2 iB2 b2
－ ＋
∆iE2
uId ∆iEE=0 2 ＋
e1
e2
uId 2
Re 不起作用！
差模特性分析 — 电压增益 差模特性：差分放大器在仅输入差模信号 时的性能(微变条件)。 差模电压增益
非理想条件下的差分放大电路 双端输入单端输出 ► 静态工作点分析：
+VCC Rc1 T1 ＋ ui1 － Rc2 RL
UEQ IEE
T2 ＋ ui2 －
因输入回路不变， 故IEQ、IBQ、ICQ与双 端输出时相同。但此 时UCEQ1 ≠ UCEQ2。
VCC U CQ1 Rc I CQ U CQ1 RL
uI1
－
uI2
－
FET差放结构和性 能与BJT差放完全类似。 对差模信号，Rs相当于 短路；对共模信号，Rs 作用增强。
1 Aud(d) gm Rd Aud(s) gm Rd 2 Rd Auc(d) 0 Auc(s) 2Rs K CMR( s ) gm Rs
FET差分放大器
R'L Aud(s) 4.65; Auc(s) 0.12 2 Rb rbe 2Re KCMR 34; uO Aud(s)uId Auc(s)uIc 42mV
R'L
FET 差分放大器
+VDD Rd1 uO1 RL ＋ ＋ Rs -VSS uO2 Rd2
b1 b2 ∆iIc
e1
∆iEE
Re
e2
∆uIc
uIc rbe Ric 1 Re iIc 2
由于此时差分放大器的共模输出电压大 小为0，其输出电阻(Roc=2RC)没有意义。 差分放大器功能一：抑制共模！
交流特性—差模等效电路 施加在差分放大器两输入端，且大小相 等，相位相反的信号称为差模信号。 差模等效电路：差分放大器在差模信号 作用下所形成的交流通路。
注意： FET差放的 Rid和Ric均为∞
作业
习题（P182）
3.7
+VCC Rc1
＋
+VCC
Rc2
Rc1
＋
Rc2 uO
－
uO
－
＋ ui1 －
T1
IEE
UEQ
T2
Re -VEE
＋ ui2 －
＋
T1
IEE
T2
＋
uI1
－
uI2
－
-VEE
Re ↑ → ICQ↓→ Uom↓
恒流偏置、Ro →∞
差分放大电路的改进 ► 问题：如何克服非对称性的影响？ 增加调零电位器 Rw来抵消非对称影响。
差模输出电阻
Rod Rc
何种情况 为正？
Rc / / RL uO1 差模 Aud1 电压增益 uId 2rbe
非理想条件下的差分放大电路 ► 共模性能分析：
Rc1
c1 β∆iB1 ∆iB1 rbe1 ∆iB2 ∆iIc
＋ －
∆uO1
RL
Rc2
共模输入电阻
c2 β∆iB2 rbe2 e2
+VCC
+
T2 uO Re2
-
如何抑制零点漂移
+VCC
零点漂移
Rc + uO
Rb VBB Re
如何使得直流电源V能 够跟随UCQ的变化？
-
采用对称电路形式来 抵消输出端的零点漂移。
+VCC
零点漂移
V=UCQ
零点漂移
+VCC Rc + uO Re V
Rc1
O
Rb VBB
Rb1 T1 VBB Re1
+u -
零点漂移 零漂：放大器在没有输入信号时，输出端 电压在零电平附近来回漂移的一种现象。
uo (mv)
0 t
产生原因：温度变 化→晶体管参数变化→ 工作点变化→逐级放大。
Rb2
b1
Hale Waihona Puke Baidu
克服温漂的方法： 引入直流负反馈(Re)； R + 温度补偿(温敏电阻 u Rb1或Rb2)。
I
Rc1 T1 Re1
Rc2
uOd Rc Aud uId rbe
uOc Auc 0 uIc
► 什么是非理想情况？ ① 单端输出；② 参数非对称。 问题：单端输入是否是非理想情况？
差分放大电路的四种接法
RL1 +
四种
-
uI1
uI uI2
接法
＋
差 分 放 大 器
uO1 RL
uO uO2
RL2 双端输出 双端输入 uI1≠0 ，uI2≠0 单端输入 ui1＝0 或ui2＝0 ∆uO = ∆uO1－ ∆uO2 ∆uO = ∆uO1－ ∆uO2 单端输出 ∆uO1或 ∆uO2 ∆uO1或∆uO2
I EE VEE U BEQ
Re -VEE


Re
静态工作点计算
ICQ1 ICQ2 I EE 2
理想情况下无零漂
uO UCQ1 UCQ2 0
交流特性—共模等效电路 施加在差放两输入端，且大小相等，相 位相同的信号称为共模信号，如温漂。 共模等效电路：差分放大器在共模信号 作用下所形成的交流通路。
A
-
10mV
~
+
信号分解
+ -
A
+ -
uId =10mV；uIc=5mV
~ - ~+ + 5mV
A
结论：差分放大器输入任意信号时，都 可分解为差模和共模信号的组合。放大器的 输出为差模输出和共模输出的叠加。
差分放大电路的特点 差分放大器的特点 ► 抑制零点漂移； ► 放大差模信号，抑制共模信号。
► 理想情况下(参数对称、双端输出)：
rbe Ric 1 Re 2
共模输出电阻
e1
Re
∆uIc
Roc Rc
Rc / / RL uO1 R'L 共模 Auc1 电压增益 uIc rbe 2 1 Re 2Re
非理想条件下的差分放大电路 结论：输出电压是差模信号和共模信号 共同作用的结果。理想情况下，差模信号被 放大而共模信号完全被抑制掉！ 不为0
Rc2
零点漂移
Rb2 VBB
T2 Re2
长尾式差放的电路结构 一、电路基本结构
+VCC Rc1 Rc2
uO1
T1
uO2
RL
T2
＋
＋
uI1
－
uI2
Re -VEE
－
► 由两晶体管经射 极电阻Re 耦合组成； ► 双电源供电 ，且 VCC = VEE ； ► 有两个输入端和两 个输出端，分别用uI1、 uI2和uO1、uO2表示；
Rc1 Rc2
＋ －
c1
β∆iB1
∆uOd
c2
β∆iB2
由电路对称性： Rc1=Rc2=Rc ，rbe1=rbe2=rbe ∆iB1= ∆iB2= ∆iId
差模输入电阻
b1
＋
rbe1
e1
e2
rbe2
∆iB2
∆uId
－
∆iId=∆iB1
b2
uId Rid 2rbe iId
差模输出电阻
Rod Rc1 Rc2 2Rc
3.3 差分放大器 为什么要引入差分放大器概念？也即差 分放大器能实现什么功能？
低频信号的放大
Rc1 T1 Rc2 Cc1 +VCC Cc2
+
Rb1 Cb1
+
Rb2 Rb1
+
Rc1 T1
Rc2
+VCC
+
T2 uO
-
T2 uO
-
uI
-
uI
-
直接耦合放大器能将工作频率下限扩展 到直流，但带来了零点漂移这一不利影响。
β∆iB1
ββ ∆ iB2 ∆ iB2
rbe
Rb Rb ∆iB1 ∆
r rbe be
+ ∆uIc ∆uId /2 _
+
_
∆iB2 ∆ B2 Re +
_
Rb
Rb
∆u iEE ∆ Id /2
VEE 0.7 I EQ = 0.56mA ; rbe 2.36k 2Re Rb / 1
► 直流性能 失调：零输入时放大器出现非零输出。 ► 交流性能 1、两个单端输出的差模增益不相等，双 端输出的差模增益同理想情况比仅大小有变化。 2、任何输出形式，输出端都有共模输出。 KCMR为有限值，对称性越差，KCMR越小。
差分放大电路的改进 差放能放大差模而抑制共模的原因：电 阻Re的作用。Re 越大，KCMR 就越大。 ► 问题：Re 是不是越大越好呢？
Rc1 Rc2
＋ －
uId 2iB rbe
uO1 uO2 iB Rc
双端输出时差模电压增益
c1
β∆iB1
∆uOd
c2
β∆iB2
b1
＋
rbe1
e1
e2
rbe2
∆iB2
∆uId
－
∆iId=∆iB1
b2
uOd Rc Aud uId rbe
差模特性分析 — 输入电阻
Rc1 Rc2
＋ －
uO1 iB1 Rc1 iB Rc
c1 β∆iB1 ∆iB1 rbe1 ∆iB2
＋ －
∆uOc
c2 β∆iB2 rbe2
uO2 iB2 Rc2 iB Rc
双端输出时共模电压增益
b1 b2 ∆iIc
e1
Re
e2
∆uIc
uOc Auc 0 uIc
特点：结构对称，元件参数相同。
直流特性 — 静态工作点 二、静态工作点估算
+VCC Rc1
＋
仅直流作用：uI1 = uI2 =0
Rc2
uO
－
U BEQ1 U BEQ 2 U BEQ U EQ U BEQ
＋ uI2 －
＋ uI1 －
T1 IEE
UEQ
T2
I EQ1 I EQ 2 I EQ I EE 2
Rc1
∆iC1 ∆iB1
＋ ＋ －
Rc2 ∆uOc
∆iC2 ∆iB2
Rc1
Rc2
＋ －
c1 β∆iB1 ∆iB1 rbe1
∆uOc
c2 β∆iB2 rbe2 e2
b1
∆iE1 ∆iEE ∆iE2
＋
∆uIc
－
Re
∆uIc
－
b2 ∆iIc
e1 ∆iB2
＋ －
∆uIc
Re
共模特性分析 — 电压增益 共模特性：差分放大器在仅有共模信号输 入时的性能(微变条件)。 共模电压增益
差分放大器功能二：放大差模！
输入信号的等效 问题：当差分放大器输入任意两个信号 时，如何简便地分析其交流特性？ 差分放大器有任意两输入信号uI1、uI2： uI 1 uI 2 两者 两者 uIc uId uI 1 uI 2 差值 均值 2
uId uI 1 uIc 2
共模部分 差模部分
非理想 情况
uO Aud uId Auc uIc
衡量差分放大器放大差模抑制共模能力的 指标是共模抑制比（KCMR）:
K CMR Aud 20 lg dB Auc
理想情况：KCMR = ∞，非理想：有限值。
非理想条件下的差分放大电路 电路参数非对称
实际使用中元件参数无法满足严格的对称 性，从而使差分放大器性能受到影响。
+VCC Rc1
＋
Rc2 uO Rw
－
Rc1
＋ ∆uO －
Rc2
＋
T1
T2
＋
β∆iB1 ∆iB1 rbe1 ∆uId
－ ＋
Rw1
Rw2
β∆iB2 rbe2
uI1
－
uI2
IEE
－
∆iB2
-VEE
Rw 使得Aud 降低、Rid 增大( Rw小阻值 )。
例题
例：结构对称差放， = 50，UBEQ=0.7V, 忽略管子rbb'，uI1=30mV，uI2=40mV, 试求： Aud(s)、KCMR 和 输出电压uO的值。
uId uI 2 uIc 2
共模部分 差模部分
► 任意两个输入信号，都可分解为差模 和共模信号的组合！
输入信号的等效
20mV
~ ~
+ +
+ -
10mV
A
+ ~ ~ - +
5mV
15mV 15mV
信号分解
+ -
uId =10mV；uIc=15mV
~ - ~+ + 5mV
+ ~ ~ - +
5mV 5mV 5mV
Re -VEE
静态工作点计算
U CQ2 VCC I CQ Rc
非理想条件下的差分放大电路 ► 差模性能分析：
差模输入电阻
Rc1 Rc2
c1 β∆iB1 b1 rbe1 e 1 ＋ ∆iId=∆iB1 ∆uId － b2
∆uO1
RL
c2 e2 β∆iB2 rbe2
∆iB2
Rid 2rbe
Rc 10kΩ Rb1 10kΩ +12V
uO
T1 RL 3kΩ T2
Rb2 10kΩ
+ -
uI1
Re 10kΩ -12V
uI2
+ -
例题
Rc 10kΩ IBQ Rb1 10kΩ RL 3kΩ T2 IEQ Re 10kΩ -12V IEQ +12V
Rc c R RL L
T1
IBQ Rb2 10kΩ