差分放大电路

模拟电子技术基础安徽理工大学电气工程系主讲：黄友锐第九讲6.1概述6.2差分放大电路的静态计算6.3差分放大电路的动态计算6.1概述6.1.1差分放大电路的组成6.1.2差分放大电路的输入和输出方式6.1.3差模信号和共模信号6.1.1差分放大电路的组成差分放大电路是由对称的两个基本放大电路，通过射极公共电阻耦合构成的。如图06.01所示。对称的含义是两个三极管的特性一致，电路参数对应相等。图06.01差分放大电路即：1=2=VBE1=VBE2=VBErbe1=rbe2=rbeICBO1=ICBO2=ICBORC1=RC2=RCRb1=Rb2=Rb6.1.2差分放大电路的输入和输出方式差分放大电路一般有两个输入端：同相输入端，反相输入端。差分放大电路可以有两个输出端，一个是集电极C1，另一个是集电极C2。从C1和C2输出称为双端输出，仅从集电极C1或C2对地输出称为单端输出。根据规定的正方向，在一个输入端加上一定极性的信号，如果所得到的输出信号极性与其相同，则该输入端称为同相输入端。反之，如果所得到的输出信号的极性与其相反，则该输入端称为反相输入端。信号的输入方式：若信号同时加到同相输入端和反相输入端，称为双端输入；若信号仅从一个输入端对地加入，称为单端输入。图06.02共模信号和差模信号示意图6.1.3差模信号和共模信号差分放大电路仅对差模信号具有放大能力，对共模信号不予放大。温度对三极管电流的影响相当于加入了共模信号。差分放大电路是模拟集成运算放大器输入级所采用的电路形式。差模信号共模信号是指在两个输入端加上幅度相等，极性相反的信号。是指在两个输入端加上幅度相等，极性相同的信号。图06.03双电源差分放大电路BEEBECCEEEeCEcCCCCBC+==2===VVVVVVVRIVRIVVIIesBEEEB2)1(=RRVVI6.2差分放大电路的静态计算差分放大电路的静态和动态计算方法与基本放大电路基本相同。为了使差分放大电路在静态时，其输入端基本上是零电位，将Re从接地改为接负电源－VEE。由IB的计算式可知，Re对一半差分电路而言，只有2Re才能获得相同的电压降。如图06.03所示。由于接入负电源，所以偏置电阻Rb可以取消，改为－VEE和Re提供基极偏置电流。基极电流为:(动画6-1)6.3差分放大电路的动态计算6.3.1差模状态动态计算6.3.2共模状态动态计算6.3.3恒流源差分放大电路6.3.1差模状态动态计算差分放大电路的差模工作状态分为四种:1.双端输入、双端输出（双----双）2.双端输入、单端输出（双----单）3.单端输入、双端输出（单----双）4.单端输入、单端输出（单----单）主要讨论的问题有：差模电压放大倍数差模输入电阻输出电阻图06.04双端输入双端输出(1)差模电压放大倍数Avd双端输入差放电路如图06.04所示。负载电阻接在两集电极之间。vi接在两输入端之间，也可看成±vi/2各接在两输入端与地之间。besLcd)2//(rRRRAv这种方式适用于双端输入和双端输出，输入、输出均不接地的情况。①双端输入双端输出差模电压放大倍数差动放大器双入——双出微变等效电路(1)差模电压放大倍数AvdbesLcd2//rRRRAv②双端输入单端输出差模电压放大倍数这种方式适用于将差分信号转换为单端输出的信号。双端输入单端输出因只利用了一个集电极输出的变化量，所以它的差模电压放大倍数是双端输出的二分之一。图06.05双端输入单端输出③单端输入双端输出差模电压放大倍数单端输入信号可以转换为双端输入，其转换过程见图06.06。右侧的Rs+rbe归算到发射极回路的值[(Rs+rbe)/(1+)]Re，故Re对Ie分流极小，可忽略，于是有:besLcd)2//(rRRRAv这种方式用于将单端信号转换成双端差分信号,可用于输出负载不接地的情况。图06.06单端输入转换为双端输入vi1=－vi2=vi/2besLcd2//rRRRAv④单端输入单端输出通过从T1或T2的集电极输出，可以得到输出与输入之间或电位反相或电位同相的关系。从T1的基极输入信号，从C1输出，为反相；从C2输出为同相。(2)差模输入电阻不论是单端输入还是双端输入，差模输入电阻Rid是基本放大电路的两倍。besid2rRR(3)输出电阻输出电阻在单端输出时，双端输出时，coRRco2RR6.3.2共模状态动态计算如果输入信号极性相同，幅度也相同则是纯共模信号。如果极性相同，但幅度不等，则可以认为既包含共模信号，又包含差模信号，应分开加以计算，如图06.07所示。例如温漂信号属共模信号，它对差分放大电路中Ic1和Ic2的影响相同。图06.07共模差模信号混合的情况计算共模放大倍数Avc的微变等效电路，如图06.08所示。其中Re用2Re等效，这与差模时不同。Avc的大小，取决于差分电路的对称性，双端输出时可以认为等于零。单端输出时为:eLebebLICOC1c2'2)1('=RRRrRRvvAv图06.08共模微变等效电路(1)共模放大倍数Avc(2)共模抑制比共模抑制比KCMR是差分放大器的一个重要指标。cdCMRvvAAKdBlg20cdCMRvvAAK，或bebeeLbebLCMR2/')(2/'rRRRRrRRK双端输出时KCMR可认为等于无穷大，单端输出时共模抑制比(动画6-2)6.3.3恒流源差分放大电路为了提高共模抑制比应加大Re。但Re加大后，为保证工作点不变，必须提高负电源，这是不经济的。为此可用恒流源T3来代替Re。恒流源电流数值为IE=(VZ-VBE3)/Re图06.09恒流源差分放大电路恒流源动态电阻大，可提高共模抑制比。同时恒流源的管压降只有几伏，可不必提高负电源之值。这种电路称为恒流源差分放大电路，电路如图06.09所示。07多级放大电路多级放大电路概述7.17.2直接耦合多级放大电路7.3多级放大电路电压放大倍数的计算7.4变压器耦合的特点多级放大电路的放大倍数niinAAAAAA1=3217.1.1耦合形式7.1.2零点漂移7.1多级放大电路概述7.1.1耦合形式多级放大电路的连接，产生了单元电路间的级联问题，即耦合问题。放大电路的级间耦合必须要保证信号的传输，且保证各级的静态工作点正确。耦合电路采用直接连接或电阻连接，不采用电抗性元件。级间采用电容或变压器耦合。电抗性元件耦合，只能传输交流信号，漂移信号和低频信号不能通过。直接耦合电路可传输低频甚至直流信号，因而缓慢变化的漂移信号也可以通过直接耦合放大电路。直接耦合电抗性元件耦合根据输入信号的性质，就可决定级间耦合电路的形式。耦合电路的简化形式如图07.01所示。直接耦合或电阻耦合使各放大级的工作点互相影响，应认真加以解决。(a)阻容耦合(b)直接耦合(c)变压器耦合图07.01耦合电路的形式7.1.2零点漂移零点漂移是三极管的工作点随时间而逐渐偏离原有静态值的现象。产生零点漂移的主要原因是温度的影响，所以有时也用温度漂移或时间漂移来表示。工作点参数的变化往往由相应的指标来衡量。一般将在一定时间内，或一定温度变化范围内的输出级工作点的变化值除以放大倍数，即将输出级的漂移值归算到输入级来表示的。例如V/C或V/min。7.1.3直接耦合放大电路的构成直接耦合或电阻耦合使各放大级的工作点互相影响，这是构成直接耦合多级放大电路时必须要加以解决的问题。电位移动直接耦合放大电路NPN+PNP组合电平移动直接耦合放大电路电流源电平移动放大电路(1)(2)(3)电位移动直接耦合放大电路(1)于是VC1=VB2VC2=VB2+VCB2＞VB2（VC1）这样，集电极电位就要逐级提高，为此后面的放大级要加入较大的发射极电阻，从而无法设置正确的工作点。这种方式只适用于级数较少的电路。如果将基本放大电路去掉耦合电容，前后级直接连接，如图07.02所示。图07.02前后级的直接耦合(2)NPN+PNP组合电平移动直接耦合放大电路级间采用NPN管和PNP管搭配的方式，如图07.03所示。由于NPN管集电极电位高于基极电位，PNP管集电极电位低于基极电位，它们的组合使用可避免集电极电位的逐级升高。图07.03NPN和PNP管组合电流源电平移动放大电路(3)但电流源交流电阻大，在R1上的信号损失相对较小，从而保证信号的有效传递。同时,输出端的直流电平并不高，实现了直流电平的合理移动。在模拟集成电路中常采用一种电流源电平移动电路，如图07.04所示。图07.04电流源电平移动电路电流源在电路中的作用实际上是个有源负载，其上的直流压降小，通过R1上的压降可实现直流电平移动。7.2多级放大电路电压放大倍数的计算在求分立元件多级放大电路的电压放大倍数时有两种处理方法。输入电阻法开路电压法一是将后一级的输入电阻作为前一级的负载考虑，即将第二级的输入电阻与第一级集电极负载电阻并联。二是将后一级与前一级开路，计算前一级的开路电压放大倍数和输出电阻，并将其作为信号源内阻加以考虑，共同作用到后一级的输入端。图07.05两级放大电路计算例现以图07.03的两级放大电路为例加以说明，有关参数示于图07.05中。三极管的参数为1=2==100，VBE1=VBE2=0.7V。计算总电压放大倍数。分别用输入电阻法和开路电压法计算。7.2.1用输入电阻法求电压增益（1）求静态工作点A9.3=0.0093mA=mA7.2101)20//51(7.038.3)+(1+)//('=e1b2b1BECCBQ1RRRVVImA93.0BQ1CQ1IIV7.48.793.012)()(=e1c1CQ1cce1BQ1CQ1c1CQ1CCCEQ1RRIVRIIRIVVV26.71.593.012c1CQ1ccB2C1RIVVVmA04.19.3/04.49.3/)96.712(/)(e2E2CCCQ2EQ2RVVIIV47.43.404.1c2CQ2C2RIVV96.77.026.7BE2B2E2VVVV45.396.747.4VVV2E2C2CEQ（2）求电压放大倍数先计算三极管的输入电阻Ωk8.2Ω04.126101300mA)(mV)(26)1(=Ωk1.3Ω93.026101300mA)(mV)(26)1(=E2bbbe2E1bbbe1IrrIrr电压增益2be2i1be2i1c1vrR,3.581.3)8.2//1.5(100r)//R(=A其中：R6.1538.23.4100)//(=be2Lc22rRRAv8955)6.153(3.5821vvvAAA如果求从VS算起的电压增益，需计算第一级的输入电阻Ri1=rbe1//Rb1//Rb2=3.1//51//20=3.1//14.4=2.55k6436)6.153(9.419.41)3.58(55.2155.2+=2s1s1i1si1s1vvvvvAAAARRRA7.2.2用开路电压法求电压增益第一级的开路电压增益5.1641.31.5100=be1c1O1rRAvc1o1RR3.548.23.41008.21.58.2=be2c2i2o1i22rRRRRAv8932)3.54()5.164(==2O1vvvAAA第二级的电压增益第一级的输出电阻总电压增益7.3变压器耦合的特点采用变压器耦合也可以隔除直流，传递一定频率的交流信号，因此各放大级的Q互相独立。变压器耦合的优点是可以实现输出级与负载的阻抗匹配，以获得有效的功率传输。变压器耦合阻抗匹配的原理见图07.06(a)。在理想条件下，变压器原副边的安匝数相等，即I1N1=I2N2I2=（I1N1/N2）=I1(V1/V2)=(