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差分放大器4.4.1电路结构由两完全对称的共发电路，经射极电阻REE耦合而成。T1+-+-VCCREEvi1voVEE+-vi2RCRCT2RLT1+-+-VCCREEvi1voVEE+-vi2RCRCT2RL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。T1+-+-VCCREEvi1voVEE+-vi2RCRCT2RL因电路采用正负双电源供电，则VBQ1=VBQ20估算电路Q点T1VCCREEVEERCRCT2IEEICQ1ICQ2令vi1=vi2=0，画出电路直流通路。2EECQ2CQ1IIIEEEEBE(on)EERVVI因此CCQ1CCCQ2CQ1RIVVV差模信号和共模信号4.4.2电路性能特点差模信号：指大小相等、极性相反的信号。表示为vi1=-vi2=vid/2差模输入电压vid=vi1-vi2共模信号：指大小相等、极性相同的信号。表示为vi1=vi2=vic共模输入电压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。vi1=vic+vid/2vi2=vic-vid/2即差放半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双端输出：计算vo单端输出：计算vo1、vo2差模性能分析T1+-+-VCCREEvi1voVEE+-vi2RCRCT2RL双端输出电路REE对差模视为短路。iC2=ICQ-iCiC1=ICQ+iC因IEE=iC1+iC2=2ICQ（不变）故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。RC+-vod1+-vid1RL2T1半电路差模交流通路1）半电路差模交流通路注意：关键在于对公共器件的处理。2）差模性能指标分析iididivR差模输入电阻eb1i22rRiid2id1ivviid12iv差模输出电阻C1ood22RRR差模电压增益idoddvvAvid2id1od2od1vvvvid1od122vv1vAebLC)2//(rRR注意：电路采用了成倍元件，但电压增益并没有得到提高。半电路差模交流通路RC+-vod1+-vid1RL2T1ii单端输出电路与双端输出电路的区别：仅在于对RL的处理上。T1+-+-VCCREEvi1voVEE+-vi2RCRCT2RLiididivReb1i22rR不变C1o1odRRRidod1d1vvAvid1od12vv21vAebLC)//(21rRR减小减小RC+-vod1=vod+-vid1RLT1ii半电路差模交流通路共模性能分析T1+-+-VCCREEvi1voVEE+-vi2RCRCT2RL双端输出电路每管发射极接2REE。iC2=ICQ+iCiC1=ICQ+iC因IEE=iC1+iC2=2ICQ+2iC则RL对共模视为开路。直流电源短路接地。1）半电路共模交流通路因此REE上的共模电压：2iCREE因为流过RL的共模电流为0。半电路共模交流通路RC+-voc1+-vic1=vicT12REE2）共模性能指标分析iicicivR共模输入电阻1iRiic1iv共模输出电阻共模电压增益icocdvvAvicoc2oc1vvv0电路特点半电路共模交流通路RC+-voc1+-vic1=vicT12REE)1(2EEebRr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：CQ2CQ1TII0)(CQ2CQ1oVVV)(CCQ1CCCQ2CQ1RIVVV单端输出电路T1+-+-VCCREEvi1voVEE+-vi2RCRCT2RL与双端输出电路的区别：仅在于对RL的处理上。iicicivR1iR)1(2EEebRr不变半电路共模交流通路RC+-voc1=voc+-vic1=vicT12REERLC1o1ocRRRicocc1vvAv1vAEELEEebLC2)1(2)//(RRRrRRc2vA单端输出电路特点单端输出电路利用REE的负反馈作用抑制共模信号。利用REE抑制共模信号原理：CQTIEQVBQI)(EQBQBEQVVVT1+-+-VCCREEvi1voVEE+-vi2RCRCT2RLCQI一般射极电阻REE取值较大EELc12RRAv因此很小。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。差放性能指标—归纳总结Rid与电路输入、输出方式无关。Rod仅与电路输出方式有关。Avd仅与电路输出方式有关。Avc仅与电路输出方式有关。eb1id22rRRi双端输出C1ood22RRR单端输出C1ood1RRR双端输出ebL1drRAAvv单端输出ebLd2d12rRAAvv双端输出0icocvvAvc单端输出1icoc1c2c1vvvAvvAAEEL2RR)2///(LCLRRR其中LCL//RRR其中共模抑制比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。定义cdCMRvvAAKcdCMRvvAAK双端输出电路单端输出电路c1d1CMRvvAAKEEmebEERgrR提高IEE（即增大gm）、增大REE提高KCMR普通差放存在的问题：采用恒流源的差分放大器REEKCMR抑制零点漂移能力但IEEQ点降低输出动态范围T1VCCvi1voVEEvi2RCRCT2R1R2R3T3ebid2rRCod2RRebCd22rRAvo3C2c2RRAv2/EE2CQ1CQIIIo3mCMRRgK很大双端输出时单端输出时任意输入时，输出信号的计算idd2o1oovAvvvvi2i1idvvv其中idd1icc1od1oc11ovAvAvvvvvidd2icc2od2oc22ovAvAvvvvv其中i2i1idvvv2i2i1icvvvebLCd)2//(rRRAvebLCd2d12)//(rRRAAvvc2c1vvAAEELC2//RRR例：图示电路，已知=100，vi=20sint(mV)，求vo解：T1VCCREEvivoVEERCRCT2RL22.6k10k10k(12V)(-12V)（1）分析Q点mA25.02/EECQ2CQ1IIImA5.0/)(EEEEBE(on)EERVVI（2）分析Avd2、Avc2252)//(ebLCd2rRRAv11.02//EELC2cRRRAv由于k4.1026)1(1CQebIr则（3）计算voii2i1idvvvv2/2/)(ii2i1icvvvv由于则(mV)sin479idd2icc2o2otvAvAvvvv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：双端输出时的KCMRT1、T2两管集电极电阻RC不相等或T1、T2两管的及VBE(on)不对称例如产生运算误差d)-c(d)-d(CMR/vvAAK因此由两管参数不对称（如VBE(on)、IS、RC不等）引起失调。失调及其温漂输入失调电压VIOT1T2实际差放+-VO0零输入时等效为理想差放+-VOVIO+-从等效的观点看：VIO就是使VO=0时，在实际差放输入端所加的补尝电压。dOIO/vAVV失调电压VIO产生原因：两管不等，造成ICQ1ICQ2输入失调电流IIO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。BQ2BQ1IOIII失调电流IIO产生原因：T1VCCREEVEERCRCT2RSRSIBQ1IBQ2若取2)(BQ2BQ1BIII则2IOBBQ1III2IOBBQ2III失调模型T1T2-+IBIBIIO2IIO2VIORSRS总输入失调电压SIOIOIORIVV当RS较大时：当RS较小时：失调以IIO为主，为减小VIO，应选IIO小的差放。失调以VIO为主，为减小VIO，应选VIO小的差放；2IOBBQ1III2IOBBQ2III调零电路T1VCCREEVEERCRCT2RSRSVEE+-VORW（发射极调零电路）T1VCCREERCRCT2RSRSVEE+-VORW（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阻，使静态工作时双端输出电压减小到零。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VIO和IIO变化。其中温度变化引起的温漂最大。IOIOVTVIOIOITI注意：调零电路可以克服失调，但不能消除温漂。MOS差放的失调因0GIIOSIOIOIOVRIVV则（mV量级）由两管参数（如W/l、VGS(th)）及RD不匹配引起失调。VIO产生原因：注意：MOS管差放的VIO三极管差放的VIO4.4.4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。双极型差放__差模传输特性T1VCCIEEVEERCRCT2iC1iC2+-vID假设电路对称121TBE1eSC1VvIiTBE2eSC2VvIiC2C1EEiiIBE2BE1IDvvv则TID/EEC2e1VvIiTID/EEC1e1VvIi得)2(thTIDEEC2C1VvIii差模传输特性曲线10iC/IEEvID/VT0.5QiC1/IEEiC2/IEE0iC1-iC2vID/VTIEE-IEE可以证明：当|vID|26mV时，差放线性工作。|vID|100mV后，一管截止、另一管导通，差放非线性工作。说明：若在两管发射极上串联电阻RE，则利用RE的负反馈作用，可扩展线性范围。RE线性范围但Avd最大差模输入电压范围：最大共模输入电压范围：受VBR（BEO）限制的最大差模输入电压。T1VCCvi1voVEEvi2RCRCT2R1R2R3T3保证T1、T2、T3管工作在放大区，所对应的最大共模输入电压。MOS差放__差模传输特性假设两管特性完全相同，且工作于饱和区，则：2GS(th)GSQIDGS(th)GSQIDSSSSD141122VVvVVvIIi得T1VDDISSVSSRDRDT2iD1iD2vI1vI22GS(th)GS1OXnD1)(2VVlWCiD2D1SSiiIGS2GS1IDvvv2GS(th)GS2OXnD2)(2VVlWCi2GS(th)GSQIDGS(th)GSQIDSSSSD241122VVvVVvIIi可以证明：当|vID|2(VGSQ-VGS(th))时，MOS差放线性工作。2GS(th)GSQIDGS(th)GSQIDSSD2D1411VVvVVvIii差模传输特性曲线0iD1-iD2vIDISS-ISS-vIDvID当|vID|(VGSQ-VGS(th))时，MOS差放进入非线性限幅区。2与双极型差放不同：lWCVI2,,OXnGSQSS线性范围与非限幅范围一般，MOS差放的线性与非限幅范围均比双极型差放大。例1：电