差分放大电路课件.ppt

1、 差分放大电路差分放大电路重点重点:l l直接耦合放大电路及存在的主要问题直接耦合放大电路及存在的主要问题l l典型差分放大电路的工作原理典型差分放大电路的工作原理l l掌握差分电路的分析掌握差分电路的分析,会求静态工作点、会求静态工作点、差模电压放大倍数、差模输入电阻、输出差模电压放大倍数、差模输入电阻、输出电阻。电阻。uiRC1R1T11差分放大电路差分放大电路增加增加R2、RE2:用于设置合适的用于设置合适的Q点。点。问题问题1:前后级前后级Q点相互影响。点相互影响。+UCCuoRC2T2R2RE21.1直接耦合电路的特殊问题直接耦合电路的特殊问题怎样解决直流电位怎样解决直流电位相互牵制

2、的问题？相互牵制的问题？（1）利用）利用Re2提高提高T2的的Ue，使，使T1，T2退出饱和状态。退出饱和状态。问题问题2:零点漂移。零点漂移。前一级的温漂将作为后一级的输入信号，使得前一级的温漂将作为后一级的输入信号，使得当当 ui等于零时，等于零时，uo不等于零。不等于零。uiRC1R1T1+UCCuoRC2T2R2RE2uot0有时会将有时会将信号淹没信号淹没零点漂移零点漂移 1.2直接耦合放大器的特点直接耦合放大器的特点1、什么是零点漂移、什么是零点漂移在直流放大电路中，我们把在直流放大电路中，我们把输入信号为零时，输出电压输入信号为零时，输出电压偏离其初始值的现象称为零偏离其初始值的

3、现象称为零点漂移。点漂移。（1）直流放大器级数越多，放大倍数越大。输出端）直流放大器级数越多，放大倍数越大。输出端漂移现象越严重。漂移现象越严重。（2）第一级的零漂影响最大。）第一级的零漂影响最大。ui Au=20 U01=10mv Au=20 U02=210mv Au=20 U01=4.21v uot0有时会将信号淹没直接影响对输入信号测量的准确程度和分辨能力。直接影响对输入信号测量的准确程度和分辨能力。严重时，可能淹没有效信号电压，无法分辨是有效信严重时，可能淹没有效信号电压，无法分辨是有效信号电压还是漂移电压。号电压还是漂移电压。抑制零点漂移是制作高质量直接耦合放大电路的一抑制零点漂移是

4、制作高质量直接耦合放大电路的一个重要的问题。个重要的问题。差分放大电路是抑制零点漂移最有效的电路结构。差分放大电路是抑制零点漂移最有效的电路结构。3、产生零漂的原因、产生零漂的原因（1）温度的变化温度的变化最主要。最主要。（2）电流电压的波动。电流电压的波动。（3）元件老化等造成的电路元件参数的变化。）元件老化等造成的电路元件参数的变化。4、减少零漂的措施、减少零漂的措施（1）选用高质量的硅管，并用温度补偿电路。选用高质量的硅管，并用温度补偿电路。（2）在电路中引入直流负反馈。）在电路中引入直流负反馈。（3）采用差分放大电路。采用差分放大电路。2、怎样衡量零点漂移的大小、怎样衡量零点漂移的大小

5、放大器的电压放大倍数输出电压的漂移值等效漂移电压 温漂指标温漂指标：温度每升高：温度每升高1度时，输出漂移电压按电压增益度时，输出漂移电压按电压增益折算到输入端的等效输入漂移电压值。折算到输入端的等效输入漂移电压值。1.3差分放大电路差分放大电路电路特点电路特点：T1、T2所在的两边电路参所在的两边电路参数完全对称。数完全对称。uoui1+UCCRCT1RBRCT2RBui2REUEEuo1uo2+Rp1、差分放大电路的结构、差分放大电路的结构输入端输入端接法接法双端：双端：单端：单端：输入信号从某个三极管的基极与地输入信号从某个三极管的基极与地之间加入，如之间加入，如ui1，ui2输入信号从

6、两个三极管的基极与地输入信号从两个三极管的基极与地之间加入，之间加入，ui=ui1ui2uoui1+UCCRCT1RBRCT2RBui2REUEEuo1uo2+Rp1、差分放大电路的结构、差分放大电路的结构输出端输出端接法接法双端：双端：单端：单端：输出信号从某个三极管的集电极与地之间输出信号从某个三极管的集电极与地之间取出，如取出，如uo1，uo2输出信号从两个三极管的集电极之间输出信号从两个三极管的集电极之间加入，加入，uo=uo1uo2输入输出有四种接法输入输出有四种接法（1）双端输入，双端输出；）双端输入，双端输出；（2）双端输入，单端输出；）双端输入，单端输出；（3）单端输入，双端输

7、出；）单端输入，双端输出；（4）单端输入，单端输出；）单端输入，单端输出；2、抑制零漂的原理抑制零漂的原理uoui1+UCCRCT1RBRCT2RBui2REUEEuo1uo2+Rpuo=(UC1+uC1)-(UC2+uC2)=0当温度变化时：当温度变化时：uC1=uC2 IC1=IC2,uo=UC1-UC2=0静态时静态时ui1=ui2=0，由于电路的对称性，由于电路的对称性 IC1=IC2,UC1=UC2温度变化和电源温度变化和电源电压波动，都将使电压波动，都将使t1、t2集电极电流产集电极电流产生变化，且变化趋生变化，且变化趋势是相同的，因此势是相同的，因此当从当从t1、t2集电极集电极

8、输出信号时，其变输出信号时，其变化量相互抵消，理化量相互抵消，理想情况下，没有温想情况下，没有温漂。漂。3.信号输入信号输入(2)差模差模(differentialmode)输入输入ui1=-ui2=uid(1)共模共模(commonmode)输入输入ui1=ui2=uC差模电压差模电压放大倍数放大倍数:doddUUA共模电压共模电压放大倍数放大倍数:0coccUUA幅度相等、极性相同的一对输入信号。通常为温漂和干扰信号。幅度相等、极性相同的一对输入信号。通常为温漂和干扰信号。共模输入时，由于电路完全对称，当温度变化时，两管的零漂共模输入时，由于电路完全对称，当温度变化时，两管的零漂总是一样的

9、，即总是一样的，即uo1=uo2，则，则uoc=Au(uic1-uic2)=uo1uo2=0差差分放大器可以完全抑制共模信号。分放大器可以完全抑制共模信号。幅度相等、极性相反的一对输入信号。通常为有用信号。幅度相等、极性相反的一对输入信号。通常为有用信号。21(3)比较输入比较输入两个输入信号电压的大小和相对极性是任意的，既非共模，两个输入信号电压的大小和相对极性是任意的，既非共模，又非差模。比较输入在自动控制系统中是较常见的又非差模。比较输入在自动控制系统中是较常见的。结论：结论：任意输入的信号任意输入的信号:ui1,ui2，都可分解成，都可分解成一对差模分量和共模分量的组合。一对差模分量和

10、共模分量的组合。差模分量差模分量:221iiiduuu共模分量共模分量:221iiicuuu注意：注意：ui1=uic+uid；ui2=uic-uid例例:ui1=20mV,ui2=10mV则：则：ud=5mV,uc=15mV例例1:ui1=10mV,ui2=6mVui2=8mV2mV例例2:ui1=20mV,ui2=16mV可分解成可分解成:ui1=18mV+2mVui2=18mV2mV可分解成可分解成:ui1=8mV+2mV对于线性差分放大电路，可用叠加定理求得输出电压对于线性差分放大电路，可用叠加定理求得输出电压uo1=Acuic+Aduid；uo2=AcuicAduiduo=uo1uo

11、2=2Aduid=Ad(ui1ui2)输出电压的大小仅与输入电压的差值有关。这就是差输出电压的大小仅与输入电压的差值有关。这就是差分放大电路的差值特性。分放大电路的差值特性。对于差分放大电路来说，对于差分放大电路来说，差差模信号是有用信号，要求对差模信号有较大的放大倍模信号是有用信号，要求对差模信号有较大的放大倍数；而共模信号是干扰信号，对共模信号的放大倍数数；而共模信号是干扰信号，对共模信号的放大倍数越小越好。越小越好。对共模信号的放大倍数越小，就意味着零对共模信号的放大倍数越小，就意味着零点漂移越小，点漂移越小，抗共模干扰的能力越强。抗共模干扰的能力越强。对于差模信号，我们要求放大倍数尽量

12、地大；对于差模信号，我们要求放大倍数尽量地大；对于共模信对于共模信号，我们希望放大倍数尽量地小。实际电路中，差动式放大电路号，我们希望放大倍数尽量地小。实际电路中，差动式放大电路不可能做到绝对对称，这时不可能做到绝对对称，这时Uo0，Ac0，即共模输出电压不等于，即共模输出电压不等于零。共模电压放大倍数不等于零，为了全面衡量一个差分放大器零。共模电压放大倍数不等于零，为了全面衡量一个差分放大器放大差模信号、抑制共模信号的能力，引入共模抑制比。放大差模信号、抑制共模信号的能力，引入共模抑制比。(4)共模抑制比共模抑制比CdCMRAAK)(lg20(dB)CdCMR分贝AAK 这个定义表明，这个定

13、义表明，共模抑制比愈大，共模抑制比愈大，差动放大器放大差模差动放大器放大差模信号（有用信号）的能力越强，抑制共模信号（无用信信号（有用信号）的能力越强，抑制共模信号（无用信号）的能力也越强。号）的能力也越强。例例:Ad=-200Ac=0.1KCMRR=20lg(-200)/0.1=66dBUi1Rc1Rc2UoRS1RS2Ui2 UCCRe UEE带Re的差分放大电路2差分放大电路的静态分差分放大电路的静态分析析直流通路直流通路Rc1Rc2RS1RS2 UCCRe UEE(a)Rc1Rc2RS1RS2 UCC2Re UEE(b)2ReV1V2V1V2直流等效电路直流等效电路（a）直流偏置电路；

14、（）直流偏置电路；（b）直流等效电路）直流等效电路 静态分析静态分析：如图所示，由于流过如图所示，由于流过Re的电流为的电流为IE1和和IE2之和，又之和，又由于电路的对称性，则由于电路的对称性，则IE1=IE2，流过，流过Re的电流为的电流为2IE1。静态工作点的估算：静态工作点的估算：eEQcCQEECCCEQBQCQeSBEQEEBQBQEQEEeEQBEQSBQRIRIUUUIIRRUUIIIURIURI2)1(2)1(2差分放大电路的静态差分放大电路的静态分析分析直流通路直流通路uoui1+UCCRCT1RBRCT2RBui2REUEEIBIC1IC2IBIEICQ=IBQUC1=U

15、C2=UCCICRCUE1=UE2=2IE(RE+RP/2)UEEUCE1=UCE2=UC1UE1)2)(1(2pEBBEEEBQRRRUUI由于差分放大电路有两个输入端、两个输出端由于差分放大电路有两个输入端、两个输出端,所以信号的输入和输出有四种方式，这四种方式分所以信号的输入和输出有四种方式，这四种方式分别是双端输入双端输出、双端输入单端输出、单端别是双端输入双端输出、双端输入单端输出、单端输入双端输出、单端输入单端输出。根据不同需要输入双端输出、单端输入单端输出。根据不同需要可选择不同的输入、输出方式。可选择不同的输入、输出方式。1.双端输入双端输入 差分放大电路的连接方式差分放大电路

16、的连接方式（a）单端输出单端输出（b）双端输出）双端输出 3差分放大电路的动态分析差分放大电路的动态分析（1）共模输入：）共模输入：ui1=ui2=uic，称之为共模输入信号。，称之为共模输入信号。共模输入差放电路共模输入差放电路+iEiE1+Vcc+ReRcocuRcRbicu2iu-VEERbiE21 iu1ocu2ocu+iEiE1+Vcc+ReRcocuRcRbicu2iu-VEERbiE21 iu1ocu2ocu共模输入差放电路共模输入差放电路Rc+2Re共模输入半边交流通路共模输入半边交流通路1ouT1icuRb1 iuEirbeRc+2Re共模输入单端输出共模输入单端输出半边微变

17、等效电路半边微变等效电路Rb1ouicu1 iuEiBiBiebebcicOiOccRrRRuuuuAAa)1(211121）单端输出时：（共模电压放共模电压放大倍数大倍数rbeRc+2Re共模输入单端输出共模输入单端输出半边微变等效电路半边微变等效电路Rb1ouicu1 iuEiBiBi以上计算结果表明：单端输出时，差放电路对共模以上计算结果表明：单端输出时，差放电路对共模信号的抑制是通过信号的抑制是通过ReRe的强烈负反馈实现的；的强烈负反馈实现的；icRebe2)1(21RrRB两三极管对称，放大电路的输两三极管对称，放大电路的输入回路经过两管的发射结和等入回路经过两管的发射结和等效电阻

18、效电阻2 2Re，从输入端看进去两，从输入端看进去两管所在支路并联，故管所在支路并联，故 由于只取一个三极管的集电极电压变化量，放由于只取一个三极管的集电极电压变化量，放大电路的输出回路从大电路的输出回路从T1管的集电极经过管的集电极经过cocRR以上计算结果表明：双端输出时，差放电路对共模信号的抑以上计算结果表明：双端输出时，差放电路对共模信号的抑制主要是通过电路参数的对称性实现的；在电路参数不完全对制主要是通过电路参数的对称性实现的；在电路参数不完全对称时，通过称时，通过Re的强烈负反馈作用，进一步抑制共模信号。的强烈负反馈作用，进一步抑制共模信号。021211ccicooiOcAAuuu

19、uuA双端输出时：共模电压放大倍数共模电压放大倍数rbeRc+2Re共模输入单端输出共模输入单端输出半边微变等效电路半边微变等效电路Rb1ouicu1 iuEiBiBi放大电路的输出回路从两三级管的集放大电路的输出回路从两三级管的集电极经过两个电极经过两个,故差模输出电阻等故差模输出电阻等于从两输出端看进去的等效的电阻于从两输出端看进去的等效的电阻 CRcoc2RRicRebe2)1(21RrRB输入电阻输入电阻（2）差模输入：）差模输入：ui1=-ui2=uid/2，称之为差模输入信号。，称之为差模输入信号。-VEE+iEiE1+Vcc+Re共模输入差放电路共模输入差放电路RcouRcRb2

20、idu2iuRbiE21 iu1ou2ou2iduidu+Rc+差模输入的交流通路差模输入的交流通路1ouT12iduRb1iuRc+T2Rbou2ou2iu2idu差模输入的交流通路差模输入的交流通路+Rc+1ouT12iduRb1 iuRc+T2Rbouidu2iu2idu2ou思考题思考题 （1 1）为什么差放可以抑制零）为什么差放可以抑制零漂？（漂？（2 2）当输出端接负载电）当输出端接负载电阻阻R RL L时，静态工作点和差模电时，静态工作点和差模电压放大倍数如何？压放大倍数如何？解答解答+Rc+差模输入的微变等效电路差模输入的微变等效电路1ouRbRc+2ouRbouidurbeB

21、iBiBiBirbebebcidoidoddrRRuuuuAAa212/21)(1121单端输出时：)(2bebBididrRiurcodRr 差模电压放差模电压放大倍数大倍数121212)(dddidooidodAAAuuuuuAb双端输出时：)(2bebBIdidrRiurcodRr2（1 1）为什么差放可以抑制零漂？）为什么差放可以抑制零漂？（2 2）当输出端接负载）当输出端接负载电阻电阻RL时，差模电压放大时，差模电压放大倍数如何？倍数如何？答：温度、电源电压波动等因素对差放的两个晶体管答：温度、电源电压波动等因素对差放的两个晶体管产生的零漂是相同的，相当于在差放输入端输入共模信号，产

22、生的零漂是相同的，相当于在差放输入端输入共模信号，而前面的分析计算表明，差放电路对共模信号有强烈的抑而前面的分析计算表明，差放电路对共模信号有强烈的抑制作用，所以可以抑制零漂。制作用，所以可以抑制零漂。解：在采用单端输出和双解：在采用单端输出和双端输出时，情况有所区别，端输出时，情况有所区别，现分别进行分析和计算。现分别进行分析和计算。iEiE1+Vcc+Re差分放大电路的组成差分放大电路的组成Rc2iuRcRbT2T11 iu2iu+-VEERbiE2 RLiEiE1+Vcc+ReRcOuRcRb1Iu2Iu+-VEERbiE2ebebLcIcOcRrRRRuuA)1(2)/(Rc+RbRc

23、RbOu Idu rbeBi Bi Bi Bi rbeRL rbeRc+2ReRbOu Icu Ei Bi Bi RLbebLcIdOIdOdrRRRuuuuA)/(212/21)(2bebBIdidrRiurcodRr（1）单端输出）单端输出021IcOOIcOcuuuuuA RL/2Rc+RbRcRbOu Idu rbeBi Bi Bi Bi rbeRL/2bebLcIdOIdOdrRRRuuuuA2/2/2/)(2bebBIdidrRiurcodRr2 RLiEiE1+Vcc+ReRcOuRcRb1Iu2Iu+-VEERbiE2（2）双端输出）双端输出2.单端输入单端输入(a)单端输出单

24、端输出(b)双端输出双端输出 前面我们已经介绍了前面我们已经介绍了双入双出和双入单出两种双入双出和双入单出两种接法。输入信号除了可以接法。输入信号除了可以接在差放电路的两个输入接在差放电路的两个输入端之间，还可以单端输入，端之间，还可以单端输入，输出也可以采用单端和双输出也可以采用单端和双端两种形式，从而构成端两种形式，从而构成单单入双出入双出和和单入单出单入单出两种接两种接法。法。+Vcc+Re单端输入方式单端输入方式RcouRcRbT2T1iu-VEERb单端输入可以等效为图所单端输入可以等效为图所示输入方式：既有差模输入示输入方式：既有差模输入信号信号uI，又有共模输入信号，又有共模输入

25、信号ui/2；输出电压既包括差模信；输出电压既包括差模信号，又包括共模信号。单入号，又包括共模信号。单入单出、单入双出情况下的单出、单入双出情况下的静静态分析态分析和和差模信号差模信号的分析对的分析对应于双入单出、双入双出时应于双入单出、双入双出时的情况，没有差别。的情况，没有差别。对对共模信号共模信号而言，单入双出在理想情况下，其共模信号完而言，单入双出在理想情况下，其共模信号完全被抑制，可以等效为双入双出的情况；但在电路参数不完全全被抑制，可以等效为双入双出的情况；但在电路参数不完全一致时，存在共模双出电压。而单入单出就一定存在共模输出一致时，存在共模双出电压。而单入单出就一定存在共模输出

26、电压，共模电压放大倍数的计算与双入单出相同。电压，共模电压放大倍数的计算与双入单出相同。+Vcc+Re单端输入方式单端输入方式RcouRcRbT2T1-VEERb+ui/2-+ui/2-+ui/2-+-ui/2-单端输入单端输出单端输入单端输出 单端输入单端输出的接法，信号只从一只管子的基极单端输入单端输出的接法，信号只从一只管子的基极与地之间接入，输出信号从一只管子的集电极与地之间与地之间接入，输出信号从一只管子的集电极与地之间输出，输出电压只有双端输出的一半，电压放大倍数输出，输出电压只有双端输出的一半，电压放大倍数Ad也只有双端输出时的一半。也只有双端输出时的一半。cobeiLcLbec

27、LdRrrrRRRrRRA2/)(2式中 输入电阻 输出电阻 从几种电路的接法来看，只有输出方从几种电路的接法来看，只有输出方式对差模放大倍数和输入、输出电阻有影响，式对差模放大倍数和输入、输出电阻有影响，不论哪一种输入方式，只要是双端输出，其不论哪一种输入方式，只要是双端输出，其差模放大倍数就等于单管放大倍数，单端输差模放大倍数就等于单管放大倍数，单端输出差模电压放大倍数为双端输出的一半。出差模电压放大倍数为双端输出的一半。+Uuoui1RC/5.1kRPT1RB/10kRC/5.1kui2RE/5.1kRB/10k+T-EE/-6Vuo1uo2+URC/5.1kRB/10kRE/5.1k-

28、EE/-6VEEEEBBB2EIRUIR 由由EBBEEB)(RRUEI 12得得01mA.01.5)501(2107.06 5mA.001.050BC II 0.51mA50)0.01(1)I1(BE I45V.3105.0105.1-6-33CCCCC IRUV798V.061051.0101.52-233EEEE EIRV1V.01001.0101033BBB IRVuic1RC/5.1kRB/10k+uoc1RE/5.1k+5mV2372i2i1ic2ic1 uuuu2mV2372i2i1id2id1 uuuuc1iUbIcIc1oUbIeIc1iUbIcIc1oUbIeIEbbbeB

29、cbic1oc1c1)1(2)(RIIrRRIUUA EbeBC)1(2RrRR 8k.251.026)1(200be ri1EbeBCoc2oc1)1(uRrRRuu 51.5)501(8.2101.550 39mV.2 uid1RC/5.1kRB/10k+uod1+c1iUbIcIc1oUbIbeBCbbeBCbid1od1d1I)(rRRrRRIUUA 8mV.3928.2101.550-id1beBCd1o urRRu 8mV.392)(8.2101.550-id2beBCd2o urRRu 2mV.428.3939.2)5(od1oc1o1 uuu4mV.378.3939.2od2o

30、c2o2 uuu0)6(oc2oc1oc uuu6mV.798.398.39od2od1od uuu39mV.2oc2c1o uu8mV.39od1 u8mV.39od2 u2mV.42o2o1o uuu+Uuoui1RC/5.1kRPT1RB/10kRC/5.1kui2RE/5.1kRB/10k+T-EE/-6Vuo1uo2+Uuoui1RC/5.1kRPT1RB/10kRC/5.1kui2RE/5.1kRB/10k+T-EE/-6Vuo1uo2ui+ii2i121uuu RRuoui1RCT1RBRCT2RBib2ib1ic2ic1ui2E+UCC4恒流源式差放电路恒流源式差放电路电路结构

31、电路结构:IC3R2T3R1R3-UEE1.恒流源相当于阻值很大的电阻。恒流源相当于阻值很大的电阻。2.恒流源不影响差模放大倍数。恒流源不影响差模放大倍数。3.恒流源影响共模放大倍数，使共模恒流源影响共模放大倍数，使共模放大倍数减小，从而增加共模抑制放大倍数减小，从而增加共模抑制比，理想的恒流源相当于阻值为无比，理想的恒流源相当于阻值为无穷的电阻，所以共模抑制比是无穷。穷的电阻，所以共模抑制比是无穷。恒流源的作用恒流源的作用差放电路的几种接法差放电路的几种接法输入端输入端接法接法双端双端单端单端输出端输出端接法接法双端双端单端单端双端输入双端输出：双端输入双端输出：Ad =Ad1双端输入单端输出：双端输入单端输出：121ddAA ui1+UCCui2uoC1B1C2EB2RCT1RBRCT2RBIC3-UEE双端输出：双端输出：Ad =Ad1单端输出：单端输出：121ddAA 对对Ad而言，双端而言，双端输入与单端输入输入与单端输入效果是一样的。效果是一样的。ui1+UCCui2uoC1B1C2EB2RCT1RBRCT2RBIC3-UEE ib2 ib1ud=0.5ui ,uc=0双端输入：双端输入：ui1=-ui2=0.5ui222121iiciiduuuuuuud=0.5ui ,uc=0.5ui 单端输入：单端输入：ui1=-ui，ui2=0