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1、1,5 .2.1 概述,在一些超低频及直流放大电路中，放大电路的级间耦合必须采用直接耦合方式；在集成电路中，制作大容量的电容是比较困难的，因此各级电路间的耦合都采用直接耦合方式。但由于零漂或温漂，特别是第一级电路的静态工作点有微小变化，则经过后级电路的放大，将使输出端的电压远远偏离零点。因此，如何抑制零漂就成为提高直接耦合放大电路性能所必须要解决的首要问题。下面的讨论将会告诉我们，抑制零漂最为有效的方法就是使用差动放大电路，该电路也是集成运算放大器的输人级电路。本节将专门讨论差动放大电路的结构及其抑制零漂的原理。,2,共模抑制比,反映抑制零漂能力的指标,差分式放大电路中的一般概念,根据1、2两
2、式又有,差分式放大电路输入输出结构示意图,差模信号,共模信号,差模电压增益,共模电压增益,总输出电压,3,5 .2.2 基本的差动放大电路,1.电路特点,电路如图5-9所示，由两个完全对称的单管放大电路组成。图中Rb1l =Rbl2、Rb21Rb22、RC1RC2、R1=R2，且VT1、VT2的特性相同。uI是输入信号电压，它经R1、R2分压为uI1和uI2，分别加到两管的基极(称为双端输入)；uO是输出电压，它为两管输出电压之差，即uOuO1uO2(称为双端输出)。,图5-9 基本差动放大电路及差模输入方式,4,2.抑制零漂的原理,因为VT1、VT2完全对称，所以在没有加输入信号即uI0时，
3、ICQ1ICQ2，uO1= uO2，则输出电压uO0。当电源电压波动或温度变化时，两管同时发生漂移，由于电路的对称性，总有uO1= uO2，故uOuO1uO2仍为零。这就说明，零点漂移因相互补偿而抵消了。显然，这种差动放大电路两边的对称性越好，其抑制零漂的效果就越好。,3.放大倍数,（1）差模放大倍数Aud,在图59中，因为R1=R2，故 、 ，分别输入VT1管和VT2管的基极，这种输入信号方式称为差模输入。uI1和uI2是两个大小相等、极性相反的信号电压，即uI1=uI2，所以称uI1和uI2为差模信号。,5,放大电路以差模信号输入时，有 uIduI1uI2=2uI1，此时，放大电路输出有u
4、O1=uO2，则uOd= uO1uO2=2uO1。设两个单管放大电路的放大倍数为Au1、Au2，显然Au1Au2。则整个差动放大电路的放大倍数为,由上式可见，差动放大电路采用双端输入、双端输出时，它的差模放大倍数与单管放大电路的放大倍数相同。所以，我们只要求出其中一个单管放大电路的放大倍数即可求得差动放大电路的Aud。也可以这样讲，差动电路多用了一个放大管，是为了换来对零漂的抑制作用。,6,（2）共模放大倍数Auc,如图5-10所示，此时两管输入信号uI1= uI2 = uIC，它们是大小相等、极性相同的信号，称为共模信号，这种输入方式称为共模输入。因为两边电路完全对称，所以uO1 = uO2
5、，则uOC= uO1uO2 = 0,图5-10 差动放大器的共模输入方式,7,一个完全对称的差动放大电路，它的共模放大倍数为,实际的差动放大电路不可能两边完全对称，Auc并不为0，但通常很小。图5-10中，如当外界的干扰信号同时从两管基极输入时，就相当于共模输入，再如由于温度变化，造成两管产生同样的零漂电压，也相当于在输入端加入共模信号。由上面分析可知，差动放大电路不能放大共模信号，Auc很小，所以能有效抑制共模信号的干扰，这就是差动放大电路抑制共模信号或温漂的原理。,8,4.共模抑制比KCMR,所谓共模抑制比，就是差动放大电路的差模放大倍数与共模放大倍数之比的绝对值，即,用分贝来表示，有,共
6、模抑制比是衡量差动放大电路性能优劣的重要指标之一。共模抑制比越大，说明放大电路对共模信号的抑制能力越强，电路受共模信号干扰的影响越小，放大电路质量越好。,9,图5-11所示为带射极公共电阻Re的差放电路，也叫长尾式差动放大器。它由两个完全相同的单管共射极电路组成。差动式放大电路有两个输入端，两个输出端，要求电路对称，即T1、T2的特性相同，外接电阻对称相等，Rc1=Rc2，各元件的温度特性相同。,特点： 电路对称，射级电阻共用， 或射级直接接电流源（大的 电阻和电流源的作用是一样 的）,有两个输入端，有两个 输出端 。,5 .2.3 射极耦合差动放大电路,图5-11 基本差分式放大电路,1.电
7、路特点,10,2. 静态分析,静态时Ui1=Ui2=0。由于电路左右对称，输入信号为零时，IC1=IC2，UC1=UC2，则输出电压 Uo=UC1-UC2=0,当电源电压波动或温度变化时，两管集电极电流和集电极电位同时发生变化。输出电压仍然为零。可见，尽管各管的零漂存在，但输出电压为零，从而使得零漂得到抑制。,11,3. 动态分析,（1）共模信号的抑制和共模放大倍数Aud,1) 共模信号抑制原理,双端输出的共模信号抑制情况与基本差动放大电路一样。,若以VTl管集电极Cl（或VT2管集电极C2）对“地”电压u Ol（或u O2）作为输出（称之为单端输出），则在温度变化时，将会有一定的输出漂移电压
8、u Ol（或uO2）。但是由于射极公用电阻Re的电流负反馈作用很强，抑制共模信号的效果仍然比较好，抑制过程可表示如下：,12,Re越大，负反馈作用越强，抑制共模信号的效果越好。但是，随着Re的增大，Re上的直流压降也越大，VTl和VT2的管压降也就越小，从而影响了电路的静态工作点和输出信号的动态范围。为此，在电路中引入了一个负电源UEE来补偿Re上的直流压降，以保证两管的静态电压为正常值，同时输出电压变化范围也不受影响。,2) 共模放大倍数,首先求单端输出时的共模放大倍数 。,图512为两管输入共模信号电压时的等效电路，因为两管电流同时增大iC (iCiE)，所以公用电阻Re中的电流增量为2i
9、E，由此可得电压方程为,13,所以单端输出时共模电压放大倍数为,图5-12共模输入时的等效电路,14,可见，Re越大，Auc1越小，抑制共模信号的能力越强。 而双端输出时，由于uOC=uOC1uOC2= 0。所以差动放大电路在双端输出时，若电路参数完全对称，则共模电压放大倍数为零。,（2）差模放大倍数Aud和输入、输出电阻,1) 双端输入、双端输出电路,输入差模信号时，一管集电极电流增加iC1 (i E1)，另一管集电极电流减少iC2 (i E2)，在电路完全对称的条件下，一管电流的增加量必等于另一管的减少量，所以R e两端的电压仍然不变，故两管的公共发射极电位恒定，即R e对差模信号不起电流
10、负反馈作用。由此可得双端输入、双端输出的差模等效电路如图513所示。,15,先不考虑接入负载RL的情况，由等效电路可得,图5-13 差模输入时的等效电路,16,输出电压为,则差模电压放大倍数为,17,当在两个三极管集电极之间接人负载电阻RL时，由于输入差模信号使得一管集电极电位降低，另一管集电极电位升高，可以认为RL中点处的电位保持不变，也就是说，在RL/2处相当于交流接地。当考虑RL时，上式应改为,可见，双端输入、双端输出的差动放大电路的电压放大倍数与单管放大电路相同。即用成倍元器件为代价，换来对共模信号的抑制效果。,差模输入电阻为Rid = 2 (Rbr be),两管集电极之间的输出电阻为
11、Ro = 2R c,18,2)双端输入，单端输出差模电压增益,差模电压增益为：,，,为单管电路的电压增益的一半。,图5-14 双入单出差模交流通路,19,由于两管集电极电位总是向相反方向变化的，所以改成VT2集电极输出时，则输出电压将与输入电压同相，即电压放大倍数的表达式中没有负号。,差模输入电阻和输出电阻为 Rid = 2 (Rbr be),Ro = R c,（2）共模抑制比KCMR,在理想状态下，差动放大电路两侧的参数完全对称，两管输出端的共模信号相等，则双端输出电路的共模电压放大倍数为0，共模抑制比KCMR = 。,对于单端输出的差动电路，根据式 (5-17) 和式 (5-23) 可得共
12、模抑制比为,公用射极电阻Re越大，抑制共模信号的能力越强。,20,5 .2.4 恒流源式差动放大电路,为了获得较大的KCMR，同时又不使UEE值过高，可采用三极管恒流源代替Re，这就构成了恒流源式差动放大电路，如图5-15（a）所示。电路中的VT3、R1、R2和R3组成恒流源电路代替原来的公用电阻Re。,由于恒流源的动态电阻(rce = uCEiC)很大，通常为几百千欧，故可大大提高差动放大电路的共模抑制比KCMR。 有时，为了简化起见，常常不把恒流源式差动电路中恒流管VT3的具体电路画出来，而采用一个简化的恒流源符号来表示，如图5-15 (b)所示。,21,图5-15 恒流源式差动放大电路
13、a)恒流源式差动放大电路 b) 用恒流源表示VT3,22,根据差分式放大电路输入输出端口的接法不同，可以有四种工作方式如图5-16所示： 双端输入、双端输出（双-双）； 双端输入、单端输出（双-单）； 单端输入、双端输出（单-双）； 单端输入、单端输出（单-单）。,5 .2.5 差动放大电路的输入、输出连接方式,23,图5-16 差动放大电路四种接法 (a)双入双出 (b)双入单出 (c)单入双出 (d)单入单出,24,5 .2.6 差动放大电路的传输特性,传输特性就是差动放大电路的输出差模信号随输入差模信号变化的曲线，我们可以利用BJT的be结存在的关系式（ ）求出集电极电流ic1，ic2=
14、f(vid)的关系，即可得到如图5-17中实线所示的传输特性。从传输特性可看出：,（1)当 时 ， ，即 ，电路处于静态工作状态，在曲线的Q点。,(2)uid在0VT范围内，当uid增加时， 增加， 减小， 、 与 uid 间呈线性关系，放大电路工作在放大区。前面讨论的差动放大电路的工作状态均局限于这个区域，如图中用虚线表示的线性区间。,25,(3)当 4VT，即超过100mV时，曲线趋于平坦。当 增大时，一管电流 趋于饱和值，另一管电流 趋于0，此时电路工作在特性的非线性区。差动放大电路呈现良好的限幅特性。,(4)为了扩大传输特性的线性工作范围，可在两管的发射极上分别串接电阻Re1=Re2=Re来改善，利用Re的电流负反馈作用，减小电路的增益，使传输特性曲线斜率减小，线性区扩大，如图5-17中的虚线所示。,图5-17差动放大电路的传输特性,26,5 .2.7 FET差动放大电路,在高输入阻抗模拟集成电路中，常采用输入电阻高、输入偏置电流小的FET差动放大电路。图5-18所示为带恒流源的FET差动放大电路。该电路是单端输入、单端输出差动放大电路，其差模电压增益为,图5-18JFET差动放大电路,FET差动放大电路的电路结构、工作原理和分析方法与BJT差动放大电路基本相同，并具有相同的电路特点，只需用FET的小信号模型来分析计算即可。,27,
