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1、第6章 集成运算放大器和模拟乘法器单元电路 2010.02,6.3 差分放大电路,6.3.1 差分放大电路的组成,6.3.2 差分放大电路的输入和输出方式,6.3.3 差模信号和共模信号,6.3.4 差分放大电路的差模放大倍数和 共模放大倍数,第6章 集成运算放大器和模拟乘法器单元电路 2010.02,集成运算放大器是一个高增益直接耦合放大电路，方框图如图6.6.1所示，输入级即是差分放大电路。,图 6.6.1 运算放大器方框图,第6章 集成运算放大器和模拟乘法器单元电路 2010.02,差分放大电路（简称差放）能放大两个输入信号之差，差放只对输入信号的差有响应。它具有优异的抑制零点漂移的特性
2、，是集成运放的基本单元电路。差分放大电路见下图。,图6.3.1 差分放大电路,6.3.1 差分放大电路的组成,第6章 集成运算放大器和模拟乘法器单元电路 2010.02,差分放大电路是由对称的两个共射基本放大电路，通过射极电阻Re耦合构成的。,晶体管VT1、VT2： 特性一致，即 1=2= UBE1=UBE2= UBE rbe1= rbe2= rbe 电路参数： 对应相等，即 Rc1=Rc2= Rc Rs1=Rs2= Rs,图6.3.1 差分放大电路,第6章 集成运算放大器和模拟乘法器单元电路 2010.02,6.3.2 差分放大电路的输入和输出方式,图6.3.1 差分放大电路,差分放大电路有
3、两个输入端：反相输入端； 同相输入端。,信号从差放的两基极加入称为双端输入；信号从一个基极对地加入，另一个晶体管基极接地时，称为单端输入。,第6章 集成运算放大器和模拟乘法器单元电路 2010.02,差分放大电路有两个输出端：双端输出；单端输出。,组合起来差放电路就有 四种输入输出方式：,1双端输入双端输出(双入双出)；,2双端输入单端输出(双入单出)；,3单端输入双端输出(单入双出)；,4单端输入单端输出(单入单出)。,第6章 集成运算放大器和模拟乘法器单元电路 2010.02,交直流信号,直流信号,图6.3.2(a) 差模信号,若uI1 、 uI2为两个幅度相等、极性相反的信号，称其为差模
4、信号。 分别用uId1 、 uId2表示，则有,设uI1 、 uI2为差分放大电路的两个输入信号。,uI1,uI2,6.3.3.1 差模信号,6.3.3 差模信号和共模信号,从两基极对地的差模输入为,第6章 集成运算放大器和模拟乘法器单元电路 2010.02,直流信号,交直流信号,若uI1 、 uI2为两个幅度相等、极性相同的信号，称为共模信号，分别用uIc1 、 uIc2 表示。则有,图6.3.2(b) 共模信号,uI1,uI2,共模输入信号,6.3.3.2 共模信号,第6章 集成运算放大器和模拟乘法器单元电路 2010.02,差模和共模混合信号是指两个极性任意、幅度不等的信号uI1、 uI
5、2。则相当于一对差模信号叠加在共模信号上。该共模信号为:,图6.3.2(c) 差模和共模信号混合,6.3.3.3 差模和共模信号混合,该差模信号为:,uI1,uI2,uIc,uIc,第6章 集成运算放大器和模拟乘法器单元电路 2010.02,于是，输入信号uI1和uI2可表示如下形式：,图6.3.2(c) 差模和共模信号混合,uI1,uI2,uIc,uIc,第6章 集成运算放大器和模拟乘法器单元电路 2010.02,图6.3.05 例04.1的波形图,例6.1:设 uI1=5V、uI2=1V，求uId、uIc。,差模输入信号： uId=uI1-uI2=4V,共模输入信号： uIc=3V,uI1
6、,uI2,uIc,uIc,uI1,uI2,解:,第6章 集成运算放大器和模拟乘法器单元电路 2010.02,只有差模信号输入时差分放大电路的一个集电极电位升高，另一个集电极电位下降。差分放大电路对差模信号放大能力强。,图6.3.3 (a) 差模输入时差分放大电路的输出,6.3.4.1 对差模信号的放大作用,6.3.4 差分放大电路的差模放大倍数和 共模放大倍数,第6章 集成运算放大器和模拟乘法器单元电路 2010.02,温度对差分放大电路晶体管的影响相当于给差分放大电路加入了共模信号，所以差分放大电路能够抑制温漂。,只有共模信号输入时差分放大电路的两集电极电位同时同方向变化，两集电极之间无输出
7、。差分放大电路对共模信号放大能力弱，理想条件下可视为0。,图6.3.3(b) 共模输入时差分放大电路的输出,6.3.4.2 对共模信号的放大作用,第6章 集成运算放大器和模拟乘法器单元电路 2010.02,在差模信号和共模信号同时存在的情况下，对于线性放大电路，可利用叠加原理得出输出电压,式中 ，是uO与静态值之差，即uO的变化量。本节中其他量加“ ”的意义与此相同。,Aud为差分放大电路的差模电压放大倍数,Auc为差分放大电路的共模电压放大倍数,差模电压增益,共模电压增益,第6章 集成运算放大器和模拟乘法器单元电路 2010.02,6.3.4.3 双入双出差分放大电路的静态分析,图6.3.4
8、的差分放大电路，因左右两半相同，只要计算一个晶体管的静态工作状态即可。,图6.3.4 双入双出差分放大电路,和分压偏置共射放大电路相比，VT1的基极经RS1接地，0电位比Re接的-VEE的电 位高，因此仍然有基极电流。 将输入短路，写回路方程,对IEQ1, 用2Re等效才有相同的压降。,第6章 集成运算放大器和模拟乘法器单元电路 2010.02,基极电流：,集电极电流：,晶体管的管压降：,通过以上分析，差分放大电路的静态求解与共射放大电路一样，只不过发射极电阻用2Re替代。,第6章 集成运算放大器和模拟乘法器单元电路 2010.02,6.3.4.3 双入双出差分放大电路差模动态分析,1. 差分
9、放大电路差模工作的特点,因为Re中的电流ie1 增加， ie2减少，且增量 和减量相等。所以，Re 中的电流不变，即交流 电位为零（ue=0）。,中点交流地,差模输入时，RL的 中点相当于零电位点 (等效地)对VT1、VT2 各占 。,图6.3.4 双入双出差放的差模工作方式,0,第6章 集成运算放大器和模拟乘法器单元电路 2010.02,当有差模信号输入时差分放大电路的一个集电极电位升高，一个集电极电位降低， RL的中点相当零电位。因此，差分放大电路对差模信号才有放大能力。,图6.3.10 双入双出差放RL的中点零电位,第6章 集成运算放大器和模拟乘法器单元电路 2010.02,图6.3.5
10、 双入双出差放的微变等效电路,双入双出差分放大电路的微变等效电路它与共射放大电路Re接有旁路电容Ce的情况相同，而集电极对地的负载电阻是RL的一半。,2. 差模电压放大倍数Aud,第6章 集成运算放大器和模拟乘法器单元电路 2010.02,在求双入双出差分放大电路的差模电压放大倍数时，因电路的对称性，只采用半边微变等效电路即可。,第6章 集成运算放大器和模拟乘法器单元电路 2010.02,3. 差模输入电阻Rid,图6.3.6 求双入双出差放的差模输入电阻,第6章 集成运算放大器和模拟乘法器单元电路 2010.02,4. 差模输出电阻Rod,图6.3.7 求双入双出差放的差模输出电阻,根据输出
11、电阻的定义，应将源输入电压短路，保留内阻RS；将负载电阻RL开路。,从微变等效电路即可看出输出电阻：,第6章 集成运算放大器和模拟乘法器单元电路 2010.02,共模输出电压：,共模电压放大倍数：,T和VCC的 变化相当 共模输入,当共模输入时,使两只 晶体管的集电极电流同时 增加或减小。于是两晶体 管的集电极电位同时减小 或增加。,图6.3.8 双端输出差放的共模工作方式,6.3.4.4 对共模电压信号的放大作用,第6章 集成运算放大器和模拟乘法器单元电路 2010.02,6.3.4.5 共模抑制比KCMR,差分放大电路很难做到完全对称，零点漂移也不能完 全被克服，差分放大电路抑制共模信号的
12、能力(抑制零漂的 能力)用共模抑制比来衡量。即,若双入双出差分放大电路完全对称，则,共模信号输入时，差分放大电路两集电极之间无输出。差分放大电路对共模信号放大近似为0。如果改为单端输出情况就不同了。,第6章 集成运算放大器和模拟乘法器单元电路 2010.02,3.3.7 差分放大电路提高共模抑制能力,双入单出差分放大电路的共模抑制比：,提高共模抑制比的有效手段： (1) 差分放大电路的对称性； (2) 尽可能采用双端输出； (3) 增大Re 。,3.3.7.1 提高共模抑制能力的一般原则,差分放大电路的对称性靠集成工艺来保证；增大Re提高共模抑制比，可以采用恒流源负载代替 Re 。,第6章 集成运算放大器和模拟乘法器单元电路 2010.02,手册给出的实际的共模抑制比，一般在80dB120dB。,若单入双出差分放大电路完全对称，则,共模输出电压：,共模电压放大倍数：,第6章 集成运算放大器和模拟乘法器单元电路 2010.02,
