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1、第5 章 差分放大电路内容提要：本章介绍差分放大电路，包括差分放大电路的组成、差分放大电路的输入和输出方式、 差分放大电路的静态计算和动态计算。概述差分放大电路（简称差放）就其功能来讲，是放大两个输入信号之差。由于它具有优良的抑制 零点漂移的特性，因此成为集成运放的要紧组成单元。在电子仪器和医用仪器中经常使用差分放大电路 做信号转换电路，将双端输入信号转换为单端输出或将单端输入信号转换为双端输出。5.1.1 差分放大电路的组成差分放大电路是一种对称结构的放大电路，差分放大电路是由两个特性相同的三极管VTVT2组成的对称电路，两部份之间通过射极公共电阻R耦合在一路。在差分放大电路的电路图（图5-
2、1-1）中。R、R为VT、VT确信适合的静态工作点。 e s1 s2 1 2采纳双电源供电形式，可扩大线性放大范围。差分放大电路的电路如图 5-1-1 所示。ui2图 5-1-1 差分放大电路差分放大电路是对称电路。对称电路的含义是两个三极管 VT1、VT2 的特性一致，电路参数对应相等。 即卩=卩=卩12U = U = UBE1 BE2 BEr = r = rbe1 be2 beR = R = Rc1 c2cR = R = R s1 s2s5.1.2 差分放大电路的输入和输出方式差分放大电路一样有两个输入端：反相输入端和同相输入端，如图5-1-1所示。在输入端A输入极 性为正的信号u ,输出
3、信号u的极性与其相反，称该输入端A为反相输入端。在输入端B输入极性为 i1 o正的信号ui2，而输出信号u的极性与其相同，称该输入端B为同相输入端。极性的判定以图中确信的0 正方向为准。信号从三极管的两个基极加入称为双端输入；信号从三极管的一个基极对地加入称为单端输入。差分放大电路一样有两个输出端：集电极q和集电极C2。从集电极q和集电极C2之间输出信号称 为双端输出，从一个集电极对地输出信号称为单端输出。 差分放大电路有两个输入端和两个输出端，组合起来就有四种连接方式。 差分放大电路的四种连接方式：1双端输入双端输出；2双端输入单端输出；3单端输入双端输出；4单端输入单端输出。5.1.3差模
4、信号和共模信号 是指两个幅度相等、极性相反的双端输入信号。 差模信号如图5-1-2所示。差分放大电路对差模信号从两集电极输出也是差模信号。在图示情形下，两集电极电位一个升高（U增加），一个下降（U减小），就象跷跷板一CQ2 CQ1样，两集电极之间有差模输出，差分放大电路对差模信号放大能力强。两个三极管集电极静态电位不变，相当交流的零电位。交流0以i2图5-1-3 差模输入时差分放大电路集电极的输出情形图5-1-4是图5-1-1差分放大电路的示波器波形图，由波形图能够看出加入差模信号时，两集电极 的直流电位不变；发射极直流电位不变。两集电极的交流信号u和u反相，但u与输入的基极信号 c1 c2
5、c1匕反相，另一个输出u与输入的基极信号匕同相。b1c2b1（a） u与输入的基极信号匕反相（b） u与输入的基极信号匕同相c1b1c2b1图5-1-4 差分放大电路两集电极输出波形图 是指两个幅度相等、极性相同的双端输入信号。共模信号如图5-1-5所示。tt差分放大电路对共模信号的放大示用意见图5-1-6。若是输入是共模信号且幅度相等，两集电极电 位（U和U ）同时以相同幅度、向相同方向转变。在电路对称的条件下，两集电极之间输出u =0V。CQ1 CQ2 o因此，差分放大电路对共模信号放大能力弱（理想情形下无放大作用）。双端输出对共模信号有较强的抑制能力，而单端输出对共模信号抑制能力较弱。i
6、1ui2图5-1-6 共模输入时差分放大电路集电极的输出情形温度的转变同时作用在差分放大电路中的两个三极管上，温度对三极管的阻碍相当于给差分放大电路加 入了共模信号，因此差分放大电路能够抑制温漂。事实上，差分放大电路对零点漂移的抑制，一是靠对 称，二是靠R。双端输出这两条都可利用，而单端输出只利用R 了这一条，因此双端输出的漂移要小于 ee单端输出。关于R抑制零漂作用，实质上确实是放大电路有了R,就能够够起到稳固工作点的作用，抑 ee制温度转变的阻碍是指两个极性相同（或不同）、幅度不等的信号加在差分放大电路的输入端，那么相当于一组差模 信号迭加在共模信号上，一起加在差分放大电路的输入端。差模、
7、共模混合信号如图5-1-7所示。Ui1u .i1u .ic%uic%图 5-1-7 差模、共模信号混合的情形在图5-1-1差分放大电路中有两个输入信号u、u ,设u为差分放大电路的差模输入信号，显然i1 i2 iduid 是两个输入信号之差，即idu = u - uid i1 i2（5-1-1）uic为差分放大电路的共模输入信号。它是两个输入信号的算术平均值，即u = 1（u + u ）ic 211 i2（5-1-2）用共模信号和差模信号表示两个输入信号时，有u = u. + 丄u u = u 一 丄 u11 ic 2 id i2 ic 2 id在差模信号和共模信号同时存在的情形下，关于线性放
8、大电路，可利用叠加原理得出输出电压u = A u + A uo ud id uc ic（5-1-3） 式中，A为差分放大电路的差模电压增益（差模电压放大倍数）；udA为差分放大电路的共模电压增益（共模电压放大倍数）。uc5-1-1 差分放大电路是如何组成的？电路在参数上有何特点？5-1-2 差分放大电路有几种输入和输出方式？5-1-3 什么是差模信号？什么是共模信号？5-1-4 在什么情形下，差分放大电路的输入端既有差模信号，又有共模信号？双端输入双端输出差分放大电路5.2.1 静态分析图 5-2-1 所示的差分放大电路的静态和动态计算与大体放大电路大体相同。在大体放大电路中，偏 置电阻接电源
9、（高电位点），发射极电阻接地（低电位点）。在图5-2-1中，发射极电阻接-V ,是电路EE中的最低电位点。R、R接地，能够起一部份偏置电阻的作用，R、R也能够看做信号源内阻。地电s1 s2 s1 s2位相对-V是高电位，因此仍然能够提供偏流，如此处置便于直接耦合的输入信号源一端接地。因差分 EE电路的对称性，能够只对其中一半电路进行计算。在求基极电流时，R为发射极电阻，因为R流过的电ee流是21，因此单边计算时，要用2R代替，才能使I流过2R产生的电压降与21流过R产生的电压降E e E e E e相同。对差分放大电路的结构了解清楚以后，可得双端输入双端输出差分放大电路的静态计算结果。ui2由
10、于差分放大电路具有对称性，故静态时CQ1 UCQ2 , UO = U5.2.2 动态分析5.2.2.1 差模电压放大倍数CQ2 ，CQ1 U CQ2=0VBQ1 BQ2 R + (1 +0 )2RsI = I =0 IeCQ1CQ2BQ1U二 U = V -1RCQ1CQ2CCCQ1 cU=-V + 2I REQEECQ1 eU= U= U-UCEQ1CEQ2CQ1EQI=21 = 21EQ CQ1 CQ2在图5-2-1差放电路的两个输入端加入差模信号，即uii = 一ui2二uid /2， uid二Ui1_ui2时，一个 三极管电流在I的基础上增加，另一个三极管电流在I的基础上将减少，电流的
11、增量和减量相等。因CQ1 CQ2此，输出信号电压Uo= Uci _ Uc2丰0，即在两输出端之间有信号输出。rbeuidii2rbelb卩i2 - 2里 +uod2卩od图5-2-2双入双出差分放大电路的微变等效电路图5-2-1的微变等效电路如图5-2-2所示。图5-2-1电路的差模电压放大倍数的计算与大体放大 电路差不多，也能够按半边计算。od图5-2-2双入双出差分放大电路的微变等效电路因输入端加差模信号，在电路完全对称的条件下，i的增量等于i的减量（或反之）。因此，流过 c1 c2R的直流电流为I =21，流过R的交流电流为零，交流压降为零，和发射极电阻R有旁路电容的情形 e EQ CQ
12、 e e一样，故R对差模信号可视为交流短路。负载电阻R接于两管集电极之间，两头电压转变方向相反，负 eL载电 e L阻R的中点电压不变，中点相当于公共端（等效地）。将R分为相等的两部份，对VT VT各取2 l。当从两管集电极之间输出信号时，其差模电压放大倍数与单管放大电路的电压放大倍数相同。两管基极 之间的输入是单边的二倍，两管集电极输出也比单管大一倍，即u 丄 U0 RA 二 od 二 2 od - -Lud u 丄 uR + rid 2 ids be（52）R -R 丄R式中， L c 2 L 在双端输入、双端输出的情形下，若是电路完全对称，那么图52的双入双出差分放大电路电路 与共射大体
13、放大电路的电压增益大体相等，（共射大体放大电路的电压增益表达式分母中无R）。可见该 s 电路是用成倍的元器件以换取抑制零点漂移的能力。5.2.2.2 差模输入电阻在讨论差模输入电阻时，参照双入双出差分放大电路的微变等效电路（图522）。不论是单端输入仍是双端输入，差模输入电阻Rd的计算公式如下：/、(522)R - 2（R + r ）id s be5.2.2.3 输出电阻在讨论输出电阻时，参照双入双出差分放大电路的微变等效电路（图522）。单端输出时输出电阻：R 二 Rod c双端输出时输出电阻：R 二 2 Rod c5.2.3 差分放大电路的共模抑制比 在差分放大电路的两个输入端加入极性相同
14、、幅度不等的信号(5-2-3)(5-2-4)或加入极性不同幅度不等的信号那么差分放大电路的输入信号包括共模和差模两种信号成份，本节是讨论共模信号作用到差分放大电路 上的情形，如图5-1-2所示。在差分放大电路中，不管是温度转变，仍是电源电压的波动都会引发两管集电极电流和相应的集电 极电压向相同方向的转变，其成效相当于在两个输入端加入了共模信号。由于电路具有对称性，在理想 情形下可使双端输出电压不变，从而抑制零点漂移。5.2.3.1共模放大倍数Auc共模放大倍数A是用来衡量差分放大电路抑制漂移或干扰信号的能力。A越小，表示电路抑制漂移 ucuc或干扰信号(主若是温漂)的能力越强。对A做如下概念：Aucuocuic(5-2-5)uc差分放大电路共模输入电路如图5-2-3所示，讨论共模电压放大倍数的计算需要分两种情形： 共模电压放大倍数的计算 对双端输出，因考虑到差分放大电路有极好的对称性，两集电极电位做大小相同方向相同的转变。因此从两集电极输出，能够为共模输出为0，故共模放大倍数为0。图5-2-3 差分放大电路共模输入的情形共模电压放大倍数的计算图5-2-3 差分放大电路共模输入的情形关于单端输出，比双端输出时，有较大的共模输出，只是由于有发射极电阻R的抑制作用，那个共e模输出也不大。在本课程中对这一问题不作深切讨论。总之不论双端输出，仍是单端输出，共模放大
