差分放大器

3.3差分放大器为什么要引入差分放大器概念？也即差分放大器能实现什么功能？直接耦合放大器能将工作频率下限扩展到直流，但带来了零点漂移这一不利影响。低频信号的放大+Rc1Rb1uO-+-uIRb2Rc2+VCCT1T2+Rc1Cb1uO-+-uIRb1Rc2+VCCT1T2Cc1Cc2零漂：放大器在没有输入信号时，输出端电压在零电平附近来回漂移的一种现象。tuo(mv)0产生原因：温度变化→晶体管参数变化→工作点变化→逐级放大。零点漂移克服温漂的方法：引入直流负反馈(Re)；温度补偿(温敏电阻Rb1或Rb2)。+Rc1Rb1uO-+-uIRb2Rc2+VCCT1T2Re1Re2如何抑制零点漂移+VCC+RcRbVBBuO-Re零点漂移+VCC+RcRbVBBuO-ReV零点漂移V=UCQ如何使得直流电源V能够跟随UCQ的变化？+VCC+Rc1Rb1VBBuO-Re1零点漂移Rc2Rb2VBBRe2零点漂移T1T2采用对称电路形式来抵消输出端的零点漂移。长尾式差放的电路结构－＋－＋uI1uI2ReRLRc1Rc2T1T2+VCC-VEEuO1uO2一、电路基本结构►由两晶体管经射极电阻Re耦合组成；►双电源供电，且VCC=VEE；►有两个输入端和两个输出端，分别用uI1、uI2和uO1、uO2表示；特点：结构对称，元件参数相同。二、静态工作点估算－＋－＋静态工作点计算ReRc1Rc2T1T2+VCC-VEEuI1uI2IEEUEQuO＋－仅直流作用：uI1=uI2=0直流特性—静态工作点BEQ1BEQ2BEQEQBEQEQ1EQ2EQEEUUUUUIIII2CQ1CQ2EEIII2EEEEBEQeIVUROCQ1CQ2uUU0理想情况下无零漂共模等效电路：差分放大器在共模信号作用下所形成的交流通路。交流特性—共模等效电路＋＋－－Rc1Rc2Re∆iB1∆iC1∆iE1∆iE2∆iB2∆iC2∆uOc∆uIc∆uIc∆iEE＋－＋－Rc1Rc2∆uOcc1c2b1b2e1e2∆uIc∆iB1rbe1rbe2β∆iB1β∆iB2∆iB2∆iIcRe＋－施加在差放两输入端，且大小相等，相位相同的信号称为共模信号，如温漂。共模特性分析—电压增益双端输出时共模电压增益O1B1c1BcuiRiRO2B2c2BcuiRiROcucIcuA0u共模特性：差分放大器在仅有共模信号输入时的性能(微变条件)。共模电压增益＋－Rc1Rc2∆uOcc1c2b1b2e1e2∆uIc∆iB1rbe1rbe2β∆iB1β∆iB2∆iB2∆iIcRe＋－共模特性分析—输入电阻共模输入电阻IcbeiceIcurR1Ri2EEBi21iB1B2Biii,IcBi2iIcB1be1EEeuiriR由于此时差分放大器的共模输出电压大小为0，其输出电阻(Roc=2RC)没有意义。差分放大器功能一：抑制共模！＋－Rc1Rc2∆uOcc1c2b1b2e1e2∆uIc∆iB1rbe1rbe2β∆iB1β∆iB2∆iB2∆iIcRe＋－∆iEE差模等效电路：差分放大器在差模信号作用下所形成的交流通路。施加在差分放大器两输入端，且大小相等，相位相反的信号称为差模信号。＋＋－－Rc1Rc2Re∆iB1∆iC1∆iE1∆iE2∆iB2∆iC2∆iEE=0Idu2Idu2∆uOd＋－＋－Rc1Rc2c1c2b1b2e1e2iB1rbe1rbe2βiB1βiB2iB2－＋Idu2Idu2uOd＋－Re不起作用！交流特性—差模等效电路差模特性：差分放大器在仅输入差模信号时的性能(微变条件)。差模电压增益＋－Rc1Rc2c1c2b1b2e1e2∆uId∆iId=∆iB1rbe1rbe2∆iB2β∆iB1β∆iB2＋－∆uOdIdBbeu2irO1O2BcuuiR双端输出时差模电压增益OdcudIdbeuRAur差模特性分析—电压增益差模输入电阻由电路对称性：Rc1=Rc2=Rc，rbe1=rbe2=rbe∆iB1=∆iB2=∆iId差模特性分析—输入电阻IdidbeIduR2ri差模输出电阻odc1c2cRRR2R差分放大器功能二：放大差模！＋－Rc1Rc2c1c2b1b2e1e2∆uId∆iId=∆iB1rbe1rbe2∆iB2β∆iB1β∆iB2＋－∆uOd输入信号的等效问题：当差分放大器输入任意两个信号时，如何简便地分析其交流特性？►任意两个输入信号，都可分解为差模和共模信号的组合！差分放大器有任意两输入信号uI1、uI2：两者差值两者均值IdI1I2uuuI1I2Icuuu2IdI1Icuuu2IdI2Icuuu2共模部分共模部分差模部分差模部分结论：差分放大器输入任意信号时，都可分解为差模和共模信号的组合。放大器的输出为差模输出和共模输出的叠加。uId=10mV；uIc=15mVuId=10mV；uIc=5mV输入信号的等效+-A+--+20mV10mV~~+-A+--+15mV15mV+-+-5mV5mV信号分解~~~~+-A+-10mV~+-A+--+5mV5mV+-+-5mV5mV信号分解~~~~差分放大电路的特点►抑制零点漂移；差分放大器的特点►放大差模信号，抑制共模信号。►理想情况下(参数对称、双端输出)：OcucIcuA0uOdcudIdbeuRAur►什么是非理想情况？①单端输出；②参数非对称。问题：单端输入是否是非理想情况？差分放大电路的四种接法差分放大器+-＋-RLRL1RL2uI1uI2uIuO1uO2uO四种接法双端输出单端输出双端输入uI1≠0，uI2≠0∆uO=∆uO1－∆uO2∆uO1或∆uO2单端输入ui1＝0或ui2＝0∆uO=∆uO1－∆uO2∆uO1或∆uO2非理想条件下的差分放大电路双端输入单端输出－＋－＋静态工作点计算ReRLRc1Rc2T1T2+VCC-VEEui1ui2IEEUEQ►静态工作点分析：因输入回路不变，故IEQ、IBQ、ICQ与双端输出时相同。但此时UCEQ1≠UCEQ2。CCCQ1CQ1CQcLCQ2CCCQcVUUIRRUVIR非理想条件下的差分放大电路►差模性能分析：＋－Rc1Rc2c1c2b1b2e1e2∆uId∆iId=∆iB1rbe1rbe2∆iB2β∆iB1β∆iB2RL∆uO1cLO1ud1IdbeR//RuAu2r差模电压增益差模输入电阻idbeR2r差模输出电阻odcRR何种情况为正？非理想条件下的差分放大电路►共模性能分析：'cLO1Luc1IcbeeeR//RuRAur21R2R共模电压增益共模输入电阻beicerR1R2共模输出电阻occRR＋－Rc1Rc2∆uO1c1c2e1e2∆uIc∆iB1rbe1rbe2β∆iB1β∆iB2∆iB2∆iIcReRL结论：输出电压是差模信号和共模信号共同作用的结果。理想情况下，差模信号被放大而共模信号完全被抑制掉！非理想情况不为0OudIducIcuAuAu衡量差分放大器放大差模抑制共模能力的指标是共模抑制比（KCMR）:udCMRucAK20lgdBA理想情况：KCMR=∞，非理想：有限值。非理想条件下的差分放大电路电路参数非对称非理想条件下的差分放大电路实际使用中元件参数无法满足严格的对称性，从而使差分放大器性能受到影响。►直流性能失调：零输入时放大器出现非零输出。►交流性能1、两个单端输出的差模增益不相等，双端输出的差模增益同理想情况比仅大小有变化。2、任何输出形式，输出端都有共模输出。KCMR为有限值，对称性越差，KCMR越小。差分放大电路的改进差放能放大差模而抑制共模的原因：电阻Re的作用。Re越大，KCMR就越大。►问题：Re是不是越大越好呢？－＋－＋ReRc1Rc2T1T2+VCC-VEEui1ui2IEEUEQuO＋－Re↑→ICQ↓→Uom↓－＋－＋Rc1Rc2T1T2+VCC-VEEuI1uI2IEEuO＋－恒流偏置、Ro→∞差分放大电路的改进►问题：如何克服非对称性的影响？－＋－＋Rc1Rc2T1T2+VCC-VEEuI1uI2IEEuO＋－Rw增加调零电位器Rw来抵消非对称影响。＋－Rc1Rc2∆uO∆uId∆iB1rbe1rbe2∆iB2β∆iB1β∆iB2＋－Rw1Rw2Rw使得Aud降低、Rid增大(Rw小阻值)。例题例：结构对称差放，=50，UBEQ=0.7V,忽略管子rbb'，uI1=30mV，uI2=40mV,试求：Aud(s)、KCMR和输出电压uO的值。Rb1Rb210kΩ+12VRcReRLuOuI1uI2++--T1T2-12V10kΩ10kΩ10kΩ3kΩ例题Rb1Rb210kΩ+12VRcReRLT1T2-12V10kΩ10kΩ10kΩ3kΩIBQIBQIEQIEQ++__Rcrbeβ∆iB1rbeRLβ∆iB2∆iB1∆iB2RbRb∆uId/2∆uId/2EEEQbeebV0.7I=0.56mA;r2.36k2RR/1+_Rcrbeβ∆iB1rbeRLβ∆iB2∆iB1∆iB2RbRb∆uIcRe∆iEE'Lud(s)bbeRA4.65;2RrCMROud(s)Iduc(s)IcK34;uAuAu42mV'Luc(s)eRA0.122RFET差分放大器－＋－＋FET差分放大器RLRd2+VDD-VSSRsuO2uO1uI1uI2Rd1FET差放结构和性能与BJT差放完全类似。对差模信号，Rs相当于短路；对共模信号，Rs作用增强。ud(d)mdud(s)mdduc(d)uc(s)sCMR(s)ms1AgRAgR2RA0A2RKgR注意：FET差放的Rid和Ric均为∞作业习题（P182）3.7