差分放大器

第四节差分放大器差分放大器，又称为差动放大器，是另一类基本放大器，广泛应用于集成电路中。如图所示它是由两个对称的共发射极放大器通过发射极电阻耦合而组成的。对称是指：对外电路：RC1=RC2=RC、RB1=RB2=RB对晶体三极管：T1与T2的参数相同，即IS1=IS2=IS、VBE(on)1=VBE(on)2、β1=β2=β。vo1RC1RB1REVCCvo2RC2VEERB2T1T2vi1vi2特点：（1）、有两个输入端与两个输出端，因此，在连接输入信号与负载时有多种方式。（2）、电路由双电源供电，VCC=|VEE|一、差分放大器的电路结构：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——单端输出双端输入：是指输入信号从两输入端口输入。单端输入：是指两输入端口的任意一端口，接地短路；输入信号从另一个端口输入。双端输出：是指输出信号从两个集电极之间取出。单端输出：是指输出信号从任意一个集电极对地取出。2、静态分析：令：vi1=vi2=0通常的情况下：RB1=RB2=RB很小，可以看作信号源的内阻。而β值，足够大。因此，可忽略RB的影响，VBQ1=VBQ2≈0Vo1RC1RB1REVCCVo2RC2VEERB2T1T2IEVBQ1VBQ2根据电路可知：VEQ1=VEQ2=-VBE(on)1=-VBE(on)2=-0.7VEEonBEEEBQRIVVV)(1EEonBEEERIVV)(0EBEQEEERVVI在理想情况下，电路两边完全对称：则有21EEII所以212122EEEEEIIIIIECCCEEIIIIII212121当VEE一定值时，两管的集电极静态电流由RE来确定。计算VC1与VC2的值：根据电路的对称性得：CCCCCCRIVVV21Vo1RC1RB1REVCCVo2RC2VEERB2T1T2IEVBQ1VBQ2Vo1RLRB1REVCCVo2RC2VEERB2T1T2IEVBQ1VBQ2RC1IC1ILIR当放大器作为单端输出时的静态分析：根据电路有LCRIII111CRCCCRIVV11)(CLCCCRIIVLLCRIV1LCLRVI11111)(CLCCCCCRRVIVVLCCCLCLCRIVRRRV11二、性能特点（交流特性）1、差模信号与共模信号①、差模信号：在差分放大器两输入端分别作用着数值相等，极性相反的输入电压，即vi1=-vi2称它们为一对差模输入信号，用vid表示。②、共模信号：在差分放大器两输入端分别作用着数值相等，极性相同的输入信号，即vi1=vi2称它们为一对共模信号，用vic表示。在实际应用中，加到差分放大器两输入端的信号电压，往往为任意信号，它们既不是差模信号，也不是共模信号。即vi1与vi2为任意电压信号。根据这种情况进行分析：2221211iiiiivvvvv2221212iiiiivvvvv定义：共模输入信号为221iiicvvv定义：差模输入信号为21iiidvvv就可看到，它们可分解为一对数值相等、极性相同的共模信号和一对数值相等、极性相反的差模信号之和，即2221idiciidicivvvvvv(4-4-4)其中21212)(iiidiiicvvvvvv(4-4-5)例一、已知vi1=10.02V、vi2=9.98V，试求差模和共模输入电压。解：根据定义差模输入电压21iiidvvvmVVV4098.902.10共模输入电压221iiicvvvVVV10298.902.10同理在输出端：设叠加在静态工作点上的输出信号电压分别为vo1和vo2。即111oCQcvVv222oCQcvVv采用同样的方法可将vo1和vo2分解为，差模信号和共模信号：即21odocovvv22odocovvv定义：共模输出电压为221ooocvvv差模输出电压为21ooodvvv通过上面的分析可知：①、差分放大器的差模性能是指，在差模输入信号作用下的性能，这时由于电路完全对称在输出端只有差模电压而没有共模电压，即vo1=-vo2=vod/2②、差分放大器的共模性能是指，在共模输入信号作用下的性能，这时由于电路完全对称在输出端只有共模电压而没有差模电压，即voc1=voc2=voc③、差分放大器的性能就是差模和共模两种性能的合成。2、差分放大器的差模性能及特点：电路如图所示（对任意一对输入信号）vc1RC1REVCCvc2RC2VEET1T2vi1vi2vovc1RC1REVCCvc2RC2VEET1T2vovicvid/2vicvid/2vi1vi2根据电路可令：vic=0，电路可等效为：vc1RC1REEVCCvc2RC2VEET1T2vid1vid2vo221idididvvv由于电路两边对称，因而在差模输入信号作用下，两管集电极产生等值反向的增量电流。因此有cCQCiIi11cCQCiIi22静态：ICQ1=ICQ2=ICQ当它们共同流入REE时：CQCQCQEEIIIi22221静态：IEE=2ICQ1=2ICQ2=2ICQ从上述推论可知：流过REE的电流仍为原静态电流IEE，增量电流Δic=0。这就是说对差模信号而言，REE可示为短路，因此，对差模信号来说，差分放大器可等效为如图所是：vo1RC1vo2RC2T1T2vid1vid2vovod1RC1vod2RC2T1T2vid1vid2RLRL交流通路vo1RC1vo2RC2T1T2vid1vid2voRLvod1RC1vod2RC2T1T2vid1vid2RLRLvod1vod2T2RC1RL/2RC2T1vid1vid2vodRL/2vod1vod2RC1RL/2RC2T1vid1vid2T2vidRL/2vod对于一个单级共发射极放大器来说，其放大器的性能为：输入电阻ebirR输出电阻CR∥ceorR电压放大增益)R(L∥omvRgA①、差模输入电阻定义：从差分放大器两输入端看进去所呈现的视在电阻。即ebiiebiidiidiidiriirivivivR222221单端输入如图所示vo1RC1vo2RC2T1T2vi1vo2、差模性能vod1vod2RC1RL/2RC2T1vid1vid2T2vidRL/2vod根据图（1）可知：iiiiidvvvvv021iivv102ivvo1RC1vo2RC2T1T2vivo2iv2iv2iv2iv图（2）12对1端来说：iiivvvv221图（1）vo1RC1vo2RC2T1T2vi1vo对于2端来说：0)2(22iiivvv由此，可知所谓的单端输入等效为双端输入。输入电阻为：ebiidirivR2②、差模输出电阻：单端输出时，任意一端的差模输出电阻（即任一端看进去对地的电阻），为共发射极放大器的输出电阻。双端输出时，差模输出电阻从两输出端看进去的视在电阻，即为两个共发射极放大器的输出电阻之和。c21R∥ceododrRR)R(2c∥ceorRvod1vod2RC1RL/2RC2T1vid1vid2T2vidRL/2vod③、差模增益差模电压增益，是指差模输出电压对差模输入电压的比值。即idodvvvA单端输出时：a、从T1管的集电极输出即idodvdvvA11)/2R(212122L1∥∥ccemvidodRrgAvvb、从T2管的集电极输出/2)RR(212121Lc222∥∥cemvidodvdrgAvvA/2)R(21L∥∥ccemRrg双端输出idodvvvAidododvvv21/2)RR(Lc21∥∥cemvvvrgAAA3、差分放大器的共模性能及特点由于电路两边对称，因而在共模输入信号电压作用下，两管集电极产生相同的增量电流。即cCQCiIi11cCQCiIi22静态：ICQ1=ICQ2=ICQ当它们共同流入REE时：cCQCCEEiIiii2221因此，对共模信号来说，流过REE的增量电流Δi=2ic，则REE不能看作对的短路，在电路中应该保留。交流通路如图所示vc1RC1REvc2RC2T1T2vicvicvovoc1voc2RC1RL/2RC2T12REET2vicRL/2voc2REE①、共模输入电阻：定义：从差分放大器任一输入端看进去，对公共地呈现的视在等效电阻。voc1voc2T2RC1RL/2RC2T1vicvicvocRL/22REE2REE在忽略rce情况下，根据电路有EEebicRrR2)1(②、共模输出电阻：定义：从差分放大器的任一输出端看进去对公共地呈现的视在等效电阻。CocRR③、电压增益：a、单端输出电压增益（从T1管的集电极输出）icocvcvvA11根据定义有voc1voc2T2RC1T1vicvicvocRL2REE2REERC2根据电路有)R(L1∥CebmocRvgv)R(L∥CbebmRirgEEbebbicRiriv2)1()R(L∥CbRivoc1voc2T2RC1T1vicvicvocRL2REE2REERC2icocvcvvA11EEebCRrR)1(2)R(L∥在实际电路中，一般满足2（1+β）REErb'e所以EECEECvcRRRRA2R)1(2)R(LL1∥∥b、双端输出的电压增益icocvcvvA021icococvvv4、共模抑制比根据上面的分析可知：差分放大器的差模性能和共模性能有很大的不同，最主要的是共模电压增益远小于差模电压增益或者说相对于差模信号，差分放大器具有放大作用；对于共模信号，差分放大器具有抑制作用。差分放大器对共模信号的抑制能力可引入一个参数来评价。即共模抑制比，用KCMR来表示定义为：差模电压增益与共模电压增益之比的绝对值。即vcvdCMRAAK例如、差分放大器单端输出时的共模抑制比，负载为RL。)R(21L1∥cmvdRgAEECvcRRA2RL1∥已知所以11vcvdCMRAAKEEmEECCRgRRRgm2R)R(21LL∥∥EEmCMRRgK差分放大器作为双端输出时，共模抑制比。因为0icocvcvvA所以CMRK共模抑制比KCMR越大，抑制共模信号的能力越强。提高KCMR的途径：可增大gm，即增大IEE。也可增大REE，则KCMR就可相应的增大。不过当VEE为一定值时，随着REE的增大，则IEE将减小，导致gm相应减小，从而影响到KCMR的提高。为解决此矛盾，可采用电流源取代REE，即采用有源负载代替REE。vc1RC1IEE=ICQ3VCCvc2RC2VEET1T2vi1vi2voIBQ3T35、合成输出信号综合上述分析：可知在任意输入电压作用下，差分放大器输出电压分别为：idvdicvcodocovAvAvvv21211)1(21)21(21icCMRidvdvdicvcidvdvKvAAvAvAidvdicvcodocovAvAvvv21212)21(212vdicvcidvdoAvAvAv)1(21icCMRidvdvKvA双端输出时：)(21iivdvvAidvdooovAvvv21可见，vo仅与差模输入电压成正比，即两输入电压的差值成正比，而与共模输入电压无关，即与两输入端电压的大小无关。单端输出：)1(211icCMRidvdovKvAv)1(212icCMRidvdovKvAv只要KCMR足够的大，致使icCMRidvKv1可近似认为，任一输出端的电压与两输入电压的差值成正比。或者令：CMRiiicCMRidKvvvKv21211将Δvid看作等效到输入端的差模误差电压。)(211ididvdovvAv