差分电路

差分放大电路,由于在直接耦合放大电路中，存在着级间耦合问题，电平匹配问题以及零点漂移问题。其中前二个问题可以通过改进电路结构和管子类型等来解决，但零点漂移问题却无法解决。 为解决这些问题，需要设计新的放大电路来解决零点漂移等问题。 本节主要内容： 基本差分电路 长尾式差分电路 长尾式差分电路的工作原理分析 差分放大电路四种接法的分析与比较,基本差分电路,1、基本差分电路的组成 基本差分电路如图3-1和图3-2。 其工作原理是利用对称性来解决和克服零漂问题。 电路左右两边对称，指电路结构及元件的特性与参数完全相同，使T1、T2在同一个直流电源供电情况下具有相同的静态工作点。 输入信号： 输出信号： 电压放大倍数：,图3-1 基本差分电路形式之一,图3-2 基本差分电路形式之二,当输出信号从其中任一个集电极输出时，称为单端输出。 当输出信号从两个集电极之间输出时，称为双端输出或浮动输出。,基本差分电路,2、基本差分电路的工作原理 若差分电路两个输入端的电 压分别为vi1和vi2。 当输入信号vi1和vi2大小相等、极性相反时，定义为差分输入信号或差模输入信号vd 。 vi1 = - vi2 ， 此时，放大电路的输入电压为： 或： 式中，vd称为差分输入电压或差动输入电压。 当输入信号vi1和vi2大小相等、极性相同时，定义为共模输入信号vc 。则： 或：,图3-1 基本差分电路形式之一,基本差分电路,2、基本差分电路的工作原理 当输入信号中既有差模信 号，又有共模信号时，则 基本差分电路输入端的信号可分解为二种信号的叠加，即 根据上式可得出如下结论： 在差分放大电路输入端施加的任意形式的信号都可以分解为差模信号与共模信号的叠加，输出端的响应都可视为差模信号与共模信号共同作用的结果。,图： 基本差分电路形式之一,已知基本差分放大电路如图3-1所示vi1=5V、vi2 =3V，求此时作用于放大电路输入端的差模电压为多少？共模电压为多少？,解：根据差模信号的定义，总的差模输入信号为： 由电路的对称性可知，每个输入端的输入电压为： 根据共模信号的定义有： 于是，两个实际的输入信号电压可等效为图(a)或图(b)的形式。,基本差分电路,3、放大倍数的计算： 由图可见，对于差 模输入信号，由于vi1= -vi2 则 根据共射放大电路输出与输入反相的特点： 得，差模输入信号作用下的电压放大倍数为： Ad称为差模电压放大倍数。 对于共模输入信号： 由于电路对称，则 AC称为共模电压放大倍数。,图3-1 基本差分电路形式之一,基本差分电路,3、放大倍数的计算： 基本差分放大电路只对差模输入信号进行放大，而不对共模信号进行放大。在双端输出的情况下，放大电路的差模电压放大倍数等于一个单级共射放大电路的电压放大倍数。 在理想对称的条件下，如果共模信号能够模拟温度的变化，则不难看出，无论温度怎么变化，输出端皆为零，从而达到了抑制输出信号电压的零点漂移。,图3-1 基本差分电路形式之一,长尾式差分电路,前面介绍的基本差分放大电路中，依靠电路对称，利用两个放大电路的输出之差，抑制了零点漂移电压的输出，但是并没有消除单级放大电路本身的零漂。 为了进一步减小或消除零漂，提高抑制零点漂移的效果，需要在基本差分放大电路的基础上进行改进，减小单级放大电路自身的零点漂移。,长尾式差分电路,1、长尾式差分电路的组成 在基本差分放大电路的发射极 接入一个射极电阻RE，以便引 入电流负反馈，稳定输入电压， 减小零漂。 发射极电阻RE犹如在基本差分电路中多了一条尾巴，RE愈大，稳定性愈好，相当于尾巴愈长，故称为长尾式差分电路。 射极电阻RE愈大，对共模信号的反馈作用愈强，抑制零漂的效果愈好，但同时，RE上的直流压降也愈大，三极管放大的动态范围愈小。 解决办法是增加一个负电源VEE，用以增加三极管的动态范围。如图3-3所示。,图3-3 长尾式差分放大电路,长尾式差分电路,2、长尾式差分电路的几种接法 （1）双端输入双端输出 输入信号分别在三极管T1、 T2的基极输入，从T1、T2的集电极之间输出。这种接法称为双端输入双端输出电路。如图3-4所示。,图3-4 长尾式差分放大电路,长尾式差分电路,（2）双端输入单端输出 输入信号分别在三极管T1、 T2的基极输入，但输出却 只从T1或T2的集电极单独 对地之间输出，称为双端输入单端输出。 如果从T1的集电极输出，称为左侧输出，电压放大倍数为单级共射放大电路的一半，且输出与输入反相，如图3-4所示。 如果从T2的集电极输出，称为右侧输出，电压放大倍数也为单级共射放大电路的一半，但输出与输入同相。,图3-4 双端输入左侧单端输出,长尾式差分电路,（3）单端输入双端输出 输入信号只从三极管 T1或T2的基极一端输 入，从三极管T1和T2 的集电极之间输出。,图3-5 单端输入双端输出的接法,长尾式差分电路,（4）单端输入单端输出 输入信号只从三极管T1或 T2的基极一端输入，只从 三极管T1或T2的集电极一 端对地输出。 在长尾式差分电路的几种接法中，值得注意的是：在单端输入时（包括单端输入双端输出和单端输入单端输出），由于对称，输入的差模信号在图的虚线所示的输入回路中，将被对半分配到两侧的输入端，相当于双端输入；可以说单端输入等同于双端输入。,图3-6 单端输入左侧单端输出,长尾式差分电路 的工作原理分析,前面就长尾式差分放大电路 的几种接法进行了介绍。下面以 图3-4所示的长尾式差分放大电 路为例，对双端输入双端输出电 路的工作原理进行分析。 1、静态分析 静态时，输入信号vi1和vi2均为零，等效处理方法是将两个输入端分别对地短路。由于电路左右对称，T1和T2特性相同，则有IC1=IC2、VC1=VC2 得到：V0=VC1-VC2=I0RL=0 I0=0 在静态时，RL电阻中没有电流流过,相当于开路，也就是说，RL可以拿掉。RL拿掉后的直流通路如图3-8所示。,图3-4 长尾式差分放大电路,长尾式差分电路 的工作原理分析,对于输入回路： 由于在设计时，RE通常选得比较大，使得IBQ非常小，一般可以忽略，则 (约为-0.7V) 根据电路的对称性可知，每个管子的集电极电流为IEQ的一半，即 说明T1的工作点电压VCEQ近似为它的集电极对地电位。,图3-8 长尾差分放大电路的直流通路,长尾式差分电路 的工作原理分析,2、动态分析 当差分放大电路两输入端加上任意 信号vi1、vi2时，都可以等效为差模 和共模信号的叠号，根据叠加原理， 可以分别进行分析。 （1）差模信号vid 由于电路的对称性使vi均分给两个输入端，即 即在输出端RL两端有信号输出。,图3-9 双入双出差模电路,长尾式差分电路 的工作原理分析,此时，在RE上的电流约为， 即RE上的差模交流电流为零。 则RE上的差模交流电压也为零。使VE点对交流信号而言相当于接地， 得：差模交流通路 如图3-11所示。,图3-11 差模交流通路,图3-9 双入双出差模电路,长尾式差分电路 的工作原理分析, 差模电压增益 由于电路对称，RL接在两管集 电极之间，两端电压变化量相 等，极性相反，所以，负载电 阻RL的中点电位不变，相当于交流地。因此，可以将RL分为相等的两部分，对T1、T2各取RL/2。 在双入双出时，两管基极之间的输入是单边的两倍，两管集电极之间的输出也是单边的两倍。所以，此时差放的差模电压放大倍数与单管放大电路的电压放大倍数相同。 即： 其中,图3-11 差模交流通路,图3-12 差模放大微变电路,长尾式差分电路 的工作原理分析, 差模输入电阻： 为差模输入信号电压与差模 输入信号电流之比，即从两 个输入端看进去的总差模输入电阻。 差模输出电阻： 双端输出时，两输出端之间呈现的差模输出电阻为,图3-12 差模放大微变电路,长尾式差分电路 的工作原理分析,（2）共模分析 双入双出电路加共模信号 如图3-13所示。 加共模信号时：vic1=vic2=vic 由于电路两边对称，RE上的电流变化是每个三极管电流变化的两倍。 从电压等效的观点来看，对共模信号而言，每个晶体管发射极相当于各接2RE电阻。 如图3-14所示。 画出共模信号作用下的交流通路如图3-15所示。,图3-13 双入双出电路加共模信号,图3-14 共模交流通路,长尾式差分电路 的工作原理分析,画出共模信号作用下的交流通路如图3-15所示。 共模电压增益 由于电路对称，vic1=vic2=vic, 则vc1=vc2 voc=vc1-vc2=0 结论：双入双出差分放大电路对 共模信号不会放大。 如果干扰信号属于共模信号，则可以用这种放大电路对干扰信号进行抑制。,图3-14 共模交流通路,图3-15 共模交流通路,长尾式差分电路 的工作原理分析, 共模抑制比 差分放大电路对差模信号有较高的放大能力，对共模信号有抑制作用，这种抑制作用用“共模抑制比”来评价，定义为： 双端输出时，Avc=0，KCMR= 通常CMR用dB数来表示，即 (dB),图3-15 共模交流通路,长尾式差分电路 的工作原理分析, 共模输入电阻 由图可见，从输入端看进去的共模输入电阻为 共模输出电阻,图3-15 共模交流通路,图3-16 共模等效电路,差分放大电路四种 接法的分析与比较,差分电路四种接法： 双入双出 双入单出 单入双出 单入单出 前面已经对“双入双出”进行了分析，下面对另外三种接法进行分析和比较。,1、双入单出电路,与双入双出的图3-4相比较， 只是输出负载RL接在T1的C与地 之间。 输入差模信号时，由于T1、T2 对称，IEQ不变，对差模输入信号 而言E点电位没有变化，相当于交流接地，只是输出电压从半边输出。因此，放大倍数将为双端输出电路的一半，即 其中 以上单端输出又称为左侧输出。,图3-17 双入单出差模电路,1、双入单出电路,如果从T2管的C极输出，则称为右侧输出。 电路的差模输入电阻为 （由于电路的输入回路没有变） 电路的输出电阻,图3-17 双入单出差模电路,1、双入单出电路,现在来讨论这种电路的温漂情况， 由于温度漂移相当于输入共模信 号的情况，可以用共模放大倍数 来表示。 输入共模信号时，由于T1、T2对称， RE上流过的电流为2IE1，对于每个管子来说，可等效为IE1流过阻值为2RE的电阻，如图所示。由图可得： 由于式中的(1+)2RE一般很大，所以单端输出的温漂也不是很大（Avc不是很大）。,图3-18 共模等效电路,1、双入单出电路,此电路的共模抑制比为： 由上式可见，增大RE对减小共模 放大倍数和提高共模抑制比都有 好处，所以RE越大，对抑制温漂 越有利。,图3-18 共模等效电路,1、双入单出电路,例：双入单出差分电路中， 已知VCC=10V、-VEE=-10V，RC=10k， =100，RB=5k，RE=5k，rbe=1k， RL=10k。 求：Avd，Avc，KCMR。 解：,图3-19 例题,2、单入双出电路,如图所示。 可以把信号等效为一个共模 信号和一对差模信号。 变换后的电路如图3-21所示。 变换为双端输入双端输出。,图3-20 单入双出电路,图3-21 单入双出对信号源进行等效变换,2、单入双出电路,由于输入信号中有差模和共模两部分 信号，所以输出信号也由两部分组成： 前面已计算过双入双出的Avc、Avd 其中： Avc=0 ， ， 电路的差模输入电阻为： 电路的差模输出电阻为： 由于差分放大电路只放大差模信号，不放大共模信号，所以在分析放大电路单端输入时，可以将单端输入等同于双端输入看待。,图3-21 单入双出对信号源进行等效变换,3、单入单出电路,如图3-22所示。 由于单端输入可等效为 双端输入看待。 因此，“单入单出”的分析计算过程与“双入单出”时是一样的。,图3-22 单入单出电路,4、差分电路几种接法的性能比较,表3-3中列出长尾式差分电路四种接法的动态性能指标。（P.73） 对于差模信号： （1）差模输入电阻Rid与输入方式无关，它们都是：Rid=2(RB+rbe) （2）差模输出电阻Rod只与输出方式有关，而与输入方式无关。 单端输出时：Rod =RC 双端输出时：Rod =2RC （3）差模增益（放大倍数）只与输出方式有关，而与输入方式无关。 双端输出时： 其中 单端输出时： 其中 （输入与输出在同一侧时为负，对方一侧时为正）,4、差分电路几种接法的性能比较,对于共模信号： （1）共模输入电阻Ric与输入方式无关，它们都是 （2）共模输出电阻Roc只与输出方式有关。 单端输出时：Roc =RC 双端输出时：Roc =2RC,4、差分电路几种接法的性能比较,对于共模信号： （3）共模增益（放大倍数）只与输出方式有关，而与输入方式无关。 双端输出时：Avc=0 单端输出时： 其中 （4）共模抑制比只与输出方式有关，而与输入方式无关。 双端输出时：KCMR= 单端输出时： 掌握了以上这些特点和规律，也就掌握了长尾式差分放大电路。,恒流源差分放大电路与电流源 恒流源差分放大电路,在长尾式差分电路中，RE越大，则抑制温漂、零漂的效果越好。但RE增大是有限度的。 当VCC、VEE选定后，RE增大会使VCEQ下降，影响动态范围。 集成电路中不容易制作阻值很大的电阻。 因此，希望有这样一种器件，它的交流等效电阻很大，但直流电阻不太大。 三极管工作在放大区时正好具有这种特性。,恒流源差分 放大电路,由图3-5-1可见。 当三极管的IBQ确定时， 三极管的输出特性曲线 就是一条固定的特性曲线。 当VCE在Q点附近变化