差分放大电路ppt课件

1、3.3差分放大电路,3.3.1 差分放大电路的工作原理,3.3.2 电流源和具有电流源的差分放大电路,3.3.3 差分放大电路的输入、输出方式,差分放大电路概述,1,概 述,1. 直接耦合放大电路,2. 零点漂移现象,3. 抑制零漂的措施,可以放大直流信号 # 为什么一般的集成运算放大器都要采用直接耦合方式？,输入（交流）短路时，输出仍有缓慢变化的电压产生。,主要原因：温度变化，也称温漂；电源电压波动。,用非线性元件进行温度补偿； 采用差分式放大电路。,2,差分放大电路概述,有两个输入端，对理想差放： uo ui1 ui2，而与两个输 入信号的实际大小无关。,加大小相等 、极性相同的输入信号，

2、称共模输入。,ui1 = ui2= uic,两个输入端之间的电压，称差模输入电压，用 uid 表示。,uid = ui1 ui2,加大小相同 、极性相反的输入信号，称差模输入。,ui1 = ui2 =uid /2,共模输入电压用uic 表示。,差放优点：放大差模信号，而有效抑制共模信号和零漂。,3,差分放大电路概述,有两个输入端，对理想差放： uO uI1 uI2，而与两个输 入信号的实际大小无关。,差放优点：放大差模信号，而有效抑制共模信号和零漂。,放大电路在输入信号为零时，输出信号偏离原来的初始值而产生缓慢变化的现象称为零点漂移，简称零漂，也常称温漂。,4,3.3.1 差分放大电路的工作原

3、理,结构特点： 两个输入端，可双端输出； 电路结构和元件参数对称； 双电源供电。,一、电路组成,5,二、静态分析,VEE = UBEQ + IERE,IE = (VEE UBEQ) / RE,ICQ1 = ICQ2 (VEE UBEQ) / 2RE,UCQ1 = UCQ2= VCC ICQ1RC,Uo = UCQ1 UCQ2 = 0,零输入时零输出,IE,6,三、动态分析,三、动态分析,1. 差模输入与差模特性,uid = ui1 ui2 =2 ui1,差模输出电压用 uod 表示,差模输入：加大小相同 、极 性相反的输入信号,ui1 = ui2,（1） 差模输入与差模输出,uod = uC1

4、 uC2 = uo1 uo2 =2 uo1,uC1 = VCC (ICQ+ic1) RC = (VCC ICQ)+ic1RC =UCQ ic1RC =UCQ+uo1,uC2= VCC (ICQ+ic2) RC =UCQ ic2RC =UCQ+uo2,产生大小相等、极性相反的增量电流 ic1 和 ic2 (ic2 = ic1),uo2 = uo1,ic2 = ic1,7,三、动态分析,1. 差模输入与差模特性 续,（2） 差模交流通路,因为交流电流ic1(ie1) 和 ic2 (ie2)大小相等、极性相反，流过RE 时相抵消，故流过RE的差模信号电流为零， RE两端的差模信号电压也为零， 即RE

5、 对差模信号来说相当于短路。,8,三、动态分析,1. 差模输入与差模特性 续,（3） 差模特性分析,差模电压放大倍数,带 RL 时，由于电路两边对称,9,画差模输入时的微变等效电路,交流通路,10,RB,RC,vi1,rbe,ib,vo1,RB,RC,vi2,rbe,ib,vo2,+,vid,+,vod,差模输入时的微变等效电路,11,差模电压放大倍数,差模输入电阻,差模输出电阻,12,例3.3.1,下图中， = 80 ，rbb= 200 ，UBEQ = 0.6 V，试求：（1）Q 点；（2）Aud 、 Rid 、 Ro 。,解：,ICQ1 = ICQ2 (VEE UBEQ) / 2RE,=

6、(12 0.6)V / 2 20 k,= 0.285 mA,UCQ1= UCQ2 = VCC ICQ1RC,=12V 0.285 10V,= 9.15 V,(2),Rid = 2rbe,= 2 7.59 k = 15.2 k,Ro = 2RC,= 20 k,（1）求Q点,13,讨论：如何分析下图电路的Aud 、 Rid 、 Ro,此为双端输入单端输出电路，,可画出差模交流通路如上图所示,14,RB,RC,ui1,rbe,ib,uo1,RB,RC,ui2,rbe,ib,uo2,+,uid,+,uod,差模电压放大倍数,差模输入电阻,差模输出电阻,再画出微变等效电路如左,是双端输出时的一半,15,

7、三、动态分析 续,2. 共模输入与共模抑制比,（1） 共模输入与共模输出,共模输入: 加大小相等 极性相同的输入信号,ui1 = ui2= uic,双端输出时，由于电路结构对称，两输出端的共模信号相抵消， uoc 0,单端输出时，有共模信号输出，但由于RE 的很强的电流负反馈作用， uoc也很小,16,三、动态分析 续,2. 共模输入与共模抑制比,（2） 共模交流通路,ue =2 ie1RE= ie1（2RE） 故对每半边电路而言，RE等效为2RE,17,三、动态分析,2. 共模输入与共模抑制比 续,（3）双端输出时的共模特性与共模抑制比分析,共模输出电压,理想电路：,uoc = 0,共模电压

8、放大倍数,实际电路： uoc 0 ， Auc 0,差分放大电路应对差模信号具有良 好的放大能力，而对共模信号具有 较强的抑制能力，通常用共模抑制 比表征此能力,用对数表示：,双端输出时,18,三、动态分析,2. 共模输入与共模抑制比 续,（4） 单端输出时的共模特性与共模抑制比分析,可见：增大RE可抑制共模信号而不影响差模信号，故增大RE 可提高KCMR,抑制共模信号和零漂的原理：双端输出时主要靠电路结构的对称性，单端输出时靠RE的很强的电流负反馈作用。,19,三、动态分析 续,3. 任意输入下的输入、输出信号分析,可将任意输入信号分解为共模信号和差模信号之和,uo = uod + uoc =

9、Aud uid + Auc uic,通常 uo Aud uid, uid/2,uic = (ui1+ ui2 ) / 2,20,差分放大电路,差模信号与共模信号 RE抑制零漂的作用,21,例3.3.2,已知差分放大电路的输入信号 ui1 = 1.01V， ui2 = 0.99V， 试求差模和共模输入电压；若Aud = 50、 Auc = 0.05 试求输出电压 uo及 KCMR 。,解：,（1）差模输入电压为,uid = u i1 u i2,= 1.01 V 0.99V = 0.02V,共模输入电压为,加至两个输入端的一对差模输入电压为,uid /2= 0.01V,（2）,uod = Audu

10、id,= 50 0.02V,= 1 V,uoc = Aucuic,= 0.05 1V,= 0.05 V,uo = Auduid + Aucuic,= 1.05 V,= 60 (dB),22,作业：3.16,3.17,23,3.3.2 具有电流源的差分放大电路,采用电流源代替发射极公共电阻RE ，以提高共模抑制能力。,一、电流源,1. 电流源的特点：,输出电流与负载无关；动态电阻很大,2. 电流源的应用：,提供稳定的静态电流；,作有源负载,24,3. 电流源电路,（1） 三极管电流源,原理：利用三极管工作在放大区时的恒流特性,25,3. 电流源电路 续,UBE1 UBE2,（2）比例型电流源,基

11、准电流,两管对称,输出电流,26,（3）镜像电流源和微电流源（由比例电流源变化而来）,UBE1 = UBE2,I0 = IREF,I0R2 = UBE1 UBE2,3. 电流源电路 续,(对称-镜像),(UBE1、UBE2相差很少，故I0很小。),27,当 V1、V2 几何尺寸相同时：,I0 = IREF,当 V1、V2 几何尺寸不同时：,I0 IREF,3. 电流源电路 续,（4） NMOS 管电流源,28,二、具有电流源的差分放大电路,29,二、具有电流源的差分放大电路 续,MOS管差分放大电路,镜像电流源 作有源负载,基本差分对管,电流源代替源极电阻RS,30,例3.3.3,解：,下图中

12、， = 100，试求 (1) Q ；(2) Aud，Rid，Ro,(1) 求Q 点,R1,31,例3.3.3,解：,下图中， = 100，试求 (1) Q ；(2) Aud，Rid，Ro,(1) 求Q 点,简化电路,32,例3.3.3,解：,下图中， = 100，试求 (1) Q ；(2) Aud，Rid，Ro,(1) 求Q 点,ICQ1 = ICQ2 = 0.5 I0 =0.42mA,UCQ1 = UCQ2 = 6V 0.42 7.5V = 2.85 (V),(2)求 Aud，Rid，Ro,33,例3.3.3,解：,下图中， = 100，试求 (1) Q ；(2) Aud，Rid，Ro,(1

13、) 求Q 点,ICQ1 = ICQ2 = 0.5 I0 =0.42mA,UCQ1 = UCQ2 = 6V 0.42 7.5V = 2.85 (V),(2)求 Aud，Rid，Ro,Ro = 2RC = 15 k,34,三、差分放大电路的差模传输特性,特点：,1. iC1 + iC2 = I0。当 uid= 0时，iC1 = iC2 = 0.5 I0 ；当 uid 0时， iC1 和iC2 的变化量大小相等，极性相反。,2. 当 UT uid UT 时，,差模输出电流（iC1 iC2） ui。,3. 当 4UT uid 4UT 时，一只管子截止， I0 几乎全部流入 另一只管子， 输出电压被限幅

14、。,差分放大电路的差模传输特性,35,一、四种输入输出方式,3.3.3 差分放大电路的输入、输出方式,36,例3.3.4,解：,下图中，已知 =120，UBEQ=0.7V，rbb=200 ，VCC=VEE =12V ，求：（1）V1、V2的静态工作点ICQ1、UCQ1和ICQ2、UCQ2 ；(2)求单端输出的Aud1 、Rid 、Ro、Auc1 、KCMR 。,（1）求ICQ1、UCEQ1和ICQ2、UCEQ2,利用戴维宁定理将VCC 、RC、RL等效成VCC 、RC,37,下图中，已知 =120，UBEQ=0.7V，rbb=200 ，VCC=VEE =12V ，求：（1）V1、V2的静态工作

15、点ICQ1、UCQ1和ICQ2、UCQ2 ；(2)求单端输出的Aud1 、Rid 、Ro、Auc1 、KCMR 。,例3.3.4,解：,（1）求ICQ1、UCEQ1和ICQ2、UCEQ2,38,例3.3.4 解续：,(2)求单端输出的Aud1、Rid、Ro,39,例3.3.4 解续：,(2)求单端输出的Aud1、Rid、Ro,Rid = 2rbe,= 2 5.77k =11.54k,Ro = RC = 6.8k,40,例3.3.4 解续：,(3)求单端输出的Auc1、KCMR,41,例3.3.4 解续：,(3)求单端输出的Auc1、KCMR,42,二、双端变单端的转换电路,具有双端输出效果的单

16、端输出电路,对差模信号：,ic4 = ic3 = ic1,iL = ic2 + ic4 = 2ic1,uod= 2ic1RL,ic2 = ic1 (方向如图),对共模信号：,ic4 = ic3 = ic1,iL = ic4 ic2 = 0,uoc= 0,ic2 = ic1 (方向如图),43,3.3 复习要点,44,3.3 复习要点 续,45,*讨论,1. 差分放大电路的结构和性能有何特点？,2. 差分放大电路中，公共发射极电阻RE对共模信号有 何影响，为什么？对差模信号有何影响，为什么？ 为何要用恒流源代替公共发射极电阻RE ？,*3. 差分放大电路中，单端输出与双端输出在性能上有 何异同？

17、单端输入与双端输入在性能上有何异同？,46,讨论小结,答： 电路结构左右对称，具有两个输入端，可以双 端输出。对差模输入电压具有放大作用，对共模信 号和零点漂移具有很强的抑制作用。,1. 差分放大电路的结构和性能有何特点？,47,答：RE对共模信号有很强的抑制作用，使共模信号输出很小。因为在差分电路中，当共模输入信号增大时，两管电流要同时增大，而公共发射极电阻通常比较大，因此会产生很强的负反馈，迫使输出减小。 理想情况下，公共发射极电阻对差模信号不产生影响。因为当差分放大电路输入差模信号时，一管电流增大，另一管电流减小，当电路理想对称时，一管电流的增加量与另一管的减小量相等，流过公共发射极电阻的电流保持不变，即公共发射极电阻对差模信号不产生负反馈作用，故差模输出大小不受公共发射极电阻影响。 从提高对共模信号抑制能力的角度讲，公共发射极电阻RE越大越好，但RE过大时，为了保证三极管有合适的静态工作电流，必须加大负电源VEE值，这是不合适的。用恒流源代替RE ，则不但能提供