差分放大電路原理分析

1、差分放大電路原理分析 朱明，秦佳昕二宋文祥 朱嘉慧2,黃蒙3 (1、中國(guó)上海大學(xué)機(jī)電工程與自動(dòng)化學(xué)院，上海200444： 2、加拿大多倫多大學(xué)；3、中國(guó)香港科技大學(xué)) 摘要：摘要：差分放大電路是模擬電子技術(shù)教學(xué)中的難點(diǎn)。本文系統(tǒng)地分析總結(jié)了對(duì)稱差分放大電路的基本原理， 定義了差分放大電路的基礎(chǔ)概念，提出了本征放大電路及本征參數(shù)等相關(guān)概念，分析了三種差分放大電路實(shí)例， w以有效幫助學(xué)生理解掌握相關(guān)理論知識(shí)，解決學(xué)生構(gòu)建差分放大電路知識(shí)體系的困難。 關(guān)鍵詞：關(guān)鍵詞：差分放大電路；共模信號(hào)；差模信號(hào)。 中圖分類號(hào)：中圖分類號(hào)：tn722.5； tn710.2o principle analysis

2、of the differential amplifier circuit zhu ming, qin jia-xin, song wen-xicmg, zhujia-hur, huang men (1 school of mechatronic engineering and automation, shanghai university. shanghai 200444. china. 2 university of toronto, canada. 3 the hongkong university of science and technology, china) abstract:

3、differential amplifier circuit is a difficult part in the teaching of analog electronic technology. this paper systematically summarizes and analyzes the principle of symmetrical differential amplifier circuit, defines the basic concept of differential amplifier circuit, puts forward the related con

4、cepts such as intrinsic amplifier circuit and its intrinsic parameters, analyzes three kinds of differential amplifier circuit examples, effectively helps students understand and grasp theoretical knowledge, and solves the difficulties of students in building differential amplifier circuit knowledge

5、 system. key words: differential amplifier circuit; common mode signal; differential mode signal. 0、引言 差分放大電路是“模擬電子技術(shù)”的一項(xiàng)重要 內(nèi)容。差分放大電路形式上是一種兩翼電路，非對(duì) 稱差分放大電路的差模信號(hào)與共模信號(hào)相互耦合， 分析計(jì)算異常復(fù)雜。對(duì)稱差分放大電路由于其結(jié)構(gòu) 兩翼對(duì)稱、參數(shù)相等并能有效抑制零點(diǎn)漂移和共模 干擾因而廣泛應(yīng)用于直接耦合電路和測(cè)量電路的 輸入級(jí)，也是集成運(yùn)算放大器的重要組成部分。 差分放大電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜多樣、參數(shù)繁多晦澀， 特別容易混淆非對(duì)稱與對(duì)稱非理想兩種不同

6、情況 的差異，是模擬電子技術(shù)教學(xué)的難點(diǎn)?，F(xiàn)有教材中 差分放大電路的分析計(jì)算存在一些問(wèn)題，知識(shí)體系 條理不夠清晰，對(duì)模電課程的學(xué)習(xí)和理解造成較大 的困擾。目前主流經(jīng)典教材存在的主要問(wèn)題： 問(wèn)題一、差分放大電路其有關(guān)“差模信號(hào)”的 定義不統(tǒng)一，特別是采用與差模電壓相同樣式定義 的“差模電流”在電路中找不到實(shí)際意義； 問(wèn)題二、放大倍數(shù)是差分放大電路最為重要的 參數(shù)，參考文獻(xiàn)中公式(15.7.11)定義的差模電壓 放大倍數(shù)其輸出電壓采用的是自然輸出電壓，而在 自然輸出電壓中包含有差模分量和共模分量?jī)煞N 性質(zhì)不同的分量，從而導(dǎo)致按此定義的差模電壓放 大倍數(shù)難以描述、無(wú)法求解； 問(wèn)題三、參考文獻(xiàn)3中差分放

7、大電路關(guān)系式 (7.2.9)定義的總輸出電壓既非差模輸出電壓、又非 自然輸出電壓，沒(méi)有實(shí)際意義，并且與公式 (7.2.5)(7.2.8)推導(dǎo)的結(jié)果相 矛盾；公式(7.2.13)和 (7.2.26)定義的共模電壓放大倍數(shù)其輸出電壓信號(hào) 采用的卻是共模狀態(tài)下的差模輸出電壓，與類似式 (7.2.2)的定義相矛盾; 問(wèn)題四、根據(jù)輸入物理量的大小(某一端是否 接地)與輸出物理量的使用方式，將差分放大電路 分為四種形式，雖然物理結(jié)構(gòu)與參數(shù)相同，但系統(tǒng) 參數(shù)卻不同；其中單輸入或單輸出差分放大電路其 共?；虿钅ｋ妷悍糯蟊稊?shù)公式和共模或差模輸入 電阻或輸出電阻公式采用的卻是自然輸入電壓或 自然輸出電壓，導(dǎo)致差分

8、放大電路參數(shù)與物理量的 關(guān)系難以解釋和理解。 上述問(wèn)題的存在是個(gè)較為普遍現(xiàn)象，通過(guò)對(duì)相 關(guān)問(wèn)題的分析與研究，本文定義了差分放大電路的 基礎(chǔ)物理量及相關(guān)概念，給出了對(duì)稱差分放大電路 輸出電壓與輸入電壓的關(guān)系鏈，根據(jù)基礎(chǔ)定義并采 用動(dòng)態(tài)通路及等效電路模型經(jīng)嚴(yán)格推導(dǎo)得到了對(duì) 稱差分放大電路空載時(shí)和帶載時(shí)共模差模放大倍 數(shù)和輸入輸出電阻的計(jì)算公式，從而從根木上厘清 了差分放大電路的相關(guān)概念、原理和體系。 基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目() 1、差分放大電路基礎(chǔ)定義 對(duì)稱差分放大電路理論上分為普通對(duì)稱差分 放大電路（共模放大倍數(shù)為非零）與理想對(duì)稱差分 放大電路（共模放大倍數(shù)為零）兩種形式，理想對(duì) 稱差分

9、放大電路是普通對(duì)稱差分放大電路的一個(gè) 特例。本文主要研究對(duì)稱差分放大電路，為簡(jiǎn)單起 見常省略“對(duì)稱” 一詞。 1.1 工程應(yīng)用背景 放大電路是模擬電子技術(shù)的核心內(nèi)容，但普通 放大電路存在零點(diǎn)漂移（又稱溫度漂移）的問(wèn)題， 另外，在傳輸電路特別是長(zhǎng)距離傳輸過(guò)程中常存在 信號(hào)干擾問(wèn)題，當(dāng)干擾信號(hào)在工作頻段范圍內(nèi)時(shí)便 無(wú)法通過(guò)濾波消除或削弱干擾信號(hào)的影響。 解決上述問(wèn)題最為有效的方法是采用以對(duì)稱 差分放大電路為核心的差分傳輸電路，特別是采用 高共模抑制比的對(duì)稱差分放大電路，可顯著地降低 零點(diǎn)漂移、極大地消除共模干擾的影響。差分傳輸 過(guò)程中的信號(hào)波形如圖1.1所示。 吵發(fā)送端信號(hào) *發(fā)送端差分信號(hào) 圖1

10、.1干擾環(huán)境中的差分傳輸信號(hào)波形 對(duì)稱差分放大電路有兩個(gè)輸入端和兩個(gè)輸出 端，工作情況比較復(fù)雜。根據(jù)不同的工況場(chǎng)景對(duì)稱 差分放大電路有四種基本的工作模式：共模模式、 差模模式、共動(dòng)模式、差動(dòng)模式。 共模模式即共模輸入輸出模式，是指對(duì)稱差分 放大電路的兩個(gè)輸入端輸入兩個(gè)大小相等的信號(hào)、 兩個(gè)輸出端輸出兩個(gè)大小相等的信號(hào)。此時(shí)，對(duì)稱 差分放大電路為雙輸入雙輸出共模放大電路，簡(jiǎn)稱 共模放大電路。 差模模式即差模輸入輸出模式，是指對(duì)稱差分 放大電路的兩個(gè)輸入端輸入兩個(gè)大小相反的信號(hào)、 兩個(gè)輸出端輸出兩個(gè)大小相反的信號(hào)。此時(shí)，對(duì)稱 差分放大電路為雙輸入雙輸出差模放大電路，簡(jiǎn)稱 差模放大電路。 共動(dòng)模式即

11、共動(dòng)輸入輸出模式，是指對(duì)稱差分 放大電路的兩個(gè)輸入端合并為一個(gè)輸入端并相對(duì) 接地由一個(gè)信號(hào)源輸入單個(gè)信號(hào)、兩個(gè)輸出端合并 為一個(gè)輸出端并相對(duì)接地輸出單個(gè)信號(hào)。此時(shí)對(duì)稱 差分放大電路為單輸入單輸出共動(dòng)放大電路，簡(jiǎn)稱 共動(dòng)放大電路。 差動(dòng)模式即差動(dòng)輸入輸出模式，是指對(duì)稱差分 放大電路在兩個(gè)輸入端之間由一個(gè)信號(hào)源輸入單 個(gè)信號(hào)、兩個(gè)輸出端之間輸出單個(gè)信號(hào)。此時(shí)對(duì)稱 差分放大電路為單輸入單輸出差動(dòng)放大電路，簡(jiǎn)稱 差動(dòng)放大電路。 差分放大電路在通常情況下使用時(shí)兩個(gè)輸入 端和兩個(gè)輸出端均有獨(dú)立的自然信號(hào)，此時(shí)也稱為 自然輸入輸出模式，簡(jiǎn)稱自然模式。自然模式可分 解為共模模式與差模模式的疊加，另外共動(dòng)模式和

12、 差動(dòng)模式也可通過(guò)共模模式與差模模式分析求解， 因此共模模式與差模模式是最為基礎(chǔ)的工作模式。 1.2 對(duì)稱差分放大電路 對(duì)稱差分放大電路由樣式相同、參數(shù)相等的兩 組放大電路構(gòu)成，一種最簡(jiǎn)單的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1.2 所示。該差分放大電路由兩組三極管共射放大電路 構(gòu)成，其中集電極電阻rci=rc2，負(fù)載電阻 rli=rl2,三極管 和t2的參數(shù)相等，發(fā)射極共模 抑制電阻reo為兩組放大電路的公共電阻。 圖1.2最簡(jiǎn)單的帶載差分放大電路 差分放大電路有兩個(gè)輸入端和兩個(gè)輸出端共 四個(gè)信號(hào)接線端，每個(gè)接線端均有電壓信號(hào)、電流 信號(hào)。其中：差分放大電路兩個(gè)輸入端的自然輸入 電壓分別為vii vi2,自然輸入電

13、流分別為iil、詁； 兩個(gè)輸出端的自然輸出電壓分別為uo1、uo2，自然 輸出電流分別為ioi、io2。差分放大電路的輸出信號(hào) 由靜態(tài)分量和動(dòng)態(tài)分量構(gòu)成，靜態(tài)分量源自差分放 大電路的靜態(tài)直流工作點(diǎn)，動(dòng)態(tài)分量由輸入信號(hào)經(jīng) 差分放大電路放大后得到，因此兩個(gè)自然輸出電壓 vol、如2可分別表示為靜態(tài)分量vo與動(dòng)態(tài)分量&1、 &2的疊加，兩個(gè)自然輸出電流姑】、可分別表示為 靜態(tài)分量/o與動(dòng)態(tài)分量祐1、祐2的疊加： 1農(nóng)=% + *2 lo2=/+玲+vcc 1.3 共模信號(hào)與差模信號(hào) 共模信號(hào)和差模信號(hào)是差分放大電路最基礎(chǔ) 的概念，為了統(tǒng)一相關(guān)定義的差異，同時(shí)為直觀地 表述差分放大電路

14、共動(dòng)模式和差動(dòng)模式時(shí)的信號(hào) 關(guān)系，本文還采用了 “共動(dòng)信號(hào)”與“差動(dòng)信號(hào)” 的概念囹，如表1.11.4所示。 表1.1共模輸入信號(hào)與共動(dòng)輸入信號(hào)的定義 名稱 表達(dá)式 共模輸入電壓u.c ic 2 共模輸入電流4c4c _ 41 +矽 ic 2 共動(dòng)輸入電壓以ic ic 嶺+嶺 ic = =“記 共動(dòng)輸入電流4c4c 4c=4i+ii2=2&c 表1.21.2共模輸出信號(hào)與共動(dòng)輸出信號(hào)的定義 名稱 表達(dá)式 共模輸出電壓ococ u =5。2 oc 2 共模輸出電流icic ；-，ol + 02 g 2 共動(dòng)輸出電壓cc 始=十=谿 共動(dòng)輸出電流zczc 4c =，ol +，。2 = 2,

15、oc 表達(dá)式 表1.3差模輸入信號(hào)與差動(dòng)輸入信號(hào)的定義 is vjj -vi9 _ li ii2 4d4d- - 嗎d = = 2d d . 4i . 4i 2 2 . . 如=如 表1.4差模輸出信號(hào)與差動(dòng)輸出信號(hào)的定義 表達(dá)式 差模輸入電壓如 差模輸入電流 差動(dòng)輸入電壓d d 差動(dòng)輸入電流4d 名稱 (4) (5) 差模輸出電壓odod 差模輸出電流婦 差動(dòng)輸出電壓odod 根據(jù)上述概念的定義，自然輸入信號(hào)和輸出信 號(hào)動(dòng)態(tài)分量可分解為共模信號(hào)和差模信號(hào)的疊加： j% =ic+id ph = 4c +idj% =ic+id ph = 4c +id (2)(2) vi2=u.c-u./ vi2

16、=/ic-zid j%=j%=c+od jc+od j婦=玲+婦 vo2=woc-wod，1灼=._婦 1.4 電壓放大倍數(shù)與電流放大倍數(shù) 電壓放大倍數(shù)和電流放大倍數(shù)是差分放大電 路最重要的概念，且只有共模放大倍數(shù)和差模放大 倍數(shù)兩種放大倍數(shù)形式，定義如表1.5所示。 表1.5共模放大倍數(shù)與差模放大倍數(shù)的定義 名稱 表達(dá)式 共模電壓放大倍數(shù) c= = = 4 + % ic icic ic 埼+飛2 2 共模電流放大倍數(shù) ac = = =婦+如 4c 4c 4i+2 差模電壓放大倍數(shù) 人而=巡=強(qiáng) = id id id id 皓一飛2 2 差模電流放大倍數(shù) ad =ad = = = 勇 icic

17、 volvol 圖1.3對(duì)稱差分放大電路輸入輸出電壓的關(guān)系鏈 1.6 輸入電阻與輸出電阻 共模輸入電阻和輸出電阻、共動(dòng)輸入電阻和輸 出電阻、差模輸入電阻和輸出電阻、差動(dòng)輸入電阻 和輸出電阻也是差分放大電路的重要概念，其定義 如表1.6所示。 名稱 表達(dá)式 共模輸入電阻 _ duic _ k c 一 一. 共動(dòng)輸入電阻c 山記4c d 廠 du 玲=二=1 = 0.5孩 dc 2盹 共模輸出電阻rc r =_性 oc 1 . d，。c 共動(dòng)輸出電阻rc 些。性=0 dzoc 2dzoc 差模輸入電阻加 rid - j. 一. azid 如 差動(dòng)輸入電阻邛） dwin 2d“ 混 - ed =-

18、= = 2 差模輸出電阻rd dd g r _螞 d% 差動(dòng)輸出電阻ld _ dr/od _ 2dixl _ ld - 一 - 一-_ -四 表1.6輸入電阻與輸出電阻的定義 輸入電阻和輸出電阻是由放大電路外部原因 引起的電壓和電流變化所呈現(xiàn)出的動(dòng)態(tài)電阻。 基礎(chǔ)差分放大電路如圖2.1所示，其中： rb1=rb2=rb、re1=re2=re、rci=rc2=rc， 三極管和t?參數(shù)相同，輸出開路。 2.1 基礎(chǔ)差分放大電路的靜態(tài)直流分析 放大電路是在靜態(tài)直流工作點(diǎn)的基礎(chǔ)上進(jìn)行 動(dòng)態(tài)放大工作的。在差分放大電路動(dòng)態(tài)參數(shù)計(jì)算前 首先要確定差分放大電路的直流靜態(tài)工作點(diǎn)，即計(jì) 算差分放大電路的靜態(tài)直流分量

19、。 為確定靜態(tài)直流工作點(diǎn)，將差分放大電路激勵(lì) 輸入置零即輸入端接地，得到如圖2.2所示的基礎(chǔ) 差分放大電路直流通路，由此進(jìn)一步得到如圖2.3 所示的基礎(chǔ)差分放大電路靜態(tài)直流電路模型。 +vcc rc 2、基礎(chǔ)差分放大電路分析與求解 差分放大電路的分析主要涉及靜態(tài)直流工作 點(diǎn)的計(jì)算和動(dòng)態(tài)參數(shù)的計(jì)算。 圖2.1輸出開路的基礎(chǔ)差分放大電路 t. re= re+2re() rb rb urx -vee 圖2.2基礎(chǔ)差分放大電路的直流通路圖 wtnl vo vo-0 /clb7 4rc 圖2.3基礎(chǔ)差分放大電路的靜態(tài)直流電路模型 其中：硅管ebezo.7v,硅管ebepo.2v。 基極電流血、集電極電流

20、肥、發(fā)射極電流/e、 集射電壓uce和集電極電壓vo分別為: vee _ ebe rb + (i + 0)r； 7c =pzb = d(vee-ebe) rb+(1 + 0)r= re =(1 + 6b = (1 + )(vee-ebe) rb+(1 + 0)r= (9) (10) (11) ”ce=vcc + vee-rc/c-rje (12) v=vcc-rc/c (13) 三極管動(dòng)態(tài)輸入電阻be的計(jì)算表達(dá)式為: 26(mv) l(ma) =么，+(1 +。) 26(mv) ，e(ma) (14) 其中：r；=re+2re,基極歐姆電阻心，對(duì)于小 功率三極管通常取200。300 o。 2.

21、2 基礎(chǔ)差分放大電路共模參數(shù)的求解 共模模式時(shí)，嶗=%、vo2 = vol ,可得到如圖 2.4所示的基礎(chǔ)差分放大電路共模通路(圖中虛線 輸入輸出為差分放大電路的共動(dòng)模式)，由此可以 得到如圖2.5所示的基礎(chǔ)差分放大電路的共模放大 電路模型。 圖2.6基礎(chǔ)差分放大電路的差模通路圖 - o . q . o 圖2.7基礎(chǔ)差分放大電路的差模放大電路模型 圖2.4基礎(chǔ)差分放大電路的共模通路圖 o- 奴 rbe= rb+be c3 re /cl=p/hl/cl=p/hl l le2e2 re ic2ic2邛必令 o rbe=雄 rb+be rcrc -o o- wk 圖2.5基礎(chǔ)差分放大電路的共模放大電

22、路模型 根據(jù)電路原理，可推導(dǎo)出共模放大倍數(shù)的計(jì)算 表達(dá)式為： a“c ococ prcprc rbe+(i+0)rx (15) 根據(jù)電路原理，可推導(dǎo)出差模放大倍數(shù)的計(jì)算 表達(dá)式為： a . =-= - 區(qū) - (18) 編 rbe + (i + p)re 其中：rbe=rb +be 差模輸入電阻的計(jì)算表達(dá)式為： rid=rbe+(l + p)re (19) 差模輸出電阻的計(jì)算表達(dá)式為： (20) 根據(jù)式(15)和(18),可得到共模抑制比為： = l + (2d |a“c| rbe+(i+6)re 由此可以看出：reo越大kcmr就越大。 3、典型差分放大電路分析與求解 其中：rbe=rb +

23、be 共模輸入電阻的計(jì)算表達(dá)式為： r ric ic =rbe +(1+p)re (16) 共模輸出電阻的計(jì)算表達(dá)式為： rocrc (17) 2.3 基礎(chǔ)差分放大電路差模參數(shù)的求解 差模模式時(shí)，*2=叫1、*2=%1，可得到如圖 2.6所示的基礎(chǔ)差分放大電路差模通路(圖中虛線 輸入輸出為差分放大電路的差動(dòng)模式)，由此可以 得到如圖2.7所示的基礎(chǔ)差分放大電路的差模放大 電路模型。 差分放大電路可應(yīng)用于不同的場(chǎng)合，可以帶有 各種不同形式的負(fù)載。 圖3.1帶負(fù)載的典型差分放大電路 帶載典型差分放大電路如圖3.1所示，其中： rb1=rb2=rb、rei=re2=re、rci=rc2=rc、 rl

24、i=rl2=ri ,三極管和t2參數(shù)相同。該差分 放大電路帶有典型負(fù)載故稱為典型差分放大電路， 一 般對(duì)稱差分放大電路均可等效為典型差分放大 電路進(jìn)行求解。 本征放大電路及本征參數(shù)： 動(dòng)態(tài)分析時(shí)激勵(lì)為理想信號(hào)源、輸出為空載 （開路或短路）的放大電路稱為本征放大電路，因 此激勵(lì)為理想信號(hào)源時(shí)基礎(chǔ)差分放大電路是典型 差分放大電路的一種本征放大電路。 本征參數(shù)即固有參數(shù)，是指系統(tǒng)本身所固有 的、不會(huì)隨使用方式（或外部條件）變化而改變的 參數(shù)?；A(chǔ)差分放大電路是典型差分放大電路的一 種本征放大電路，其參數(shù)即為典型差分放大電路的 本征參數(shù)。 隨使用方式（或外部條件）變化而改變的參數(shù) 稱為擬參數(shù)。例如射極

25、輸出器的輸入電阻會(huì)隨負(fù)載 電阻的變化而改變、輸出電阻會(huì)隨著激勵(lì)信號(hào)源內(nèi) 阻的變化而改變，又如普通放大器帶載運(yùn)行時(shí)放大 倍數(shù)會(huì)隨著負(fù)載電阻的變化而改變，因此這些參數(shù) 屬于擬參數(shù)，但擬參數(shù)可以通過(guò)本征參數(shù)求取。 3.1 典型差分放大電路的直流靜態(tài)分析 典型差分放大電路的直流通路如圖3.2所示， 其靜態(tài)直流電路模型如圖3.3所示。 r“、r 典型差分放大電路基極電流/b、集電極電流/c 和發(fā)射極電流/e計(jì)算式與基礎(chǔ)差分放大電路的式 （9）（11）相同。集射電壓uce、集電極電壓vo及電 流/o計(jì)算式為： uce=vc + vee-r/cwe r 4 v（vcc - rc）=電-r/c kc + kl

26、 /。=財(cái) rl 其中：vcc=vvcc，r=rci|rl kc + kl 動(dòng)態(tài)輸入電阻be的計(jì)算公式同式（14）o 3.2 典型差分放大電路共模參數(shù)的求解 共模模式時(shí)，典型差分放大電路的共模通路如 圖3.4所示 （圖中虛線輸入輸出為差分放大電路的 共動(dòng)模式），其共模放大電路模型如圖3.5所示。 擋， if- 1 (22) (23) (24) rl lx n * ure+2r cccc + zi wic 3 / rc xr i re= re+2rej rcrc rlrl 圖3.4典型差分放大電路的共模通路圖 -c3- rbe= re mm邛如。 4 -cz1- rre= re= re+2reo

27、 -vee - - re 圖3.5典型差分放大電路的共模放大電路模型 圖3.2典型差分放大電路的直流通路圖 +vc /ci=0/bi /bi x kb ebe vov /c2 = p/b2 j 共模輸入電阻、輸出電阻與本征差分放大電路 相同，帶我與開路時(shí)共模電壓放大倍數(shù)的關(guān)系為： rl a = rl a 。c+rl 0 rc+rl 0 將上式帶入式（15）可求得帶載共模電壓放大倍 數(shù)為： (25) % = 篇珥（26） 其中：rbe=rb+be，r；=re + 2reo。 典型差分放大電路的共模抑制比與基礎(chǔ)差分 放大電路的相同。 由式（26）、（28）可以看出，帶載時(shí)電路電壓放大 倍數(shù)隨負(fù)載變

28、化而改變，僅表示電壓的比值大小， 不屬于差分放大電路的本征參數(shù)，屬于差分放大電 路的擬參數(shù)。而典型差分放大電路的本征參數(shù)就是 其本征電路即基礎(chǔ)差分放大電路的參數(shù)。 4、局部非對(duì)稱差分放大電路 非對(duì)稱差分放大電路有各種各樣不同的形式， 這里僅給出局部非對(duì)稱差分放大電路的一種樣式， 借以一窺非對(duì)稱差分放大電路的大致情況。 集電極電阻不對(duì)稱差分放大電路，電路結(jié)構(gòu)與 基礎(chǔ)差分放大電路類似，如圖4.1所示，除集電極 電阻不對(duì)稱rc1 rc2外其余部分均對(duì)稱。這種僅 v vol + ol + v vo2 _ p(o2 _ p(r rc1c1+r+rc2)/c2)/2 2 - - u 2 2 rbe+(1

29、+ )rx % _ *2% _ *2 _ _ 0(r(21 0(r(21 _阮2)/2 2 2 rbe+(1+p)rr a 二仇。c = a“ci + a“c2 二 0(rci + rc2)/2 2 rbe+(1 + 0)r； a 二“od = ag _ a心 _ g(rci _rc?)/2 廠一2 rbe+(1 + 0)r； 其中：a,cc為共模放大系數(shù)，adc為差模共模 耦合系數(shù)（簡(jiǎn)稱：差共耦合系數(shù)）。 差模輸入時(shí)vi2=-vu,輸出電壓和電路參數(shù)可 采用對(duì)稱化方法和式（6）、（18）推得：3.3 典型差分放大電路差模參數(shù)的求解 差模模式時(shí)，典型差分放大電路的差模通路如 圖3.6所示 （圖

30、中虛線輸入輸出為差分放大電路的 差動(dòng)模式），其差模放大電路模型如圖3.7所示。 放大電路輸出部分（動(dòng)態(tài)模型中受控源后面的部分 如集電極電阻）不對(duì)稱的局部非對(duì)稱差分放大電路 又稱為弱對(duì)稱（或準(zhǔn)對(duì)稱）差分放大電路。 圖3.6典型差分放大電路的差模通路圖 ig 圖4.1集電極電阻不對(duì)稱差分放大電路 o 如 rbe= rf rb+fbb 1 s rc|jrc|j q qrlrl -wodf- rlr 1 4zz_ rbe=-如 rb+be 靜態(tài)直流分量分析與基礎(chǔ)差分放大電路類似, 但集射電壓和直流輸出電壓有所不同: “cel = vcc + vee - rc/c - re】e ce2 = vcc +

31、vee - rc2c - re】e (29) 圖3.7典型差分放大電路的差模放大電路模型 差模輸入電阻、輸出電阻與本征差分放大電路 相同，帶載與開路時(shí)差模電壓放大倍數(shù)的關(guān)系為： rl a = rl a %+rl “d rc+rl v vo2 = o2 = vo2vo2 + + v vo2o2 (30) (31) i/d (27) 共模輸入時(shí)vi2 = vu ,輸出電壓和電路參數(shù)可采 將上式帶入式（18）可求得帶載差模電壓放大倍 數(shù)為： 用對(duì)稱化方法和式（4）、（15）推得: _ p(rc|rl) pr- rbe+(i+6)re rbe+(i+6)re 其中：rbe rb + rbe o prc

32、iprci u rbe+(i+0，c prprc c2 2 (32) rbe + (1 + |3)rz%0 (33) (34) a4d =a4d = - - - u . rbe+(i+0)re - -a“d2a“d2id id =prc2 u rbe+(1 + p)re ” _ 0(rci-rc2)/2 2 2 - - -rbe+(i+p)re 1 2 2 _ 6(rci+rc2)/2 2 2 rbe+(i+6)re oc _ adioc _ adi - - a“d2_ p(a“d2_ p(r rci ci _r_rc2c2 2 v vo2o2 )/2 “oc“oc % 誠(chéng)編 2 rbe+(1

33、 + 6)re a _ od_ od _ 心禎1 + ad21 + ad2 _ 0(rci+rc2)/2_ 0(rci+rc2)/2 ddd ddd 一 一 z z； idid 2 (35) (36) a (37) 恒流二極管crd等效為恒流源，不僅可以為 弱對(duì)稱差分放大電路提供直流偏置，還可以得到一 個(gè)近似無(wú)窮大的共模抑制電阻，使弱對(duì)稱差分放大 電路成為一個(gè)共模電壓放大系數(shù)awcc和差模共模 耦合系數(shù)a*。均為零的理想弱對(duì)稱差分放大電路。 差分放大電路對(duì)稱時(shí)rci = rc2= 、 耦合系數(shù) a“cd=a,dc=0,放大 系數(shù)a* = a”、am = a“d,理想弱對(duì)稱差分放 大電路變成理想

34、對(duì)稱差分放大電路，其共模電壓放 大倍數(shù)a“c=0,可見，對(duì)稱差分放大電路僅僅是 非對(duì)稱差分放大電路的一個(gè)特例。 rbe+(1 + 6)re 其中：a心為共模差模耦合系數(shù)(簡(jiǎn)稱：共差 耦合系數(shù))，a為差模放大系數(shù)。 弱對(duì)稱差分放大電路輸出電壓與輸入電壓的 關(guān)系： a -a fee ecdfee ecd v/ +a“dc+a“dd+a“dc+a“dd +adc dc 一 a,* 2 2 v vo2.o2. a“cc+a“cda“cc+a“cd a _ a fee ecda _ a fee ecd 2k2k _ _a_amdc mdc - - a.dda.dd -a“dc + a* l 2 jl 2

35、 j (39) 弱對(duì)稱差分放大電路自然輸出電壓與自然輸 入電壓的演算關(guān)系鏈如圖4.2所示。 id a“cc a“dca“dc a“cda“cd a“dda“dd 圖4.2弱對(duì)稱差分放大電路輸入輸出電壓的關(guān)系鏈 共模抑制電阻re0用恒流二極管crd代替，如 圖4.3所示，該電路稱為理想弱對(duì)稱差分放大電路。 圖4.3理想弱對(duì)稱差分放大電路 參數(shù) 差分電路 ageage a “cd a “de a“dd 對(duì)稱 理想 0 0 0 v 普通 v 0 0 v 弱對(duì)稱 理想 0 j 0 v 普通 v j v v 非對(duì)稱 v v v v (38) 差分放大電路的分類與參數(shù)存在性: 5、基本差分放大電路實(shí)例分析

36、 基本差分放大電路常指帶有簡(jiǎn)單負(fù)載的對(duì)稱 差分放大電路或弱對(duì)稱差分放大電路。 實(shí)例一：帶有差動(dòng)負(fù)載的對(duì)稱差分放大電路如 圖 5.1 所示，其中：rb1 = rb2 = rr、rei = re2 = re、 rc1=rc2=rc*三極管和t2參數(shù)相同。 圖5.1帶差動(dòng)負(fù)載的對(duì)稱差分放大電路 帶差動(dòng)負(fù)載對(duì)稱差分放大電路的直流通路及 模型與基礎(chǔ)差分放大電路相同，如圖2.2、2.3所示, 靜態(tài)直流工作點(diǎn)的計(jì)算與基礎(chǔ)差分放大電路相同。 共模通路及模型與基礎(chǔ)差分放大電路相同，如 圖2.4、2.5所示，共模參數(shù)的計(jì)算與基礎(chǔ)差分放大 電路相同。差模通路如圖5.2所示，差模放大電路 模型與典型差分放大電路的類似

37、，僅負(fù)載電阻變?yōu)?0.5rl，帶差動(dòng)負(fù)載rl時(shí)的差模電壓放大倍數(shù)為: (40) p(rc|0,5rl) rbe+(1 + d)re 圖5.2帶差動(dòng)負(fù)載對(duì)稱差分放大電路的差模通路圖 差模電壓放大倍數(shù)也可以采用差動(dòng)輸入輸出 電壓來(lái)求解，此時(shí)作為放大電路本征參數(shù)的放大倍 數(shù)就是基礎(chǔ)差分放大電路的放大倍數(shù)即式(18)o帶 差動(dòng)負(fù)載時(shí)作為擬參數(shù)的差模電壓放大倍數(shù)為： a a - - od _ od _ rl a/dla/dl id id 如+險(xiǎn) aa rl prc 圖5.4弱對(duì)稱差分放大電路的對(duì)稱化 實(shí)際選用器件時(shí)不同器件的參數(shù)存在些許差 異，特別是三極管的參數(shù)差異會(huì)稍大些，可調(diào)電阻 rp用于微調(diào)差分放

38、大電路兩組電路性能的差異。 差分放大電路電壓輸出信號(hào)vo為： v v0 = %2 =k) 0 = %2 =k) +電=k) +=k) +oc oc 一儒d d =k) + a”ci“ic =k) + a”ci“ic 一 a/dla/dlwwid id 2rc+rl rbe +(i + p)re p(rc|0.5rl) (41) (42) rbe + (i + 6)re 可見兩種不同方式推導(dǎo)的結(jié)果是完全相同的， 且推導(dǎo)過(guò)程所使用的輸出電阻為差動(dòng)輸出電阻 _ v a虹 _ ami. , acl + am _ v。十 2 vid 2 v2 rod = 2rd = 2rc 實(shí)例二：一種弱對(duì)稱單信號(hào)輸入

39、單信號(hào)輸出差 分放大電路，如圖5.3所示，三極管和r參數(shù) 相同，rb1=rb2,可調(diào)電阻rp阻值較小，該電路 中一個(gè)輸入端接電壓信號(hào)飛，另一輸入端接地，僅 一側(cè)輸出端輸出電壓信號(hào) =v。+0.515-0.5 九 5 單端輸出為不對(duì)稱輸出形式，破壞了差分放大 電路的對(duì)稱性，致使對(duì)稱差分放大電路變成弱對(duì)稱 差分放大電路。從式(42)可看出，單端輸出的自然 電壓信號(hào)中含有直流量v。和共模電壓().5人心上， 直流量常通過(guò)濾波或偏置去除，共模電壓只能通過(guò) 降低共模電壓放大倍數(shù)a,進(jìn)行抑制。 +vcc+vcc 另fe 圖5.3弱對(duì)稱單輸入單輸出的差分放大電路 實(shí)例三：一種采用恒流二極管替代發(fā)射極共模 抑

40、制電阻的理想弱對(duì)稱差分放大電路，由此理想弱 對(duì)稱差分放大電路構(gòu)建的壓控電流源電路如圖5.5 所示。 - -a arpirpi + + 由于三極管集基間的隔離作用，可將圖5.3的 弱對(duì)稱差分放大電路等效為如圖5.4所示形式上單 輸入單輸出實(shí)際為雙輸入雙輸出的對(duì)稱差分放大 電路，其中：r=rc、r；=rl，其余參數(shù)不變。 vee 圖5.5由理想弱對(duì)稱差分放大電路構(gòu)建的壓控電流源 壓控電流源所含的差分放大電路是單端輸出 理想弱對(duì)稱差分放大電路，輸出信號(hào)中的共模分量 近似為零，從而大大提高了整個(gè)壓控電流源的共模 抑制能力、降低了整個(gè)壓控電流源的零點(diǎn)漂移。 壓控電流源是電壓輸入電流輸出的放大電路， 理想

41、弱對(duì)稱差分放大電路可采用對(duì)稱化方法改造 為理想對(duì)稱差分放大電路進(jìn)行分析計(jì)算，其動(dòng)態(tài)輸 出電壓和壓控電流源的輸出電流為： v vo2 = o2 = - -&l&lid = id = - -&dl &dl v v，1 1 2 2 v v，2 2 (43) i。=一賦2 = =快(vh-vi2) (44) r rbe3 be3 2r2rbe3be3 壓控電流源中的限流電阻rx和穩(wěn)壓管dz構(gòu)成 并聯(lián)型穩(wěn)壓電源，并聯(lián)型穩(wěn)壓電源與可調(diào)電阻rpi 及三極管t4構(gòu)成電流可調(diào)的恒流源電路，可使壓控 電流源的靜態(tài)輸出電流為零，使得該壓控電流源成 為一個(gè)具有高共模抑制比、靜態(tài)輸出可調(diào)

42、零、電流 正負(fù)輸出、輸出電流可控的簡(jiǎn)易實(shí)用電路。 6、結(jié)論 共模電壓和電流、共動(dòng)電壓和電流、差模電壓 和電流、差動(dòng)電壓和電流等概念的定義是整個(gè)差分 放大電路知識(shí)體系的基礎(chǔ)，是些比較抽象的概念， 因此導(dǎo)致了構(gòu)建差分放大電路知識(shí)體系的困難。 所謂單端輸入是指有一個(gè)輸入端接地，其實(shí)就 是雙端輸入，只不過(guò)有一個(gè)輸入端輸入電壓為零、 另一個(gè)輸入自然信號(hào)；所謂單端輸出是指從某個(gè)輸 出端輸出信號(hào)，其實(shí)是自然輸出信號(hào)。 普通對(duì)稱差分放大電路在通常情況下(即自然 模式時(shí))自然輸出信號(hào)含有共模分量，只有理想對(duì) 稱差分放大電路或理想弱對(duì)稱差分放大電路這些 特例其自然輸出信號(hào)才恒無(wú)共模分量。 在信號(hào)放大過(guò)程中，共模信號(hào)與差模信號(hào)所經(jīng) 歷的電路是不同的，也就是其放大倍數(shù)是不同的， 因此采用含有兩種不同動(dòng)態(tài)分量的自然信