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 具有电流源差分放大电路
3.3.3 差分放大电路的输入输出形式第 3 章 放大电路基础
(Differential Amplifier)
3.3.1 差分放大电路的工作原理特点：
a,两个输入端，
两个输出端；
b,元件参数对称；
c,双电源供电；
d,ui1 = ui2 时,uo = 0
能有效地克服零点漂移一、电路组成及静态分析
V1
VCC
V2
VEE
RC RC
REE
ui1 ui2
uo
第 3 章 放大电路基础
V1
VCC
V2
VEE
RC RC
REE
ui1 ui2
uo
直流通路
V1
+VCC
V2
VEE
RC RC
REE
uo
VEE
ICQ1 I
CQ2
IEE
IEQ1 IEQ2
UCQ1 UCQ2
VEE = UBEQ + IEEREE
IEE = (VEE – UBEQ) / REE
ICQ1 = ICQ2
(VEE – UBEQ) / 2REE
UCQ1 = VCC – ICQ1RC
UCQ2 = VCC – ICQ2RC
Uo = UCQ1 – UCQ2 = 0
第 3 章 放大电路基础
1,差模输入与差模特性差模输入 ui1 = – ui2
差模输入电压 uid = ui1 – ui2 = 2ui1
= – ui2
差模信号交流通路
ic1 ic2
使得,ic1 = – ic2 uo1 = – uo2
差模输出电压 uod = uC1 – uC2
= uo1 – ( – uo2) = 2uo1
id
odd
u
uA
u?
be
C
d1 r
RA
u
差模电压放大倍数带 RL 时
RL
be
L
d r
RA
u
LCL 21// RRR
Rid = 2rbe差模输入电阻差模输出电阻 Rod = 2RC
大小相同 极性相反二、动态分析
ui1 V
1
+VCC
V2
RC RCu
od
ui2uo1 uo2
ui1 V
1
+VCC
V2
VEE
RC RC
REE
uod
ui2uC1
uC2
i1
o1
2
2
u
u?
第 3 章 放大电路基础例 3.3.1 已知,? = 80,r?bb = 200?,UBEQ = 0.6 V，试求：
(1)静态工作点；
(2)差模电压放大倍数 Aud，
差模输入电阻 Rid,输出电阻 Rod。[解 ]
(1)ICQ1 = ICQ2? (VEE – UBEQ) / 2REE
= (12 – 0.6) / 2? 20 = 0.285 (mA)
UCQ1= UCQ2 = VCC – ICQ1RC =12 – 0.285?10 = 9.15 (V)
(2)
)( 4 8 972 8 5.0 26812 0 026)1(2 0 0
EQ
be
Ir?
be
L
d r
RA
u
LCL 21// RRR
= 10 // 10 = 5 (k?)
7.5259.7 580
Rid = 2rbe = 2? 7.59 = 15.2 (k?) Rod = 2RC = 20 (k?)
ui1 V
1
+12V
V2
12V
RC RC
REE
uod
ui2
10 k? 10 k?
20 k?
20 k?
第 3 章 放大电路基础
2,共模输入与共模抑制比共模输入 ui1 = ui2
共模输出电压
uic = ui1 = ui2
使得,ie1 = ie2I
EQ1 + ie1 IEQ2 + ie2
ue = 2ie1REE
2REE 2REE
共模输入电压
uoc = uC1 – uC2 = 0
0
ic
occ
u
uA
u
共模抑制比
c
d
C M R
u
u
A
AK?
用对数表示：
c
d
C M R lg20)dB(
u
u
A
AK?
大小相同极性相同共模信号交流通路
ui1 V
1
+VCC
V2
VEE
RC RC
REE
uoc
ui2uC1
uC2
V1 V2
RC RC
uoc
ui2uC1
uC2
第 3 章 放大电路基础
uod = Auduid
(2) 若 Aud = – 50,Auc = – 0.05
求 输出电压 uo，及 KCMR1.01 V 0.99 V
[解 ] 可将任意输入信号分解为共模信号和差模信号之和(1)
ui1 = 1.01 = 1.00 + 0.01 (V)
ui2 = 0.99 = 1.00 – 0.01 (V)
(1)求 差模输入电压 uid,共模输入电压 uic例 3.3.2
ui1 V
1
+VCC
V2
VEE
RC RC
REE
uo
ui2uC1
uC2
uid = u i1 – u i2
uic = (ui1+ ui2 ) / 2
= 1.01 – 0.99 = 0.02 (V)
= 1 (V) id21i1i uuu c
id21ici2 uuu(2) = – 50? 0.02 = – 1 (V)
uoc = Aucuic = – 0.05? 1 = – 0.05 (V)
uo = Auduid + Aucuic = –1.05 (V)
c
d
C M R lg20)dB(
u
u
A
AK?
05.0
50lg20? = 60 (dB)
差模信号共模信号第 3 章 放大电路基础
3.3.2 具有电流源的差分放大电路一、电流源电路减少共模放大倍数的思路,?增大 REE 用恒流源代替 REE
特点：
直流电阻为有限值动态电阻很大
1,三极管电流源简化画法电流源代替差分电路中的 REE
+VCC
RL
RE
RB1
RB2
IC I0
ui1 V1
+VCC
V2
RC
R1
uod
ui2
RC
–VEE
R2R
3
IC3
V3
ui1 V1
+VCC
V2
RC u
od
ui2
RC
VE
E
I0
第 3 章 放大电路基础
2,比例型电流源二极管温度补偿
V1
+VCC
RE
RB1
RB2
I0
V2
比例型电流源
V1
+VCC
R2
R
R1
I0
V2
IREF
UBE1UBE2
1
B E 1CC
R E F RR
UVI
UBE1? UBE2
2
1
R E F0 R
RII?
多路电流源
V1
+VCC
R2
R
R1
I02
V2
IREF
R3
I03
V3
2
1
R E F02 R
RII?
3
1
R E F03 R
RII?
第 3 章 放大电路基础镜像电流源
UBE1 = UBE2
I0 = IREF
微电流源
I0R2 = UBE1 – UBE2
2
B E 2B E 1
0 R
UUI
3,镜像和微电流源
I0
V1
R
V2
IREF
V1
+VCC
R2
R I
0
V2
IREF
UBE1UBE2
第 3 章 放大电路基础
4,NMOS 管电流源原理电路当 V1,V2 几何尺寸相同时：
I0 = IREF
当 V1,V2 几何尺寸不同时：
I0? IREF
采用 V3 管代替 R
+VCC
V1
R I0
V2
IREF
D
G S
G
S
D
VEE
+VCC
V1
I0
V2
IREF
D
G S
G
S
D
VEE
V3
D
S G
第 3 章 放大电路基础
V3,V4 构成比例电流源电路
21
B E 4EEC4R E F
RR
UVII
3
2
R E F0C3 R
RIII
二、具有电流源的差分放大电路简化画法能调零的差分电路
ui1 V1
+VCC
V2
RC u
o
ui2
RC
VE
E
I0
ui1 V1
+VCC
V2
RC u
o
ui2
RC
VE
E
I0
R
P
MOS
差分电路
ui1 V
1
+VCC
V2
RC
uo
ui2
RC
VE
E
R2R3
IC3
V3
V4
IREF
IC4R1
第 3 章 放大电路基础例 3.3.3
= 100
(1)求静态工作点； (2)求电路的差模 Aud,Rid,Ro。
[解 ] (1) 求,Q”
21
B E 4EER E F
RR
UVI
1.02.6
7.06
3
2
R E F0 R
RII? mA 84.0?
ICQ1 = ICQ2 = 0.5 I0 mA 42.0?
UCQ1 = UCQ2 = 6 – 0.42? 7.5 = 2.85 (V)
(2)求 Aud,Rid,Ro
)( 452642.0 26101200b e 2 b e 1 rr
p2
1
be
C
d )1(
Rr
RA
u?
6505.01 0 145.6
5.71 0 0
])1([2 p21beid RrR k 23 Ro = 2RC = 15 (k?)
( m A ) 84.0?
ui1 V
1
+VCC
V2
RC
uo
ui2
RC
VE
E
R2R3
IC3
V3
V4
IREF
+6 V
6 V
100?100?
7.5 k? 7.5 k?
6.2 k?
100?
第 3 章 放大电路基础三、差分放大电路的差模传输特性
O ui
iC i
C1iC2 I0
021 I
特点：
1,iC1 + iC2 = I0；当 ui = 0,iC1 = iC2 = 0.5 I0 。
UT?UT
2,当 –UT < ui < UT,
ui
iC1 – iC2
O
–UT
UT
iC1 – iC2? ui。
3,当 – 4UT < ui < 4UT,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 。
4UT– 4UT
I0
–4UT
4UT
+VCC
ui1 V1 V2
RC u
o
ui2
R
C
VE
E
I0
iC1 i
C2
第 3 章 放大电路基础
3.3.3 差分放大电路的输入、输出方式一、单端输入、输出方式
1,单端输出
be
LC
d
//
2
1
r
RRA
u
beid 2 rR?
c
d
C MR
u
u
A
AK?
输出为双端输出的一半较双端输出小
Co RR?
即 ui1 = ui,ui2 = 0
i21i21i1 uuu
i21i21i2 uuu
ii2i1id uuuu
i21i2i121ic )( uuuu
参数计算与双端输入相同 四种连接方式比较见 P88
2,单端输入 为双端输入的特例
+VCC
uI V1 V2
RC
uo
R
C
VE
E
I0
iC1 i
C2R
L
第 3 章 放大电路基础二、双端变单端的转换电路双端输入单端输出差分电路具有双端输出效果的单端输出电路对于差模信号：
ic1 = ic3 = ic4
iL = ic2 + ic4
V3,V4 为镜向电流源
= ic2 + ic1 = 2ic1
uo= 2ic2RL
使单端输出获得双端输出效果对于共模信号,iL = ic1 – ic2 = 0 uoc = 0
ic1 = ic2 (方向如图 )
电阻桥产生双端输入信号，负载多为一端接地。
R R
R Rt
+VCC
RL
+VCC
ui
V1 V2 uo
VE
E
I0
RL
V3 V4
ic1 i
c2
ic3 ic4
iL
第 3 章 放大电路基础
3.3.1 差分放大电路的工作原理
3.3.2 具有电流源差分放大电路
3.3.3 差分放大电路的输入输出形式第 3 章 放大电路基础
(Differential Amplifier)
3.3.1 差分放大电路的工作原理特点：
a,两个输入端，
两个输出端；
b,元件参数对称；
c,双电源供电；
d,ui1 = ui2 时,uo = 0
能有效地克服零点漂移一、电路组成及静态分析
V1
VCC
V2
VEE
RC RC
REE
ui1 ui2
uo
第 3 章 放大电路基础
V1
VCC
V2
VEE
RC RC
REE
ui1 ui2
uo
直流通路
V1
+VCC
V2
VEE
RC RC
REE
uo
VEE
ICQ1 I
CQ2
IEE
IEQ1 IEQ2
UCQ1 UCQ2
VEE = UBEQ + IEEREE
IEE = (VEE – UBEQ) / REE
ICQ1 = ICQ2
(VEE – UBEQ) / 2REE
UCQ1 = VCC – ICQ1RC
UCQ2 = VCC – ICQ2RC
Uo = UCQ1 – UCQ2 = 0
第 3 章 放大电路基础
1,差模输入与差模特性差模输入 ui1 = – ui2
差模输入电压 uid = ui1 – ui2 = 2ui1
= – ui2
差模信号交流通路
ic1 ic2
使得,ic1 = – ic2 uo1 = – uo2
差模输出电压 uod = uC1 – uC2
= uo1 – ( – uo2) = 2uo1
id
odd
u
uA
u?
be
C
d1 r
RA
u
差模电压放大倍数带 RL 时
RL
be
L
d r
RA
u
LCL 21// RRR
Rid = 2rbe差模输入电阻差模输出电阻 Rod = 2RC
大小相同 极性相反二、动态分析
ui1 V
1
+VCC
V2
RC RCu
od
ui2uo1 uo2
ui1 V
1
+VCC
V2
VEE
RC RC
REE
uod
ui2uC1
uC2
i1
o1
2
2
u
u?
第 3 章 放大电路基础例 3.3.1 已知,? = 80,r?bb = 200?,UBEQ = 0.6 V，试求：
(1)静态工作点；
(2)差模电压放大倍数 Aud，
差模输入电阻 Rid,输出电阻 Rod。[解 ]
(1)ICQ1 = ICQ2? (VEE – UBEQ) / 2REE
= (12 – 0.6) / 2? 20 = 0.285 (mA)
UCQ1= UCQ2 = VCC – ICQ1RC =12 – 0.285?10 = 9.15 (V)
(2)
)( 4 8 972 8 5.0 26812 0 026)1(2 0 0
EQ
be
Ir?
be
L
d r
RA
u
LCL 21// RRR
= 10 // 10 = 5 (k?)
7.5259.7 580
Rid = 2rbe = 2? 7.59 = 15.2 (k?) Rod = 2RC = 20 (k?)
ui1 V
1
+12V
V2
12V
RC RC
REE
uod
ui2
10 k? 10 k?
20 k?
20 k?
第 3 章 放大电路基础
2,共模输入与共模抑制比共模输入 ui1 = ui2
共模输出电压
uic = ui1 = ui2
使得,ie1 = ie2I
EQ1 + ie1 IEQ2 + ie2
ue = 2ie1REE
2REE 2REE
共模输入电压
uoc = uC1 – uC2 = 0
0
ic
occ
u
uA
u
共模抑制比
c
d
C M R
u
u
A
AK?
用对数表示：
c
d
C M R lg20)dB(
u
u
A
AK?
大小相同极性相同共模信号交流通路
ui1 V
1
+VCC
V2
VEE
RC RC
REE
uoc
ui2uC1
uC2
V1 V2
RC RC
uoc
ui2uC1
uC2
第 3 章 放大电路基础
uod = Auduid
(2) 若 Aud = – 50,Auc = – 0.05
求 输出电压 uo，及 KCMR1.01 V 0.99 V
[解 ] 可将任意输入信号分解为共模信号和差模信号之和(1)
ui1 = 1.01 = 1.00 + 0.01 (V)
ui2 = 0.99 = 1.00 – 0.01 (V)
(1)求 差模输入电压 uid,共模输入电压 uic例 3.3.2
ui1 V
1
+VCC
V2
VEE
RC RC
REE
uo
ui2uC1
uC2
uid = u i1 – u i2
uic = (ui1+ ui2 ) / 2
= 1.01 – 0.99 = 0.02 (V)
= 1 (V) id21i1i uuu c
id21ici2 uuu(2) = – 50? 0.02 = – 1 (V)
uoc = Aucuic = – 0.05? 1 = – 0.05 (V)
uo = Auduid + Aucuic = –1.05 (V)
c
d
C M R lg20)dB(
u
u
A
AK?
05.0
50lg20? = 60 (dB)
差模信号共模信号第 3 章 放大电路基础
3.3.2 具有电流源的差分放大电路一、电流源电路减少共模放大倍数的思路,?增大 REE 用恒流源代替 REE
特点：
直流电阻为有限值动态电阻很大
1,三极管电流源简化画法电流源代替差分电路中的 REE
+VCC
RL
RE
RB1
RB2
IC I0
ui1 V1
+VCC
V2
RC
R1
uod
ui2
RC
–VEE
R2R
3
IC3
V3
ui1 V1
+VCC
V2
RC u
od
ui2
RC
VE
E
I0
第 3 章 放大电路基础
2,比例型电流源二极管温度补偿
V1
+VCC
RE
RB1
RB2
I0
V2
比例型电流源
V1
+VCC
R2
R
R1
I0
V2
IREF
UBE1UBE2
1
B E 1CC
R E F RR
UVI
UBE1? UBE2
2
1
R E F0 R
RII?
多路电流源
V1
+VCC
R2
R
R1
I02
V2
IREF
R3
I03
V3
2
1
R E F02 R
RII?
3
1
R E F03 R
RII?
第 3 章 放大电路基础镜像电流源
UBE1 = UBE2
I0 = IREF
微电流源
I0R2 = UBE1 – UBE2
2
B E 2B E 1
0 R
UUI
3,镜像和微电流源
I0
V1
R
V2
IREF
V1
+VCC
R2
R I
0
V2
IREF
UBE1UBE2
第 3 章 放大电路基础
4,NMOS 管电流源原理电路当 V1,V2 几何尺寸相同时：
I0 = IREF
当 V1,V2 几何尺寸不同时：
I0? IREF
采用 V3 管代替 R
+VCC
V1
R I0
V2
IREF
D
G S
G
S
D
VEE
+VCC
V1
I0
V2
IREF
D
G S
G
S
D
VEE
V3
D
S G
第 3 章 放大电路基础
V3,V4 构成比例电流源电路
21
B E 4EEC4R E F
RR
UVII
3
2
R E F0C3 R
RIII
二、具有电流源的差分放大电路简化画法能调零的差分电路
ui1 V1
+VCC
V2
RC u
o
ui2
RC
VE
E
I0
ui1 V1
+VCC
V2
RC u
o
ui2
RC
VE
E
I0
R
P
MOS
差分电路
ui1 V
1
+VCC
V2
RC
uo
ui2
RC
VE
E
R2R3
IC3
V3
V4
IREF
IC4R1
第 3 章 放大电路基础例 3.3.3
= 100
(1)求静态工作点； (2)求电路的差模 Aud,Rid,Ro。
[解 ] (1) 求,Q”
21
B E 4EER E F
RR
UVI
1.02.6
7.06
3
2
R E F0 R
RII? mA 84.0?
ICQ1 = ICQ2 = 0.5 I0 mA 42.0?
UCQ1 = UCQ2 = 6 – 0.42? 7.5 = 2.85 (V)
(2)求 Aud,Rid,Ro
)( 452642.0 26101200b e 2 b e 1 rr
p2
1
be
C
d )1(
Rr
RA
u?
6505.01 0 145.6
5.71 0 0
])1([2 p21beid RrR k 23 Ro = 2RC = 15 (k?)
( m A ) 84.0?
ui1 V
1
+VCC
V2
RC
uo
ui2
RC
VE
E
R2R3
IC3
V3
V4
IREF
+6 V
6 V
100?100?
7.5 k? 7.5 k?
6.2 k?
100?
第 3 章 放大电路基础三、差分放大电路的差模传输特性
O ui
iC i
C1iC2 I0
021 I
特点：
1,iC1 + iC2 = I0；当 ui = 0,iC1 = iC2 = 0.5 I0 。
UT?UT
2,当 –UT < ui < UT,
ui
iC1 – iC2
O
–UT
UT
iC1 – iC2? ui。
3,当 – 4UT < ui < 4UT,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 。
4UT– 4UT
I0
–4UT
4UT
+VCC
ui1 V1 V2
RC u
o
ui2
R
C
VE
E
I0
iC1 i
C2
第 3 章 放大电路基础
3.3.3 差分放大电路的输入、输出方式一、单端输入、输出方式
1,单端输出
be
LC
d
//
2
1
r
RRA
u
beid 2 rR?
c
d
C MR
u
u
A
AK?
输出为双端输出的一半较双端输出小
Co RR?
即 ui1 = ui,ui2 = 0
i21i21i1 uuu
i21i21i2 uuu
ii2i1id uuuu
i21i2i121ic )( uuuu
参数计算与双端输入相同 四种连接方式比较见 P88
2,单端输入 为双端输入的特例
+VCC
uI V1 V2
RC
uo
R
C
VE
E
I0
iC1 i
C2R
L
第 3 章 放大电路基础二、双端变单端的转换电路双端输入单端输出差分电路具有双端输出效果的单端输出电路对于差模信号：
ic1 = ic3 = ic4
iL = ic2 + ic4
V3,V4 为镜向电流源
= ic2 + ic1 = 2ic1
uo= 2ic2RL
使单端输出获得双端输出效果对于共模信号,iL = ic1 – ic2 = 0 uoc = 0
ic1 = ic2 (方向如图 )
电阻桥产生双端输入信号，负载多为一端接地。
R R
R Rt
+VCC
RL
+VCC
ui
V1 V2 uo
VE
E
I0
RL
V3 V4
ic1 i
c2
ic3 ic4
iL
第 3 章 放大电路基础
