第二节 差动放大电路
一、直接耦合电路中的主要问题
二、差动放大电路
三、差动式放大电路的输入输出方式
一、直接耦合电路中的
主要问题
1.级间耦合和电平移位
2.零点漂移问题
交流放大器放大的是随时间变化较快的周期
性信号, 为使电路简单, 设计方便, 常采用阻
容耦合 。 但在实际应用中, 常常要放大一些变
化极为缓慢的非周期信号或者某一直流量, 通
常把这些信号叫做直流信号 。
显然对于直流信号, 不能采用阻容耦合或变
压器耦合, 必须采用直接耦合方式 。 这种直接
耦合, 能放大直流信号的放大器称为直流放大
器 。
分析直流放大器的基本方法与分析
交流放大器相似 。 但在分析设计直流放
大器, 应尤其注意两个主要问题:一个
是级间互相影响问题;另一个是零点漂
移问题 。
1.级间耦合和电平移位
由于交流放大器的级间耦合电容能隔断直流
量, 使各级放大器的静态工作点相互独立 。 直
接耦合放大器, 各级工作点不再独立, 相互影
响和牵制 。
如图 5-4所示电路中, VT1管的集电极电位恒
等于 VT2管的基极电位, 即 VCE1=VBE2。 因此,
无论 VT2为硅或锗材料, 都将使 VT1管的动态范
围太小 ( 0.7V或 0.3V), 很容易产生饱和失真 。
图 5-4
为了保证各级都有合适的动态范围, 就必须
采 取 有效措施, 既保证各级工作点合理, 又保
证直流信号能有效的传递 。 通常采用的措施是
提高后级的发射级电位, 见图 5-5所示 。 a图采
用稳压二极管, b图采用电阻 。 容易理解 a图的
办法较好, 因为稳压管的动态电阻很小, 对放
大器的放大倍数影响小 。
图 5-5
2.零点漂移问题
实验研究发现, 直接耦合放大器即使将输入
端短路, 输出电压并不为零 。 而且这个不为零
的电压会随时间作缓慢的, 无规则的, 持续的
变动, 这种现象称为零点漂移, 简称零漂 。 产
生这种现象的原因在于直接耦合, 当外界因素
( 如温度, 电源电压, 晶体管内部的杂散参数
等 ) 变化时输出电压随之变化 。 其中温度的影
响最大, 所以有时把零漂也叫温漂 。 第一级的
零漂经第二级放大, 再传给第三级, 依次传递
的结果使外界参数的微小变化, 在输出端产生
了较大的零漂电压 。 这个变化的电压与有用的
输出信号混在一起, 严重时甚至会淹没有用信
号, 使放大器无法工作 。
要抑制零漂,就要设法限制外界因素的变化,
但技术难度太大,或者引入负反馈稳定静态工
作点。实际上即使采用了负反馈,也只是减小
零漂,因此必须考虑更有效的措施,目前最成
熟的技术就是采用差动放大电路。
二、差动放大电路
(一)基本差动式放大电路的工作原理
(二)带 RE的差动放大电路
(三)具有恒流源的差动式放大电路
(一)基本差动式放大电路的
工作原理
1.静态分析
2.动态分析
3.共模抑制比
图 5-6
图 5-6所示为基本差动式放大电路,它
由两个完全相同的单管共射极放大电路
组成。差动式放大电路有两个输入端,
要求电路对称,即 VT1,VT2的特性相同,
外接电阻对称,RB1= RB2,RC1= RC2,
RS1= RS2,β1= β2。
1.静态分析
静态时 Ui1= Ui2= 0。 由于电路左右对
称,输入信号为零时,IC1= IC2,UC1=
UC2,则输出电压 U0=△ UC1-△ UC2= 0。
当电源电压波动或温度变化时,两
管集电极电流和集电极电位同时发生变
化。输出电压仍然为零。可见,尽管各
管的零漂存在,但总输出电压为零,从
而使得零漂得到抑制。
2.动态分析
( 1)差模输入
( 2)共模输入
( 3)抑制零点漂移的原理
( 1)差模输入
放大器的两个输入端分别输入大小
相等极性相反的信号(即 Ui1= - Ui2),
这种输入方式称为差模输入。
差模输入电压
2121 22 iiiiid UUUUU ?????
idi UU 2
1
1 ? idi
UU 212 ??
2121 22 ccccod UUUUU ?????????
差模电压放大倍数
即差动式放大电路的差模电压放大倍
数等于单管共射极电路的电压放大倍数。
21
1
1
2
2
uu
i
c
id
od
ud AAU
U
U
UA ?????
Sbe
C
uud Rr
RAA
???? ?1
如果接上 RL,则
式中
由于两管对称,RL的中点电位不变,相当于
交流的零电位。对于单个管子来讲负载是 RL的
一半,即。
bes
L
ud rR
RA
?
??
'
?
)21//(' LcL RRR ?
输入电阻,因为输入回路经过两个管
子的发射极和两个 RS,所以
输出电阻,因为输出端经过两个 RC,
所以
? ?besi rRr ?? 2
ro= 2RC
( 2)共模输入
在差动式放大电路的两个输入端,分别加
入大小相等极性相同的信号。 ( 即 Ui1= Ui2),
这种输入方式称为共模输入。共模输入信号用
Uic表示。共模输入时( Uic= Ui1= Ui2) 的输出
电压与输入电压之比称共模电压放大倍数,用
AC表示。在电路完全对称的情况下,输出端电
压 UO= UO1-UO2= 0,故 AC= UC/Ui= 0,即输出电压
为零,共模电压放大倍数为零。这种情况称为
理想电路。
在差动放大电路中,无论是电源电压
波动或温度变化都会使两管的集电极电
流和集电极电位发生相同的变化,相当
于在两输入端加入共模信号。由于电路
完全对称,使得共模输出为零,共模电
压放大倍数 AC=0,从而 抑制了零点漂移。
电路放大的只是差模信号。
( 3)抑制零点漂移的原理
3.共模抑制比
理想状态下,即电路完全对称时,差
动式放大电路对共模信号有完全的抑制
作用。实际电路中,差动式放大电路不
可能作到绝对对称,这时 UO≠0,AC≠0,AC
= Uo/△ Ui,为了衡量差动式电路对共模
信号的抑制能力,引入共模抑制比,用
KCMRR表示。
KCMRR= | |
c
dAA
共模抑制比的大小反映了差动式放大电路
对共模信号的抑制能力。 其对数表示式为
KCMRR=20lg| |( dB)
由上式可以看出, KCMRR越大,差动式放大电路
放大差模信号(有用信号)的能力越强,抑制共
模信号(无用信号)的能力越强,即 KCMRR越大越
好。理想的差动式放大电路其共模抑 制比
KKCMRR→∞ 。 由于 KKCMRR=,既在保证 Aud不变的情况
下,如何降低 Ac,从而提高 KCMRR。
c
d
A
A
(二)带 RE的差动放大电路
1.静态分析
2.稳定静态工作点的过程
3.动态分析
上面介绍的基本差动式放大电路对共模信
号的抑制是靠电路两侧的对称性来实现的。但
对于各管自身的工作点漂移没有抑制作用,若
采用单端输出,则差模与共模放大倍数相等,
这时 K=1,失去了差动式放大电路的优势。即
使是双端输出,由于实际电路的不完全对称性,
仍然有共模电压输出。
为了不降低 A,而降低 Auc,从而提高共模抑
制比。 采用 带公共 RE的差动式放大电路如图 5-7
所示,这种电路也称为长尾式差动放大电路。
由于 KCMRR是由差模放大倍数和共模
电压放大倍数共同决定的,下面分别分
析 RE对差模电压放大倍数和共模放大倍
数的影响。
图 5-7
1.静态分析
如图 5-7所示,由于流过 RE的电流为
IE1和 IE2之和,又由于电路对称,则
IE1=IE2,流过 RE的电流为 2IE2.
静态工作点的估算:
IBQRS+UBEQ+2IEQRE= UEE
IEQ=( 1+) IBQ
IBQ=
? ? ES BE QEE RR
UU
???
?
12
ICQ= IBQ
?
UCEQ= UCC+UEE- ICQRe- 2IEQRE
2.稳定静态工作点的过程
加 RE后,当温度上升时,由于 IC1和 IC2
同时增大,稳定过程实质上是一个负反
馈过程。 RE越大工作点越稳定,但 RE过大
会导致 UE过高使静态工作点电流太小。
加入负电源- VEE可补偿 RE上的压降。
3.动态分析
(1)RE对差模信号的影响
(2)RE对共模信号的影响
(1)RE对差模信号的影响
如图 5-8所示,加入差模信号时由于 Ui1
=- Ui2,则 Δ IE1=- Δ IE2,流过 RE的电
流 Δ IE= Δ IE1+Δ IE2= 0。对差模信号来
讲,RE上没有信号压降,即 RE对差模电压
放大倍数没有影响。
图 5-8
差模电压放大倍数
其中
输入电阻
输出电阻
Aud= - ?
beS
L
rR
R
?
/
R = RC//( )
2
LR
/L
ri= 2(RS+rbe)
r0≈2 RC
(2)RE对共模信号的影响
如图 5-9加入共模信号时,由于 Ui1=
Ui2,则 Δ IE1= Δ IE2,流过 RE1的电流 Δ IE
= Δ IE1+Δ IE2= 2Δ IE1RE,对于共模信号
可以等效成每管发射极接入 2RE的电阻,
图 5-9
共模电压放大倍数为
Ac= -
由于不加 RE时
AC= -
即加上 RE使共模电压放大倍数减小。而且 RE
越大,AC越小,KCMRR越大。
?
EbeS
C
RrR
R
)( ???? 12
beS
C
rR
R
?
?
(三)具有恒流源的差动式
放大电路
通过对带 RE的差动式放大电路的分析可知,
RE越大,KCMRR越大,但增大 RE,相应的 UEE也要
增大。显然,使用过高的 UEE是不合适的。
设想,在不增大 UEE时,如果 RE→∞, AC→0,
则 KCMRR→∞,这是最理想的。为达到这个目的,
用恒流源电路来代替 RE,电路如图 5-10所示。
VT3管采用分压式偏置电路,无论 VT1,VT2管有
无信号输入,IB3恒定,IC3恒定,所以 VT3称为
恒流管。
由于 IC3恒定,IE3恒定,则 Δ IE→0,这
时动态电阻 rd为
rd= →∞
3
3
E
E
I
U
?
?
图 5-10
三、差动式放大电路的
输入输出方式
1.双端输入双端输出
2.单端输入双端输出
3.单端输入单端输出
4.双端输入单端输出
由于差动式放大电路有两个输入端,
两个输出端,所以信号的输入和输出有
四种方式,这四种方式分别是双端输入
双端输出、双端输入单端输出、单端输
入双端输出、单端输入单端输出。实际
应用中根据不同需要可选择不同的输入、
输出方式。
1.双端输入双端输出
电路如图 5-11所示,其中,差模电压
放大倍数为
Aud=-
式中
?
beS
L
rR
R
?
/
R = RC//(RL/2)
/L
输入电阻
输出电阻
此电路适用于输入、输出不需要接地,
对称输入、对称输出的场合。
ri= 2(RS+rbe)
r0= 2RC
图 5-11
2.单端输入双端输出
如图 5-12所示, 信号从一只管子的基极与
地之间输入, 另一只管子的基极接地, 表面上
似 乎两管不是工作在差动状态, 但是, 若将
发射极公共电阻 RE换成恒流源, 那么, IC1的任
何增加将等于 IC2的减少, 也就是说, 输出端电
压的变化情况将和差动输入 ( 即双端输入 ) 时
一样 。 此时, VT1,VT2管的发射极电位 UE将随
着输入电压 Ui而变化, 变化量为, 因此, 单端
输入的实质还是双端输入, 其 Ad,ri,r0的估
算与双端输入双端输出的情况相同 。
此电路适用于将单端输入转换成双端输出
的场合 。
图 5-12
3.单端输入单端输出
图 5-13为单端输入单端输出的接法。
信号只从一只管子的基极与地之间接入,
输出信号从一只管子的集电极与地之间
输出,输出电压只有双端输出的一半,
电压放大倍数 Aud也只有双端输出的一半。
式中
Aud=-
?
)(2 beS
L
rR
R
?
?
=RC//RLLR?
输入电阻
输出电阻
此电路适用于输入输出均有一端接
地的场合。
ri=2(rbe+RS)
r0≈ RC
图 5-13
4.双端输入单端输出
图 5-14所示电路, 其输入方式和双端
输入相同, 输出方式和单端输出相同,
它的 Ad,ri,,ro的计算和单端输入单端输
出相同, 此电路适用于双端输入转换成
单端输出的场合 。
图 5-14