《差分放大電路》課件

差分放大電路2024/12/121重點(diǎn):l

直接耦合放大電路及存在的主要問題l

典型差分放大電路的工作原理l

掌握差分電路的分析,會(huì)求靜態(tài)工作點(diǎn)、差模電壓放大倍數(shù)、差模輸入電阻、輸出電阻。2024/12/122uiRC1R1T1§1差分放大電路增加R2

、RE2

:

用于設(shè)置合適的Q點(diǎn)。問題

1:前后級(jí)Q點(diǎn)相互影響。+UCCuoRC2T2R2RE21.1直接耦合電路的特殊問題怎樣解決直流電位相互牽制的問題？（1）利用Re2提高T2的Ue，使T1，T2退出飽和狀態(tài)。2024/12/123問題

2:零點(diǎn)漂移。前一級(jí)的溫漂將作為后一級(jí)的輸入信號(hào)，使得當(dāng)

ui

等于零時(shí)，uo不等于零。uiRC1R1T1+UCCuoRC2T2R2RE2uot0有時(shí)會(huì)將信號(hào)淹沒2024/12/124零點(diǎn)漂移1.2直接耦合放大器的特點(diǎn)1、什么是零點(diǎn)漂移在直流放大電路中，我們把輸入信號(hào)為零時(shí)，輸出電壓偏離其初始值的現(xiàn)象稱為零點(diǎn)漂移。（1）直流放大器級(jí)數(shù)越多，放大倍數(shù)越大。輸出端漂移現(xiàn)象越嚴(yán)重。（2）第一級(jí)的零漂影響最大。uiAu=20U01=10mvAu=20U02=210mvAu=20U01=4.21vuot0有時(shí)會(huì)將信號(hào)淹沒2024/12/125零點(diǎn)漂移的危害：直接影響對(duì)輸入信號(hào)測(cè)量的準(zhǔn)確程度和分辨能力。嚴(yán)重時(shí)，可能淹沒有效信號(hào)電壓，無(wú)法分辨是有效信號(hào)電壓還是漂移電壓。

抑制零點(diǎn)漂移是制作高質(zhì)量直接耦合放大電路的一個(gè)重要的問題。

差分放大電路是抑制零點(diǎn)漂移最有效的電路結(jié)構(gòu)。2024/12/1263、產(chǎn)生零漂的原因（1）

溫度的變化——最主要。（2）

電流電壓的波動(dòng)。（3）元件老化等造成的電路元件參數(shù)的變化。4、減少零漂的措施（1）

選用高質(zhì)量的硅管，并用溫度補(bǔ)償電路。（2）在電路中引入直流負(fù)反饋。（3）

采用差分放大電路。2、怎樣衡量零點(diǎn)漂移的大小溫漂指標(biāo)：溫度每升高1度時(shí)，輸出漂移電壓按電壓增益折算到輸入端的等效輸入漂移電壓值。2024/12/1271.3差分放大電路電路特點(diǎn)：T1、T2

所在的兩邊電路參數(shù)完全對(duì)稱。uoui1+UCCRCT1RBRCT2RBui2RE–UEEuo1uo2+–Rp1、差分放大電路的結(jié)構(gòu)輸入端接法雙端：?jiǎn)味耍狠斎胄盘?hào)從某個(gè)三極管的基極與地之間加入，如ui1，ui2輸入信號(hào)從兩個(gè)三極管的基極與地之間加入，ui=ui1–

ui22024/12/128uoui1+UCCRCT1RBRCT2RBui2RE–UEEuo1uo2+–Rp1、差分放大電路的結(jié)構(gòu)輸出端接法雙端：?jiǎn)味耍狠敵鲂盘?hào)從某個(gè)三極管的集電極與地之間取出，如uo1，uo2輸出信號(hào)從兩個(gè)三極管的集電極之間加入，uo=uo1–

uo2輸入輸出有四種接法（1）雙端輸入，雙端輸出；（2）雙端輸入，單端輸出；（3）單端輸入，雙端輸出；（4）單端輸入，單端輸出；2024/12/1292、抑制零漂的原理uoui1+UCCRCT1RBRCT2RBui2RE–UEEuo1uo2+–Rpuo=(UC1+

uC1

)-(UC2+

uC2)=0當(dāng)溫度變化時(shí)：

uC1=

uC2

IC1=

IC2,,uo=UC1-UC2

=0靜態(tài)時(shí)

ui1

=

ui2=0

，由于電路的對(duì)稱性

IC1=IC2

,UC1=UC2

溫度變化和電源電壓波動(dòng)，都將使t1、t2集電極電流產(chǎn)生變化，且變化趨勢(shì)是相同的，因此當(dāng)從t1、t2

集電極輸出信號(hào)時(shí)，其變化量相互抵消，理想情況下，沒有溫漂。2024/12/12103.信號(hào)輸入(2)差模(differentialmode)輸入ui1=-ui2=uid(1)共模(commonmode)

輸入ui1

=ui2=uC差模電壓放大倍數(shù):共模電壓放大倍數(shù):幅度相等、極性相同的一對(duì)輸入信號(hào)。通常為溫漂和干擾信號(hào)。

共模輸入時(shí)，由于電路完全對(duì)稱，當(dāng)溫度變化時(shí)，兩管的零漂總是一樣的，即uo1=uo2，則uoc=Au(uic1-uic2)=uo1–

uo2=0——差分放大器可以完全抑制共模信號(hào)。幅度相等、極性相反的一對(duì)輸入信號(hào)。通常為有用信號(hào)。

2024/12/1211(3)比較輸入

兩個(gè)輸入信號(hào)電壓的大小和相對(duì)極性是任意的，既非共模，又非差模。比較輸入在自動(dòng)控制系統(tǒng)中是較常見的。結(jié)論：任意輸入的信號(hào):ui1,

ui2，都可分解成一對(duì)差模分量和共模分量的組合。差模分量:共模分量:注意：ui1

=uic

+

uid

；ui2=uic-

uid例:ui1=20mV,ui2=10mV則：ud=5mV,uc=15mV2024/12/1212(3)比較輸入

ui1、ui2大小和極性是任意的。例1:

ui1=10mV,ui2=6mVui2=8mV－2mV例2:

ui1=20mV,ui2=16mV可分解成:

ui1=18mV+2mVui2=18mV－2mV可分解成:

ui1=8mV+2mV共模信號(hào)差模信號(hào)

放大器只放大兩個(gè)輸入信號(hào)的差值信號(hào)—差分放大電路。2024/12/1213對(duì)于線性差分放大電路，可用疊加定理求得輸出電壓uo1

=Ac

uic

+Aduid

；uo2=Ac

uic

–Ad

uiduo=uo1–

uo2=2Ad

uid=Ad(ui1–

ui2)輸出電壓的大小僅與輸入電壓的差值有關(guān)。這就是差分放大電路的差值特性。對(duì)于差分放大電路來(lái)說(shuō)，差模信號(hào)是有用信號(hào)，要求對(duì)差模信號(hào)有較大的放大倍數(shù)；而共模信號(hào)是干擾信號(hào)，對(duì)共模信號(hào)的放大倍數(shù)越小越好。對(duì)共模信號(hào)的放大倍數(shù)越小，就意味著零點(diǎn)漂移越小，抗共模干擾的能力越強(qiáng)。2024/12/1214

對(duì)于差模信號(hào)，我們要求放大倍數(shù)盡量地大；對(duì)于共模信號(hào)，我們希望放大倍數(shù)盡量地小。實(shí)際電路中，差動(dòng)式放大電路不可能做到絕對(duì)對(duì)稱，這時(shí)Uo≠0，Ac≠0，即共模輸出電壓不等于零。共模電壓放大倍數(shù)不等于零，為了全面衡量一個(gè)差分放大器放大差模信號(hào)、抑制共模信號(hào)的能力，引入共模抑制比。

(4)共模抑制比差模放大倍數(shù)共模放大倍數(shù)

KCMR越大，說(shuō)明差放分辨差模信號(hào)的能力越強(qiáng)，而抑制共模信號(hào)的能力越強(qiáng)。共模抑制比2024/12/1215這個(gè)定義表明，共模抑制比愈大，差動(dòng)放大器放大差模信號(hào)（有用信號(hào)）的能力越強(qiáng)，抑制共模信號(hào)（無(wú)用信號(hào)）的能力也越強(qiáng)。例:

Ad=-200

Ac=0.1KCMRR=20lg(-200)/0.1=66dB2024/12/1216帶Re的差分放大電路§2差分放大電路的靜態(tài)分析直流通路2024/12/1217

直流等效電路（a）直流偏置電路；（b）直流等效電路2024/12/1218

靜態(tài)分析：

如圖所示，由于流過Re的電流為IE1和IE2之和，又由于電路的對(duì)稱性，則IE1=IE2，流過Re的電流為2IE1。靜態(tài)工作點(diǎn)的估算：2024/12/1219

差分放大電路的靜態(tài)分析直流通路uoui1+UCCRCT1RBRCT2RBui2RE–UEEIBIC1IC2IBIEICQ=

IBQ

UC1=UC2=UCC－IC×RC

UE1=UE2

=2IE×(RE+RP/2)－UEE

UCE1=UCE2

=UC1－UE12024/12/1220

由于差分放大電路有兩個(gè)輸入端、兩個(gè)輸出端,所以信號(hào)的輸入和輸出有四種方式，這四種方式分別是雙端輸入雙端輸出、雙端輸入單端輸出、單端輸入雙端輸出、單端輸入單端輸出。根據(jù)不同需要可選擇不同的輸入、輸出方式。1.雙端輸入

差分放大電路的連接方式

（a）單端輸出（b）雙端輸出

§

3差分放大電路的動(dòng)態(tài)分析2024/12/1221（1）共模輸入：ui1=ui2=uic，稱之為共模輸入信號(hào)。

共模輸入差放電路–+–+iEiE1+Vcc–+–+ReRcRcRb-VEERbiE22024/12/1222–+–+iEiE1+Vcc–+–+ReRcRcRb-VEERbiE2

共模輸入差放電路Rc+––+2Re

共模輸入半邊交流通路T1RbrbeRc+––+2Re

共模輸入單端輸出半邊微變等效電路Rb2024/12/12231.什么是傳統(tǒng)機(jī)械按鍵設(shè)計(jì)？傳統(tǒng)的機(jī)械按鍵設(shè)計(jì)是需要手動(dòng)按壓按鍵觸動(dòng)PCBA上的開關(guān)按鍵來(lái)實(shí)現(xiàn)功能的一種設(shè)計(jì)方式。傳統(tǒng)機(jī)械按鍵設(shè)計(jì)要點(diǎn)：1.合理的選擇按鍵的類型，盡量選擇平頭類的按鍵，以防按鍵下陷。2.開關(guān)按鍵和塑膠按鍵設(shè)計(jì)間隙建議留0.05~0.1mm，以防按鍵死鍵。3.要考慮成型工藝，合理計(jì)算累積公差，以防按鍵手感不良。傳統(tǒng)機(jī)械按鍵結(jié)構(gòu)層圖：按鍵開關(guān)鍵PCBA共模電壓放大倍數(shù)rbeRc+––+2Re

共模輸入單端輸出半邊微變等效電路Rb以上計(jì)算結(jié)果表明：?jiǎn)味溯敵鰰r(shí)，差放電路對(duì)共模信號(hào)的抑制是通過Re的強(qiáng)烈負(fù)反饋實(shí)現(xiàn)的；兩三極管對(duì)稱，放大電路的輸入回路經(jīng)過兩管的發(fā)射結(jié)和等效電阻2Re，從輸入端看進(jìn)去兩管所在支路并聯(lián)，故

由于只取一個(gè)三極管的集電極電壓變化量，放大電路的輸出回路從T1管的集電極經(jīng)過2024/12/1225

以上計(jì)算結(jié)果表明：雙端輸出時(shí)，差放電路對(duì)共模信號(hào)的抑制主要是通過電路參數(shù)的對(duì)稱性實(shí)現(xiàn)的；在電路參數(shù)不完全對(duì)稱時(shí)，通過Re的強(qiáng)烈負(fù)反饋?zhàn)饔茫M(jìn)一步抑制共模信號(hào)。共模電壓放大倍數(shù)rbeRc+––+2Re

共模輸入單端輸出半邊微變等效電路Rb放大電路的輸出回路從兩三級(jí)管的集電極經(jīng)過兩個(gè),故差模輸出電阻等于從兩輸出端看進(jìn)去的等效的電阻

輸入電阻2024/12/1226（2）差模輸入：ui1=-ui2=uid/2，稱之為差模輸入信號(hào)。-VEE–+–+iEiE1+Vcc–+–+Re

共模輸入差放電路RcRcRbRbiE2–+Rc+––+

差模輸入的交流通路T1RbRc+––+T2Rb

差模輸入的交流通路+Rc+–T1Rb–Rc+–T2Rb2024/12/1227思考題（1）為什么差放可以抑制零漂？（2）當(dāng)輸出端接負(fù)載電阻RL時(shí)，靜態(tài)工作點(diǎn)和差模電壓放大倍數(shù)如何？解答+Rc+–

差模輸入的微變等效電路Rb–Rc+–Rbrberbe差模電壓放大倍數(shù)2024/12/1228（1）為什么差放可以抑制零漂？

（2）當(dāng)輸出端接負(fù)載電阻RL時(shí)，差模電壓放大倍數(shù)如何？

答：溫度、電源電壓波動(dòng)等因素對(duì)差放的兩個(gè)晶體管產(chǎn)生的零漂是相同的，相當(dāng)于在差放輸入端輸入共模信號(hào)，而前面的分析計(jì)算表明，差放電路對(duì)共模信號(hào)有強(qiáng)烈的抑制作用，所以可以抑制零漂。解：在采用單端輸出和雙端輸出時(shí)，情況有所區(qū)別，現(xiàn)分別進(jìn)行分析和計(jì)算。iEiE1+Vcc–+–+Re

差分放大電路的組成RcRcRbT2T1–+-VEERbiE22024/12/1229（1）單端輸出2024/12/1230（2）雙端輸出2024/12/12312.單端輸入

(a)單端輸出

(b)雙端輸出

前面我們已經(jīng)介紹了雙入雙出和雙入單出兩種接法。輸入信號(hào)除了可以接在差放電路的兩個(gè)輸入端之間，還可以單端輸入，輸出也可以采用單端和雙端兩種形式，從而構(gòu)成單入雙出和單入單出兩種接法。+Vcc–+–+Re

單端輸入方式RcRcRbT2T1-VEERb2024/12/1232

單端輸入可以等效為圖所示輸入方式：既有差模輸入信號(hào)uI，又有共模輸入信號(hào)ui/2；輸出電壓既包括差模信號(hào)，又包括共模信號(hào)。單入單出、單入雙出情況下的靜態(tài)分析和差模信號(hào)的分析對(duì)應(yīng)于雙入單出、雙入雙出時(shí)的情況，沒有差別。

對(duì)共模信號(hào)而言，單入雙出在理想情況下，其共模信號(hào)完全被抑制，可以等效為雙入雙出的情況；但在電路參數(shù)不完全一致時(shí)，存在共模雙出電壓。而單入單出就一定存在共模輸出電壓，共模電壓放大倍數(shù)的計(jì)算與雙入單出相同。+Vcc–+Re

單端輸入方式RcRcRbT2T1-VEERb+ui/2-+ui/2-+ui/2-+-ui/2-2024/12/1233

單端輸入單端輸出

單端輸入單端輸出的接法，信號(hào)只從一只管子的基極與地之間接入，輸出信號(hào)從一只管子的集電極與地之間輸出，輸出電壓只有雙端輸出的一半，電壓放大倍數(shù)Ad也只有雙端輸出時(shí)的一半。式中輸入電阻輸出電阻2024/12/1234

從幾種電路的接法來(lái)看，只有輸出方式對(duì)差模放大倍數(shù)和輸入、輸出電阻有影響，不論哪一種輸入方式，只要是雙端輸出，其差模放大倍數(shù)就等于單管放大倍數(shù)，單端輸出差模電壓放大倍數(shù)為雙端輸出的一半。2024/12/1235+UCC/6Vuoui1RC/5.1kΩRPT1RB/10kΩRC/5.1kΩui2RE/5.1kΩRB/10kΩ+–T2-EE/-6Vuo1uo2

例：已知：β=50，UBE=0.7V，輸入電壓ui1=7mV，ui2=3mV。(1)計(jì)算放大電路的靜態(tài)值IB、IC和各電極的電位VE、VC、VB；(2)把輸入電壓分解為共模分量uic1

、uic1和差模分量uid1、uid1

；(3)求單端共模輸出uoc1和uoc2

；(4)求單端差模輸出uod1

和uod2

；(5)求單端總輸出uo1

和uo2

；(6)求雙端共模輸出uoc、雙端差模輸出uod和雙端總輸出uo。2024/12/1236解：（1）單管直流通路為+UCC/6VRC/5.1kΩRB/10kΩRE/5.1kΩ-EE/-6V2024/12/1237uic1RC/5.1kΩRB/10kΩ+–uoc1RE/5.1kΩ+–解：（2）輸入信號(hào)分解為（3）單管共模信號(hào)通道為rbeRBRCEBC+-+-RE2024/12/1238解：rbeRBRCEBC+-+-RE2024/12/1239解：（4）單管差模信號(hào)通道為uid1RC/5.1kΩRB/10kΩ+–uod1+–rbeRBRCEBC+-+-2024/12/1240解：2024/12/1241+UCC/6Vuoui1RC/5.1kΩRPT1RB/10kΩRC/5.1kΩui2RE/5.1kΩRB/10kΩ+–T2-EE/-6Vuo1uo2如果改為單端輸入呢？2024/12/1242+UCC/6Vuoui1RC/5.1kΩRPT1RB/1