差分放大電路PPT課件

1、模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)安徽理工大學(xué)電氣工程系安徽理工大學(xué)電氣工程系主講主講 ：黃友銳：黃友銳第九講第九講6.1 概述概述6.2 差分放大電路的靜態(tài)計算差分放大電路的靜態(tài)計算6.3 差分放大電路的動態(tài)計算差分放大電路的動態(tài)計算6.1 概 述 6.1.1 6.1.1 差分放大電路的組成差分放大電路的組成 6.1.2 6.1.2 差分放大電路的輸入和差分放大電路的輸入和 輸出方式輸出方式 6.1.3 6.1.3 差模信號和共模信號差模信號和共模信號6.1.1 6.1.1 差分放大電路的組成差分放大電路的組成 差分放大電路是由差分放大電路是由對稱對稱的兩個基本放大電路，通過射的兩個基本放大電

2、路，通過射極公共電阻耦合構(gòu)成的。如圖極公共電阻耦合構(gòu)成的。如圖06.0106.01所示。對稱的含義是所示。對稱的含義是兩個三極管的特性一致，電路參數(shù)對應(yīng)相等。兩個三極管的特性一致，電路參數(shù)對應(yīng)相等。圖圖06.0106.01差分放大電路差分放大電路即：即： 1= 2= vbe1=vbe2= vbe rbe1= rbe2= rbe icbo1=icbo2= icbo rc1=rc2= rc rb1=rb2= rb6.1.2 差分放大電路的 輸入和輸出方式 差分放大電路一般有兩個輸入端：差分放大電路一般有兩個輸入端： 同相輸入端，同相輸入端， 反相輸入端。反相輸入端。 差分放大電路可以有兩個輸出端，

3、一個差分放大電路可以有兩個輸出端，一個是集電極是集電極c1，另一個是集電極，另一個是集電極c2。 從從c1 和和c2輸出稱為輸出稱為雙端輸出雙端輸出，僅從集電，僅從集電極極 c1或或c2 對地輸出稱為對地輸出稱為單端輸出單端輸出。 根據(jù)規(guī)定的正方向，在一個根據(jù)規(guī)定的正方向，在一個輸入端加上一定極性的信號，如輸入端加上一定極性的信號，如果所得到的輸出信號極性與其相果所得到的輸出信號極性與其相同，則該輸入端稱為同相輸入端。同，則該輸入端稱為同相輸入端。 反之，如果所得到的輸出反之，如果所得到的輸出信號的極性與其相反，則該輸信號的極性與其相反，則該輸入端稱為反相輸入端。入端稱為反相輸入端。 信號的輸

4、入方式：若信號同時加到同相輸信號的輸入方式：若信號同時加到同相輸入端和反相輸入端，稱為入端和反相輸入端，稱為雙端輸入；雙端輸入； 若信號若信號僅從一個輸入端僅從一個輸入端對地對地加入，稱為加入，稱為單端輸入。單端輸入。圖圖06.02共模信號和差模信號示意圖共模信號和差模信號示意圖6.1.3 差模信號和共模信號 差分放大電路僅對差模信號具有放大能力，對差分放大電路僅對差模信號具有放大能力，對共模信號不予放大。共模信號不予放大。 溫度對三極管電流的影響相當(dāng)于加入了共模信溫度對三極管電流的影響相當(dāng)于加入了共模信號。差分放大電路是模擬集成運算放大器輸入級所號。差分放大電路是模擬集成運算放大器輸入級所采

5、用的電路形式。采用的電路形式。 差模信號差模信號 共模信號共模信號 是指在兩個是指在兩個輸入端加上幅度輸入端加上幅度相等，極性相反相等，極性相反的信號。的信號。 是指在兩個是指在兩個輸入端加上幅度輸入端加上幅度相等，極性相同相等，極性相同的信號。的信號。圖圖06.03雙電源差分放大電路雙電源差分放大電路beebecceeeececccccbc+=2=vvvvvvvrivrivviiesbeeeb2)1 (=rrvvi6.2 差分放大電路的靜態(tài)計算 差分放大電路的靜態(tài)和動態(tài)計算方法與基本放大電差分放大電路的靜態(tài)和動態(tài)計算方法與基本放大電路基本相同。為了使差分放大電路在靜態(tài)時，其輸入端路基本相同。

6、為了使差分放大電路在靜態(tài)時，其輸入端基本上是零電位，將基本上是零電位，將re從接地改為接負電源從接地改為接負電源vee。 由由ib的計算式可知，的計算式可知，re對對一半差分電路而言，只有一半差分電路而言，只有2 re 才能獲得相同的電壓降。才能獲得相同的電壓降。 如圖如圖06.03所示。由于接入負電源，所示。由于接入負電源，所以偏置電阻所以偏置電阻rb可以取消，改為可以取消，改為vee和和re提提供基極偏置電流。供基極偏置電流?；鶚O電流為基極電流為: :(動畫動畫6-1)6.3 差分放大電路的動態(tài)計算6.3.1差模狀態(tài)動態(tài)計算 6.3.2共模狀態(tài)動態(tài)計算6.3.3恒流源差分放大電路 6.3.

7、1 差模狀態(tài)動態(tài)計算差模狀態(tài)動態(tài)計算 差分放大電路的差模工作狀態(tài)分為四種差分放大電路的差模工作狀態(tài)分為四種: 1. 雙端輸入、雙端輸出（雙端輸入、雙端輸出（雙雙-雙雙） 2. 雙端輸入、單端輸出（雙端輸入、單端輸出（雙雙-單單） 3. 單端輸入、雙端輸出（單端輸入、雙端輸出（單單-雙雙） 4. 單端輸入、單端輸出（單端輸入、單端輸出（單單-單單） 主要討論的問題有：主要討論的問題有： 差模電壓放大倍數(shù)差模電壓放大倍數(shù) 差模輸入電阻差模輸入電阻 輸出電阻輸出電阻圖圖06.04雙端輸入雙端輸出雙端輸入雙端輸出(1)(1)差模電壓放大倍數(shù)差模電壓放大倍數(shù)avd 雙端輸入差放電路如圖雙端輸入差放電路如

8、圖06.0406.04所示。負載電阻所示。負載電阻接在兩集電極之間。接在兩集電極之間。vi 接在兩輸入端之間，也可看接在兩輸入端之間，也可看成成 vi /2各接在兩輸入端與地之間。各接在兩輸入端與地之間。 beslcd)2/(rrrrav 這種方式適用于這種方式適用于雙端輸入和雙端輸出，雙端輸入和雙端輸出，輸入、輸出均不接地輸入、輸出均不接地的情況。的情況。雙端輸入雙端輸出差模電壓放大倍數(shù)雙端輸入雙端輸出差模電壓放大倍數(shù) 差動放大器雙入差動放大器雙入 雙出微變等效電路雙出微變等效電路(1)(1)差模電壓放大倍數(shù)差模電壓放大倍數(shù)avdbeslcd2/rrrrav雙端輸入單端輸出差模電壓放大倍數(shù)雙

9、端輸入單端輸出差模電壓放大倍數(shù) 這種方式適用于將這種方式適用于將差分信號轉(zhuǎn)換為單端輸差分信號轉(zhuǎn)換為單端輸出的信號。出的信號。 雙端輸入單端輸出因只利雙端輸入單端輸出因只利用了一個集電極輸出的變化量，用了一個集電極輸出的變化量，所以它的差模電壓放大倍數(shù)是所以它的差模電壓放大倍數(shù)是雙端輸出的二分之一。雙端輸出的二分之一。 圖圖06.05雙端輸入單端輸出雙端輸入單端輸出 單端輸入雙端輸出差模電壓放大倍數(shù)單端輸入雙端輸出差模電壓放大倍數(shù) 單端輸入信號可以轉(zhuǎn)單端輸入信號可以轉(zhuǎn)換為雙端輸入，其轉(zhuǎn)換過換為雙端輸入，其轉(zhuǎn)換過程 見 圖程 見 圖 0 6 . 0 6 。 右 側(cè) 的。 右 側(cè) 的rs+rbe歸算

10、到發(fā)射極回路的歸算到發(fā)射極回路的值值(rs+rbe) /(1+ ) re，故故 re 對對 ie 分流極小，可忽分流極小，可忽略，于是有略，于是有:beslcd)2/(rrrrav 這種方式用于將單端信號這種方式用于將單端信號轉(zhuǎn)換成雙端差分信號轉(zhuǎn)換成雙端差分信號, 可用于可用于輸出負載不接地的情況。輸出負載不接地的情況。圖圖06.06 單端輸入轉(zhuǎn)換單端輸入轉(zhuǎn)換為雙端輸入為雙端輸入vi1 = vi2 = vi / 2beslcd2/rrrrav單端輸入單端輸出單端輸入單端輸出 通過從通過從 t1 或或 t2 的集電極輸出，可以得的集電極輸出，可以得到輸出與輸入之間或電位反相或電位同相的到輸出與輸

11、入之間或電位反相或電位同相的關(guān)系。從關(guān)系。從t1的基極輸入信號，從的基極輸入信號，從c1 輸出，為輸出，為反相；從反相；從c2 輸出為同相。輸出為同相。 (2)(2)差模輸入電阻差模輸入電阻 不論是單端輸入還是雙端輸入，差模輸入不論是單端輸入還是雙端輸入，差模輸入電阻電阻rid是基本放大電路的兩倍。是基本放大電路的兩倍。besid2rrr(3)(3)輸出電阻輸出電阻 輸出電阻在輸出電阻在 單端輸出時，單端輸出時， 雙端輸出時，雙端輸出時， corr co2rr 6.3.2 6.3.2 共模狀態(tài)動態(tài)計算共模狀態(tài)動態(tài)計算 如果輸入信號極性相如果輸入信號極性相同，幅度也相同則是純共同，幅度也相同則是

12、純共模信號。如果極性相同，模信號。如果極性相同，但幅度不等，則可以認為但幅度不等，則可以認為既包含共模信號，又包含既包含共模信號，又包含差模信號，應(yīng)分開加以計差模信號，應(yīng)分開加以計算，如圖算，如圖06.07所示。所示。 例如溫漂信號屬共模信號，它對差分放大電路中例如溫漂信號屬共模信號，它對差分放大電路中ic1和和ic2的影響相同。的影響相同。圖圖06.07共模差模信共模差模信 號混合的情況號混合的情況 計算共模放大倍數(shù)計算共模放大倍數(shù)avc的微變等效電路，如圖的微變等效電路，如圖06.08 所所示。其中示。其中re用用2re等效，這與差模時不同。等效，這與差模時不同。avc的大小，取的大小，取

13、決于差分電路的對稱性，雙端輸出時可以認為等于零。單決于差分電路的對稱性，雙端輸出時可以認為等于零。單端輸出時為端輸出時為: elebeblicoc1c22)1 (=rrrrrrvvav圖圖06.08 共模微變等效電路共模微變等效電路(1) (1) 共模放大倍數(shù)共模放大倍數(shù)a av vc c(2)(2)共模抑制比共模抑制比 共模抑制比共模抑制比kcmr是差分放大器的一個重是差分放大器的一個重要指標。要指標。cdcmrvvaakdblg20cdcmrvvaak，或bebeelbeblcmr2/)(2/rrrrrrrrk 雙端輸出時雙端輸出時kcmr可認為等于無窮大，單端可認為等于無窮大，單端輸出時

14、共模抑制比輸出時共模抑制比(動畫6-2)6.3.3 恒流源差分放大電路恒流源差分放大電路 為了提高共模抑制比應(yīng)加大為了提高共模抑制比應(yīng)加大re 。但。但re加大后，為保證加大后，為保證工作點不變，必須提高負電源，這是不經(jīng)濟的。為此可用工作點不變，必須提高負電源，這是不經(jīng)濟的。為此可用恒流源恒流源t3來代替來代替re 。恒流源電流數(shù)值為恒流源電流數(shù)值為ie =(vz - - vbe3 )/ re 圖圖06.09恒流源差分放大電路恒流源差分放大電路 恒流源動態(tài)電阻大，可提高恒流源動態(tài)電阻大，可提高共模抑制比。同時恒流源的管壓共模抑制比。同時恒流源的管壓降只有幾伏，可不必提高負電源降只有幾伏，可不必

15、提高負電源之值。這種電路稱為恒流源差分之值。這種電路稱為恒流源差分放大電路，電路如圖放大電路，電路如圖06.09所示。所示。07 07 多級放大電路多級放大電路多級放大電路概述多級放大電路概述7.17.2直接耦合多級放大電路直接耦合多級放大電路7.3多級放大電路電壓放大倍數(shù)的計算多級放大電路電壓放大倍數(shù)的計算7.4變壓器耦合的特點變壓器耦合的特點多級放大電路的放大倍數(shù)多級放大電路的放大倍數(shù) niinaaaaaa1=3217.1.17.1.1耦合形式耦合形式7.1.27.1.2零點漂移零點漂移7.1 多級放大電路概述7.1.1 耦合形式 多級放大電路的連接，產(chǎn)生了單元電路間的多級放大電路的連接，

16、產(chǎn)生了單元電路間的級聯(lián)問題，即耦合問題。放大電路的級間耦合必級聯(lián)問題，即耦合問題。放大電路的級間耦合必須要保證信號的傳輸，且保證各級的靜態(tài)工作點須要保證信號的傳輸，且保證各級的靜態(tài)工作點正確。正確。 耦合電路采用直接連接或電阻連接，耦合電路采用直接連接或電阻連接，不采用電抗性元件。不采用電抗性元件。級間采用電容或變壓器耦合。級間采用電容或變壓器耦合。電抗性元件耦合，只能傳輸交流信號，電抗性元件耦合，只能傳輸交流信號，漂移信號和低頻信號不能通過。漂移信號和低頻信號不能通過。直接耦合電路可傳輸?shù)皖l甚至直流信號，因而直接耦合電路可傳輸?shù)皖l甚至直流信號，因而緩慢變化的漂移信號也可以通過直接耦合放大電路

17、。緩慢變化的漂移信號也可以通過直接耦合放大電路。直接耦合直接耦合電抗性元件耦合電抗性元件耦合根據(jù)輸入信號的根據(jù)輸入信號的性質(zhì)性質(zhì)，就可決定級間耦合電路的形式。，就可決定級間耦合電路的形式。 耦合電路的簡化形式如耦合電路的簡化形式如圖圖07.0107.01所示。所示。 直接耦合或電阻耦合使各放大級的工作點互相直接耦合或電阻耦合使各放大級的工作點互相影響，應(yīng)認真加以解決。影響，應(yīng)認真加以解決。 (a)阻容耦合阻容耦合 (b)直接耦合直接耦合 (c)變壓器耦合變壓器耦合 圖圖07.01 耦合電路的形式耦合電路的形式7.1.2 7.1.2 零點漂移零點漂移零點漂移零點漂移 是三極管的工作點隨時間而逐漸

18、偏離原有靜態(tài)是三極管的工作點隨時間而逐漸偏離原有靜態(tài)值的現(xiàn)象。值的現(xiàn)象。 產(chǎn)生零點漂移的主要原因是溫度的影響產(chǎn)生零點漂移的主要原因是溫度的影響，所以，所以有時也用有時也用溫度漂移溫度漂移或或時間漂移時間漂移來表示。工作點參數(shù)來表示。工作點參數(shù)的變化往往由相應(yīng)的指標來的變化往往由相應(yīng)的指標來衡量衡量。 一般將在一定時間內(nèi)，或一定溫度變化范圍一般將在一定時間內(nèi)，或一定溫度變化范圍內(nèi)的輸出級工作點的變化值除以放大倍數(shù)，即將內(nèi)的輸出級工作點的變化值除以放大倍數(shù)，即將輸出級的漂移值歸算到輸入級來表示的。例如輸出級的漂移值歸算到輸入級來表示的。例如 v/ c 或或 v/min 。7.1.3 7.1.3 直

19、接耦合放大電路的構(gòu)成直接耦合放大電路的構(gòu)成 直接耦合或電阻耦合使各放大級的工作直接耦合或電阻耦合使各放大級的工作點互相影響，這是構(gòu)成直接耦合多級放大電點互相影響，這是構(gòu)成直接耦合多級放大電路時必須要加以解決的問題。路時必須要加以解決的問題。電位移動直接耦合放大電路電位移動直接耦合放大電路npn+pnp組合電平移組合電平移動直接耦合放大電路動直接耦合放大電路電流源電平移動放大電路電流源電平移動放大電路(1)(1)(2)(2)(3)(3)電位移動直接耦合放大電路電位移動直接耦合放大電路(1)(1) 于是于是 vc1=vb2 vc2= vb2+ vcb2vb2（ vc1 ）這樣，集電極電位就要逐級提

20、高，為此后面的放大級這樣，集電極電位就要逐級提高，為此后面的放大級要加入較大的發(fā)射極要加入較大的發(fā)射極電阻，從而無法設(shè)置電阻，從而無法設(shè)置正確的工作點。這種正確的工作點。這種方式只適用于級數(shù)較方式只適用于級數(shù)較少的電路。少的電路。 如果將基本放大電路去掉耦合電容，前后級直如果將基本放大電路去掉耦合電容，前后級直接連接，如接連接，如圖圖07.0207.02所示。所示。 圖07.02 前后級的直接耦合 (2)(2)npn+pnp組合電平移動組合電平移動直接耦合放大電路直接耦合放大電路 級間采用級間采用npn管和管和pnp管搭配的方式，如管搭配的方式，如圖圖07.0307.03所示。由于所示。由于n

21、pnnpn管集電極電位高于基極電位，管集電極電位高于基極電位，pnp管集電極電位管集電極電位低于基極電位，它低于基極電位，它們的組合使用可避們的組合使用可避免集電極電位的逐免集電極電位的逐級升高。級升高。 圖07.03 npn和pnp管組合電流源電平移動放大電路電流源電平移動放大電路(3)(3) 但電流源交流電阻大，但電流源交流電阻大，在在r1上的信號損失相對較上的信號損失相對較小小，從而保證信號的有效，從而保證信號的有效傳遞。同時傳遞。同時, ,輸出端的直輸出端的直流電平并不高，實現(xiàn)了直流電平并不高，實現(xiàn)了直流電平的合理移動。流電平的合理移動。 在模擬集成電路中常采用一種在模擬集成電路中常采

22、用一種電流源電平移動電路電流源電平移動電路，如，如圖圖07.0407.04所示。所示。 圖圖07.04 07.04 電流源電平移動電路電流源電平移動電路 電流源在電路中的作用實際上是個有源負載，其上的直電流源在電路中的作用實際上是個有源負載，其上的直流壓降小，通過流壓降小，通過r1上的壓降可實現(xiàn)直流電平移動。上的壓降可實現(xiàn)直流電平移動。7.2 7.2 多級放大電路電壓放大倍數(shù)的計算多級放大電路電壓放大倍數(shù)的計算 在求分立元件多級放大電路的電壓放大倍數(shù)在求分立元件多級放大電路的電壓放大倍數(shù)時有兩種處理方法。時有兩種處理方法。輸入電阻法輸入電阻法開路電壓法開路電壓法 一是將后一級的輸入電阻作為前一

23、一是將后一級的輸入電阻作為前一級的負載考慮，即將第二級的輸入電阻級的負載考慮，即將第二級的輸入電阻與第一級集電極負載電阻并聯(lián)。與第一級集電極負載電阻并聯(lián)。 二是將后一級與前一級開路，計算前二是將后一級與前一級開路，計算前一級的開路電壓放大倍數(shù)和輸出電阻，并一級的開路電壓放大倍數(shù)和輸出電阻，并將其作為信號源內(nèi)阻加以考慮，共同作用將其作為信號源內(nèi)阻加以考慮，共同作用到后一級的輸入端。到后一級的輸入端。 圖圖07.05 07.05 兩級放大電路計算例兩級放大電路計算例 現(xiàn)以圖現(xiàn)以圖07.0307.03的兩級放大電路為例加以說明，有關(guān)參數(shù)的兩級放大電路為例加以說明，有關(guān)參數(shù)示于示于圖圖07.0507.

24、05中。三極管的參數(shù)為中。三極管的參數(shù)為 1= 2= =100，vbe1=vbe2=0.7 =0.7 v。計算總電壓放大倍數(shù)。分別用輸入電阻。計算總電壓放大倍數(shù)。分別用輸入電阻法和開路電壓法計算。法和開路電壓法計算。7.2.17.2.1用輸入電阻法求電壓增益用輸入電阻法求電壓增益（1 1）求靜態(tài)工作點）求靜態(tài)工作點a9.3=0.0093ma=ma7 . 2101)20/51(7 . 038. 3)+(1+)/(=e1b2b1beccbq1rrrvvima93.0bq1cq1iiv7 . 48 . 793. 012)()(=e1c1cq1cce1bq1cq1c1cq1ccceq1rrivriir

25、ivvv26. 71 . 593. 012c1cq1ccb2c1rivvvma04. 19 . 3/04. 49 . 3/ )96. 712(/ )(e2e2cccq2eq2rvviiv47. 43 . 404. 1c2cq2c2rivv96. 77 . 026. 7be2b2e2vvvv45. 396. 747. 4vvv2e2c2ceq（2 2）求電壓放大倍數(shù)）求電壓放大倍數(shù)先計算三極管的輸入電阻先計算三極管的輸入電阻k8 .204.126101300ma)(mv)(26)1 (=k1 .393.026101300ma)(mv)(26)1 (=e2bbbe2e1bbbe1irrirr電壓增

26、益電壓增益2be2i1be2i1c1vrr,3 .581 . 3)8 . 2/1 . 5(100r)/r(=a其中：r6 .1538 . 23 . 4100)/(=be2lc22rrrav8955)6.153(3.5821vvvaaa 如果求從如果求從vs算起的電壓增益，需計算第一算起的電壓增益，需計算第一級的輸入電阻級的輸入電阻ri1 =rbe1 / rb1 / rb2 =3.1/51/20 =3.1/14.4=2.55 k6436)6 .153(9 .419 .41)3 .58(55. 2155. 2+=2s1s1i1si1s1vvvvvaaaarrra7.2.27.2.2用開路電壓法求電壓增益用開路電壓法求電壓增益 第一級的開路電壓增益第一級的開