電流源電路和差動(dòng)(又稱差分)放大電路

第3章電流源電路和差動(dòng)(又稱差分)放大電路內(nèi)容提要：本章首先討論常用在集成運(yùn)放中的幾種電流源的形式及其主要應(yīng)用，然后討論差動(dòng)放大電路的工作原理及計(jì)算。本章重點(diǎn)：鏡像電流源、比例電流源、微電流源、I和人的計(jì)算。R典型差動(dòng)放大電路的工作原理及計(jì)算。學(xué)習(xí)要求：掌握電流源電路結(jié)構(gòu)及基本特性，主要包括基本鏡像電流源、比例電流源、微電流源，會(huì)分析其鏡像關(guān)系及其輸出電阻。2?掌握差模信號(hào)、共模信號(hào)的定義與特點(diǎn)。掌握長(zhǎng)尾型和恒流源共模負(fù)反饋兩種射極耦合，差動(dòng)放大器的電路結(jié)構(gòu)、特點(diǎn)，會(huì)熟練計(jì)算電路的靜態(tài)工作點(diǎn)，熟悉電路的4種連接方式及輸入輸出電壓信號(hào)之間的相位關(guān)系。要求會(huì)熟練分析差動(dòng)放大器對(duì)差模小信號(hào)輸入時(shí)的放大特性，共模抑制比。會(huì)畫出微變等效電路，會(huì)計(jì)算AVd、R.d、Rd、Kcmr。VdidodCMR5?會(huì)運(yùn)用晶體管工作在有源區(qū)時(shí)的大信號(hào)特性方程ic=Isexp(Vbe/Vt)分析研究差動(dòng)放大器的差模傳輸特性。了解基本的差動(dòng)放大器線性放大的輸入動(dòng)態(tài)范圍和擴(kuò)大線性輸入動(dòng)態(tài)范圍的辦法。6.定性了解差動(dòng)放大器的各種非理想特性，如輸入失調(diào)特性、共模輸入電壓范圍等。3.1電流源電路圖3.1.1三極管電流源電路3.1.1三極管電流源圖3.1.1三極管電流源電路電流源是模擬集成電路中廣泛使用的一種單元電路，如圖3.1.1所示。對(duì)電流源的主要要求是：能輸出符合要求的直流電流I。O交流電阻盡可能大。三極管射極偏置電路由VCC、Rb1、Rb2和R組成，當(dāng)VCC、Rb1、Rb2、R確定之后，基CCb1b2e CCb1b2e極電位VB固定(Ib—定)，可以推知I基本恒定。從三極管的輸出特性曲線可以看出：三B b c極管工作在放大區(qū)時(shí)，I具有近似恒流的性質(zhì)。當(dāng)Ib一定時(shí)，三極管的直流電阻R=Vceq，c b CEICQVCEQ一般為幾伏，所以rce不大。交流電阻為r二需，為幾十千歐至幾百千歐。ceAIC3.1.2MOS單管電流源耗盡型MOS管組成單管電流源，如圖3.1.2所示。由交流等效電路圖3.1.3得：i=iso<v=-iRgss(i-gv)r+iR=vsmgsdss ovR=—o=R+(1+gR)roi mdsoa(1+gR)rmds在分立元件電路中和某些模擬集成電路中，常用JFET接成的電流源。圖3.1.2圖3.1.2耗盡型MOS管電流源圖3.1.3交流等效電路3.1.3基本鏡像電流源基本鏡像電流源電路如圖3.1.4所示。T1、T2參數(shù)完全相同(即01=02,/ceO1=/ceO2)。原理：因?yàn)閂BE1=VBE2，所以IC1=IC2I=I+2I=I+2—REFC1 BC1 p

REF基準(zhǔn)電流：I=C1^EF—=推出，當(dāng)02REF基準(zhǔn)電流：I=C1^EF—=推出，當(dāng)02時(shí)，/c2=/Ci-/ref=V-VVCCBEaCC-RR相等。優(yōu)點(diǎn)：（DQFref，即IC2不僅由/ref確定，且總與/ref（2）T1對(duì)T2具有溫度補(bǔ)償作用，IC2溫度穩(wěn)定性能好（設(shè)溫度增大，使IC2增大，則IC1增大，而Iref一定，因此IB減少，所以IC2減少）。缺點(diǎn)：圖3.1.4基本鏡像電流源電路（1） IREF（即IC2）受電源變化的影響大，故要求電源十分穩(wěn)定。REF C2（2） 適用于較大工作電流（mA數(shù)量級(jí)）的場(chǎng)合。若要IC2下降，則R就必須增大,這在集成電路中因制作大阻值電阻需要占用較大的硅片面積。（3） 交流等效電阻R不夠大，恒流特性不理想。O（4） IC2與Iref的鏡像精度決定于卩。當(dāng)卩較小時(shí)，IC2與IREF的差別不能忽略。1.帶有緩沖級(jí)的基本鏡像電流源（改進(jìn)電路一）圖3.1.5是帶有緩沖級(jí)的基本鏡像電流源，它是針對(duì)基本鏡像電流源缺點(diǎn)（4）進(jìn)行的改進(jìn)，兩者不同之處在于它增加了三極管丁3，其目的是減少三極管p、三極管^的IB對(duì)312BIR的分流作用，提高鏡像精度，減少“值不夠大帶來(lái)的影響。R二I+1二卩I+1二卩I+kC1B31B1B31B132I 2圖3.1.5基本鏡像電流源=PI+呂7=I(卩圖3.1.5基本鏡像電流源1Bp+1B1p+133,P(P+1)+2P(P+1)+2I=I?十3 =1——3 ?oBP+1 P+1PI=I=I1I

o—C21+2/[P(P+1)]R13此時(shí)鏡像成立的條件為久03+1）>>2，這條件比較容易滿足?；蛘哒f(shuō)，要保持同樣的鏡像精度，允許T的“值相對(duì)低些。比例電流源（改進(jìn)電路二）圖3.1.6是帶有發(fā)射極電阻的鏡像電流源，它是針對(duì)基本鏡像電流源缺點(diǎn)（3）進(jìn)行的改進(jìn)，其中R尸R2,兩管輸入仍有對(duì)稱性，所以：12I=1/o-1+2/pRIR+V+1R=VRBEE11CCV-VIaCCBE豐IRR+Ro1

圖3.1.6鏡像電流源及其等效電路求^的輸出電阻R:圖3.1.6鏡像電流源及其等效電路v=(i-pi)r+iRo obce ee2R=R//(R+r) //RBe1De1i(R+r)+iR=0bB be ee2i=i+ie boRR=r+R+e2 (pr-R)ocee2r+R+R cee2beBe2心r(1+ PRe2 )cer+R+RbeBe2輸出阻值較大，所以這種電流源具有很好的恒流特性。溫度穩(wěn)定性比基本的電流源好得多。若此電路r,不等于r2,貝y：12VBE1+IE1R1=VBE2+IE2R2(式中,IE1即IR,IE2即I)E1RE2o(V -V)+IRIaBE1BE2 R_eloRe2參數(shù)對(duì)稱的兩管在IC相差10倍以內(nèi)時(shí),|V-V|<60mV。BE1BE1所以，如果I與IR接近，或IR較大，則avre可忽略。oR R BERIaelIoRRe2即只要合理選擇兩T射極電阻的比例，可得合適的I、R。因此，此電流源又稱為比O O例電流源。3.1.4微電流源有些情況下，要求得到極其微小的輸出電流IC2,這時(shí)可令比例電流源中的R,=0，如圖3.1.7即可以在R2不大的情況e1 e2下得到微電流IC2。原理：當(dāng)IR一定時(shí)，Io可確定為：RoV-V=IR=AVBE1BE2E2e2BETOC\o"1-5"\h\zV -V AVIaI=BElBE2=BEoE2R Re2 e2可見(jiàn)，利用兩管基-射電壓差A(yù)V可以控制I。由于AVBE o BE的數(shù)值小，用阻值不大的R2即可得微小的工作電流一微電e2流源。圖3.1.7微電流源電路R圖3.1.7微電流源電路R=r(1+ocer+R+Rbe15e2微電流源特點(diǎn)：（1）耳，T2是對(duì)管，基極相連，當(dāng)VCC、R、R2已知時(shí)，IRE『（略去VBE）,1 2 CC e2 REFR BE當(dāng)VBE1、vbe2為定值時(shí)，I二f也確定了。BE1BE2 C2Re2（2） 當(dāng)VCC變化時(shí)，Iref、AVBe也變化，由于Re2的值一般為千歐級(jí)，變化部分主要降至Re2上，即AVbe2<<AVBe1，則IC2的變化遠(yuǎn)小于Ir：f的變化。因此電源電壓波動(dòng)對(duì)工作電流IC2影響不大。（3） T1管對(duì)T2管有溫度補(bǔ)償作用，，C2的溫度穩(wěn)定性好?？偟恼f(shuō)來(lái)，電流“小”而“穩(wěn)”。小一一R不大時(shí)IC2可以很小（微安量級(jí)）。穩(wěn)一-2（負(fù)反饋）使恒流特性好，溫度特性TOC\o"1-5"\h\zC2 e2好，受電源變化影響小。進(jìn)一步，電流的數(shù)學(xué)關(guān)系為：\o"CurrentDocument"IR=V -Voe2BE1BE2I~IeV/VC sBETV=Vln厶

BE TIsIR=V(lnC1—lnC2)

oe2TII

ss=26(mV)Ins26(mV)I= lnoRIe2C2=10C2IR=261nl0~60mVC2e即電流每增加10倍，IC2R總是增加60mV。因此得到電流每增加10倍，R上的電壓C2ee增加60mV的簡(jiǎn)單數(shù)學(xué)關(guān)系式，使計(jì)算十分方便。思考：若要求提供10卩A的輸出電流，使用VCC=6V的電源，R=19kQ，你如何設(shè)計(jì)這個(gè)電流源？答案V-V=—CC BE1V-V=—CC BE1REF R6—0.719x103=0.3mA，R=22610x10-3ln300=偵。3.1.5串接電流源為獲得更高的輸出電阻，利用T3,T4組成的基本電流源代替Re1，Re2，主要是用T4的輸出電阻代替R2。由圖3.1.8得： 6 6e2V-2VI=CCBERRI=（P+1）I+?=I+yrR B1PE1P

E1B+1C3=（2+卩）IB=（2+P乍E1BI=（1+卩）I=（1+卩）」TOC\o"1-5"\h\zC4 B2 卩1 InI= I~0 4 2n 1+4/0+002再由電路圖及等效電路圖3.1.9可求出輸入電流及輸出電阻％再由電路圖及等效電路圖3.1.9可求出輸入電流及輸出電阻％圖3.1.8串接電流源電路圖圖3.1.9等效電路圖0rR宀r（1+ ce4 ）宀（1+0）r0ce2R+r+rce2

Bbe2ce43.1.6電流源的主要應(yīng)用前面曾提到，增大R可以提高共射放大電路的電壓增益，但是，R不能很大，因?yàn)樵贑 C集成工藝中制造大電阻的代價(jià)太高，而且，在電源電壓不變的情況下，Rc越大，導(dǎo)致輸出C幅度越小。那么，能否找到一種元件代替R,其動(dòng)態(tài)電阻大，使得電壓增益增大，但靜態(tài)C電阻較小，因而不致于減小輸出幅度呢？自然地，可以考慮晶體管恒流源。由于電流源具有直流電阻小，交流電阻大的特點(diǎn)，在模擬集成電路中較為廣泛地把它作負(fù)載使用——有源負(fù)載，如圖3.1.10所示。圖3.1.10鏡像電流源作為圖3.1.10鏡像電流源作為T,集電極R1c圖3.1.11等效電路圖從等效電路可知，電流源提供了比較大的R，這樣，可使AV達(dá)到甚至更高。VR—r//roce1ce2彳B(r,11r2//Rl)R—r//roce1ce2^^A— celce2 .'Vrbc1電流源也可用作射極負(fù)載(R)。e練習(xí)題1.在圖3.1.12的小鏡像恒流源電路中，已知VCC=30V,電阻R=30kQ,Vb=0.6V,T=300K,CC be要求輸出電流I為10卩A。試確定R的值。oe答案R=11.9kQe2.在圖3.1.132.在圖3.1.13鏡像恒流電路中，三極管T］、T2、T3完全對(duì)稱。圖3.1.12小鏡像恒流源電路圖3.1.13鏡像恒流電路答案—1—1R(1-2卩2+2P+2I=1mAo圖3.2.1圖3.2.1基本差動(dòng)式放大器3.2差動(dòng)放大電路3.2.1基本差動(dòng)放大電路在直接耦合放大電路中提到了零漂的問(wèn)題,抑制零漂的方法一般有如下幾個(gè)方面：（1）選用高質(zhì)量的硅管。（2）采用補(bǔ)償?shù)姆椒?用一個(gè)熱敏元件,抵消IC受溫度影響的變化。（3）采用差動(dòng)放大電路。本節(jié)詳細(xì)討論差動(dòng)放大器的工作原理和基本性能,如圖3.2.1所示。基本差動(dòng)式放大器如圖3.2.1所示。

T］、T2——特性相同的晶體管。電路對(duì)稱，參數(shù)也對(duì)稱，如:VBE1=VBE2=VBE，Rc1=Rc2=Rc，Rb1=Rb2=Rb，Rs1=Rs2=Rs，電路有兩個(gè)輸入端：耳端，b2端；有個(gè)輸出端：C］端，c2端。在分析電路特性之前，必須熟悉兩個(gè)基本概念——共模信號(hào)和差模信號(hào)1.差放有兩輸入端，可分別加上輸入信號(hào)vs1、vs2若v1=-v2――差模輸入信號(hào)，大小相等，對(duì)共同端極性相反的兩個(gè)信號(hào)，用vd表示。1 2 d若v1=v2――共模輸入信號(hào)，大小相等，對(duì)共同端的極性相同，按共同模式變化的信12號(hào)，用vc表示。c實(shí)際上，對(duì)于任何輸入信號(hào)和輸出信號(hào)，都是差模信號(hào)和共模信號(hào)的合成，為分析簡(jiǎn)便，將它們分開(kāi)討論?？紤]到電路的對(duì)稱性和兩信號(hào)共同作用的效果有：TOC\o"1-5"\h\z1 1 1 1 v叮一一v+v+v一v=v+rd-11 2 1 2 2 2 1 2 2 c 21 1 1 1 vivc——v+v-v+v=v——sd22 2 1 2 2 2 1 2 2 c 2于是，此時(shí)相應(yīng)的差模輸入信號(hào)為：vd=v1-v2差模信號(hào)是兩個(gè)輸入信號(hào)之差，即v1、v2中含有大小相等極性相反的一對(duì)d1 2 1 2信號(hào)。共模信號(hào)：v=(v1+v9)/2共模信號(hào)則是二者的算術(shù)平均值，即v「v2中含有大小相c1212等，極性相同的一對(duì)信號(hào)。即對(duì)于差放電路輸入端的兩個(gè)任意大小和極性的輸入信號(hào)v11和v2均可分解為相應(yīng)的差模信號(hào)和共模輸入信號(hào)兩部分。2例：如圖3.2.2所示，v=5mV，v尸lmV,則v,=5T=4mV,v=0.5(5+1)=3mV。12dc也就是說(shuō)，兩個(gè)輸入信號(hào)可看作是圖3.2.2差動(dòng)式放大電路圖3.2.2差動(dòng)式放大電路v=v+v1c2d1v-v一v2c2dv,=5mV—3mV+2mV1vc=1mVf-3mV+2mV2差模輸入信號(hào)vd=4mV和共模輸入信號(hào)dvc=3mV疊加而成。c放大電路對(duì)差模輸入信號(hào)的放大倍數(shù)稱為2．差模信號(hào)和共模信號(hào)的放大倍數(shù)放大電路對(duì)差模輸入信號(hào)的放大倍數(shù)稱為差模電壓放大倍數(shù)AVD:AVD=v°/vsd。放大電路對(duì)共模輸入信號(hào)的放大倍數(shù)稱為共模電壓放大倍數(shù)A：A=v/v。VCVCosc可利用疊加原理求放大電路總的輸出在差、共模信號(hào)同存情況下，線性工作情況中，可利用疊加原理求放大電路總的輸出v=AoVDv=AoVDvsd+AVCvscbi電壓v。ovo=AVDvsd+AVCvsc例：設(shè)有一個(gè)理想差動(dòng)放大器，已知：v,=25mV,v2=10mV,AVD=100,AVC=0。差模s1 s2 VD VC輸入電壓vd=mV；共模輸入電壓v=mV；輸出電壓v=mV。sd sc o答案v=v-v=15mVsds1s2v=(v+v)/2=35/2=17.5mV，scs1s2=100x15+0x17.5=1500mV3.2.2差放電路的工作原理靜態(tài)分析，因沒(méi)有輸入信號(hào)，即v產(chǎn)v2=012時(shí)，由于電路完全對(duì)稱：ii=i=i=c1c2c2Ri=Ric1c1c2c2v=v-v=0oc1c2所以輸入為0時(shí)，輸出也為0。加入差模信號(hào)時(shí)，即v=-v=爲(wèi)。s1s22從電路看：v增大使得i'b1增大，使i.增大b1 b1 c1使得v1減小。vb2減小使得ib2減小，又使i2減小，b2 b2 2使得v增大。 圖3.2.3差動(dòng)式放大電路2由此可推出：v=v1-v2=2v（v為每管變化量）。若在輸入端加共模信號(hào)，即v1=v2o由于電路的對(duì)o1 2 s1s2稱性和恒流源偏置，理想情況下，v=0,無(wú)輸出。o這就是所謂“差動(dòng)”的意思：兩個(gè)輸入端之間有差別，輸出端才有變動(dòng)。3.在差動(dòng)式電路中，無(wú)論是溫度的變化，還是電流源的波動(dòng)都會(huì)引起兩個(gè)三極管的iC及v的變化。這個(gè)效果相當(dāng)于在兩個(gè)輸入端加入了共模信號(hào)，理想情況下，v不變從而抑o制了零漂。當(dāng)然實(shí)際情況下，要做到兩管完全對(duì)稱和理想恒流源是比較困難的，但輸出漂移電壓將大為減小。綜上分析，放大差模信號(hào)，抑制共模信號(hào)是差放的基本特征。通常情況下，我們感興趣的是差模輸入信號(hào)，對(duì)于這部分有用信號(hào)，希望得到盡可能大的放大倍數(shù)；而共模輸入信號(hào)可能反映由于溫度變化而產(chǎn)生的漂移信號(hào)或隨輸入信號(hào)一起進(jìn)入放大電路的某種干擾信號(hào)，對(duì)于這樣的共模輸入信號(hào)我們希望盡量地加以抑制，不予放大傳送。凡是對(duì)差放兩管基極作用相同的信號(hào)都是共模信號(hào)。常見(jiàn)的有：（1）vi1不等于-v.2,信號(hào)中含有共模信號(hào)；（2）干擾信號(hào)（通常是同時(shí)作用于輸入端）；i1 i2（3）溫漂。靜態(tài)估算：3.2.3靜態(tài)估算：3.2.3差放電路的動(dòng)態(tài)分析ii=i=i=c1c2c2v=v=V-iRc1c2CCcc..i.ii=i—C=i=二blb2卩b 2卩v=v=—iRb1b2bs差放電路有兩個(gè)輸入端和兩個(gè)輸出端。同樣，輸出也分雙端輸出和單端輸出方式。組合起來(lái)，有4種連接方式：雙端輸入雙端輸出、雙入單出、單入雙出、單入單出。1．雙入雙出（1）輸入為差模方式：v=—v=^sr，若i1上升，而i2下降。電路完全對(duì)稱時(shí)，則S1S22c1c2IAiI=IAi」因?yàn)镮不變，因此△v=0（v=v，v=v）。c1c2 eo1c1o2c20RR+0RR+rsbeA=―L=―ol 02= =—o1=-VDv v—v 2v v0R'L-R+rVDsds1s2s1s1即AVC=A1（共發(fā)射單管放大電路的放大倍數(shù)）。有負(fù)載0R'L-R+rVDsbeR'=R//R/2）LcL圖3.2.4差動(dòng)放大器共模輸入交流通路及其等效電路CA圖3.2.4差動(dòng)放大器共模輸入交流通路及其等效電路CA因?yàn)镽L的中點(diǎn)是交流地電位，因此在其交流通路中，電路中線上各點(diǎn)均為交流接地，由此可畫出信號(hào)的交流通路如圖3.2.4所示，由上面的計(jì)算可見(jiàn)，負(fù)載在電路完全對(duì)稱，雙入雙出的情況下，AVD=A1，可見(jiàn)該電路使用成倍的元器件換取抑制零漂的能力。差模輸入電阻R.——從兩個(gè)輸入端看進(jìn)去的等效電阻R=2rb。i ibe差模輸出電阻R的值為R=2RoocRo、Ri是單管的兩倍。oi（2）輸入為共模方式：v】=v2，此時(shí)變化量相等，v】=v2

vv—vv—vTOC\o"1-5"\h\zA=―=— =—cl =0VCvv vsc sc sc實(shí)際上，電路完全對(duì)稱是不容易的，但即使這樣，AVC也很小，放大電路的抑制共模能力還是很強(qiáng)的。2．雙入單出對(duì)于差模信號(hào)：o1PR'由于另一三極管的c極沒(méi)有利用，因此o1PR'A=—A=— l—VD21 2R+rsbR'=R//R）LcL差模輸入電阻：RiRi=2rbei beR=R。o c1差模輸出電阻：對(duì)于共模信號(hào)，因?yàn)閮蛇呺娏魍瑫r(shí)增大或同時(shí)減小，因此在e處得到的是兩倍的i。ev=2iR，這相當(dāng)于其交流通路中每個(gè)射極接2R電阻。（R 恒流源交流等效電阻）eee e e人 vA=—oiVCvPR'=— PR'=— L—R+r+(1+P)2Rsbe eR'=L—2Re當(dāng)R上升，即恒流源越接近理想的情況，AVC越小，抑制共模信號(hào)能力越強(qiáng)。TOC\o"1-5"\h\ze VC3．單入雙出、單出若v1=vi>0,則i,增大，使i,也增大，v增大。由于T2的b級(jí)通過(guò)R接地，如圖3.2.6s1i c1 e1 e 2 s所示，則vBE2=0-ve=-ve，所以有vBE2減小，ic2也減小。整個(gè)過(guò)程，在單端輸入vs的作用下,

兩T的電流為iI增加，i2減少。所以單端輸入時(shí)，差動(dòng)放大的T2仍然工作在差動(dòng)

c1 c2 1 2圖3.2.6單端輸入、雙端輸出電路圖圖3.2.6單端輸入、雙端輸出電路圖3252Re為等效電阻狀態(tài)。s1is2從另一方面理解：v,=v.,v2=0將單端輸入信號(hào)分解成為一個(gè)差模信號(hào)vd和共模信號(hào)vsd scs1is2v=v-v=vsds1s2i(v+v)vv=si s2=-nTOC\o"1-5"\h\zsc 2 2將兩個(gè)輸入端的信號(hào)看作由共模信號(hào)和差模信號(hào)疊加而成，即\o"CurrentDocument"v+v v vv=—sc sd=—iH is12 2 2v—i2vv—i2v=scsd

s22電路輸出端總電壓為：vo=Avcvsc+AVDvsd0R0RL-RHrsbeTOC\o"1-5"\h\zA =0，A =VC VD1)如為雙端輸出，則似雙入雙出中分析(R=R//0.5R)Lc Lv=Av=AvoVDsdVDi即可看為單入雙出時(shí)的輸出v與雙入雙出相同。O(2)如為單端輸出(設(shè)從耳，c極輸出)，則似雙入單出中分析TOC\o"1-5"\h\zA=- 0Rl' "-車VCRHrH(1H0)2R 2Rsbe e e(RL'=Rc//RL)LcL人 0RA=—L VD 2(RHr)sbe’ ’ Av+Avv=Av+Av=VD4V^

oVDsdVCsc 2(3)差模輸入電阻：當(dāng)R很大時(shí)(開(kāi)路)，可近似認(rèn)為R.與差動(dòng)輸入時(shí)相似R.~2rbe i ibe(4)輸出電阻：雙出：R=2Roc單出：R=Roc注：對(duì)于單入單出的情況，從兒的c極輸出，和從T2的c極輸出時(shí)輸入，輸出的相位關(guān)系是不同的。從兒的c極輸出如圖3.2.7所示。TOC\o"1-5"\h\z設(shè)v.的瞬時(shí)極性大于零，則i,增大，v】減小，所以輸出與輸入電壓相位相反，所以i c1 c1AVD<0。從T2的c極輸出如圖3.2.8所示。設(shè)v.的瞬時(shí)極性大于零，則i,增大，v增大，使得v減小，所以i2減小，v2增大,i 1 e BE2 2 2輸入輸出相位相同。所以AVD>0。由以上分析可知在單入單出差放電路中，如果從某個(gè)三極管的b極輸入，然后從同一個(gè)T的c極輸出，則v和v.反相；如果從另一T的c極輸出，則v和v.同相。順便提一下,o. o.在單出的情況下，常將不輸出的三極管的R省去，而將T的c極直接接到電源VCC上。c CC

圖3.2.7從兒的圖3.2.7從兒的c極輸出圖328從T2的c極輸出3.2.4共模抑制比共模抑制比KCmr是衡量差放抑制共模信號(hào)能力的一項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)。定義：A定義：K =1—VD|CMRA有時(shí)用分貝數(shù)表示：VC有時(shí)用分貝數(shù)表示：AK 二201g|TDldBCMRAVCAvd越大，AVC越小，則共模抑制能力越強(qiáng)，放大器的性能越優(yōu)良，所以K越大越好。在差放電路中，若電路完全對(duì)稱，如圖3.2.9所示，則有：圖3.2.9圖3.2.9基本差動(dòng)放大電路在共模輸入時(shí)的交流通路（1）雙端輸出時(shí)，Kcmr趨于無(wú)窮（AvC-0）o0R20RAK=|VD|心一:_e—cmrA R+rVC sbe由此得，恒流源的交流電阻R越大，K越大，抑制共模信號(hào)能力越強(qiáng)。ev=Av+Av

oVDsdVCsc

人 A=Av+vdvVDsdKscv/v

=Av(1+~scs^)

VDsdKCMR由此知，設(shè)計(jì)放大器時(shí)，必須至少使Kcmr>v/vd。例如：設(shè)Kcmr=1000，v=1mV,CMRscsd CMR sc

V,=1gV，貝—scsd=1。sdKCMR這就是說(shuō)，當(dāng)K=1000時(shí)，兩端輸入信號(hào)差為1卩V時(shí)所得輸出v與兩端加同極性信號(hào)o1mV所得輸出v相等。若Kcmr=10000，則后項(xiàng)只有前項(xiàng)V,=1gV，貝—scsd=1。sdKCMR這就是說(shuō)，當(dāng)K=1000時(shí)，兩端輸入信號(hào)差為1卩V時(shí)所得輸出v與兩端加同極性信號(hào)o1mV所得輸出v相等。若Kcmr=10000，則后項(xiàng)只有前項(xiàng)1/10，再一次說(shuō)明K越大，抑制o CMR共模信號(hào)的能力越強(qiáng)。例題一設(shè)長(zhǎng)尾式差放電路中，R=30kQ,R=5kQ,R=20kQ,V=KC=15V，俟50,c s e CCEEr=4kQ。本題電路如圖3.2.10所示。be（1） 求雙端輸出時(shí)的AVD；（2） 從兒的c極單端輸出，求Avd、Avc、KCMr；（3） 在（b）的條件下，設(shè)Vj=5mV,v2=1mV,求v；s1 s2 o（4） 設(shè)原電路的R不完全對(duì)稱，而是R1=30kQ,R2=29kQ，求雙出時(shí)的K。c c1 c2 CMR解：雙出時(shí)：A 0R「__50x30VD_R+r_5+4sbe

_166.7單出時(shí)，AVD為雙出時(shí)的一半：A一丄仝__150X30__83.3VD2R+r25+4sbe0R 50x30A__ c VD_R+r+2(1+0)R~5+4+2x51x20sbe eG+%.圖3.2.10長(zhǎng)尾式差放電路_0.732KCMRA_H^Dl_1AVC1.383)v=5mV，v=1mVs1 s2v=v-v=5-1=4mVsds1s2vsc=0.5(vs1+vs2)=0.5x(5+1)=3mV(4)R,不等于R2,則12v=Av+Av=(-83.3x4)+(0.732x3)=-335.4mVovdsdvcsc10R10R_— c1— c2VD2R+r2R+rsbesbeTf50X(30_29)_163.95+40RVCR+r+2(1+0)R R+r+2(1+0)Rsbe esbe e_50x(3029)/(5+4+2x51x20)_0.0244所以AK =IfI=6717CMRAVC因此IAVCI仍比單出時(shí)小得多；而IAVDI比單出大。所以Kcmr比單出時(shí)高得多。例題二改進(jìn)型差放電路（它用電流源代替a長(zhǎng)尾R,并加電位器RP，用于調(diào)整RP不對(duì)稱的情況。）集成運(yùn)放因此IAVCI仍比單出時(shí)小得多；而IAVDI比單出大。所以Kcmr比單出時(shí)高得多。例題二改進(jìn)型差放電路（它用電流源代替a長(zhǎng)尾R,并加電位器RP，用于調(diào)整RP不對(duì)稱的情況。）集成運(yùn)放BG305的輸入級(jí)如圖3.2.11所示，各T的y^1=y^2=30，”3=04=05="6=50，各T的vBE=0.7V，Rb=100kQ,Rc=50kQ,Rp=10kQ（滑動(dòng)端調(diào)至中點(diǎn)），R=1kQ,，RL即第二級(jí)的R.eL為23.2kQ。求：（1）2）（3）解：該放大級(jí)的靜態(tài)工作點(diǎn)；差動(dòng)放大倍數(shù)AVD；差動(dòng)輸入電阻R.,差動(dòng)輸出電阻R。io流為：（D當(dāng)T5的基極電流可忽略時(shí)，流過(guò)Rb的電e圖3.2.11改進(jìn)型差放電路TV_(—V)-VI=CC cc—^E6=15+15一°75.3mA則I心IC5E5 CC—R+RbeV+1—V 0.7+0.3—0.7「人班6 BE5= =0.3mARe100+1=0.5xI=0.5x0.3=0.15mA=150uAC3C4 C5V=V~V—I(R+0.5R)=15—0.15x55~6.75VC3C4CCC3C WI 150「-C3=——=3uAE1E2B3B40 503=I=I=I=I3=I=C1心0.1uA=100nA0 301B1B22）圖3212T］、t3復(fù)合為一個(gè)三極管r=r+(1+0)r,0宀00

bebe1 be3 13由IE1=3yA,IE3=0.15mA26 51x26r=r=200+(1+0) =200+ - ?9.1kQbe3 be4 3I 0.15E3則 r=269+31-9.1心551kQ,0心30-50心1500beVD3)0(R+0.5RVD3)0(R+0.5R)//牙—1500X9.6551心一26beR.=2r=2x551kQ=1.1MQbeR=2R+Rp=110kQ例題三如圖3.2.13所示，靜態(tài)時(shí)：IC1=IC2=I/2,IC3^IC1=IC4^I例題三如圖3.2.13所示，靜態(tài)時(shí)：IC1=IC2=I/2,IC3^IC1=IC4^IC2利用鏡像電流源還可使單端輸出的差放AVD提高近一倍,解：電流源一倍。ic3=ic4ic1oC4i=i-ssc1V一V■o2■otvidi=ic4-ic2C2=0,vid：有ic1,c1ic2=-ic1。(-")=21],即輸出電流比單端輸出時(shí)大了VDid2iTC+ce4?rb1be1b10Rbe1例題四JFEF組成的差放電路如圖3.2.14所示，計(jì)算雙入雙出差模放大倍數(shù)AVD和單端共模放大倍數(shù)AVC。?+Foc—Fee圖3.2.13單端輸出差放電路DRd7?dRdvoiSnVgs圖3.2.14共模輸入信號(hào)等效電路圖3.2.15關(guān)系曲線解：A—Fee圖3.2.13單端輸出差放電路DRd7?dRdvoiSnVgs圖3.2.14共模輸入信號(hào)等效電路圖3.2.15關(guān)系曲線解：A■of—V gRq-VgRVD=-gRdi1i2gsgs

4v 一vgR gRA =—oT= gsm_D =— m_D vcvv+vg2R 1+2g2Ric gsgsms ms3.2.5差放電路的傳輸特性1.傳輸特性傳輸特性，指輸出信號(hào)隨輸入信號(hào)變化而改變的曲線，如圖3.2.16所示，此關(guān)系曲線可由下面推導(dǎo)而得(由于工作范圍逐步擴(kuò)大，微變等效不適用，因此從基本關(guān)系出發(fā))：對(duì)于基本差動(dòng)式放大電路，利用三極管的b-e結(jié)V與iE間的基本關(guān)系有：BEEi宀Ieg-vE)/vTE1si宀Ie%-vE)/vTE2sif產(chǎn)=e(vBi-論叫iE2嚴(yán)cX 1 L〃EE圖3.2.16差動(dòng)放大器電路及關(guān)系曲線恒流源電流為i嚴(yán)cX 1 L〃EE圖3.2.16差動(dòng)放大器電路及關(guān)系曲線恒流源電流為iE1和iE2之和。E1E2I二i+iEEE1E2=i(1+^E2)E1iE1=i；」1+e-(vB1—vB2)/vt]E1?i[1+e_(畑—論"vt]c1由圖3.2.16左圖可知：所以同理可求vsd=vs1-vs2=vBE1-vBE2Ii= EE c11+e-vSd/vtI evsd/VT■EE-1+evSd/vti= EE-c21+evsd/vt以Vsd/VT為橫坐標(biāo)，以歸一化電流ic1/IEE和ic2/IEE為縱坐標(biāo)可得出如圖3.2.16所示的曲線，又i—ic1c2ee (evSd/vti—ic1c21+evsd/VTevSd/2VT—eevSd/2VT—e—vSd/2VTi—ii—ic1c2evsd/2VT+e-vsd/2VTEE=Ith(v/2V)EEsdT2．關(guān)系曲線的作用當(dāng)v=0電路處于靜態(tài)時(shí)i=i=i=EE-c1c22i=i-i=0cc1c2v=0，o反映了差放電路的本質(zhì)。在v.d=vsd=±vT=±26mV范圍內(nèi)電流和電壓有良好的線性關(guān)系，差動(dòng)放大器比單.dsdT管放大器非線性關(guān)系小。當(dāng)輸入電壓超過(guò)±4vT=±100mV后，按原來(lái)曲線已進(jìn)入非線性階段，兩個(gè)放大管的電流幾乎不再隨輸入電壓變化，一個(gè)T飽和，另一個(gè)T截止，差動(dòng)電路工作在非線性區(qū)，這是很有用的限幅特性，可用來(lái)構(gòu)成比較電路，信號(hào)產(chǎn)生電路等。i=i—i=Ith(—)1 2EE2VT其函數(shù)關(guān)系如圖3.2.17所示。討論(1)兩管集電極電流之和恒等于IEE，因此i,上升必然i2下降；靜態(tài)時(shí)vd=0，靜態(tài)EE 1 2 sd點(diǎn)Q為一線父點(diǎn)處i=i=i=i=ee。1q12q22差模傳輸特性是非線性的，服從雙曲線正切函數(shù)變化規(guī)律v=v—vo12=V—iR—(V—iR)CC1CC2=—(i—i)R=—iR12當(dāng)v.很小時(shí)，Ivl正比于lil,因此，Ivl正比于Iv.l。其變化規(guī)律如圖3.2.18所示。iocoi由圖3.2.18看出:當(dāng)v.=0電路處于靜態(tài)時(shí).反映了差放電路的本質(zhì)。i反映了差放電路的本質(zhì)。i=i=EE-c1c22i=i-i=0cc1c2v=0，o當(dāng)v.MO,且v.很小時(shí)，上升i2下降，在放大線性區(qū)內(nèi)，正比于△v.d。TOC\o"1-5"\h\zi i c1 c2 o id當(dāng)v.大一些時(shí)，曲線已進(jìn)入非線性階段，一個(gè)T飽和，另一個(gè)T截止（一般v.22vT. .T以后，在v>1/2vT內(nèi)有很好的線性關(guān)系，v=vT近似為線性關(guān)系）。差動(dòng)電路工作在非線性. T .T區(qū)時(shí)，可用來(lái)構(gòu)成比較電路、信號(hào)產(chǎn)生電路等。利用差放的限幅特性可構(gòu)成許多功能的電路。電流開(kāi)關(guān)為其中一種，如圖3.2.19所示。圖3.2.17圖3.2.17限幅特性圖3.2.18差模傳輸特性曲線T2：VB=vR=+3V,T,的基極輸入電壓為v.o2BR 1 .工作原理：當(dāng)v.=2V（低電平），v.d=v.-vR=-1V。此時(shí)T,止，T2通（IE全流過(guò)T2）o. .d.R 1 2 E 2v=V=12Vo1CCvo2=VCC-IERc=6Vo2CCEc當(dāng)v.=4V（高電平），v.d=v.-vR=-1V。此時(shí),T通，T2止。v’=6V,v2=12Vo. .d.R 1 2 o1 o2分析表明，在v.作用下，恒定電流交替撥向T,管和T2管，好似一個(gè)開(kāi)關(guān)稱為電流開(kāi).12關(guān)電路。其主要優(yōu)點(diǎn)：開(kāi)關(guān)速度快（T交替工作在截止、放大狀態(tài)，不會(huì)進(jìn)入飽和區(qū)，避免了因飽和帶來(lái)的儲(chǔ)存時(shí)間）。注：差放工作于大信號(hào)狀態(tài)時(shí)，v.d受截止管發(fā)射結(jié)反向擊穿電壓V（BR）EBO的限制不能無(wú)限加大。.dm （BR）EBO如圖3.2.20所示，電路中有：v=V-V=V+（-V）-（V-V）.dI1I2BE1EEBE2EE=VBE1-VBE2=VBE1+VE2viD>VBE1+V（ER）EBO,T2的。極擊穿。同理，共模輸入最大值也有限制。如圖3.2.21所示，當(dāng)v.上升到使v產(chǎn)v2時(shí)，兩三極.cc1c2管進(jìn)入飽和區(qū)?；騦v.I上升（負(fù)向增加值）到使偏置電流源輸出管進(jìn)入飽和區(qū)時(shí)，IE下降。. E這兩種情況都使差放失去對(duì)共模信號(hào)的抑制能力。3．差放線性范圍的擴(kuò)展許多情況下，差放輸入信號(hào)的幅度比vt大得多，明顯超過(guò)其線性輸入范圍。為實(shí)現(xiàn)不失真放大，需要擴(kuò)展線性范圍。辦法是在兩管射極下接入負(fù)反饋電阻R1=R2=R,如圖3.2.22e1e2e所示。4i(+3V)/h(2mA)4i(+3V)/h(2mA)占一咯圖3.2.19圖3.2.19電流開(kāi)關(guān)電路圖3.2.20T2的e極擊穿T+^cc圖3.2.21共模輸入最大值受限圖圖3.2.21共模輸入最大值受限圖3.2.22接入射極電阻圖3.2.23中，曲線變平則線性范圍擴(kuò)大，曲線斜率下降則電壓增益下降。因此，R的e選擇要兼顧線性范圍與電壓增益兩方面要求。圖3.2.23圖3.2.23增加射極電阻后的關(guān)系曲線3.2.6差動(dòng)放大電路Pspice例題Pspice例題差分式放大電路如圖3.2.24所示，電路參數(shù)如圖，Q2N3904的俟100,運(yùn)用Pspice分析該電路。（1） 輸入取頻率為1kHz，幅值為10mV的正弦信號(hào)，繪出差模輸入時(shí)，輸出電壓v,o1和v2的波形，并繪出v=v廠v2的波形；212（2） 輸入取頻率為1kHz，幅值為100mV的正弦信號(hào)，繪出共模輸入時(shí)，輸出電壓v,1波形，v2的波形，并繪出v=v1-v2的波形。212答案(1)和vo2答案(1)和vo2波形，vo波形；o2oo1o2圖3.2.24差分式放大電路(2)v1波形，v2波形，v波形。o1o2o0.5“V-0V -0.5gV--1.0%0.4ms 0.8ms 1.2ms 1.6ms圖3.2.29vo=vo1-vo2的波形oo1o23.2.7小結(jié)本章由電流源和差動(dòng)電路兩部分組成，它們都是集成運(yùn)算放大器的重要組成部分。（1）對(duì)電流源的主要要求是等效微變電阻要大，溫度變化穩(wěn)定度要好，器件參數(shù)變化時(shí)電流穩(wěn)定性要高，并在特殊場(chǎng)合下要求電流值可以控制。本章對(duì)三極管、MOS管電流源、基本鏡像電流源、比例電流源、微電流源等工作原理和過(guò)程作了較為深入地探討。（2）對(duì)差動(dòng)放大電路，主要探討了差動(dòng)放大電路在各種情況下的放大倍數(shù)，輸入輸出電阻計(jì)算。主要是圍繞抑制零點(diǎn)漂移展開(kāi)的。所謂零點(diǎn)漂移，是指v=0時(shí)無(wú)交流輸入，而S放大器輸出端出現(xiàn)靜態(tài)電壓的波動(dòng)，差動(dòng)放大為此而生，其主要利用兩管特性的對(duì)稱和共模負(fù)反饋來(lái)抑制。按輸入輸出方式分：類型A、心R..R. VD id od雙入雙出A2(r+R)2RV1‘be s