差分放大器ppt课件.ppt

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1、第四节 差分放大器,差分放大器，又称为差动放大器，是另一类基本放大器，广泛应用于集成电路中。,如图所示,它是由两个对称的共发射极放大器通过发射极电阻耦合而组成的。,对称是指：,对外电路： RC1=RC2=RC 、 RB1=RB2=RB,对晶体三极管：T1与T2 的参数相同，即,IS1=IS2=IS 、VBE(on)1=VBE(on)2 、1=2= 。,特点：,（1）、 有两个输入端与两个输出端，因此，在连接输入信号与负载时有多种方式。,（2）、电路由双电源供电，VCC=|VEE|,一、差分放大器的电路结构：,连接方式：,（1）、双端输入双端输出,（2）、双端输入单端输出,（3）、单端输入双端输

2、出,（4）、单端输入单端输出,双端输入：是指输入信号从两输入端口输入。,单端输入：是指两输入端口的任意一端口，接地短路；输入信号从另一个端口输入。,双端输出：是指输出信号从两个集电极之间取出。,单端输出：是指输出信号从任意一个集电极对地取出。,2、静态分析：,令：vi1=vi2=0,通常的情况下：,RB1=RB2=RB 很小，可以看作信号源的内阻。而值，足够大。,因此，可忽略RB的影响，VBQ1=VBQ20,IE,VBQ1,VBQ2,根据电路可知：VEQ1=VEQ2 = -VBE(on)1 = -VBE(on)2= -0.7V,在理想情况下，电路两边完全对称：,则有,所以,当 VEE 一定值时

3、，两管的集电极静态电流由RE来确定。,计算 VC1 与 VC2 的值：,根据电路的对称性得：,当放大器作为单端输出时的静态分析：,根据电路有,二、性能特点（交流特性）,1、差模信号与共模信号,、差模信号：在差分放大器两输入端分别作用着数值相等，极性相反的输入电压，即 vi1= -vi2 称它们为一对差模输入信号，用 vid 表示。,、共模信号：在差分放大器两输入端分别作用着数值相等，极性相同的输入信号，即 vi1=vi2 称它们为一对共模信号，用 vic 表示。,在实际应用中，加到差分放大器两输入端的信号电压，往往为任意信号，它们既不是差模信号，也不是共模信号。,即 vi1 与 vi2 为任意

4、电压信号。,根据这种情况进行分析：,定义：共模输入信号为,定义：差模输入信号为,就可看到，它们可分解为一对数值相等、极性相同的共模信号和一对数值相等、极性相反的差模信号之和，即,(4-4-4),其中,(4-4-5),例一、已知vi1= 10.02V 、vi2 = 9.98V ，试求差模和共模输入电压。,解：,根据定义,差模输入电压,共模输入电压,同理在输出端：设叠加在静态工作点上的输出信号电压分别为 vo1 和 vo2 。,即,采用同样的方法可将vo1 和 vo2 分解为，差模信号和共模信号：,即,定义：,共模输出电压为,差模输出电压为,通过上面的分析可知：,、差分放大器的差模性能是指，在差模

5、输入信号作用下的性能，这时由于电路完全对称在输出端只有差模电压而没有共模电压，即 vo1= -vo2 = vod/2,、差分放大器的共模性能是指，在共模输入信号作用下的性能，这时由于电路完全对称在输出端只有共模电压而没有差模电压，即 voc1= voc2 = voc,、差分放大器的性能就是差模和共模两种性能的合成。,2、差分放大器的差模性能及特点：,电路如图所示（对任意一对输入信号）,根据电路可令：vic= 0 ，电路可等效为：,由于电路两边对称，因而在差模输入信号作用下，两管集电极产生等值反向的增量电流。,因此有,静态：ICQ1=ICQ2=ICQ,当它们共同流入 REE 时：,静态：IEE=

6、2ICQ1=2ICQ2=2ICQ,从上述推论可知：流过REE 的电流仍为原静态电流IEE ，增量电流ic= 0 。,这就是说对差模信号而言，REE 可示为短路，因此，对差模信号来说，差分放大器可等效为如图所是：,交流通路,对于一个单级共发射极放大器来说，其放大器的性能为：,输入电阻,输出电阻,电压放大增益,、差模输入电阻,定义：从差分放大器两输入端看进去所呈现的视在电阻。,即,单端输入如图所示,2、差模性能,根据图（1）可知：,对1端来说：,对于2端来说：,由此，可知所谓的单端输入等效为双端输入。,输入电阻为：,、差模输出电阻：,单端输出时，任意一端的差模输出电阻（即任一端看进去对地的电阻），

7、为共发射极放大器的输出电阻。,双端输出时，差模输出电阻从两输出端看进去的视在电阻，即为两个共发射极放大器的输出电阻之和。,、差模增益,差模电压增益，是指差模输出电压对差模输入电压的比值。,即,单端输出时：a、从T1管的集电极输出,即,b 、从 T2管的集电极输出,双端输出,3、差分放大器的共模性能及特点,由于电路两边对称，因而在共模输入信号电压作用下，两管集电极产生相同的增量电流。即,静态：ICQ1=ICQ2=ICQ,当它们共同流入 REE 时：,因此，对共模信号来说，流过REE的增量电流 i=2ic，则REE不能看作对的短路，在电路中应该保留。,交流通路如图所示,、共模输入电阻：,定义： 从

8、差分放大器任一输入端看进去，对公共地呈现的视在等效电阻。,在忽略rce情况下，根据电路有,、共模输出电阻：,定义：从差分放大器的任一输出端看进去对公共地呈现的视在等效电阻。,、电压增益：,a 、单端输出电压增益（从T1管的集电极输出）,根据定义有,根据电路有,在实际电路中，一般满足 2（1+）REE rbe,所以,b 、双端输出的电压增益,4、共模抑制比,根据上面的分析可知：差分放大器的差模性能和共模性能有很大的不同，最主要的是共模电压增益远小于差模电压增益或者说相对于差模信号，差分放大器具有放大作用；对于共模信号，差分放大器具有抑制作用。,差分放大器对共模信号的抑制能力可引入一个参数来评价。

9、,即共模抑制比，用 KCMR来表示,定义为：差模电压增益与共模电压增益之比的绝对值。,即,例如、差分放大器单端输出时的共模抑制比，负载为RL 。,已知,所以,差分放大器作为双端输出时，共模抑制比。,因为,所以,共模抑制比 KCMR 越大，抑制共模信号的能力越强。,提高KCMR 的途径：,可增大gm ，即增大 IEE 。也可增大REE ，则KCMR就可相应的增大。,不过当VEE 为一定值时，随着REE 的增大，则 IEE 将减小，导致 gm 相应减小，从而影响到 KCMR 的提高。,为解决此矛盾，可采用电流源取代REE ，即采用有源负载代替REE 。,5、合成输出信号,综合上述分析：可知在任意输

10、入电压作用下，差分放大器输出电压分别为：,双端输出时：,可见，vo 仅与差模输入电压成正比，即两输入电压的差值成正比，而与共模输入电压无关，即 与两输入端电压的大小无关。,单端输出：,只要KCMR 足够的大，致使,可近似认为，任一输出端的电压与两输入电压的差值成正比。,或者令：,将vid 看作等效到输入端的差模误差电压。,如果KCMR 越大，则vid 越小，越能反映，差分放大器任一输出端的电压与两输入电压的差值成正比。,例 在图4-4-1所示差分放大电路中，已知,试求输出电压vo2。,2.,解1.,3.,4.,三、电路两边不对称对性能的影响,上面的分析讨论仅限制为电路在理想情况下，差分放大器的

11、性能，而在实际差分放大器总是存在着两边的晶体三极管的特性参数及外电路不相等的情况，虽然这种不匹配是极其微小的，但是对于某些性能的影响是比较大的。,这些性能主要是：双端输出时的共模抑制比KCMR，失调及其温漂等。,1、双端输出时的共模抑制比KCMR,分析：在电路两边对称的理想情况下，输入差模信号时，输出仅有差模信号；输入共模信号时，输出仅有共模信号。双端输出使由于两管共模输出电压相互抵消，因而差分放大器对共模信号有无限大的抑制能力。,当电路两边不对称时：在差模输入信号的作用下，两管输出电压不会严格等值反相（vo1-vo2)，这样两输出端电压中除了差模分量外，同时还存在共模分量。,同理：在共模输入

12、信号的作用下，两管输出电压不会严格等值同相（vo1vo2)，这样两输出端电压中除了共模分量外，同时还存在差模分量。,双端输出时：由于输出端电压中的共模信号分量相抵消，因而输出电压 vo仅有其中的差模分量组成，其值为,式中 Av(dd) 是差模输入电压转换为差模输出的电压增益；,Av(cd)是共模输入电压转换为差模输出的电压增益。,故,式中：KCMR为双端输出时的共模抑制比，定义为,显然，电路两边越对称，Av(cd)就越小，KCMR就越大。,在电路两边不对称十分微小的情况下，可近似认为,而Av(cd)可近似由半电路分析法求得。,例如、两管直流负载电阻分别为RC 和 RC+RC，试求 ：Av(cd

13、),解：设RC1 =RC ，RC2=RC +RC,根据电路有,(若不计RL，讨论简便）,根据定义有,式中 Avc为单端输出时，共模电压增益。,上式表明：若RC 的相对误差为0.01，则双端输出时的电压共模增益Av(cd) 为单端输出时的共模电压增益 Avc的百分之一。相应地，双端输出时的共模抑制比，比单端输出时的共模抑制比高200倍。,2、失调及温漂,（1）、输入失调电压,、在理想的情况下，当 vi1 = vi2=0 时，（即静态工作时）VOQ= 0 （及双端输出电压为零）。,分析：,、在实际电路中，两边存在着不对称的情况，既是零输入时，VOQ 0通常将这种现象称为差分放大器失调。,不等于零的

14、输出电压VOQ 称为输出失调电压。,根据电压增益的定义得：,则,可将VO等效到输入回路中作为差模输入电压，用VIO表示，将VIO 称为输入失调电压。,可以这样认为假设差分放大器是理想的，在输入端加一差模输入电压 VIO ，而产生得差模输出电压VO 。,如果用一个与VIO 大小相同、极性相反的恒压源加到实际差分放大器的输入端，就能使差分放大器的输出失调电压VO=0 。,从等效的观点来看，VIO 就是能使 VO= 0 而必须外加在实际差分放大器输入端的补偿电压，由于电路两边的不对称是随机的，因而VIO 的值是正值，还是负值，是不确定的。,、产生输入失调电压的原因,主要是电路两边的 RC 和两晶体三

15、极管的发射结面积不相等，而引起的。,结面积不相等会引起反向饱和电流 IS 不相等，最终导致IEE 在两管分配不等。,例如、设 RC1= RC+RC/2 、RC2=RC-RC/2,IS1=IS+IS/2 、IS2=IS-IS/2,解：,由于 ICQ 与 IS 成正比,所以,因为,则有,所以,由于式中的平方项,所以,同理,根据电路有,由于,因为,又因为,所以,故,（2）、输入失调电流,对实际差分放大器来说，两输入端一般都接有电阻 RS ，在这种情况下，由于两管的值不相等，则会造成 ICQ1ICQ2，为了使ICQ1=ICQ2，就必须在输入端引入电流使相应的 IBQ1IBQ2 ，这两个电流分别在RS

16、上产生电压，其差值显然就是作用在两输入端之间的失调电压。,通常将这种因两管的值不相等，而在输入端引入得差值电流称为输入失调电流，用IIO 表示。,定义为：两基极电流之差的绝对值,若取,称为差分放大器的输入基极电流，则每管的基极电流分别为,设,则,通常情况,所以,（3）、失调模型和调零电路,差分放大器的失调模型，如图所示,图中：VIO 的极性和IIO的流向可以随意规定，但必须是两者作用相叠加最不利的情况,由此模型可求得加到差分放大器两输入端之间的总失调电压。,根据模型图得：,由此是可知，VIO与RS 有关，若RS 很小，则 IIORS 可忽略，故 VIOVIO,若 RS 很大，则 IIORS V

17、IO ，故 VIOIIORS,因此，为了减小VIO ，应该选用 IIO 小的差分放大器。,在直接耦合电路中，VIO 与输入信号一起加到差分放大器输入端进行放大，因此对输入信号而言，VIO实际上表现为一种干扰。,在实际电路中，对 VIO往往采用调零电路来消除，如图所示：,（4）、VIO和IIO的温漂,VIO和IIO随温度的变化率均分别与VIO 和IIO成正比，,即,因此，要减小温漂，就必须减小 VIO和IIO 。,VIO 与 IIO 是电路不对称的产物，它们的温漂显然远比静态工作点的温漂要小。,必须指出，调零电路的调零不可能跟踪温度的变化，因此调零电路可以克服失调，但不能消除温漂。,（5）、MO

18、S管差放失调,MOS管的栅极电流几乎为零（约10-12A)，因而MOS管的差分放大器的失调主要是输入失调电压，而输入失调电流一般可以忽略。,产生输入失调电压的主要原因：,、管子参数：,沟道的宽长比（W/l)和开启电压VGS(th)的差异。,、RD 的不匹配：,它们都将引起偏置电流 ISS 在两管分配的不均匀等。,MOS管差分放大器的 VIO 大于晶体三极管差分放大器的VIO 。,四、差模传输特性,通过上面的分析：了解差分放大器的性能，但这些性能只是在vid足够小时的特性，即在线性工作时的差分放大器的性能。,现在进一步讨论差分放大器在差模输入电压为任意值时的性能，而这时的性能集中的反映在差分放大

19、器的差模传输特性上。,差模传输特性：,是指输出差模电流（双端输出电流或单端输出电流）随差模输入电压 VID 而变化的特性。,1、双极性差放的差模传输特性,分析条件（如图所示）：,（1）、在理想条件下,电路两边完全对称，对差分放大器来说，流过REE的电流 IEE不会随差模输入电压而变化，为方便起见，用电流源代替REE 。,当晶体管工作在放大区时有,假设 121,则,由于,所以,其中,此式为双曲正切函数,即,所以,同理可以推导出：,双端输出时：,根据这三个方程可做出它们的差模传输特性曲线,由图可见：不论单端输出或双端输出，差模特性曲线均呈非线性，服从双曲正切函数的变化规律。,由于， IEE = i

20、c1+ic2 因而两管的电流总是一增一减。,当 vID = 0 时，即静态工作时，在曲线中的Q点上，,当 vID 足够小时，在原点附近（Q点）vID 的很小变化范围内，差模传输特性曲线可被近似看成为一段直线。,表明，ic1 、ic2 或 ic1 ic2 与 vID 之间呈线性关系。,显然这就是前面分析差分放大器性能时对 vID所限定的范围。,当 时,将 thx 用幂级数展开，得,若限定|x|0.5 时，x 的三次方及其以上的各非线性项可忽略，由此引入的误差小于5% 。,为了保证小信号工作，对 vID 界定的范围为：,则,显然它远比单个晶体三极管小信号所界定的范围要大。,在小信号工作范围内，可根

21、据,求得双端输出时传输特性曲线在原点上的斜率。,即跨导为：,相应的差模电压增益为：,与小信号分析时的结果一致。,当vID 26mV 时，利用差模传输特性的非线性，可以实现各种非线性运算功能。,特别是当 |vID|4VT = 104mV 时，一管趋于截止，IEE 几乎全部流入另一管，曲线进入限幅区。,因此，利用 vID 的正、负极性，时两管轮流进入限幅区，就可实现高速开关功能。,若在两管的发射极上串联电阻RE ，由于RE 的负反馈作用，差模传输特性在原点附近的线性范围将大大扩展。且RE 越大，线性范围的扩展就越大，不过曲线的斜率也就越低，即跨导和相应的差模电压增益也就越低。,（2）、差分放大器的

22、最大差模输入电压范围：,在差模输入电压 vID 作用下，随着| vID|的增大，差分放大器进入限幅区，其中一管导通，另外一管截止，并且截止管发射结的电压向负值方向增大，直到等于发射结反向击穿电压V(BR)BEO时，管子被击穿，因此，为了避免发射结反向击穿，则必须限制| vID|。,通常将这个受V(BR)BEO限制的最大差模输入电压称为最大差模输入电压范围。,（3）、最大的共模输入电压范围：,当差分放大器同时作用着差模和共模输入电压时，为保证差分对管线性工作，除了要求差模输入电压足够小外，还应限制共模输入电压，保证两管工作在放大区，则必须避免集电结反向击穿，通常将这个最大共模输入电压称为最大共模

23、输入电压范围。,2、MOS 差放的差模传输特性,当两管特性一致，并且工作在饱和区时，两管的漏极电流分别为：,令,所以,同理,由于,所以,同理,所以,将方程两边同时平方，整理得：,同理得：,以上为单端输出电流。,双端输出电流：,又因为,所以,得：,根据方程可以画出相应的差模传输特性曲线，例如：,双端输出：,分析：当 vID = 0 时，即静态工作时,iD1=iD2 =IDQ =ISS/2,当 |vID|很小时，并且满足|vID| 2(VGSQ- VGS(th)时：,由此，可知满足线性关系，差模传输特性为一段直线，其斜率为跨导 gm,双端输出时的差模电压增益 Av =-gmRD,增大 vID ，差模传输特性进入非线性区，当 vID 为,或,时：,特性进入限幅区。,与双极型差放不同，MOS差放的线性范围和非限幅范围均与 VGSQ 、即 ISS 和 K 有关，ISS 越大，k 越小，VGSQ就越大。相应的线性范围和非限幅范围也就越大，一般说来线性和非限幅范围均比双极型差放大。,