模拟电子电路中差分放大电路的分析

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差分放大器原理　　

　　差分放大器也叫差动放大器是一种将两个输入端电压的差以一固定增益放大的电子放大器，有时简称为“差放”。差分放大器通常被用作功率放大器（简称“功放”）和发射极耦合逻辑电路 （ECL， Emitter Coupled Logic） 的输入级。



          如果Q1 Q2的特性很相似，则Va，Vb将同样变化。例如，Va变化+1V，Vb也变化+1V，因为输出电压VOUT=Va-Vb=0V，即Va的变化与Vb的变化相互抵消。这就是差动放大器可以作直流信号放大的原因。 若差放的两个输入为，则它的输出Vout为：

　　

　　其中Ad是差模增益 （differenTIal-mode gain），Ac是共模增益 （common-mode gain）。

　　因此为了提高信/噪比，应提高差动放大倍数，降低共模放大倍数。二者之比称做共模仰制比（CMRR， common-mode rejecTIon raTIo）。共模放大倍数AC可用下式求出：

　　Ac=2Rl/2Re

　　通常以差模增益和共模增益的比值共模抑制比 （CMRR， common-mode rejecTIon ratio） 衡量差分放大器消除共模信号的能力：



　　由上式可知，当共模增益Ac→0时，CMRR→∞。Re越大，Ac就越低，因此共模抑制比也就越大。因此对于完全对称的差分放大器来说，其Ac = 0，故输出电压可以表示为：



　　所谓共模放大倍数，就是Va，Vb输入相同信号时的放大倍数。如果共模放大倍数为0，则输入噪声对输出没有影响。

　　要减小共模放大倍数，加大RE就行通常使用内阻大的恒流电路来带替RE

　　差分放大器是普通的单端输入放大器的一种推广，只要将差放的一个输入端接地，即可得到单端输入的放大器。很多系统在差分放大器的一个输入端输入反馈信号，另一个输入端输入反馈信号，从而实现负反馈。常用于电机或者伺服电机控制，稳压电源，测量仪器以及信号放大。在离散电子学中，实现差分放大器的一个常用手段是差动放大，见于多数运算放大器集成电路中的差分电路。

　　单端输出的差动放大电路 （不平衡输出）



　　当Vo被在Q1或Q2的集极C对地取出时， 称为单端Single ended或不平衡输出Unbalance Output。

　　单端较差动输出之幅度小一倍，使用单端输出时，共模讯号不能被抑制，因Vi1与Vi2同时增加，VC1与VC2则减少，而且VC1=VC2，但Vo =VC2，并非于零（产生零点漂移）。

　　但是加大RE阻值可以增大负回输而抑制输出，并且抑制共模讯号，因Vi1=Vi2时， Ii1及Ii2也同时增加，IE亦上升而令VE升高，这对Q1和Q2产生负回输， 令Q1和Q2之增益减少，即Vo减少。

　　当差动讯号输入时，Vi1 = -Vi2，IC1增加而IC2减少，总电流IE = IC1 + IC2便不变， 因此VE也不变，加大RE电阻值之电路会将差动讯号放大，不会对Q1及Q2产生负回输及抑制。

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使用恒流源的差动放大器


　　实际上，RE不能加得太大，因会使静态之IC1和IC2减少，使Q1和Q2得不到适当 之偏压或需要很高之电源电压。

　　上图Q3及Q4为电流镜像恒流源代替电阻RE，使用恒流源可以得到高阻抗及固定电流， B极因R1和R2得到一个固定的偏压。

　　共模输入时，Vi1=Vi2，因IE为不变，IC1和IC2也不能改变，故Vo为零，而共模信号被抑制。

　　差动输入时，Vi1=-Vi2，虽然IE为不变，但IC1和IC2也可改变，因IC1上升而IC2下降， 故此Vo不等于零，而将差动信号放大。

　　使用电流镜像作为差动放大器之有源负载：



　　主动式负载Active Load （有源负载）作用：

　　a）提高增益：



　　b）减低功率消耗（相对纯电阻来说）。

　　c）提高差动放大之输出电压。

　　d）提高共模抑制比CMRR。

　　工作原理：

　　设Vi1增加，则Vi2减少（但数量相等，Vi1 = Vi2）

　　即差动输入，则IC1升而IC2下降（并且，ΔIC1 = ΔIC2）

　　因电流镜像原理，IC4 = IC1

　　故此，Io = IC4 IC2 = IC1 IC2 （ΔIo = 2ΔIC1或2ΔIC2）

　　这说明了输出电流是IC1和IC2的相差，即将输出变为具有双端差动输出性能的单端输出 （故对共模讯号之抑制有改善因双端差动输出才能产生消除共模讯号作用）。

　　IC2减少使Q2之VCE增加，使Vo上升而IC4增加，使Q4之VCE减少，这也是使Vo增加， 故此，Vo上升之幅度是使用电阻为负载之单端输出电压大一倍。

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模拟电子电路中差分放大电路的分析

　　差分放大电路是模拟集成电路的基础，差分放大电路的引入使得分析基本放大电路的思想进行了变革，可以将信号分解为差模信号和共模信号分别进行讨论，得到的结论简单明确。在实际的应用中，差分放大电路有四种输人输出方式，通常能见到的仅仅是双端输人情形，此情形中电路分析严谨而详尽，而对于其它3 种情形只是给出了相应的结论，若要分析清楚它们之间的对应关系则需要进行一番思考。本文对单端输入单端输出的差分放大电路进行了严谨而详尽的讨论。

　　 差分放大电路的输入输出方式

　　差分电路按其输人输出方式可分为4种情况：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。分别对应的电路为图1的（a）、（b）、（c）、（d）;



　　对于不同的输入和输出，可归结为以下3 点：

　　（1）对于差模输入电阻和共模输入电阻的大小，与输人输出方式无关;

　　（2）差模信号的电压增益、共模信号的电压增益与输人方式无关，只和输出方式有关;

　　（3）差模信号为输入的信号之差，共模信号为输入的信号的平均值，而单端输入是双端输入的一个特例，即其中的一个信号为0。

　     单端输入单端输出差分放大电路的分析

　　单端输入单端输出差分放大电路如图1（d）所示，我们对电路进行静态和动态分析。

　　1.静态分析

　　单端输出时会引起静态工作点的变化。

　　其中输出电流没有变化，



　　输出的电压值Ueg会发生改变。E点的电位为-Ubeq，C1点的电位为Vcc-IcqRc，C2点的电位比较复杂，需要列方程求解：



　　2、动态分析

　　双端输入和单端输入不会影响差模放大倍数和共模放大倍数，只会影响差模信号和共模信号。对于单端输出，直接影响差模放大倍数和共模放大倍数，当差模信号输入时，流过Re的电流值不变，交流通路为图3（a） （un =-u12 ），可以计算出差模放大倍数为：


　　当共模信号输入时，流过Rg的电流值为变化的发射极电流的两倍，交流通路等效为图3b）（un =u12），可以计算出共模放大倍数为：



　　则单端输入时，输出电压为U0=Aw2U1+Aw2 U1/2.。当Re很大时，U0=Aw2Ui

　　3、用基本放大电路的分析方法分析

　　如果不分别考虑输入信号是差模信号和共模信号，我们仔细观察图1（d），如果把单端输入单端输出差分电路当着多级放大电路来分析，可以发现这是共集一共基的多级放大电路。交流通路如图4所示：

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