模擬電子電路中差分放大電路的分析 - 全文

　　差分放大器原理　　

　　差分放大器也叫差動放大器是一種將兩個輸入端電壓的差以一固定增益放大的電子放大器，有時簡稱為“差放”。差分放大器通常被用作功率放大器（簡稱“功放”）和發(fā)射極耦合邏輯電路 （ECL， Emitter Coupled Logic） 的輸入級。

? ? ? ? ? 如果Q1 Q2的特性很相似，則Va，Vb將同樣變化。例如，Va變化+1V，Vb也變化+1V，因為輸出電壓VOUT=Va-Vb=0V，即Va的變化與Vb的變化相互抵消。這就是差動放大器可以作直流信號放大的原因。 若差放的兩個輸入為，則它的輸出Vout為：

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

　　因此為了提高信/噪比，應提高差動放大倍數(shù)，降低共模放大倍數(shù)。二者之比稱做共模仰制比（CMRR， common-mode rejection ratio）。共模放大倍數(shù)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號的能力：

　　由上式可知，當共模增益Ac→0時，CMRR→∞。Re越大，Ac就越低，因此共模抑制比也就越大。因此對于完全對稱的差分放大器來說，其Ac = 0，故輸出電壓可以表示為：

　　所謂共模放大倍數(shù)，就是Va，Vb輸入相同信號時的放大倍數(shù)。如果共模放大倍數(shù)為0，則輸入噪聲對輸出沒有影響。

　　要減小共模放大倍數(shù)，加大RE就行通常使用內(nèi)阻大的恒流電路來帶替RE

　　差分放大器是普通的單端輸入放大器的一種推廣，只要將差放的一個輸入端接地，即可得到單端輸入的放大器。很多系統(tǒng)在差分放大器的一個輸入端輸入反饋信號，另一個輸入端輸入反饋信號，從而實現(xiàn)負反饋。常用于電機或者伺服電機控制，穩(wěn)壓電源，測量儀器以及信號放大。在離散電子學中，實現(xiàn)差分放大器的一個常用手段是差動放大，見于多數(shù)運算放大器集成電路中的差分電路。

　　單端輸出的差動放大電路 （不平衡輸出）

　　當Vo被在Q1或Q2的集極C對地取出時， 稱為單端Single ended或不平衡輸出Unbalance Output。

　　單端較差動輸出之幅度小一倍，使用單端輸出時，共模訊號不能被抑制，因Vi1與Vi2同時增加，VC1與VC2則減少，而且VC1=VC2，但Vo =VC2，并非于零（產(chǎn)生零點漂移）。

　　但是加大RE阻值可以增大負回輸而抑制輸出，并且抑制共模訊號，因Vi1=Vi2時， Ii1及Ii2也同時增加，IE亦上升而令VE升高，這對Q1和Q2產(chǎn)生負回輸， 令Q1和Q2之增益減少，即Vo減少。

　　當差動訊號輸入時，Vi1 = -Vi2，IC1增加而IC2減少，總電流IE = IC1 + IC2便不變， 因此VE也不變，加大RE電阻值之電路會將差動訊號放大，不會對Q1及Q2產(chǎn)生負回輸及抑制。

　　使用恒流源的差動放大器

　　實際上，RE不能加得太大，因會使靜態(tài)之IC1和IC2減少，使Q1和Q2得不到適當 之偏壓或需要很高之電源電壓。

　　上圖Q3及Q4為電流鏡像恒流源代替電阻RE，使用恒流源可以得到高阻抗及固定電流， B極因R1和R2得到一個固定的偏壓。

　　共模輸入時，Vi1=Vi2，因IE為不變，IC1和IC2也不能改變，故Vo為零，而共模信號被抑制。

　　差動輸入時，Vi1=-Vi2，雖然IE為不變，但IC1和IC2也可改變，因IC1上升而IC2下降， 故此Vo不等于零，而將差動信號放大。

　　使用電流鏡像作為差動放大器之有源負載：

　　主動式負載Active Load （有源負載）作用：

　　a）提高增益：

　　b）減低功率消耗（相對純電阻來說）。

　　c）提高差動放大之輸出電壓。

　　d）提高共模抑制比CMRR。

　　工作原理：

　　設Vi1增加，則Vi2減少（但數(shù)量相等，Vi1 = Vi2）

　　即差動輸入，則IC1升而IC2下降（并且，ΔIC1 = ΔIC2）

　　因電流鏡像原理，IC4 = IC1

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

　　這說明了輸出電流是IC1和IC2的相差，即將輸出變?yōu)榫哂须p端差動輸出性能的單端輸出 （故對共模訊號之抑制有改善因雙端差動輸出才能產(chǎn)生消除共模訊號作用）。

　　IC2減少使Q2之VCE增加，使Vo上升而IC4增加，使Q4之VCE減少，這也是使Vo增加， 故此，Vo上升之幅度是使用電阻為負載之單端輸出電壓大一倍。

　　模擬電子電路中差分放大電路的分析

　　差分放大電路是模擬集成電路的基礎，差分放大電路的引入使得分析基本放大電路的思想進行了變革，可以將信號分解為差模信號和共模信號分別進行討論，得到的結論簡單明確。在實際的應用中，差分放大電路有四種輸人輸出方式，通常能見到的僅僅是雙端輸人情形，此情形中電路分析嚴謹而詳盡，而對于其它3 種情形只是給出了相應的結論，若要分析清楚它們之間的對應關系則需要進行一番思考。本文對單端輸入單端輸出的差分放大電路進行了嚴謹而詳盡的討論。

　　 差分放大電路的輸入輸出方式

　　差分電路按其輸人輸出方式可分為4種情況：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。分別對應的電路為圖1的（a）、（b）、（c）、（d）;

　　對于不同的輸入和輸出，可歸結為以下3 點：

　　（1）對于差模輸入電阻和共模輸入電阻的大小，與輸人輸出方式無關;

　　（2）差模信號的電壓增益、共模信號的電壓增益與輸人方式無關，只和輸出方式有關;

　?。?）差模信號為輸入的信號之差，共模信號為輸入的信號的平均值，而單端輸入是雙端輸入的一個特例，即其中的一個信號為0。

　 ? ? 單端輸入單端輸出差分放大電路的分析

　　單端輸入單端輸出差分放大電路如圖1（d）所示，我們對電路進行靜態(tài)和動態(tài)分析。

　　1.靜態(tài)分析

　　單端輸出時會引起靜態(tài)工作點的變化。

　　其中輸出電流沒有變化，

　　輸出的電壓值Ueg會發(fā)生改變。E點的電位為-Ubeq，C1點的電位為Vcc-IcqRc，C2點的電位比較復雜，需要列方程求解：

　　2、動態(tài)分析

　　雙端輸入和單端輸入不會影響差模放大倍數(shù)和共模放大倍數(shù)，只會影響差模信號和共模信號。對于單端輸出，直接影響差模放大倍數(shù)和共模放大倍數(shù)，當差模信號輸入時，流過Re的電流值不變，交流通路為圖3（a） （un =-u12 ），可以計算出差模放大倍數(shù)為：

　　當共模信號輸入時，流過Rg的電流值為變化的發(fā)射極電流的兩倍，交流通路等效為圖3b）（un =u12），可以計算出共模放大倍數(shù)為：

　　則單端輸入時，輸出電壓為U0=Aw2U1+Aw2 U1/2.。當Re很大時，U0=Aw2Ui

　　3、用基本放大電路的分析方法分析

　　如果不分別考慮輸入信號是差模信號和共模信號，我們仔細觀察圖1（d），如果把單端輸入單端輸出差分電路當著多級放大電路來分析，可以發(fā)現(xiàn)這是共集一共基的多級放大電路。交流通路如圖4所示：