差分放大电路为克服直接耦合放大器的零点漂移而推出,是集成运放中重要的一级。

1.6.1 差分放大电路基本结构和分析

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直流分析

输入信号为零,二个基极接地。因为电路参数是固定的,因此各个电路量也是对称的
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交流分析

任何信号都可以分解为差模信号和共模信号:
实际上,只有差模信号反映了我们想要的信息。
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对差模信号的放大能力

对差模信号研究时,认为1端、2端信号大小相等,极性相反;共模信号为零。
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因为输入的信号是完全对称的,因此有如下关系恒成立:
对于交流通路而言, ,发射极相当于接“虚地”
交流等效电路
交流等效电路

在上述分析的基础上,不难画出电路的微变小信号模型:
小信号模型
小信号模型
交流等效电路
交流等效电路
先求基极注入电流
再求输出电压
由此可以求出不同输出端口对差模信号的放大能力:
下标加一个‘d’表示此时只研究差模信号

对共模信号的抑制作用

 
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交流等效电路,注意Re做了一些处理
交流等效电路,注意Re做了一些处理
,1端和2端的信号大小相等,极性相同,这种信号称为共模信号。
同样的,去求解输出信号
事实上,由于电路是完全对称的,输入也是完全相同的,所以完全可以预期结果。
差分放大电路的二个输出端上的共模输出电压大小相等极性相同双端输出时,输出电压为零。
对差模没有影响,但是会影响静态工作点。希望 在不影响静态工作点的情况下越大越好:
  • 旁路电容
  • 引入恒流源
    • 直流分析时稳定住静态工作点
    • 交流分析时,恒流源内阻无穷大
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发射极E点的波形

  • 直流分析:
  • 交流分析:
    • 差模信号:
    • 共模信号:
实际上,准共射组态如果提取e点的电压就是一个射级跟随器(Re足够大,则放大倍数接近1)

共模抑制比

差模电压放大倍数与共模电压放大倍数之比的绝对值。
一般用分贝表示:
理想差分电路双端输出时,

总结

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理论上, 很小, 很大
差分放大电路具有对差模信号进行放大,对共模信号进行抑制的能力

1.6.2 差分电路在不同输入、输出下电路分析

单端输入

1.6.1中的分析均为双端输入。事实上,输入信号可以只加载在一个端子上,这个时候根据差模和共模的定义去把单端输入分解成双端输入即可。
  • 差模成分:两个信号输入之差
    • 共模成分:两个输入信号平均值
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      单端输入时的电压放大倍数与差模输入时的电压放大倍数近似相同
      这是因为在双端输入时,差模信号和共模信号在同一个数量级(两倍关系);
      而对于差分放大电路,有 足够大);因此有上述近似关系成立。
      在双端输入的条件下(1.6.1所述的情况)这是不成立的,因为共模信号也可以远大于差模信号 ,此时上述近似不成立。

      差模输入电阻

      这是指当只考虑差模信号时,从一个输入端看进去到另一个输入端的等效输入电阻。简单来说,就是放大器对于差模信号呈现的电阻特性。对于高精度的应用,希望差模输入电阻尽可能高,这样可以减少由于源内阻引起的误差
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      共模输入电阻

      指的是针对共模信号而言,放大器的两个输入端相对于地的等效并联电阻。(相当于从蓝色箭头看进去
      一般采用从红色箭头看进去的表达式:
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      输出方式

      双端输出

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      • 负载的一半和 并联另外一半和另外一个 并联
        • 电路具有清晰的对称性,整个中轴线都相当于一个虚地

      单端输出


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      电路中两个 的作用:
      实际电路中两个三极管很难参数完全相同,加上两个小电阻可以起到调零的作用

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      完整的题目!基本覆盖了所有概念
      其它设问:
      求Vo? 注意是直流和交流成分的叠加,交流成分又包括差模和共模
      求Ve?思路同上,直流和交流成分的叠加,交流成分又包括差模(=0)和共模

      1.6.3 集成运放输入级的电路形式

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      FET-BJT混合型差分放大电路

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      集成运放中间级的电路形式

      运放中间级是运放电压增益的主要承担者
      主要任务是提高电压增益,因此常用共射或共源放大电路。从电压增益的表达式可知,提高电压增益的主要途径如下:
      • Rc用恒流源代替
      • 提高β(采用纵向三极管、达林顿复合管)
      • 增加一级CC电路(射极跟随器),进行阻抗变换

      恒流源+射极跟随器

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      恒流源+复合管

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      浙江大学电气工程学院本科生
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