《差分放大电路》教学一堂课

[摘要]差动放大电路是模拟集成电路的基础。差分放大电路利用电路参数的对称性和负反馈作用，有效地稳定静态工作点，以放大差模信号抑制共模信号为显著特征。

[关键词]差分放大电路；双入双出；双入单出；差模特性；共模特性

【中图分类号】G642

一 概述

差动放大电路是模拟集成电路的基础，它属于单级基本放大器。差分放大电路利用电路参数的对称性和负反馈作用，有效地稳定静态工作点，以放大差模信号抑制共模信号为显著特征。差动放大器是一款非常优秀的放大器。但是差分放大电路结构复杂、分析繁琐，特别是其对差模输入和共模输入信号有不同的分析方法，难以理解，因而一直是模拟电子技术中的难点。

二 基本差动放大电路的工作原理及性能分析

1、双入双出基本电路结构及其特点

特点：

（1）T1 、T2两管参数完全相同；

（2）电路结构左、右完全对称；

（3）输入的两个信号，分别加在两管的基极；

（4）输出取自于两管的集电极。

1.1静态分析

分析：取vi1 = vi2 = 0 ，电路处于静态，由于电路是对称的，可以想象出

，

显然，输出电压Vo为

结论：输入为零输出也为零。

静态工作点计算：

（也可获得以下等式 ）

1.2差模放大特性

1、关于输入信号的定义：

差模信号 如果在电路的两个输入端加上一对大小相同，相位相反的信号，即 ，称之为“差模信号”，记为Vid 。

共模信号 如果在电路的两个输入端加上一对大小相同，相位也相同的信号，即 ，称之为“共模信号”，记为Vic 。

2、差模信号Vid输入时电路工作分析

（1）定性分析

设vi1上升，则vi2下降，有：

也就是说，在差模信号激励下，T1管的集电极电位上升，T2管的集电极电位下降，vC1 ≠ vC2 ，产生了输出电压vo 。

（2）定量计算

分析：在Vid的作用下，T1和T2管的发射极电流一个增大，另一个按同样的数值减小，所以流经Ree的电流不变，因此Ree上变化的电压为零，Ree对差模信号相当于短路。

无论是vC1增大，vC2减小，还是vC1减小，vC2增大，RL的中点始终是交流的零电位点。

根据上面的分析，可以得到差动放大器在差模信号激励下的交流通路。

1差模电压放大倍数：

2差模输入电阻Rid ：

回到原理电路，差动放大电路的实际输入端就是两管的基极，从T1管基极走到T2管基极的沿途所有电阻之和即为输出电阻。

3差模输出电阻Rod ：

2 单端输出模式

差动放大电路也可以采用从任意一只管子的集电极到地输出信号，称为单端输出。单端输出又分为T1管集电极到地和T2管集电极到地两种形式，如下图所示：

单端输出时，由于只取一个管子集电极对地的电压，故输出信号的幅度较之双端输出要减少一半，这样差模电压放大倍数也就为双端输出时的1/2 。

单端输出时的RL是直接与Rc并联的（即 ），而不是双端输出时的 。

○1从左边T1管c极输出时，RL接C1和地之间。

○2从右边T2管c极输出时，RL接C2和地之间。

单端输出时的输入电阻不变

单端输出时的输出电阻为

3 共模抑制特性

差动放大电路输入共模信号

分析

由于每只管子将产生大小和方向均相同的ΔiC和ΔiE ，流过Ree的变化电流为2ΔiE ，相当于每只管子均接有2Ree电阻。由此可得到共模交流通路。

1、共模电压放大倍数

（1）双端输出：

由于两只管子的集电极电位变化是一样的，即

所以

双端输出时，共模电压放大倍数为零。

（2）单端输出：

（单端输出）

通常， ，

所以，

单端输出时，尽管共模电压放大倍数不为零，但也很小，通常 。

结论：差动放大电路对共模信号不放大，而是抑制，从理论上讲，双端输出抑制能力强，单端输出要稍差一点。

（适当解释：共模信号相当于零点漂移）

2、共模输入和输出电阻

3、共模抑制比KCMR

一个优秀的差动放大电路，应该是差模电压放大倍数越大越好，共模电压放大倍数越小越好。这里就引入一个表征Avd和Avc之间差距的参数——共模抑制比KCMR 。

定义：

KCMR是差放的优质指标，KCMR越大，差放越优秀。

（1）双端输出时，如果电路完全对称， ，则

（2）单端输出时（从T1管c极输出）

4 任意信号的分解

差动放大电路在实际应用中，并非都是输入一对差模信号或一对共模信号。如果输入两个任意的信号，则可以将其看成既有一对差模信号，又有一对共模信号共同作用于差动放大电路的输入端，如下图所示：

相当于电路中加了一对35mv的共模信号，又加了一对±15mV的差模信号。

理论依据：

两个任意的输入信号Vi1和Vi2 ，

解释

关于单端输入的问题：

两个输入信号中，如果有一个为零，则变成了所谓的单端输入方式。

实际上，这种输入方式可以看成双端输入的特殊画法，即：一对共模信号Vi/2和一对差模信号±Vi/2 ，因此这种输入方式与前面讨论的双端输入方式相比较，并无性能指标上的特殊区别和意义，而仅仅是电路连接方式不同而已。

有的教材上将这种单端输入的差动放大电路作为独立的电路来分类讨论。这样就会使差动放大电路的种类变得很多。如：

实际上，“单入双出”和“双入双出”一样；“单入单出（两种）”和“双入单出（两种）”也完全一样。也就是说，双入和单入可以看成一个电路来分析。

三 恒流源差动放大电路及传输特性

问题的提出：

在基本差动放大电路中，减小共模电压放大倍数、提高共模抑制比均依赖Ree的值，Ree越大，Avc越小，KCMR越大。但是增大Ree ，则Ree上的直流压降会增大，降低了电源电压的利用率。

改进：

将Ree换成恒流源（电流源），因为电流源具有较低的直流电阻和极高的交流电阻。差模信号输入时，电流源不起作用，共模信号输入时，电流源相当于一个极高的电阻（电流源的动态内阻），这样的电流源差放可以更好地减低共模放大倍数、抑制零点漂移，具有更高的共模抑制比。

1、电路结构

2、静态计算

（建议学生自己推导）

3、动态指标计算

双端输出 与Ree电阻差放完全一样

单端输出 将Ree电阻差放中的Ree替换成电流源内阻Ro

5 结语

通过上述分析可知，差分放大电路的主要作用是放大差模信号，抑制共模信号。它的零点漂移极小（理论上平衡输出时为零）；可以自由设置三种输出模式：同相、反相、和平衡；使用灵活；差动放大电器还可以设置成增益可控的电路和两个输入信号相乘的电路等等。它广泛应用于模拟集成电路中，几乎所有的集成运放、乘法器、比较器、宽带放大器等电路的输入级都采用差动放大电路。

参考文献：

[1]康华光.电子技术基础（模拟部分）[ M] .第5 版.北京：高等教育出版社， 2008.

[2]蒋卓勤 等编. 模拟电子技术[M]. 西安：西安电子科技大学出版社， 2007.

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