第三章差动放大器
差动放大器工作原理
差动放大器工作原理
差动放大器是一种电子放大器电路，用来放大不同输入信号之间的差值。
它通过将输入信号分为两个相位相反的部分，然后进行放大，并且抑制共模信号，从而提高放大器的性能和抗干扰能力。
差动放大器的基本原理是利用两个输入信号与一个共同的对地参考点相连，形成一个闭合的回路。
这两个输入信号被分别送入差动放大器的两个输入端口。
当有差异信号输入时，即两个输入信号的幅度不相同或相位不同，差动放大器会放大这种差异，并输出一个放大后的差动信号。
差动放大器通常由一个差动对和一个输出级组成。
差动对通常由两个晶体管或场效应管构成，这两个管子会分别放大两个输入信号。
输出级则用来将输入信号的差动信号转换成单端信号，以便输出到其他电路中。
从工作原理上来看，差动放大器利用两个输入信号之间的差异来实现放大效果。
这种差异可以是输入信号的幅度差异或者相位差异。
在输入信号的共模信号上放大器会进行抑制，以便提高输出信号的纯净度。
通过合理选取差动放大器的工作参数和外围元件，可以调整差动放大器的放大倍数、频率响应和输入输出阻抗等性能。
差动放大器常用于信号处理、音频放大、通信系统以及精密测量等领域，其优点包括高增益、低噪声、抗干扰能力强等。
总之，差动放大器通过放大不同输入信号之间的差异，实现对差动信号的放大和抑制共模信号的功能，从而提高放大器的性能和抗干扰能力。
它是一种常用的电子放大器电路，用于各种信号处理和放大的应用中。
差动放大电路 ppt课件
2. 静态分析
直流通路
RC
IC1 IC2
uo
RC
RB
T1
T2
ui1
IB
IE
RE
+UCC
RB
IB
ui2
IBR B U E 2(E 1 U B)E R E2 U E R E E IC1=
–UEE
IC2=
IC=
IBU EE 2REUCE= UCC+ UEE - IC(RC + 2RE )
25
2
,
输 出 至
下
一
T3
双端输出
级
T4 双端输入
RE2
R3
R2
-UEE 接法类型：单端输入，双端输入。单端输出，双端输出。50
补充：电流源
51
52
53
54
集成电路运算放大器中的电流源
电流源概述
一、电流源电路的特点：这是输出电流恒定的电路。 它具有很高的输出电阻。
1、BJT、FET工作在放大状态时，其输出电流都是具有 恒流特性的受控电流源；由它们都可构成电流源电路。 2、在模拟集成电路中，常用的电流源电路有：
u o
R C
IE具有恒 流特性
T1
T2
u
i1
IE
RE
用恒流源代
u i2
替RE ，可使
电路进一步
-UEE （-15V）
改善
（2） RE对共模信号有抑制作用（原理同上，即由 于RE的负反馈作用，使IE基本不变） （3） RE对差模信号相当于短路
ui1 =- ui2 ，设ui1 ,ui2 ib1 ,ib2 ie1 ,ie2 ie1 = - ie2 IE不变
第三章 差动放大电路及集成运算放大器 第一节差动放大电路
差动放大电路及集成运算放大器
3.1.1.1 差动放大电路的基本结构 差动放大电路如图３-１所示。
图3-2中可以算出差模输入电阻为: Rid＝２(ｒbe+Rb) 输出电阻为： Rο＝２RC
差动放大电路及集成运算放大器
3.1.3 共模输入信号与共模抑制比ＫCMR
在差动放大器两输入端同时输入一对极性相同、幅度相 同的信号称为共模输入方式。定义共模信号uic为两个输入信 号的算术平均值，即：
uic
ui1
差动放大电路及集成运算放大器
因此，其差模电压放大倍数为：
Aud
uo uid
Rc
Rb rbe
上式说明，该电压放大倍数与单管共射放大电路的电压
放大倍数相等。
这里我们用两套电路的元件实现的电压放大倍数和一套 电路相同。但该电路具有很好的超低频性能和很强的抑制零 点漂移的能力，这个问题下面还要详细讨论。
uo uo1 uo2 2uo1
差动放大电路及集成运算放大器
由图3-2可以计算出VT1、VT2的输出电压分别为：
VT1的输出电压：
uo1
Rcuid
2(Rb rbe )
VT2的输出电压：
uo 2
Rcuid
2(Rb rbe )
则差动放大电路的双端输出电压为：
uo
uo1
uo2
RCuid
Rb rbe
在一些超低频及直流放大电路中，级间耦合必须采用直 接耦合方式。直接耦合电路既能放大交流信号又能放大直流 信号，具有相当好的低频特性，所以又常称为直流放大器。 但由于其内部各级电路的静态工作点相互影响,给电路设计 和调整带来诸多不便。
差动放大器DifferenceAmplifier
運算放大器是一種很有用的IC，實驗室所需要的電路大多可以用運算放 大器做出來。
1.1 差動放大器 Difference Amplifier 1.2 理想的運算放大器 Ideal Operational Amplifiers 1.3 簡易運算放大器電路 1.4 主動式積分器、微分器與濾波器 1.5 運算放大器的頻率響應 1.6 實密特觸發---正回授的例子
不含輸入阻抗的difference amplifier模型
+
-
Add out
Acc
d --
c
-
2
out Acc Add
如何求Ac與Ad？ 用線性疊加的概念。
求Ac時，令 d 0 ，即 c - out Acc 求Ad時，令 c 0 ，即 - - d out Add
c
1 2
d
-
c
-
1 2
d
out
A
A- -
A (c
1 2
d
)
A- (c
-
1 2
d
)
( A
A-
)c
( A
2
A-
)
d
out Acc Add oc od
共模增益 common-mode gain
差模增益 difference-mode gain
例題 a (t) 0.010cos(2 400t) 0.20cos(2 60t)
b (t) -0.010cos(2 400t) 0.20cos(2 60t)
电流源电路和差动(又称差分)放大电路
第3章 电流源电路和差动（又称差分）放大电路内容提要：本章首先讨论常用在集成运放中的几种电流源的形式及其主要应用，然后讨论差动放大电路的工作原理及计算。
本章重点：1．镜像电流源、比例电流源、微电流源、I o 和I R 的计算。
2．典型差动放大电路的工作原理及计算。
学习要求：1．掌握电流源电路结构及基本特性，主要包括基本镜像电流源、比例电流源、微电流源，会分析其镜像关系及其输出电阻。
2．掌握差模信号、共模信号的定义与特点。
3．掌握长尾型和恒流源共模负反馈两种射极耦合，差动放大器的电路结构、特点，会熟练计算电路的静态工作点，熟悉电路的4种连接方式及输入输出电压信号之间的相位关系。
4. 要求会熟练分析差动放大器对差模小信号输入时的放大特性，共模抑制比。
会画出微变等效电路，会计算A Vd 、R id、R od 、K CMR 。
5．会运用晶体管工作在有源区时的大信号特性方程i c =I s exp(V be /V t )分析研究差动放大器的差模传输特性。
了解基本的差动放大器线性放大的输入动态范围和扩大线性输入动态范围的办法。
6．定性了解差动放大器的各种非理想特性，如输入失调特性、共模输入电压范围等。
3.1 电流源电路3.1.1 三极管电流源电流源是模拟集成电路中广泛使用的一种单元电路，如 图3.1.1所示。
对电流源的主要要求是：（1）能输出符合要求的直流电流I o 。
（2）交流电阻尽可能大。
图3.1.1 三极管电流源电路第3章 电流源电路和差动（又称差分）放大电路·129·三极管射极偏置电路由V CC 、R b1、R b2和R e 组成，当V CC 、R b1、R b2、R e 确定之后，基极电位V B 固定（I b 一定），可以推知I c 基本恒定。
从三极管的输出特性曲线可以看出：三极管工作在放大区时，I c 具有近似恒流的性质。
当I b 一定时，三极管的直流电阻CQ CEQ CE I VR =，V CEQ 一般为几伏，所以R CE 不大。
差动放大电路的原理
差动放大电路的原理
差动放大器的原理是利用两个对称输入信号进行放大，输出信号为两个输入信号的差值。
差动放大电路一般由一个差动放大器和一个负反馈电路组成。
差动放大器由两个输入端，分别接收两个对称的输入信号。
这两个输入信号经过放大器的放大作用后，输出两个放大的信号。
差动放大器的输出取决于两个输入信号的差异大小。
负反馈电路将差动放大器的输出信号与输入信号进行比较，并将差异信号放大器的输入端，实现对输出信号的修正。
通过不断修正差动放大器的输出，使得输入和输出之间的差异趋近于零，实现对输入信号的放大。
差动放大电路的原理可以简单概括为：通过抑制两个输入端之间的差异信号，只放大两个输入信号之间的差异部分，从而实现对差异信号的放大。
这样可以有效抑制共模干扰，提高信号的抗干扰能力，提高放大器的稳定性。
差动放大电路广泛应用于各种信号放大和处理电路中。
差动放大器的原理及四种连接方法_下_
电子报/2011年/5月/22日/第010版电子职校差动放大器的原理及四种连接方法(下)江苏顾振远(接上期)3.晶体管恒流源电路用差动放大器抑制零点漂移的方法就是“加入”Re，如上所述Re愈大，克服零点漂移的效果愈好，但Re愈大，需要的电源Ee愈高。
我们一方面希望Re大，一方面又希望Ee低一些。
在这种情况下，可使用晶体管来代替Re，这种电路称为晶体管恒流源差动放大电路，如图3所示。
图3中R1和R2是分压电阻，为T3提供正向偏置，以固定基极电位Ub3。
当温度升高使Ic1、Ic2增加时，Re3两端的电压也要增加，但由于Ub3为固定值，Ube3就要下降，Ib3随之减小，因此抑制了Ic3的上升，保持了Ic3的不变。
则Ic1、Ic2就不能增加，从而使管子的输出uol和u02几乎不变。
4.共模反馈型如果一级差动放大倍数不够，就得采用多级进行放大，图4是一个高放大倍数放大器的前两级，为了提高共模抑制比和减小输出的漂移，引进了共模反馈。
当输入端有共模信号时(输入端的漂移或外界共模干扰)，Ic1、Ic2将同时变化。
如果Ic1、Ic2都减小了，则第二级T4、T5管的Ie将增大，Ub3随之升高。
如果用Ub3控制T3的基极，则Ic3将增加一些，从而Ic1、Id2回升，使Ic1、Ic2的变化趋势被削弱，这样每个管子输出电压的漂移也就小了。
以上各种方法，在良好工艺措施保证下，差动电路的零点漂移可以作到10μV/℃以下。
5.差动电路四种连接方法的比较先将差动电路几种接法的主要性能列成附表。
从附表上可以看出一些规律:(1)凡是双端输出，放大倍数基本上和单管一样。
单端输出时放大倍数为单管一半。
(2)输出电阻在双端输出时为2RC，单端输出时为RC。
(3)输入电阻无论在双端输入还是单端输入时，均为2(Rbl+rbe)。
(完)附表。
差动放大器的工作原理
差动放大器的工作原理
差动放大器是一种基本的放大电路，通过将两个输入信号取差值来实现放大功能。
差动放大器通常由两个输入端，一个共模输入端和一个输出端组成。
差动放大器的基本工作原理如下：
1. 输入信号：将两个输入信号分别连接到差动放大器的两个输入端，分别称为正相输入和负相输入。
这两个输入信号可以是不同的信号源，也可以是同一个信号的不同相位。
2. 差模和共模信号：差动放大器将输入的两个信号进行差分运算，产生的差分信号称为差模信号。
同时，差动放大器还将两个输入信号的平均值称为共模信号。
3. 差分放大：差动放大器通过差模信号进行放大，并将放大后的信号发送到输出端。
差动放大器的放大倍数由电路的设计决定，可以通过选择合适的电阻和晶体管来调整。
4. 共模抑制：差动放大器的一个重要特点是它能够抑制共模信号。
共模信号通常是来自于干扰源或者信号源的共同部分，如电源噪声或环境干扰。
差动放大器的电路设计能够选择性地放大差模信号，而对共模信号进行抑制，从而提高信号的质量和可靠性。
5. 输出信号：放大后的差模信号通过输出端口输出，可以连接到其他电路或设备进行进一步处理。
差动放大器的工作原理是基于差分放大和共模抑制的原理。
差动放大器将输入信号进行差分运算，并通过设定的放大倍数放大差模信号，同时抑制共模信号。
这个特性使得差动放大器在许多应用中非常有用，如抑制噪声、增强信号质量和差分传输等。
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平衡电阻： R2 = R1 // R f
Rf Auf 1 R1
特点： 1. 为深度电压串联负反馈， Auf = 1 + Rf /R1 2. uP = uN ，“虚短”仍成立，但 “虚地”不成立
特殊地：
当 R1 = ，Rf = 0 时， Auf = 1
跟随器
同相器
§3-4
集成运算放大器的应用电路
ui2 = 0
ui1 使：
uo1
Rf ui1 R1
ui1 = 0
（ ui2 使： u o 2 1
R R
f
f
）（
1
R2
R
3
R
） i2 u
3
则： 减法运算电路 平衡电阻： R1//Rf=R2//R3
u
o
u o1 u o2 (1
R R
)(
R R
2
3
1
R
) ui 2
3
单门限电压比较器可实现波形的变换
ui
单门限电压比较器
0 t
把正弦波变为矩形波 单门限电压比较器的特点： 电路结构简单、灵敏度高，但是抗干扰能力差
2、双门限电压比较器
输出电压uo经Rf和R1分压加到同相输入端，为 电路引入了正反馈 集成运放工作在非线性区。
当uo=+Uom时，门限电压用UP1表示
U
共模抑制比CMRR
开环差模电压放大倍数
Auo
开环差模电压放大倍数简称“开环增益”，开环 状态下，输出电压Uo与输入差模电压（Ui1-Ui2）之比， 即Auo=Uo/（Ui1-Ui2）。Auo越大，器件的性能越稳定， 其运算精度也就越高。
输入失调电压Uio
输入电压为零时，为使输出电压为零，在输入端附 加一个的补偿电压，该电压叫做输入失调电压（Uio）。
二、集成运放的封装和分类
1、封装
集成运放封装有塑料双列直插式、陶瓷扁平、金属圆壳 封装等多种。
2、分类
通用型 ： 低功耗型、高精度型、高速型、宽带型、高 专用型 ： 阻型、高压型、低漂移型、低噪声型、大功 率型等。
三、集成运放的主要参数
开环差模电压放大倍数
Auo
输入失调电压Uio
输入失调电流Iio 输入偏置电流IiB 最大差模输入电压Uidm 最大共模输入电压Uicm 差模输入电阻 rid 开环输出电阻ro
2. 反相输入信号时，uP = uN= 0
“虚地”
特殊地：
当 R1 = Rf 时， Auf = -1
反相器
反相器
2、同相比例运算放大电路
if
i1
“虚短” “虚断”
u i u o ui R1 Rf
u N u P ui
i1 if
Rf uo (1 )ui R1
同相比例运算放大电路
的现象，称为零点漂移现象，
零点漂移简称零漂。 产生的原因：
如温度的变化，电源电压波动以及电路元件参数的变化等。
缺点:
由于零点漂移的存在，使得输出端既有被放大的真信号， 又有零点漂移产生的漂移信号，当漂移信号可以与输出端的有 用信号相比时，有用信号将被淹没，失去分辩能力。 对于一个多级直接耦合的放大电路，级数越多，放大倍数 越大，零点漂越严重，会造成后级放大电路无法正常工作。
2、工作原理
（1）静态
IC1
IB1 + UC1 IE1 2IE
+ uo
+
IC2 IB2
UC2 IE2
直流通路
ui=0
ui1=ui2=0
IB1=IB2
IC1=IC2
IE1=IE2
UC1=UC2
uo = UC1 – UC2 = 0
（2）动态分析
1） 差模输入
+
ib1
ui1
+
ic1
+ +
uod
+
ic2 i b2
uo
+Uom
0
UP2
UP1
ui
-Uom
双门限电压比较器的传输特性曲线
两个门限电压之差称为回差电压，用ΔUP表示。
U P U P1 U P 2 R1 U om Rf 2 R1
回差电压与参考电压无关
当输入电压ui因受干扰或含有噪 音信号时，只要变化幅度不超过
回差电压，输出电压就不会在此
当电源极性反接时，相应
二极管便截止
防止电源极性接反电路
2、输入保护电路
利用二极管的限幅特性
双端输入保护电路 单端输入保护电路
共模放大倍数
uoc Ac 0 uic
衡量差动放大器的质量，即差模放大能力和共模抑制能力
共模抑制比
CMRR
Ad Ac
三、 具有电流源的差动放大电路
增大共模放大倍数的思路： 增大RE 用恒流源代替RE （1） 三极管电流源
+VCC RB1 RB2 RE +VCC RC RL I0
IC
特点： 直流电阻为有限值 动态电阻很大 简化画法
下。IiB越小零漂越小。
最大差模输入电压Uidm
正常工作时，在两个输入端之间允许加载的最大差
模电压值，使用时差模输入电压不能超过此值。
最大共模输入电压Uicm
两输入端之间所能承受的最大共模电压。如果共模输 入电压超过此值，集成运放的共模抑制性能明显下降，甚
至造成器件的损坏。
差模输入电阻
期间发生频繁地跳变，而仍保持 为比较稳定的输出电压波形
双门限电压比较器的抗干扰作用
§3-5
1、调零
集成运放的使用常识
一、正确使用集成运放
外接调零电位器的调零电路
同相输入调零 反相输入调零
外加补偿电压的方法进行调零的电路
2、消除自激振荡
二、集成运放的保护电路
1、防止电源极性接反
二极管V1、V2串入集 成电路直流电源电路中，
1、单门限电压比较器
电路开环，集成运放工作在非线性区。 ui>UR时，uo=-Uom ui<UR时，uo=+Uom
单门限电压比较器
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
门限电压为UR 因输入电压只跟一个参考电压UR进行比较，故 此电路称为“单门限电压比较器”。 若UR＝0 过零电压比较器
uo +Uom
0
UR
ui
-Uom
单门限电压比较器的传输特性曲线
差模输出电压
2） 共模输入
+VCC
RC
V1 ui1 ie1 uC1
uod uC2
RC
共模输入
ui1 = ui2
大小相同 极性相同
V2
共模输入电压
ui2
uic = ui1 = ui2
ue = 2ie1RE
ie2 RE -VEE
使得:
ie1 = ie2
共模输出电压
uoc = uc1 – uc2=0
共模信号交流通路 3）共模抑制比
一、集成运算放大电路组成
输入级 中间级
输出级
为各级提供所 需的稳定的静 态工作电流。
偏置电路 为负载提供一定幅度的信号电压 和信号电流。一般采用输出电阻 组成框图 很低的射极输出器或由射极输出 器组成的互补对称功放电路。
电路符号
反相输入端 输出端
同相输入端
实际上集成运放的引出端不止三 个，但分析集成运放时，习惯上 只画出图示中的三个端，其他接 线端各有各的功能，但因对分析 没有影响，故略去不画。
高质量产品Uio一般在1mv以下。
输入失调电流Iio
在输入信号为零时，两输入端静态基极电流之差，
即Iio=IiB1-IiB2。一般在0.01～0.1mA范围内，此值越小
越好。
输入偏置电流IiB
当输入信号为零时，两输入端所需的静态基极电
流的平均值，即IiB=（IiB1+IiB2）/2。一般情况在1mA以
rid
两输入端加入差模信号时的交流输入电阻。此值 越大，集成运放向信号源索取的电流越小，运算精度 越高。
开环输出电阻ro
开环时的动态输出电阻。ro越小带载能力越强。
共模抑制比CMRR
综合衡量运放的放大能力和抑制共模的能力。 CMRR越大越好。
§3-3
集成运算放大器的基本电路
一、集成运放的理想化 二、集成运算放大器的两种基本电路
uo1 uo2 ie1 ie=0 ie2
ui 差模输入
+
ui2 -
差模输入放大电路 大小相同 极性相反
ui1 = – ui2
差模输入电压
uid = ui1 – ui2 = 2ui1 使得： ib1 = – ib2 ic1 = – ic2 ie1 = – ie2
ie = 0
uo1 = – uo2
uod = uc1 – uc2 = uo1 – （ – uo2）=2uo1 uod Ad 差模电压放大倍数 =Ad1 uid
双门限电压比较器
P1
R R
f
R
f 1
U
R
R R
f
R
1 1
U
om
当输入电压上升到ui=UP1时，输出电压uo发生 跳变，由+Uom跳变为-Uom，
门限电压随之变为： U P 2
R R
f
f
R
U
R
R R
f
1
1
R
U
om
1
当输入电压减小，直至ui=UP2时，输出电压再度跳变， 由-Uom跳变为+Uom。
一、集成运放的理想化 1.理想集成运放的基本 概念