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 三极管电流源电路
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。
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
V
R
=，
V CEQ 一般为几伏，所以R CE 不大。
交流电阻为C
CE ce I v
r ??=，为几十千欧至几百千欧。
3.1.2 MOS 单管电流源
耗尽型MOS 管组成单管电流源，如图3.1.2所示。 由交流等效电路图3.1.3得：
?
??
??=+--==o
s ds gs m s s gs o s )(v R i r v g i R
i v i i ds
m o
o o )1(r R g R i v
R ++== ≈ds m )1(r R g +
在分立元件电路中和某些模拟集成电路中，常用JFET 接成的电流源。
图3.1.2 耗尽型MOS 管电流源
图3.1.3 交流等效电路
3.1.3 基本镜像电流源
基本镜像电流源电路如图3.1.4所示。
T 1、T 2参数完全相同（即β1=β2，I CEO1=I CEO2）。 原理：因为V BE1=V BE2，所以I C1=I C2
β
C1
C1B C1REF 2
2I I I I I +=+=
I REF ——基准电流：C2REF
C1/21I I I =+=
β
推出，当β>>2时，I C2= I C1≈I REF R V V BE CC -=≈R
V
CC
优点： （1）I C2≈I REF ，即I C2不仅由I REF 确定，且总与I REF
相等。
（2）T 1对T 2具有温度补偿作用，I C2温度稳定性
能好（设温度增大，使I C2增大，则I C1增大，而I REF
一定，因此I B 减少，所以I C2减少）。
缺点：
（1）I REF （即I C2）受电源变化的影响大，故要求电源十分稳定。
（2）适用于较大工作电流（mA 数量级）的场合。若要I C2下降，则R 就必须增大，这在集成电路中因制作大阻值电阻需要占用较大的硅片面积。
（3）交流等效电阻R o 不够大，恒流特性不理想。
（4）I C2与I REF 的镜像精度决定于β。当β较小时，I C2与I REF 的差别不能忽略。
1. 带有缓冲级的基本镜像电流源（改进电路一）
图3.1.5是带有缓冲级的基本镜像电流源，它是针对基本镜像电流源缺点（4）进行的改进，两者不同之处在于它增加了三极管T 3，其目的是减少三极管T 1、三极管T 2的I B 对I R 的分流作用，提高镜像精度，减少β值不够大带来的影响。
E3
R C1B31B1B31B13B 1B B 1331313o
B 331
o C2
R
131
22
()11
(1)2(1)2111
12/[(1)]
I
I I I I I I I I I I I I I I ββββββββββββββββ=+=+=++=+=+++++++=?=?
++=++ 此时镜像成立的条件为β1(β3+1)>>2，这条件比较容
易满足。或者说，要保持同样的镜像精度，允许T 的β值相对低些。
2. 比例电流源（改进电路二）
图3.1.6是带有发射极电阻的镜像电流源，它是针对基本镜像电流源缺点（3）进行的改进，其中R e1=R e2，两管输入仍有对称性，所以：
CC
e1E1BE R R
o /211
V R I V R I I I =+++=β R I ≈o e1
BE
CC I R R V V ≠+-
图3.1.4 基本镜像电流源电路
图3.1.5 基本镜像电流源
求T 2的输出电阻R o ：
?????
?
?+==++≈
+=+-=o
b e e2e be B b e1D e1B e2e ce b o o 0)(//)//()(i i i R i r R i R R r R R R R i r i i v β )(e2ce e2B be e2
e2ce o R r R R r R R r R -++++=β
≈)1(e2
B be e2
ce R R r R r +++β
输出阻值较大，所以这种电流源具有很好的恒流特性。温度稳定性比基本的电流源好得多。
若此电路R e1不等于R e2，则：
V BE1+I E1R e1=V BE2+I E2R e2
（式中，I E1即I R ，I E2即I o ）
I o ≈e2
e1
R BE2BE1)(R R I V V +-
参数对称的两管在I C 相差10倍以内时，|V BE1-V BE1|<60mV 。
所以，如果I o 与I R 接近，或I R 较大，则ΔV BE 可忽略。
o I ≈R e2
e1I R R
即只要合理选择两T 射极电阻的比例，可得合适的I o 、R o 。因此，此电流源又称为比例电流源。
3.1.4 微电流源
有些情况下，要求得到极其微小的输出电流I C2，这时可令比例电流源中的R e1=0，如图3.1.7即可以在R e2不大的情况下得到微电流I C2。
原理：当I R 一定时，I o 可确定为：
BE 2e E2BE2BE1V R I V V ?==-
o I ≈e2BE
e2BE2BE1
E2R V R V V I ?=-= 可见，利用两管基-射电压差ΔV BE 可以控制I o 。由于ΔV BE
的数值小，用阻值不大的R e2即可得微小的工作电流——微电流源。
)1(e2
5be1e2
ce o R R r R r R +++=β
微电流源特点：
图3.1.6 镜像电流源及其等效电路
图3.1.7 微电流源电路
≈
（1）T 1，T 2是对管，基极相连，当V CC 、R 、R e2已知时，REF I ≈R
V CC
（略去V BE ），当V BE1、V BE2为定值时，e2
BE
C2R V I ?=
也确定了。 （2）当V CC 变化时，I REF 、ΔV BE 也变化，由于R e2的值一般为千欧级，变化部分主要降至R e2上，即ΔV BE2<<ΔV BE1，则I C2的变化远小于I REF 的变化。因此电源电压波动对工作电流I C2影响不大。
（3）T 1管对T 2管有温度补偿作用，I C2的温度稳定性好。总的说来，电流“小”而“稳”。小——R 不大时I C2可以很小（微安量级）。稳——R e2（负反馈）使恒流特性好，温度特性好，受电源变化影响小。进一步，电流的数学关系为：
I o R e2=V BE1-V BE2 而 I C ≈T BE /s e V V I
s C T BE ln I I
V V =
s
C1
s C2s C1T e2o ln )mV (26)
ln (ln I I
I I
I I V R I =-=
C2C1
e2o ln
)mV (26I I R I = 若 10C2
C1=I I
则 I C2 R e =26ln10≈60mV
即电流每增加10倍，I C2R e 总是增加60mV 。因此得到电流每增加10倍，R e 上的电压增加60mV 的简单数学关系式，使计算十分方便。
思考：若要求提供10μA 的输出电流，使用V CC =6V 的电源，R =19kΩ，你如何设计这个电流源？
答案 mA 3.010197.063
BE1CC REF =?-=-=
R V V I ，k Ω8.810300
ln 10102632
=?=-R 3.1.5 串接电流源
为获得更高的输出电阻，利用T 3，T 4组成的基本电流源代替R e1，R e2，主要是用T 4
的输出电阻代替R e2。由图3.1.8得：
R
V V I BE
CC
R 2-= β
ββo E1o B1R )1(I
I I I I +=++=
β
ββC4
B C3B E1)
2()2(2I I I I I +=+=+=
β
ββo
B2C4)1()1(I I I +=+=
n 2
o 24
1I I ββ
+
=
?≈
β/41+I
再由电路图及等效电路图3.1.9可求出输入电流I o 及输出电阻R o 。
图3.1.8 串接电流源电路图
图3.1.9 等效电路图
o R ≈)1(ce4
be2B ce4
ce2r r R r r +++
β≈ce2)1(r β+
3.1.6 电流源的主要应用
前面曾提到，增大R c 可以提高共射放大电路的电压增益，但是，R c 不能很大，因为在集成工艺中制造大电阻的代价太高，而且，在电源电压不变的情况下，R c 越大，导致输出幅度越小。那么，能否找到一种元件代替R c ，其动态电阻大，使得电压增益增大，但静态电阻较小，因而不致于减小输出幅度呢？自然地，可以考虑晶体管恒流源。由于电流源具有直流电阻小，交流电阻大的特点，在模拟集成电路中较为广泛地把它作负载使用——有源负载，如图3.1.10所示。
其等效电路如图3.1.11所示。
图3.1.10 镜像电流源作为T 1集电极R c
图3.1.11 等效电路图
从等效电路可知，电流源提供了比较大的R c ，这样，可使A V 达到甚至更高。
bc1
L ce2ce1V )
////(r R r r A β-
= ce2ce1o //r r R =
电流源也可用作射极负载（R e ）。 练习题
1. 在图3.1.12的小镜像恒流源电路中，已知V CC =30V ，电阻R =30kΩ，V be =0.6V ，T =300K ，要求输出电流I o 为10μA 。试确定R e 的值。
答案
R e =11.9kΩ
2. 在图
3.1.13镜像恒流电路中，三极管T 1、T 2、T 3完全对称。 （1）试求输出电流I o 与参考电流I R 之间的关系；
（2）已知R =13.8kΩ，V CC =15V ，V be =0.6V ，β很大，试求输出电流I o 的数值。
图3.1.12 小镜像恒流源电路
图3.1.13 镜像恒流电路
答案
)2
22
1(2
R o ++-
=ββI I ，I o =1mA
3.2 差动放大电路
3.2.1 基本差动放大电路
在直接耦合放大电路中提到了零漂的问题，抑制零漂的方法一般有如下几个方面：
（1）选用高质量的硅管。
（2）采用补偿的方法，用一个热敏元件，抵消I C 受温度影响的变化。
（3）采用差动放大电路。
本节详细讨论差动放大器的工作原理和基本性能，如图3.2.1所示。
图3.2.1 基本差动式放大器
基本差动式放大器如图3.2.1所示。
T 1、T 2——特性相同的晶体管。电路对称，参数也对称，如：
V BE1=V BE2=V BE ，R c1=R c2=R c ， R b1=R b2=R b ，R s1=R s2=R s ， β1=β2=β；
电路有两个输入端：b 1端，b 2端；有个输出端：c 1端，c 2端。
在分析电路特性之前，必须熟悉两个基本概念——共模信号和差模信号。 1. 差放有两输入端，可分别加上输入信号v s1、v s2
若v s1=-v s2——差模输入信号，大小相等，对共同端极性相反的两个信号，用v sd 表示。 若v s1=v s2——共模输入信号，大小相等，对共同端的极性相同，按共同模式变化的信号，用v sc 表示。
实际上，对于任何输入信号和输出信号，都是差模信号和共模信号的合成，为分析简便，将它们分开讨论。
考虑到电路的对称性和两信号共同作用的效果有：
v s1→
2
21
212121sd sc s2s1s2s1s1v v v v v v v +=-++→ v s2→2
21
212121sd sc
s2s1s2s1s2v v v v v v v -=+-+→ 于是，此时相应的差模输入信号为：
v sd =v s1-v s2差模信号是两个输入信号之差，即v s1、v s2中含有大小相等极性相反的一对信号。
共模信号：v sc =(v s1+v s2)/2 共模信号则是二者的算术平均值，即v s1、v s2中含有大小相等，极性相同的一对信号。即对于差放电路输入端的两个任意大小和极性的输入信号v s1和v s2均可分解为相应的差模信号和共模输入信号两部分。
例：如图3.2.2所示，v s1=5mV ，v s2=1mV ，则v sd =5-1=4mV ，v sc =0.5(5+1)=3mV 。 也就是说，两个输入信号可看作是
sd sc s121
v v v +=
sd sc s22
1
v v v -=
v s1=5mV →3mV+2mV v s2=1mV →-3mV+2mV
差模输入信号v sd =4mV 和共模输入信号v sc =3mV 叠加而成。
2．差模信号和共模信号的放大倍数 放大电路对差模输入信号的放大倍数称为差模电压放大倍数A VD ：A VD =v o /v sd 。
放大电路对共模输入信号的放大倍数称为
图3.2.2 差动式放大电路
共模电压放大倍数A VC ：A VC =v o /v sc 。
在差、共模信号同存情况下，线性工作情况中，可利用叠加原理求放大电路总的输出电压v o 。
v o =A VD v sd +A VC v sc
例：设有一个理想差动放大器，已知：v s1=25mV ，v s2=10mV ，A VD =100，A VC =0。差模输入电压v sd =___mV ；共模输入电压v sc =___mV ；输出电压v o =___mV 。
答案
v sd =v s1-v s2=15mV
v sc =(v s1+v s2)/2=35/2=17.5mV ，v o =A VD v sd +A VC v sc =100×15+0×17.5 =1500mV
3.2.2 差放电路的工作原理
1．静态分析，因没有输入信号，即v s1=v s2=0时，由于电路完全对称：
2
c2c1o c2c2c1c1c c2c1=-===
==v v v i R i R i
i i i
所以输入为0时，输出也为0。 2. 加入差模信号时，即2
sd
s2s1v v v =
-=。 从电路看：v b1增大使得i b1增大，使i c1增大
使得v c1减小。v b2减小使得i b2减小，又使i c2减小，
使得v c2增大。
由此可推出：
v o =v c1-v c2=2v （v 为每管变化量）。若在输入端加共模信号，即v s1=v s2。由于电路的对称性和恒流源偏置，理想情况下，v o =0，无输出。
这就是所谓“差动”的意思：两个输入端之间有差别，输出端才有变动。
3. 在差动式电路中，无论是温度的变化，还是电流源的波动都会引起两个三极管的i c
及v c 的变化。这个效果相当于在两个输入端加入了共模信号，理想情况下，v o 不变从而抑制了零漂。当然实际情况下，要做到两管完全对称和理想恒流源是比较困难的，但输出漂移电压将大为减小。
综上分析，放大差模信号，抑制共模信号是差放的基本特征。通常情况下，我们感兴趣的是差模输入信号，对于这部分有用信号，希望得到尽可能大的放大倍数；而共模输入信号可能反映由于温度变化而产生的漂移信号或随输入信号一起进入放大电路的某种干扰信号，对于这样的共模输入信号我们希望尽量地加以抑制，不予放大传送。凡是对差放两管基极作用相同的信号都是共模信号。
图3.2.3 差动式放大电路
常见的有： （1）v i1不等于-v i2，信号中含有共模信号；（2）干扰信号（通常是同时作用于输入端）； （3）温漂。
静态估算： s
b b2b1b
c b2b1c
c CC c2c1
c c2c122
R i v v i
i i i i R i V v v i
i i i -===
=-=-===
==β
β
3.2.3 差放电路的动态分析
差放电路有两个输入端和两个输出端。同样，输出也分双端输出和单端输出方式。组合起来，有4种连接方式：双端输入双端输出、双入单出、单入双出、单入单出。
1．双入双出
（1）输入为差模方式：2
sd
S2S1v v v =
-=，若i c1上升，而i c2下降。电路完全对称时，则|Δi c1| =|Δi c2|因为I 不变，因此Δv e =0（v o1=v c1，v o2=v c2）。
be
s c
s1o1s1o1s2s1o2o1sd o VD 22r R R v v v v v v v v v v A +-===--==β
即A VC =A 1（共发射单管放大电路的放大倍数）。
有负载R L 时
）（2///''
'L c L be
s L VD R R R r R R A =+-
=β
图3.2.4 差动放大器共模输入交流通路及其等效电路
因为R L 的中点是交流地电位，因此在其交流通路中，电路中线上各点均为交流接地，
由此可画出信号的交流通路如图3.2.4所示，由上面的计算可见，负载在电路完全对称，双入双出的情况下，A VD =A 1，可见该电路使用成倍的元器件换取抑制零漂的能力。
差模输入电阻R i ——从两个输入端看进去的等效电阻R i =2r be 。 差模输出电阻R o 的值为R o =2R c
R o 、R i 是单管的两倍。
（2）输入为共模方式：v s1=v s2，此时变化量相等，v c1=v c2
0sc
c2
c1sc o2o1sc
o
VC =-=-==v v v v v v v v A
实际上，电路完全对称是不容易的，但即使这样，A VC 也很小，放大电路的抑制共模
能力还是很强的。
2．双入单出
对于差模信号：
由于另一三极管的c 极没有利用，因此v o 只有双出的一半。
）
（L c L be s L 1VD //''2121R R R r R R A A =+-
==β
差模输入电阻：
由于输入回路没变， R i =2r be 差模输出电阻： R o =R c1。
对于共模信号，因为两边电流同时增大或同时减小，因此在e 处得到的是两倍的i e 。v e =2i e R e ，这相当于其交流通路中每个射极接2R e 电阻。（R e ——恒流源交流等效电阻）
e
L e be s L sc
o1
VC 2'2)1('
R R R r R R v v A -
=+++-==ββ
当R e 上升，即恒流源越接近理想的情况，A VC 越小，抑制共模信号能力越强。 3．单入双出、单出
若v s1=v i ＞0，则i c1增大，使i e1也增大，v e 增大。由于T 2的b 级通过R s 接地，如图3.2.6所示，则v BE2=0-v e =-v e ，所以有v BE2减小，i c2也减小。整个过程，在单端输入v s 的作用下，
两T 的电流为i c1增加，i c2减少。所以单端输入时，差动放大的T 1、T 2仍然工作在差动 状态。
图3.2.5 2R e 为等效电阻 图3.2.6 单端输入、双端输出电路
从另一方面理解：v s1=v i ，v s2=0将单端输入信号分解成为一个差模信号v sd 和共模信号v sc
2
2)(i s2s1sc i
s2s1sd v v v v v v v v =
+==-= 将两个输入端的信号看作由共模信号和差模信号叠加而成，即：
2
222
22i
i sd sc 2s i
i sd sc 1s v v v v v v v v v v -
=-=+=+=
电路输出端总电压为：v o =A VC v sc +A VD v sd
经过这样的变换后，电路便可按双入情况分析：
L
VC VD s be 0R A A R r β==-
+， （1）如为双端输出，则似双入双出中分析：
L c L o VD sd VD i
(//0.5)
R R R v A v A v ===
即可看为单入双出时的输出v o 与双入双出相同。
（2）如为单端输出（设从T 1，c 极输出），则似双入单出中分析
e
be s L VC 2)1('R r R R A ββ+++-
=≈e L 2'
R R - 2
)
(2)
//'(i VC i VD sc VC sd VD o be s L
VD L c L v A v A v A v A v r R R A R R R +=
+=+-
==β
（3）差模输入电阻：
当R e 很大时（开路），可近似认为R i 与差动输入时相似R i ≈2r be （4）输出电阻： 双出：R o =2R c 单出：R o =R c
注：对于单入单出的情况，从T 1的c 极输出，和从T 2的c 极输出时输入，输出的相位关系是不同的。
从T 1的c 极输出如图3.2.7所示。
设v i 的瞬时极性大于零，则i c1增大，v c1减小，所以输出与输入电压相位相反，所以A VD <0。
从T 2的c 极输出如图3.2.8所示。
设v i 的瞬时极性大于零，则i c1增大，v e 增大，使得v BE2减小，所以i c2减小，v c2增大，输入输出相位相同。所以A VD >0。
由以上分析可知在单入单出差放电路中，如果从某个三极管的b 极输入，然后从同一
个T 的c 极输出，则v o 和v i 反相；如果从另一T 的c 极输出，则v o 和v i 同相。顺便提一下，在单出的情况下，常将不输出的三极管的R c 省去，而将T 的c 极直接接到电源V CC 上。
图3.2.7 从T 1的c 极输出
图3.2.8 从T 2的c 极输出
3.2.4 共模抑制比
共模抑制比K CMR 是衡量差放抑制共模信号能力的一项技术指标。
定义： ||VC VD CMR A A
K =
有时用分贝数表示：
dB ||
g 201VC
VD
CMR A A K = A VD 越大，A VC 越小，则共模抑制能力越强，放大器的性能越优良，所以K 越大越好。 在差放电路中，若电路完全对称，如图3.2.9所示，则有：
图3.2.9 基本差动放大电路在共模输入时的交流通路
（1）双端输出时，K CMR 趋于无穷（A VC →0）。 （2）单端输出时，
||VC
VD CMR A A K =≈
be
s e
r R R +β
由此得，恒流源的交流电阻R e 越大，K 越大，抑制共模信号能力越强。
)
/1(CMR sd sc sd VD sc VD
sd VD sc
VC sd VD o K v
v v A v K A v A v A v A v +=+
=+=
由此知，设计放大器时，必须至少使 K CMR >v sc /v sd 。例如：设K CMR =1 000，v sc =1mV ，
v sd =1μV ，则1/CMR sd sc =K v
v 。
这就是说，当K =1 000时，两端输入信号差为1μV 时所得输出v o 与两端加同极性信号1mV 所得输出v o 相等。若K CMR =10 000，则后项只有前项1/10，再一次说明K 越大，抑制共模信号的能力越强。
例题一 设长尾式差放电路中，R c =30kΩ，R s =5kΩ，R e =20kΩ，V CC =V EE =15V ，β=50，r be =4kΩ。本题电路如图3.2.10所示。
（1）求双端输出时的A VD ；
（2）从T 1的c 极单端输出，求A VD 、A VC 、K CMR ； （3）在（b ）的条件下，设v s1=5mV ，v s2=1mV ，求v o ；
（4）设原电路的R c 不完全对称，而是R c1=30kΩ，R c2=29kΩ，求双出时的K CMR 。 解：
（1）双出时：
7
.166453050be
s c
VD -=+?-
=+-
=r R R A β
（2）单出时，A VD 为双出时的一半：
3
.834
2530
15021be s c VD -=+?-=+-=r R R A β 732
.020
5124530
50)1(2e be s c VD -=??++?-=
+++-=R r R R A ββ 8.113||
VC
VD
CMR ==A A K （3）
v s1=5mV ，v s2=1mV 则 v sd =v s1-v s2=5-1=4mV
v sc =0.5(v s1+v s2)=0.5×(5+1)=3mV v o =A vd v sd + A vc v sc =(-83.3×4)+(0.732×3) =-335.4mV
（4）R c1不等于R c2，则
图3.2.10 长尾式差放电路
9
.16345)
2930(502121be
s c2
be s 1c VD =+-?-
=+-
+-
=r R R r R R A ββ
c1c2
VC
s be e s be e 2(1)2(1)50(3029)/(5425120)0.0244
R R A R r R R r R ββββ=-+
++++++=-?-++??=-
所以
VD
CMR VC
|
|6717A K A == 结果说明，在双出时，若参数有差别，由于利用了两个T 的输出电压的互相抵消作用，因此|A VC |仍比单出时小得多；而|A VD |比单出大。所以K CMR 比单出时高得多。
例题二 改进型差放电路（它用电流源代替a 长尾R e ，并加电位器R P ，用于调整R c 不对称的情况。）集成运放BG305的输入级如 图3.2.11所示，各T 的β1=β2=30，β3=β4=β5=β6=50，各T 的v BE =0.7V ，R b =100kΩ，R c =50kΩ，R P =10kΩ（滑动端调至中点），R e =1kΩ，R L 即第二级的R i 为23.2kΩ。
求：
（1）该放大级的静态工作点； （2）差动放大倍数A VD ；
（3）差动输入电阻R i ，差动输出电阻R o 。
解： （1）当T 5的基极电流可忽略时，流过R b 的电
流为：
1
1007
.01515)(e b BE6CC CC +-+=
+---=R R V V V I ≈0.3mA 则C5I ≈mA 3.01
7
.03.07.0e BE5R1BE6E5=-+=-+=R V I V I
3.05.05.0C54C C3?=?==I I I =0.15mA=150μA
C43C V V =≈5515.015)5.0(W C C3CC ?-=+-R R I V ≈V 75.6
======50
150
3C3B4B3E2E1βI I I I I 3μA
1C1B2B1βI I I ==≈30
3
0.1μA=100nA
（2）
图3.2.11 改进型差放电路
图3.2.12 T 1、T 3复合为一个三极管
be be1be3(1)r r r ββ=++，≈3
1ββ
由I E1=3μA ，I E3=0.15mA
15
.026
5120026)
1(200E334be 3be ?+
=++==I r r β≈k Ω1.9 则 be 269319.1r =+?≈β，k Ω551≈5030?≈1500
L
c P VD be (0.5)//15009.62551
R
R R A r β+?=-
=-≈26- （3） R i =2r be =2×551k Ω=1.1M Ω R o =2R c +R P =110k Ω
例题三 如图3.2.13所示，利用镜像电流源还可使单端输出的差放A VD 提高近一倍，静态时：I C1=I C2=I /2，I C3≈I C1=I C4≈I C2→I o =I C4-I C2=0，v id ：有i c1，i c2=-i c1。
解：电流源i c3=i c4≈i c1→i o =i c4-i c2，i ss =i c1-(-i c1)=2i c1，即输出电流比单端输出时大了
一倍。
o1o2o2
VD id id
c4ce4b1be1
L
be1
2v v v A v v i r i r R r β-==-?=?=
例题四 JFEF 组成的差放电路如图3.2.14所示，计算双入双出差模放大倍数A VD 和单端共模放大倍数A VC 。
图3.2.13 单端输出差放电路
图3.2.14 共模输入信号等效电路 图3.2.15 关系曲线
解：D
m gs gs D
m gs D m
gs i2i1o2o1VD )
(R g v v R g v R g v v v v v A -=----=--=
gs m D o1m D vc ic gs gs m s m s
2122v g R v g R A v v v g R g R -=
==-++ 3.2.5 差放电路的传输特性
1. 传输特性
传输特性，指输出信号随输入信号变化而改变的曲线，如图3.2.16所示，此关系曲线
可由下面推导而得（由于工作范围逐步扩大，微变等效不适用，因此从基本关系出发）：
对于基本差动式放大电路，利用三极管的b-e 结V BE 与i E 间的基本关系有：
E1i ≈T E s1)/(s e v v v I -
E2i ≈T E s2)/(s e v v v I - →B1B2T ()/E1E2
e v v v i
i -=
图3.2.16 差动放大器电路及关系曲线
恒流源电流为i E1和i E2之和。
]
e 1[)1(T 2B B1/)(E1E1
E2
E1E2
E1EE v v v i i i i i i I --+=+
=+=
≈]e
1[T
B2B1/)(c1v v v i --+
由图3.2.16左图可知：
v sd =v s1-v s2=v BE1-v BE2
所以
sd T
sd T sd T
EE
c1//EE /1e e 1e v V v V v V I i I =
+=
+-
同理可求：
T
sd /EE
c2e 1V v I i +=
以V sd /V T 为横坐标，以归一化电流i c1/I EE 和i c2/I EE 为纵坐标可得出如图3.2.16所示的曲线，又
)1e (e
1T sd T
sd //EE
c2c1-+=
-V v V v I i i
分子分母同乘T sd 2/e V v 可得：
)
/2th(e e e e T sd EE EE
2/2/2/2/c2c1T sd T sd T sd T sd V v I I i i V v V v V v V v =+-=
---
2．关系曲线的作用
（1）当v i =0电路处于静态时
2
EE
2c c1I i i =
= i c =i c1-i c2=0 v o =0， 反映了差放电路的本质。
（2）在v id =v sd =±v T =±26mV 范围内电流和电压有良好的线性关系，差动放大器比单管放大器非线性关系小。
（3）当输入电压超过±4v T =±100mV 后，按原来曲线已进入非线性阶段，两个放大管的电流几乎不再随输入电压变化，一个T 饱和，另一个T 截止，差动电路工作在非线性区，这是很有用的限幅特性，可用来构成比较电路，信号产生电路等。
)2th(T
1EE c21c c V v
I i i i =-=
其函数关系如图3.2.17所示。 讨论
（1）两管集电极电流之和恒等于I EE ，因此i c1上升必然i c2下降；静态时v sd =0，静态
点Q 为二线交点处2
EE cq2c2cq1c1I
i i i i ====。
（2）差模传输特性是非线性的，服从双曲线正切函数变化规律：
c
c c c2c1c c2CC c c1CC c2
c1o )()(R i R i i R i V R i V v v v -=--=---=-= 当v i 很小时，|v o |正比于|i c |，因此，|v o |正比于|v i |。其变化规律如图3.2.18所示。 由图3.2.18看出：
当v i =0电路处于静态时
2
EE c2c1I
i i ==
i c =i c1-i c2=0 v o =0，
反映了差放电路的本质。
当v i ≠0，且v i 很小时，i c1上升i c2下降，在放大线性区内，△v o 正比于△v id 。
当v i 大一些时，曲线已进入非线性阶段，一个T 饱和，另一个T 截止（一般v i ≥2v T
以后，在v i >1/2v T 内有很好的线性关系，v i =v T 近似为线性关系）。差动电路工作在非线性区时，可用来构成比较电路、信号产生电路等。
利用差放的限幅特性可构成许多功能的电路。 电流开关为其中一种，如图3.2.19所示。
图3.2.17 限幅特性
图3.2.18 差模传输特性曲线
T 2：V B =v R =+3V ，T 1的基极输入电压为v i 。 工作原理：
当v i =2V （低电平），v id =v i -v R =-1V 。此时T 1止，T 2通（I E 全流过T 2）。
v o1=V CC =12V v o2=V CC -I E R c =6V
当v i =4V （高电平），v id =v i -v R =-1V 。此时，T 1通，T 2止。v o1=6V ，v o2=12V 。
分析表明，在v i 作用下，恒定电流交替拨向T 1管和T 2管，好似一个开关称为电流开关电路。
其主要优点：
开关速度快（T 交替工作在截止、放大状态，不会进入饱和区，避免了因饱和带来的储存时间）。
注：差放工作于大信号状态时，v idm 受截止管发射结反向击穿电压V (BR)EBO 的限制不能无限加大。 如图3.2.20所示，电路中有：
差分放大电路 （1）对共模信号的抑制作用 差分放大电路如图所示。 特点：左右电路完全对称。 原理：温度变化时，两集电极电流增量相等，即C2C1I I ?=?，使集电极电压变化量相等，CQ2CQ1V V ?=?，则输出电压变化量0C2C1O =?-?=?V V V ，电路有效地抑制了零点漂移。若电源电压升高时，仍有0C2C1O =?-?=?V V V ，因此，该电路能有效抑制零漂。 共模信号：大小相等，极性相同的输入信号称为共模信号。 共模输入：输入共模信号的输入方式称为共模输入。 （2）对差模信号的放大作用 基本差分放大电路如图。 差模信号：大小相等，极性相反的信号称为差模信号。 差模输入：输入差模信号的输入方式称为差模输入。 在图中， I 2I 1I 2 1 v v v = -=， 放大器双端输出电压 差分放大电路的电压放大倍数为 可见它的放大倍数与单级放大电路相同。 （3）共模抑制比 共模抑制比CMR K ：差模放大倍数d v A 与共模放大倍数c v A 的比值称为共模抑制比。 缺点：第一，要做到电路完全对称是十分困难的。第二，若需要单端输出，输出端的零点漂移仍能存在，因而该电路抑制零漂的优点就荡然无存了。 改进电路如图（b ）所示。在两管发射极接入稳流电阻e R 。使其即有高的差模放大 倍数，又保持了对共模信号或零漂强抑制能力的优点。 在实际电路中，一般都采用正负两个电源供电，如图所示（c ）所示。 差分放大电路 一. 实验目的: 1． 掌握差分放大电路的基本概念； 2． 了解零漂差生的原理与抑制零漂的方法； 3． 掌握差分放大电路的基本测试方法。 二. 实验原理: 1. 由运放构成的高阻抗差分放大电路 图为高输入阻抗差分放大器,应用十分广泛.从仪器测量放大器,到特种测量放大器,几乎都能见到其踪迹。
模拟电路 实 验 报 告 专业：_ 物理教育 ___ 年级：_ 2012级 姓名：_ 周咏梅 学号：_ 20123959 ___指导教师：_ 王宁宁 ___
差分恒流源放大电路 一、 实验目的 1.了解差分放大电路的组成和接法； 2.掌握差模电压放大倍数，共模电压放大倍数和抑制比； 3.了解并了解差模输入电压和共模输入电压； 4.了解差分放大电路常见的三种形式：基本形式，长尾式和恒流源式； 5.熟知差分放大电路的四种接法；单端输入-双端输出，单端输入-单端输出，双端输入-双端输出，双端输入-单端输出。 二、已知条件 12CC V V =,12EE V V - =-, 20L R K =, 20id V mV =,1f kHz = 三、主要技术指标。 3id R K ≥，50VD A ≥,且电路工作稳定。 四、实验用仪器 示波器、电阻、直流电源、电流表、三极管。 五、电路设计与调试 1． 恒流源：使下面的电路向上面的差分电路输入一个恒定不变的电流，上 面的电流的变化不会引起下面电流的变化。 单端输入，双端输出电路原理与单管放大电路相同。
电路中其他参数的计算： k R R k r R R A r R R R A r I m v r r V R I U U m A I I I V R I U U U MA I I m A R U U I I V R U V V R R R U e be id d be L C d be EQ bb be BQ BQ BQ CQ BQ BQ C CQ CC CQ CQ CQ CQ E RBEQ RB EQ CQ B RB EE CC B B B RB 10212)(2134 )/()5.0//(4.5/)(26)1(501.0/96.213.126.2/)(12245.0)()/(0'121121121211133112111===+==+-==?++==≈==≈==-=====-=≈=?==+?+=βββ由公式得： 原理图：
电子与电气工程学院 课程设计报告 课程名称模拟电子技术课程设计设计题目差动式放大电路 所学专业名称 班级 学号 学生姓名 指导教师 年月日
电气学院模拟电子技术课程设计 任务书 设计名称：差动式放大电路 学生姓名：指导教师： 起止时间：自年月日起至年月日止 一、课程设计目的 利用Multisim设计一个差动式放大电路。 二、课程设计任务和基本要求 设计任务：能够运用Multisim软件对模拟电路进行设计和性能分析，掌握设计的基本方法和步骤。 基本要求： 1. 加深对差动放大器性能及特点的理解； 2. 学习差动放大器主要性能指标的测试方法； 3.在仿真软件中进行调试检测完成课程任务； 4.撰写课程设计论文要求符合模板的相关要求，字数要求3000字以上。 目录 摘要与关键词 (4)
1.设计任务 (4) 2.系统工作原理 (4) 3.总电路图设计 (5) 4.仿真测试与分析 (7) 4.1 静态工作点分析 (7) 4.2 直流信号输入 (7) 4.2.1 直流差模信号分析 (7) 4.2.2 直流共模信号分析 (8) 4.3 交流信号输入 (8) 4.4 双端输入分析 (10) 4.4.1 单端输入共模信号分析 (10) 4.4.2 双端输入共模信号分析 (11) 5.设计总结 (13) 6.主要参考文献 (13)
摘要与关键词 摘要：差动放大电路又叫差分电路，他不仅能有效的放大直流信号，而且能有效的减小由于电源波动和晶体管随温度变化多引起的零点漂移，因而获得广泛的应用。特别是大量的应用于集成运放电路，他常被用作多级放大器的前置级。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，广泛应用于直接耦合电路和测量电路的输入级。 关键词：差动放大器；Multisim软件；示波器；耦合器；晶体管 1.设计任务 利用Multisim设计一个差动式放大电路。主要参数：选用三极管2N2222A，采用±12V的双电源，差模电压增益|Avd|>20，共模抑制比KCMR>>20. 2.系统工作原理 图一系统工作原理图 单元单路的设计与选择 如图所示采用两个完全一样的三极管组成对称式结构作为差分放大电路的基本单元。
恒流源式的差分放大电路及输入信号u I1(t)、u I2(t)波形如图所示。各晶体管参数均相同，β＝60，r bb’＝300Ω，U BE＝0.7V，V CC＝12V，V EE＝6V，R c1＝10 kΩ，R c2＝10kΩ，R b1＝R b2＝R b ＝2kΩ，R1＝1kΩ，R2＝R3＝4.3kΩ，R W＝200Ω，且其滑动端位于中点，负载电阻R L＝10kΩ。 试画出u o(t)的波形并标出相应的幅值。 [答案] 故画出的u O波形如图示：
[题目] 恒流源式差分放大电路如图所示。设晶体管VT1、VT2 VT3特性相同，U BE＝0.7V。试估算该电路允许的共模输入电压U ICM。 [答案] 故正向允许的共模输入电压为7V 故负向允许的共模输入电压为－3.3V
电流源式差分放大电路如图所示。设各晶体管参数均相同，且β＝100，U BE＝0.7V，V CC＝V EE＝6V，R b1＝R b2＝R b＝51Ω，R c1＝R c2＝R c＝20kΩ，R1＝R3＝2.4kΩ，R2＝510Ω，R L＝180kΩ，R w＝100Ω，且其滑动端位于中点，若在静态时电路分别出现以下三处故障，试判断VT1、VT2、VT3相应的工作状态（截止、放大、饱和）。 1．VT1发射极与R W的连接处开路； 2．V CC与R c2的连接处开路； 3．VT3发射极与R3的连接处开路。 [答案] 1．VT1截止 故VT2工作在饱和状态，而VT3仍工作在放大状态； 2．I C2可由V CC经R c1、R L提供，若按计，则R c1上将产生7.74V 的压降，故VT1、VT2均已工作在饱和状态，而VT3仍工作在放大状态； 3．VT3截止，故VT1、VT2也都截止。
加法器及差分放大器项目实验报告 一、项目内容和要求 （一）、加法器 1、任务目的： （1）掌握运算放大器线性电路的设计方法； （2）理解运算放大器的工作原理； （3）掌握应用仿真软件对运算放大器进行仿真分析的方法。 2、任务内容： 2.1 设计一个反相加法器电路，技术指标如下： （1）电路指标 运算关系:)25(21i i O U U U +-=。 输入阻抗Ω≥Ω≥K R K R i i 5,521。 （2）设计条件 电源电压Ec=±5V ； 负载阻抗Ω=K R L 1.5 （3）测试项目 A ：输入信号V U V U i i 5.0,5.021±=±=，测试4种组合下的输出电压； B ：输入信号V KHz U V U i i 1.0,1,5.021为正弦波±=信号，测试两种输入组合情况下的输出电 压波形。 C ：输入信号V U i 01=，改变2i U 的幅度，测量该加法器的动态范围。 D ：输入信号V U i 01=，V U i 1,2为正弦波，改变正弦波的频率，从1kHz 逐渐增加，步长为 2kHz ，测量该加法器的幅频特性。 2.2 设计一个同相加法器电路，技术指标如下： （1）电路指标 运算关系：21i i O U U U +=。 （2）设计条件 电源电压Ec=±5V ； 负载阻抗Ω=K R L 1.5 （3）测试项目 A ：输入信号V U V U i i 1,121±=±=，测试4种组合下的输出电压； B ：输入信号V KHz U V U i i 1,1,121为正弦波±=信号，测试两种输入组合情况下的输出电压 波形。 （二）、差分放大器 1、任务目的： （1）掌握运算放大器线性电路的设计方法； （2）理解运算放大器的工作原理； （3）掌握应用仿真软件对运算放大器进行仿真分析的方法。 2、任务内容 2.1 设计一个基本运放差分放大器电路，技术指标如下： （1）电路指标 运算关系:)(521i i O U U U --=。 输入阻抗Ω≥Ω≥K R K R i i 5,521。 （2）设计条件
设计课题 设计一个具有恒流偏置的单端输入-单端输出差分放大器。 学校：延安大学
一： 已知条件 正负电源电压V V V V EE cc 12,12-=-+=+；负载Ω=k R L 20；输入差 模信号mV V id 20=。 二：性能指标要求 差模输入电阻Ω>k R id 10；差模电压增益15≥vd A ；共模抑制 比dB K CMR 50>。 三：方案设计及论证 方案一：
方案二
方案论证： 在放大电路中，任何元件参数的变化，都将产生输出电压的漂移，由温度变化所引起的半导体参数的变化是产生零点漂移的主要原因。采用特性相同的管子使它们产生的温漂相互抵消，故构成差分放大电路。差分放大电路的基本性能是放大差模信号，抑制共模信号好，采用恒流源代替稳流电阻，从而尽可能的提高共模抑制比。 论证方案一：用电阻R6来抑制温漂 ?优点：R6 越大抑制温漂的能力越强； ?缺点：<1>在集成电路中难以制作大电阻； <2> R6的增大也会导致Vee的增大（实际中Vee不
可能随意变化） 论证方案二 优点：（1）引入恒流源来代替R6,理想的恒流源内阻趋于无穷，直流压降不会太高，符合实际情况； （2）电路中恒流源部分增加了两个电位器，其中47R的用来调整电路对称性，10K的用来控制Ic的大小，从而调节静态工作点。 通过分析最终选择方案二。 四：实验工作原理及元器件参数确定 ?静态分析：当输入信号为0时， ?I EQ≈(Vee-U BEQ)/2Re ?I BQ= I EQ /(1+β) ?U CEQ=U CQ-U EQ≈Vcc-I CQ Rc+U BEQ 动态分析 ?已知：R1=R4,R2=R3
差动放大电路的分析与综合（计算与设计）实验报告 1、实验时间 10月31日(周五)17:50-21:00 2、实验地点 实验楼902 3、实验目的 1. 熟悉差动放大器的工作原理(熟练掌握差动放大器的静态、动态分析方法) 2. 加深对差动放大器性能及特点的理解 3. 学习差动放大电路静态工作点的测量 4. 学习差动放大器主要性能指标的测试方法 5. 熟悉恒流源的恒流特性 6. 通过对典型差动放大器的分析，锻炼根据实际要求独立设计基本电路的能力 7. 练习使用电路仿真软件，辅助分析设计实际应用电路 8. 培养实际工作中分析问题、解决问题的能力 4、实验仪器 数字示波器、数字万用表、模拟实验板、三极管、电容电阻若干、连接线 5、电路原理 1. 基本差动放大器 图是差动放大器的基本结构。它由两个元件参数相同的基本共射放大电路组成。 部分模拟图如下 1.直流分析数据 2.直流分析仿真数据 3.交流分析数据 4.交流分析仿真数据 具有平衡电位器的 差动放大器 图是差动放大器的结 构。它由两个元件参数相 近的基本共射放大电路组 成。 1.直流分析数据 2.直流分析仿真数据
3.交流分析数据 4.交流分析仿真数据 具有恒流源的差动放大器 图2-3是差动放大器的结构。它由两个元件参数相近的基本共射放大电路组成。 1.直流分析数据 2.直流分析仿真数据 3.交流分析数据 4.交流分析仿真数据 图3.1 差动放大器实验电路 当开关K 拨向右边时，构成具有恒流源的差动放大器。晶体管 T 3 与电阻3E R 共同组成镜象恒流源电路 , 为差动放大器提供恒定电流E I 。用晶体管恒流源代替发射极电阻 E R ，可以进一步提高差动 放大器抑制共模信号的能 力。 1、差动电路的输入输 出方式 根据输入信号和输出信号的不同方式可以有四种连接方式,即 : (l) 双端输入 -双端输出，将差模信号加在1s V 、2s V 两端 , 输出取自1o V 、2o V 两端。 (2) 双端输入 -单端输出，将差模信号加在1s V 、2s V 两端 , 输出取自1o V 或2o V 到地。 (3) 单端输入一双端输出，将差模信号加在1s V 上,2s V 接地 ( 或1s V 接地而信号加在2s V 上 ), 输出取自1o V 、2o V 两端。 (4) 单端输入 -单端输出 将差模信号加在1s V 上,2s V 接地 ( 或1s V 接地而信号加在2s V 上 ), 输出取自1o V 或2o V 到地。
实验三差分放大电路 一、实验目的 1、加深对差动放大器性能及特点的理解 2、学习差动放大器主要性能指标的测试方法 二、实验原理 图3－1是差动放大器的基本结构。它由两个元件参数相同的基本共射放 大电路组成。当开关K拨向左边时，构成典型的差动放大器。调零电位器R P 用来调节T 1、T 2 管的静态工作点，使得输入信号U i ＝0时，双端输出电压U O ＝0。 R E 为两管共用的发射极电阻，它对差模信号无负反馈作用，因而不影响差模电压放大倍数，但对共模信号有较强的负反馈作用，故可以有效地抑制零漂，稳定静态工作点。 图3－1 差动放大器实验电路
当开关K 拨向右边时，构成具有恒流源的差动放大器。 它用晶体管恒流源代替发射极电阻R E ，可以进一步提高差动放大器抑制共模信号的能力。 1、静态工作点的估算 典型电路 E BE EE E R U U I -≈ （认为U B1＝U B2≈0） E C2C1I 2 1 I I == 恒流源电路 E3 BE EE CC 2 1 2 E3C3R U )U (U R R R I I -++≈≈ C3C1C1I 2 1 I I == 2、差模电压放大倍数和共模电压放大倍数 当差动放大器的射极电阻R E 足够大，或采用恒流源电路时，差模电压放大倍数A d 由输出端方式决定，而与输入方式无关。 双端输出: R E ＝∞，R P 在中心位置时， P be B C i O d β)R (12 r R βR △U △U A +++- == 单端输出 d i C1d1A 21 △U △U A == d i C2d2A 2 1 △U △U A -==
天水师范学院 TIANSHUINORMALUNIVERSITY 《模拟电子技术基础》 《模拟电路综合设计》 设计报告 题目：恒流源差分放大电路 学院：电子信息与电气工程学院 专业：电子信息工程 班级： 1 6级电信一班 姓名：秦汉柱 学号：20161060132 指导老师：刘秉科 2017 年12月30日
目录 一、设计目的 (3) 二、实验预习与思考 (3) 三、恒流源 (3) 1、恒流源的作用 (3) 2、恒流源的分类 (4) 四、差分放大电路 (4) 五、设计原理 (4) 1、电路组成 (4) 1、第一级差分放大电路 (5) 3、第二级共射极放大电路 (6) 4、第三级功率放大器 (7) 六、仪器与元器件 (7) 七、测试方法 (8) 八、仪器表的操作使用 (9) 八、电路焊接及调试过程分析 (10) （1）、电路焊接 (10) （2）、电路调试及输出 (10) 九、设计总结和体会 (11) (1)设计总结 (11) （2）心得体会 (11)
一、设计目的 1、加深对差分放大电路的工作原理、分析方法的理解与掌握； 2、学习具有恒流源差分放大电路的测试方法； 3、了解恒流源在差分放大电路中的作用； 二、实验预习与思考 1、恒流源的作用？常见的恒流源有哪几种？ 2、差分放大电路的电路组成、工作原理、主要指标理解及计算？ 3、设计任务和要求？ （1）、基本要求 预设一个具有恒流源的单端输入—单端输出差分放大器。+UCC=+6V，UEE=-6V。 （2）、扩展要求 电路要有创新 三、恒流源 1、恒流源的作用 由于普通差分电路存在温度漂移问题,引进长尾电路,也就是在差分对管发射极接入电阻RE,这个电阻对于共模信号（温度上升、下降引起的）有负反馈作用,因为温度上升时IC1,IC2同时上升,产生的增量发射极电流在其上面产生压降,使三极管UBE1、UBE2下降,IB1、IB2下降使IC1、IC2下降.对于差模信号没有负反馈作用.因为IC1增加多少,IC2就减少多少. 恒流源式差分电路其实就是把RE换成一个三极管恒流源,由于恒流源稳定电流的作用更强,效果比RE更好,也不需要把电源电压弄的很高.（长尾电路为了效果好,往往要加大RE的数值,但是也要提高电源电压）
几个常用经典差动放大器应用电路详解 成德广营浏览数：1507发布日期：2016-10-10 10:48 经典的四电阻差动放大器（Differential amplifier，差分放大器）似乎很简单，但其在电路中的性能不佳。本文从实际生产设计出发，讨论了分立式电阻、滤波、交流共模抑制和高噪声增益的不足之处。关键词：CMRR差动放大器差分放大器 简介 经典的四电阻差动放大器（Differential amplifier，差分放大器）似乎很简单，但其在电路中的性能不佳。本文从实际生产设计出发，讨论了分立式电阻、滤波、交流共模抑制和高噪声增益的不足之处。 大学里的电子学课程说明了理想运算放大器的应用，包括反相和同相放大器，然后将它们进行组合，构建差动放大器。图 1 所示的经典四电阻差动放大器非常有用，教科书和讲座 40 多年来一直在介绍该器件。 图 1. 经典差动放大器 该放大器的传递函数为： 若R1 = R3 且R2 = R4，则公式 1 简化为：
这种简化可以在教科书中看到，但现实中无法这样做，因为电阻永远不可能完全相等。此外，基本电路在其他方面的改变可产生意想不到的行为。下列示例虽经过简化以显示出问题的本质，但来源于实际的应用问题。 CMRR 差动放大器的一项重要功能是抑制两路输入的共模信号。如图1 所示，假设V2 为 5 V，V1 为 3 V，则4V为共模输入。V2 比共模电压高 1 V，而V1 低 1 V。二者之差为 2 V，因此R2/R1的“理想”增益施加于2 V。如果电阻非理想，则共模电压的一部分将被差动放大器放大，并作为V1 和V2 之间的有效电压差出现在VOUT ，无法与真实信号相区别。差动放大器抑制这一部分电压的能力称为共模抑制（CMR）。该参数可以表示为比率的形式（CMRR），也可以转换为分贝（dB）。 在1991 年的一篇文章中，Ramón Pallás-Areny和John Webster指出，假定运算放大器为理想运算放大器，则共模抑制可以表示为： 其中，Ad为差动放大器的增益， t 为电阻容差。因此，在单位增益和 1%电阻情况下，CMRR 等于 50 V/V（或约为 34 dB）；在 0.1%电阻情况下，CMRR等于 500 V/V（或约为 54 dB）-- 甚至假定运算放大器为理想器件，具有无限的共模抑制能力。若运算放大器的共模抑制能力足够高，则总CMRR受限于电阻匹配。某些低成本运算放大器具有 60 dB至 70 dB的最小CMRR，使计算更为复杂。 低容差电阻 第一个次优设计如图 2 所示。该设计为采用OP291 的低端电流检测应用。R1 至R4 为分立式 0.5%电阻。由Pallás-Areny文章中的公式可知，最佳CMR为 64 dB.幸运的是，共模电压离接地很近，因此CMR并非该应用中主要误差源。具有 1%容差的电流检测电阻会产生 1%误差，但该初始容差可以校准或调整。然而，由于工作范围超过 80°C，因此必须考虑电阻的温度系数。
[应用]差动放大电路原理介绍 从电路结构上说，差动放大电路由两个完全对称的单管放大电路组成。由于电路具有许多突出优点，因而成为集成运算放大器的基本组成单元。一、差动放大电路的工作原理 最简单的差动放大电路如图7-4所示，它由两个完全对称的单管放大电路拼接而成。在该电路中，晶体管T、T型号一样、特性相同，R为输入回路限流电12B1 阻，R为基极偏流电阻，R为集电极负载电阻。输入信号电压由两管的基极输入，B2C 输出电压从两管的集电极之间提取(也称双端输出)，由于电路的对称性，在理想情况下，它们的静态工作点必然一一对应相等。 图7-4 最简单的差动放大电路 1(抑制零点漂移 在输入电压为零， u= u= 0 的情况下，由于电路对称，存在I= I，i1 i2 C1 C2所以两管的集电极电位相等，即 U= U，故 C1 C2 u= U- U= 0。 o C1 C2 当温度升高引起三极管集电极电流增加时，由于电路对称，存在，导致两管集电极电位的下降量必然相等，即
所以输出电压仍为零，即。 由以上分析可知，在理想情况下，由于电路的对称性，输出信号电压采用从两管集电极间提取的双端输出方式，对于无论什么原因引起的零点漂移，均能有效地抑制。 抑制零点漂移是差动放大电路最突出的优点。但必须注意，在这种最简单的差动放大电路中，每个管子的漂移仍然存在。 2(动态分析 差动放大电路的信号输入有共模输入、差模输入、比较输入三种类型，输出方式有单端输出、双端输出两种。 (1)共模输入。 在电路的两个输入端输入大小相等、极性相同的信号电压，即，这种输入方式称为共模输入。大小相等、极性相同的信号为共模信号。 很显然，由于电路的对称性，在共模输入信号的作用下，两管集电极电位的大小、方向变化相同，输出电压为零(双端输出)。说明差动放大电路对共模信号无放大作用。共模信号的电压放大倍数为零。 (2)差模输入。 在电路的两个输入端输入大小相等、极性相反的信号电压，即u = -ui1i2 ,这种输入方式称为差模输入。大小相等、极性相反的信号，为差模信号。 在如图7-4所示电路中，设u> 0 u< 0，则在u的作用下，T管的集电i1 i2 i11极电流增大，导致集电极电位下降(为负值);同理，在U的作用下，T管i22的集电极电流减小，导致集电极电位升高(为正值)，由于 = ，很显然，和大小相等、一正一负，输出电压为 u- o =
目录 1 课程设计的目的与作用 (1) 1.1设计目的及设计思想 (1) 1.2设计的作用 (1) 1.3 设计的任务 (1) 2 所用multisim软件环境介绍 (1) 3 电路模型的建立 (3) 4 理论分析及计算 (4) 4.1理论分析 (4) 4..1.1静态分析 (4) 4.1.2动态分析 (5) 4.2计算 (5) 5 仿真结果分析 (6) 6 设计总结和体会 (9) 6.1设计总结 (9) 6.2心得体会 (9) 7参考文献 (10)
1 课程设计的目的与作用 1.1设计目的及设计思想 根据设计要求完成对单入双出恒流源式差分放大电路的设计，加强对模拟电子技术的理解,进一步巩固课堂上学到的理论知识。了解恒流源式差分放大电路的工作原理，掌握外围电路设计与主要性能参数的测试方法。 1.2设计作用 通过multisim软件仿真电路可以使我们对恒流源式差分放大电路有更深的理解，同时可以与长尾式放大电路加以比较，看到恒流源式差分放大电路的优越性。 1.3设计任务 1.设计一个单入双出恒流源是差分放大电路，在实验中通过调试电路，能够真正理解和掌握电路的工作原理。 2.正确理解所设计的电路中各元件对放大倍数的影响，特别是三极管的参数。 3.正确处理理论计算数据，并非仿真数据进行比较在比较中加深理解。 2 所用multisim软件环境介绍 multisim软件环境介绍 Multisim是加拿大IIT公司（Interrative Image Technologies Ltd）推出的基于Windows的电路仿真软件，由于采用交互式的界面，比较直观、操作方便，具有丰富的元器件库和品种繁多的虚拟仪器，以及强大的分析功能等特点，因而得到了广泛的引用。 针对不同的用户，提供了多种版本，例如学生版、教育版、个人版、专业版和超级专业版。其中教育版适合高校的教学使用。
实验五差动放大电路 (本实验数据与数据处理由果冻提供,仅供参考,请勿传阅.谢谢~) 一、实验目的 1、加深对差动放大器性能及特点的理解 2、学习差动放大器主要性能指标的测试方法 二、实验原理 R P用来调节T1、T2管的静态工作点， V i＝0时， V O＝0。R E为两管共用的发射极电阻，它对差模信号无负反馈作用，不影响差模电压放大倍数，但对共模信号有较强的负反馈作用,可以有效抑制零漂。 差分放大器实验电路图 三、实验设备与器件 1、±12V直流电源 2、函数信号发生器 3、双踪示波器 4、交流毫伏表 5、直流电压表 6、晶体三极管3DG6×3， T1、T2管特性参数一致，或9011×3,电阻器、电容器若干。 四、实验内容 1、典型差动放大器性能测试 开关K拨向左边构成典型差动放大器。 1) 测量静态工作点 ①调节放大器零点
信号源不接入。将放大器输入端A 、B 与地短接，接通±12V 直流电源，用直流电压表测量输出电压V O ，调节调零电位器R P ，使V O ＝0。 ②测量静态工作点 再记下下表。 2) 测量差模电压放大倍数(须调节直流电压源Ui1=0.1V ,Ui2=-0.1V) 3) 测量共模电压放大倍数 理论计算：(r be =3K .β=100. Rp=330Ω) 静态工作点: E3 BE EE CC 212 E3 C3R V )V (V R R R I I -++≈≈=1.153mA I c Q =I c 3/2=0.577mA, I b Q =I c /β=0.577/100=5.77ｕA U CEQ =V cc-I c R c+U BEQ =12-0.577*10+0.7=6.93V 双端输出:(注:一般放大倍数A 的下标d 表示差模,下标c 表示共模,注意分辨) P be B C i O d β)R (12 1 r R βR △V △V A +++- ===-33.71 A c 双 =0.
对于全差分放大器，一般可以得到更大的swing (由于差分信号)，同时可以实现对共模干扰、噪声以及偶数阶的非线性的抑制；但其需要有两个匹配的反馈网络，以及共模反馈电路 顺便提一下，对于全差分的折叠共源共栅（folded cascode）放大器，需要注意 转换速率（正向与负向）对输入对差分对的尾电流源和cascode电流源的考虑 非主极点的位置–输入对管的drain节点（注意全差分没有镜像极点的问题..），如果考虑PMOS输入的结构，将会折叠到n管的cascode，从而减小此节点阻抗，提高此非主极点的频率；但是P输入结构亦有其问题，如直流增益和cmfb电路的速度（考虑cmfb控制的为cascode的pmos电流源） 关于共模反馈CMFB 从反馈环路来看，共模的稳定问题来源于闭环的共模增益：由于输入差分对的尾电流源的local-feedback，通常共模增益较小，导致运放无法控制其输出共模点；通过CMFB共模反馈电路，可以提高共模反馈环路的增益，以稳定共模信号。 设计CMFB需考虑补偿以减小环路的稳定时间（settling time）和提高稳定性。 从性能上，我们希望共模反馈的单位增益带宽足够大，但由于cmfb的环路相较于差模通路可能有更多高频极点，故此在一定的功耗要求下其UGB一般比较难做的高，有书中提到可以将其设计为差模UGB 的1/3 一般共模反馈的方法是控制放大器的电流源，这里如果是folded-cascode的结构，可以考虑用cmfb控制cascode的电流源而不是输入差分对的电流源—-因其在共模环路中有较少的节点–>更容易补偿等..（另一种考虑是控制尾电流源可能导致共模增益的问题) 另外，对于cmfb控制的尾电流源，常见将尾电流源分为两半，其中之一由cmfb控制，另一半接恒定偏置电流；这种结构的具体分析可见Gray书12.4.2节的内容，简单来说，single-stage的opamp中控制尾电流源的cmfb结构，其UGB主要为gmt/CL, 其中gmt为尾电流源的跨导，这里拆分尾电流源来减半cmc共模控制的部分，这样UGB减小，即缩减带宽来提升共模反馈环路的相位裕度，当然cmfb的增益相应也减小了；另外恒定偏置部分也可帮助共模电压的初始建立，减小cmfb大的扰动。 具体的，共模反馈可以分为连续时间和开关电容两类 连续时间的共模反馈 一般的问题是信号幅度的限制和共模信号干扰，具体的共模反馈的方法： 1.电阻分压resistive-divider （如下左图） 电阻和cm-sense amplifier的输入电容会引入一个极点，可以通过在电阻上并联电容的方法，引入一个左半平面零点，来减小高频极点的影响
电子信息科学与技术专业设计报告 差分放大电路 目录 一.实验目的 (2) 二．设计仪器与元器件 (2) 三.设计要求 (2) 四.设计思路 (2) 1. 器件选择 (2) 2.设置静态工作点计算元件参量 (2) 3．静态工作点的调整和测量 (3) 五.差模电压增益A VD的测量 (3) 六．设计原理 (4) 七.仿真波形 (4)
八. 实验结果.................................................................................5 九. 问题讨论 (6) 一． 实验目的： 1．掌握差分放大器的主要特性参数及测试方法; 2．学会设计有恒流源的差分放大器及电路的调试技术; 3. 掌握差分放大器的基本实验要领 二． 设计仪器与元器件： 低频信号发生器 EE1641B 1台 数字万用表 UT2003 1台 双踪示波器 COS5020或TDS210 1台 实验箱 导线若干 三. 设计要求： 预设一具备恒流源偏置的单端输入—双端输办差分放大器。 已知条件：+UCC=+12V ，, UEE=-12V,RL=20K ，Uid=20mv 。 机能指标要求：Rid>20k,Au≥20,KCMR>60dB。 四． 设计思路： 1.按照题意要求共模抑制比较高，即电路的对称性要好，由于实验室条件有限选择 VT1， VT2 ，VT3为9013，其放大倍数均为100。设置静态工作点计算元件参量 2．差分放大器的静态工作点首要由恒流源Im 决定，故一般先设定Im 。Im 越小，恒流源越稳定，漂移越小，放大器的输入阻抗越高，但是也不能太小，此处取值2mA 。 则 Ie1Q=Ie 2Q≈I m/2=1mA (1)由rbe=300Ω+(1+100)26Mv/IEQ=300Ω+(1+100)26/ Ie =2926Ω 要求Rid>20k, 故 R id =2(R B1+ r be )＞20k 则 R B1＞(10-2.926)k Ω=7.074 k Ω 取R B1= R B2=8.5 k Ω (2) 要求AVD ≥20 201'≥+-= be B L VD r R R A β 即100（R c1//10） /(2.926+8.5) >20
差动放大电路实验报告 严宇杰141242069 匡亚明学院 1.实验目的 （1）进一步熟悉差动放大器的工作原理； （2）掌握测量差动放大器的方法。 2.实验仪器 双踪示波器、信号发生器、数字多用表、交流毫伏表。 3.预习内容 （1）差动放大器的工作原理性能。 （2）根据图3.1画出单端输入、双端输出的差动放大器电路图。 4.实验内容 实验电路如图3.1。它是具有恒流源的差动放大电路。在输入端，幅值大小相等，相位相反的信号称为差模信号；幅值大小相等，相位相同的干扰称为共模干扰。差动放大器由两个对称的基本共射放大电路组成，发射极负载是一晶体管恒流源。若电路完全对称，对于差模信号，若Q1的集电极电流增加，则Q2的集电极电流一定减少，增加与减少之和为零，Q3 和R e3等效于短路，Q1,Q2的发射极等效于无负载，差模信号被放大。对于共模信号，若 Q1的集电极电流增加，则Q2的集电极电流一定增加，两者增加的量相等，Q1、Q2的发射极等效于分别接了两倍的恒流源等效电阻，强发射极负反馈使共射放大器对共模干扰起强衰减作用，共模信号被衰减。从而使差动放大器有较强的抑制共模干扰的能力。调零电位器 R p用来调节T1,T2管的静态工作点，希望输入信号V i=0时使双端输出电压V o=0. 差动放大器常被用作前置放大器。前置放大器的信号源往往是高内阻电压源，这就要求前置放大器有高输入电阻，这样才能接受到信号。有的共模干扰也是高内阻电压源，例如在使用50Hz工频电源的地方，50Hz工频干扰源就是高内阻电压源。若放大器的输入电阻很高，放大器在接受信号的同时，也收到了共模干扰。于是人们希望只放大差模信号，不放大共模
§5、1差动放大电路(第三页) 这一页我们来学习另一种差动放大电路和差动放大电路的四种接法 一：恒流源差动放大电路 我们知道长尾式差动电路，由于接入Re，提Array高了共模信号的抑制能力，且Re越大，抑制能 力越强，但Re增大，使得Re上的直流压降增 的值， 大，要使管子能正常工作，必须提高U EE 这样做是很不划算的。因此我们用恒流源代替 Re，它的电路图如右图所示： 代替Re即可恒流源差动放大电路的指标运算，与长尾式完全一样，只需用r o3 二：差动放大电路的四种接法 差动放大电路有两个输入端和两个输出端，因此信号的输入、输出方式有四种情况。 （1）双端输入、双端输出
(2)双端输入、单端输出 (3)单端输入、双端输出 (4)单端输入、双端输出
三：总结 由以上我们可以看出：差动放大电路电压放大倍数仅与输出形式有关，只要是双端输出，它的差模电压放大倍数与单管基本的放大电路相同；如为单端输出，它的差模电压放大倍数是单管基本电压放大倍数的一半，输入电阻都相同。 下一节 返回 §5、2 集成运算放大器 集成运放是一种高放大倍数、高输入电阻、低输出电阻的直接耦合放大电路 一：集成运放的组成 它有四部分组成：1、偏置电路； 2、输入级：为了抑制零漂，采用差动放大电路 3、中间级：为了提高放大倍数，一般采用有源负载的共射放大电路。 4、输出级：为了提高电路驱动负载的能力，一般采用互补对称输出级电路 二：集成运放的性能指标（扼要介绍） 1、开环差模电压放大倍数 Aod 它是指集成运放在无外加反馈回路的情况下的差模电压的放大倍数。 2、最大输出电压 Uop-p 它是指一定电压下，集成运放的最大不失真输出电压的峰--峰值。 3、差模输入电阻r id 它的大小反映了集成运放输入端向差模输入信号源索取电流的大小。要求它愈大愈好。
模拟集成电路课程设计报告电流镜负载的差分放大器
摘要: 差分放大器是最重要的电路发明之一，它可以追溯到真空管时代。有于差动放大具有很多有用的特性，像对差模输入信号的放大作用和对共模输入信号的抑制作用，所以它已经成为当代高性能模拟电路和混合信号电路的主要选择。电流源在差分放大器中广泛应用，电流源起一个大电阻的作用，但不消耗过多的电压余度。在模拟电路中，电流源的设计是基于对基准电流的“复制”，稳定的基准电流则由一个相对复杂的电路来产生。在电流镜中，只需调整MOS管的W/L就能获得不同的、精确的复制电流。在本课程设计中，将根据典型电流镜负载差动对中，增益、带宽与MOS管W/L之间的关系，获得满足要求的放大器。
一.设计目标 ................................................................................................................................ - 1 - 二．单个MOS管的的特性 ...................................................................................................... - 2 - 2.1 、NMOS特性仿真...................................................................................................... - 2 - 2.2 、PMOS特性仿真 ...................................................................................................... - 4 - 三．电路设计与参数推导.......................................................................................................... - 6 - 3.1电路设计：.................................................................................................................... - 6 - 3.2手工推导参数................................................................................................................ - 7 - 四．差分放大器仿真 ................................................................................................................. - 9 - 4.1、HSPICE仿真：......................................................................................................... - 9 - 4.2、器件参数修改........................................................................................................... - 10 - 4.3 仿真波形..................................................................................................................... - 12 - 4.2、共模电平的范围：................................................................................................... - 13 - 4.3 数据对比..................................................................................................................... - 16 - 五.总结 ...................................................................................................................................... - 17 -
EDA（一）模拟部分电子线路仿真实验报告 实验名称：差分放大电路 姓名：陈晟 学号： 120401221 班级：电信2班 时间： 2014.11.27 南京理工大学紫金学院电光系
一．实验目的 1、熟悉差分放大电路的结构 2、了解差分放大电路抑制零点漂移的原理 3、掌握差分放大电路静态工作点的估算方法及仿真方法 4、掌握差发放大电路电压放大倍数、输入电阻、输出电阻的估算方法及仿真分析方法 5、了解差分放大电路的放大信号特性 6、理解差分放大电路提高共模抑制比的方法 二、实验原理 -V EE -12V 图5-1差分放大电路 图5-1是差分放大电路的基本结构。它由两个元件参数相同的基本共射放大电路组成。当开关K拨向左边时，构成典型的差分放大电路。调节调零电位器R p，使差分放大电路两
边对称的元件参数相等，当输入信号U I =0时，双端输出电压U 0=0。R E 为两管共用的发射极电阻，它对差模信号无反馈作用，因而不影响差模电压放大倍数，但对共模信号有较强的负反馈作用，故可以有效地抑制零漂，稳定静态工作点。当开关拨向右边时，构成具有恒流源的差分放大电路。它用晶体管恒流源代替发射极电阻R E ，可以进一步提高差分放大电路抑制共模信号的能力。 1．静态工作点的估算 典型电路 E BE EE E R U U I ] [-= （认为U B1=U B2≈0） 221E C C I I I = = 恒流源电路 3212331)()]([E BE EE CC E C R U R R U U R I I ? -++?= ≈ 2321C C C I I I = = 2．差摸电压放大倍数和共模电压放大倍数 当差分放大电路的射极电阻R E 足够大，或采用恒流源电路时，差模电压放大倍数A d 由输出端方式决定，而与输入方式无关。 双端输出： R E =∞，R P 在中心位置时， P be B C I O d R r R R U U A )1(ββ+++=??= 单端输出： 211d I C d A U U A =??= 222d I C d A U U A -=??= 当输入共模信号时，若为单端输出，则有， E C E P be B C I C C C R R R R r R R U U A A 2)22 )(1(121- ≈++++-= ??==ββ 若为双端输出，在理想情况下