差分放大电路原理-1

内容转载自初级电路与软件研究

在运放内部,通常会分为几个级,每一级完成不同的功能。其大致结构框图如下图所示:

图9-02.01

其中的输入级,通常的作用就是放大差模信号、抑制共模信号、而且其输入阻抗较大。输入级一般是由BJT或FET构建的差分放大电路来实现的。

本小节我们分析一种常见的由BJT构成的差分放大电路,进而理解差模放大与共模抑制的一般原理。其电路如下图所示:

图9-02.02

1.直流分析

在直流情况下,两个输入端的交流电压信号源为0,而交流信号源一般并不是悬空的,最终也会接地,因此输入端的直流电压可视为0V,如下图所示:

图9-02.03

两个BJT晶体管发射极相连处的电压为:

射极总电流为:

假设两个BJT晶体管完全对称匹配(在一块芯片中是可以做到的),则流过每个BJT的集电极电流为:

集电极电压为:

2.交流分析

将BJT晶体管的re模型代入上面的差分放大电路后,可以得到其小信号交流等效电路,如下图所示:

图9-02.04

(1)差模信号分析

假设两个输入端同时输入一对理想的差模信号(即幅值相同、极性相反),即:

我们分析这个差分放大电路对差模信号的响应:

差模放大系数:

对于Vi1和Vi2两个输入,我们分别列写其输入回路的KVL方程为:

两个发射极连接处的电压Ve为:

将Ib1和Ib2代入上式,并考虑到ri1=ri2=ri,可得:

由于Vi1和Vi2幅值相同、极性相反,其和为0,故上式可进一步化简为:

上式可解得:

将这个结果代入上面的Ib1和Ib2可得:

由此可知,Ib1和Ib2的大小相等、极性相反;且Ib2的实际方向和上图中定义的方向相反。

然后我们再列写输出Vo1和Vo2的表达式:

将Vo1和Vo2相减,并将前面Ib1和Ib2的表达式代入,可得:

根据上式,我们可以得到输出和输出的关系式:

最终,差分放大系数的表达式为:

从上式可见,我们可以通过配置RC的值来调整差模放大系数。

差模输入阻抗:

差模输入阻抗定义为:差模输入电压除以差模输入电流。差模输入电压比较简单,就是Vi1-Vi2;差模输入电流稍微麻烦一点,要将上面的电路图稍微变换一下才能看得清楚。如果将上面的差分放大电路视为一个整体,并画出其和差模输入电压源的关系,如下图所示:

图9-02.05

可以看到,从差分电源正极提供给差分电路的总电流即为Ib1,而Ib2仅是回流到差分电源的负极而已,因此差分输入阻抗为:

差模输出阻抗:

差模输出阻抗可以使用我们以前常规的方法:将差模输入电压置零,然后观察从输出端看入的电阻。在上面的re等效电路图中,将差模输入电压置零会使得2个受控电流源βIb1和βIb2的电流都为零,相当于断路。和上面类似,我们将差分放大电路看作一个整体,画出其和输出端子的关系,如下图所示:

图9-02.06

从上图可以很容易地看到,从输出端看入的电阻为:

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