差分放大器原理　　

　　差分放大器也叫差動(dòng)放大器是一種將兩個(gè)輸入端電壓的差以一固定增益放大的電子放大器，有時(shí)簡稱為“差放”。差分放大器通常被用作功率放大器（簡稱“功放”）和發(fā)射極耦合邏輯電路 （ECL， Emitter Coupled Logic） 的輸入級。

? ? ? ? ? 如果Q1 Q2的特性很相似，則Va，Vb將同樣變化。例如，Va變化+1V，Vb也變化+1V，因?yàn)檩敵鲭妷篤OUT=Va-Vb=0V，即Va的變化與Vb的變化相互抵消。這就是差動(dòng)放大器可以作直流信號放大的原因。 若差放的兩個(gè)輸入為，則它的輸出Vout為：

　　其中Ad是差模增益 （differential-mode gain），Ac是共模增益 （common-mode gain）。

　　因此為了提高信/噪比，應(yīng)提高差動(dòng)放大倍數(shù)，降低共模放大倍數(shù)。二者之比稱做共模仰制比（CMRR， common-mode rejection ratio）。共模放大倍數(shù)AC可用下式求出：

　　Ac=2Rl/2Re

　　通常以差模增益和共模增益的比值共模抑制比 （CMRR， common-mode rejection ratio） 衡量差分放大器消除共模信號的能力：

　　由上式可知，當(dāng)共模增益Ac→0時(shí)，CMRR→∞。Re越大，Ac就越低，因此共模抑制比也就越大。因此對于完全對稱的差分放大器來說，其Ac = 0，故輸出電壓可以表示為：

　　所謂共模放大倍數(shù)，就是Va，Vb輸入相同信號時(shí)的放大倍數(shù)。如果共模放大倍數(shù)為0，則輸入噪聲對輸出沒有影響。

　　要減小共模放大倍數(shù)，加大RE就行通常使用內(nèi)阻大的恒流電路來帶替RE

　　差分放大器是普通的單端輸入放大器的一種推廣，只要將差放的一個(gè)輸入端接地，即可得到單端輸入的放大器。很多系統(tǒng)在差分放大器的一個(gè)輸入端輸入反饋信號，另一個(gè)輸入端輸入反饋信號，從而實(shí)現(xiàn)負(fù)反饋。常用于電機(jī)或者伺服電機(jī)控制，穩(wěn)壓電源，測量儀器以及信號放大。在離散電子學(xué)中，實(shí)現(xiàn)差分放大器的一個(gè)常用手段是差動(dòng)放大，見于多數(shù)運(yùn)算放大器集成電路中的差分電路。

　　單端輸出的差動(dòng)放大電路 （不平衡輸出）

　　當(dāng)Vo被在Q1或Q2的集極C對地取出時(shí)， 稱為單端Single ended或不平衡輸出Unbalance Output。

　　單端較差動(dòng)輸出之幅度小一倍，使用單端輸出時(shí)，共模訊號不能被抑制，因Vi1與Vi2同時(shí)增加，VC1與VC2則減少，而且VC1=VC2，但Vo =VC2，并非于零（產(chǎn)生零點(diǎn)漂移）。

　　但是加大RE阻值可以增大負(fù)回輸而抑制輸出，并且抑制共模訊號，因Vi1=Vi2時(shí)， Ii1及Ii2也同時(shí)增加，IE亦上升而令VE升高，這對Q1和Q2產(chǎn)生負(fù)回輸， 令Q1和Q2之增益減少，即Vo減少。

　　當(dāng)差動(dòng)訊號輸入時(shí)，Vi1 = -Vi2，IC1增加而IC2減少，總電流IE = IC1 + IC2便不變， 因此VE也不變，加大RE電阻值之電路會(huì)將差動(dòng)訊號放大，不會(huì)對Q1及Q2產(chǎn)生負(fù)回輸及抑制。

　　使用恒流源的差動(dòng)放大器

　　實(shí)際上，RE不能加得太大，因會(huì)使靜態(tài)之IC1和IC2減少，使Q1和Q2得不到適當(dāng) 之偏壓或需要很高之電源電壓。

　　上圖Q3及Q4為電流鏡像恒流源代替電阻RE，使用恒流源可以得到高阻抗及固定電流， B極因R1和R2得到一個(gè)固定的偏壓。

　　共模輸入時(shí)，Vi1=Vi2，因IE為不變，IC1和IC2也不能改變，故Vo為零，而共模信號被抑制。

　　差動(dòng)輸入時(shí)，Vi1=-Vi2，雖然IE為不變，但I(xiàn)C1和IC2也可改變，因IC1上升而IC2下降， 故此Vo不等于零，而將差動(dòng)信號放大。

　　使用電流鏡像作為差動(dòng)放大器之有源負(fù)載：

　　主動(dòng)式負(fù)載Active Load （有源負(fù)載）作用：

　　a）提高增益：

　　b）減低功率消耗（相對純電阻來說）。

　　c）提高差動(dòng)放大之輸出電壓。

　　d）提高共模抑制比CMRR。

　　工作原理：

　　設(shè)Vi1增加，則Vi2減少（但數(shù)量相等，Vi1 = Vi2）

　　即差動(dòng)輸入，則IC1升而IC2下降（并且，ΔIC1 = ΔIC2）

　　因電流鏡像原理，IC4 = IC1

　　故此，Io = IC4 IC2 = IC1 IC2 （ΔIo = 2ΔIC1或2ΔIC2）

　　這說明了輸出電流是IC1和IC2的相差，即將輸出變?yōu)榫哂须p端差動(dòng)輸出性能的單端輸出 （故對共模訊號之抑制有改善因雙端差動(dòng)輸出才能產(chǎn)生消除共模訊號作用）。

　　IC2減少使Q2之VCE增加，使Vo上升而IC4增加，使Q4之VCE減少，這也是使Vo增加， 故此，Vo上升之幅度是使用電阻為負(fù)載之單端輸出電壓大一倍。

　　模擬電子電路中差分放大電路的分析

　　差分放大電路是模擬集成電路的基礎(chǔ)，差分放大電路的引入使得分析基本放大電路的思想進(jìn)行了變革，可以將信號分解為差模信號和共模信號分別進(jìn)行討論，得到的結(jié)論簡單明確。在實(shí)際的應(yīng)用中，差分放大電路有四種輸人輸出方式，通常能見到的僅僅是雙端輸人情形，此情形中電路分析嚴(yán)謹(jǐn)而詳盡，而對于其它3 種情形只是給出了相應(yīng)的結(jié)論，若要分析清楚它們之間的對應(yīng)關(guān)系則需要進(jìn)行一番思考。本文對單端輸入單端輸出的差分放大電路進(jìn)行了嚴(yán)謹(jǐn)而詳盡的討論。

　　 差分放大電路的輸入輸出方式

　　差分電路按其輸人輸出方式可分為4種情況：雙端輸入雙端輸出; 雙端輸入單端輸出; 單端輸入雙端輸出; 單端輸入單端輸出。分別對應(yīng)的電路為圖1的（a）、（b）、（c）、（d）;

　　對于不同的輸入和輸出，可歸結(jié)為以下3 點(diǎn)：

　　（1）對于差模輸入電阻和共模輸入電阻的大小，與輸人輸出方式無關(guān);

　　（2）差模信號的電壓增益、共模信號的電壓增益與輸人方式無關(guān)，只和輸出方式有關(guān);

　　（3）差模信號為輸入的信號之差，共模信號為輸入的信號的平均值，而單端輸入是雙端輸入的一個(gè)特例，即其中的一個(gè)信號為0。

　 ? ? 單端輸入單端輸出差分放大電路的分析

　　單端輸入單端輸出差分放大電路如圖1（d）所示，我們對電路進(jìn)行靜態(tài)和動(dòng)態(tài)分析。

　　1.靜態(tài)分析

　　單端輸出時(shí)會(huì)引起靜態(tài)工作點(diǎn)的變化。

　　其中輸出電流沒有變化，

　　輸出的電壓值Ueg會(huì)發(fā)生改變。E點(diǎn)的電位為-Ubeq，C1點(diǎn)的電位為Vcc-IcqRc，C2點(diǎn)的電位比較復(fù)雜，需要列方程求解：

　　2、動(dòng)態(tài)分析

　　雙端輸入和單端輸入不會(huì)影響差模放大倍數(shù)和共模放大倍數(shù)，只會(huì)影響差模信號和共模信號。對于單端輸出，直接影響差模放大倍數(shù)和共模放大倍數(shù)，當(dāng)差模信號輸入時(shí)，流過Re的電流值不變，交流通路為圖3（a） （un =-u12 ），可以計(jì)算出差模放大倍數(shù)為：

　　當(dāng)共模信號輸入時(shí)，流過Rg的電流值為變化的發(fā)射極電流的兩倍，交流通路等效為圖3b）（un =u12），可以計(jì)算出共模放大倍數(shù)為：

　　則單端輸入時(shí)，輸出電壓為U0=Aw2U1+Aw2 U1/2.。當(dāng)Re很大時(shí)，U0=Aw2Ui

　　3、用基本放大電路的分析方法分析

　　如果不分別考慮輸入信號是差模信號和共模信號，我們仔細(xì)觀察圖1（d），如果把單端輸入單端輸出差分電路當(dāng)著多級放大電路來分析，可以發(fā)現(xiàn)這是共集一共基的多級放大電路。交流通路如圖4所示：