差分動(dòng)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(jiǎn)稱為“差放”。差分放大器通常被用作功率放大器(簡(jiǎn)稱“功放”)和發(fā)射極耦合邏輯電路 (ECL, Emitter Coupled Logic) 的輸入級(jí)。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(hào)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(hào)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(duì)于完全對(duì)稱的差分放大器來(lái)說(shuō)，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(hào)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(duì)輸出沒(méi)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(lái)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(hào)，另一個(gè)輸入端輸入反饋信號(hào)，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(cè)量?jī)x器以及信號(hào)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(jiàn)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(duì)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(hào)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(hào)，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(duì)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(hào)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(hào)放大，不會(huì)對(duì)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(hào)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(hào)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(duì)純電阻來(lái)說(shuō))。 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(shuō)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(duì)共模訊號(hào)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(hào)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。