差分放大电路

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5V，V1为3V，则4V为共模输入。V2比共模电压高1V，而V1低1V。二者之差为2V，

因此R2/R1的“理想”增益施加于2V。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50V/V（或约为34dB）；在0.1%电阻情况下，CMRR等于500V/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60dB至70dB 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64dB.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。

图 2.具有高噪声增益的低端检测

针对极低的分流电阻值，应使用4引脚开尔文检测电阻。采用高精度0.1Ω电阻，并以几十分之一英寸的PCB走线直接连接该电阻很容易增加10mΩ，导致10%以上的误差。但误差会更大，因为PCB上的铜走线温度系数超过3000ppm。

分流电阻值必须仔细选择。数值更高则产生更大的信号。这是好事，但功耗（I2R）也会随之增加，可能高达数瓦。采用较小的数值（mΩ级别），则线路和PCB走线的寄生电阻可能会导致较大的误差。通常使用开尔文检测来降低这些误差。可以使用一个特殊的四端电阻（比如Ohmite LVK系列），或者对PCB布局进行优化以使用标准电阻。若数值极小，可以使用PCB走线，但这样不会很精确。

商用四端电阻（比如Ohmite或Vishay的产品）可能需要数美元或更昂贵，才能提供0.1%容差和极低温度系数。进行完整的误差预算分析可以显示如何在成本增加最少的情况下改善精度。

有关无电流流过检测电阻却具有较大失调（31mV）的问题，是“轨到轨”运算放大器无法一路摆动到负电源轨（接地）引起的。术语“轨到轨”具有误导性：输出将会靠近电源轨--比经典发射极跟随器的输出级要近得多--但永远不会真正到达电源轨。轨到轨运算放大器具有最小输出电压VOL，数值等于VCE（SAT）或RDS（ON）×ILOAD。若失调电压等于 1.25mV，噪声增益等于30，则输出等于：1.25mV×30=±37.5mV（由于存在VOS，加上VOL导致的35mV）。根据VOS极性不同，无负载电流的情况下输出可能高达72.5mV。若VOS最大值为30μV，且VOL最大值为8mV，则现代零漂移放大器（如AD8539）可将总误差降低至主要由检测电阻所导致的水平。

另一个低端检测应用

另一个示例如图3所示。该示例具有较低的噪声增益，但它使用3mV失调、10-μV/°C失调漂移和79dB CMR的低精度四通道运算放大器。在0A至 3.6A范围内，要求达到±5mA精度。若采用±0.5%检测电阻，则要求的±0.14%精度便无法实现。若使用100 mΩ电阻，则±5mA电流可产生±500μV压降。不幸的是，运算放大器随温度变化的失调电压要比测量值大十倍。哪怕VOS调整为零，50°C的温度变化就会耗尽全部误差预算。若噪声增益为13，则VOS的任何变化都将扩大13倍。为了改善性能，应使用零漂移运算放大器（比如AD8638、ADA4051或ADA4528）、薄膜电阻阵列以及精度更高的检测电阻。

图 3.低端检测，示例2

高噪声增益

图4中的设计用来测量高端电流，其噪声增益为250。OP07C运算放大器的VOS最大额定值为150μV.最大误差为150μV×250=37.5mV。为了改善性能，采用ADA4638零漂移运算放大器。该器件在-40°C至+125°C温度范围内的额定失调电压为12.5μV。然而，由于高噪声增益，共模电压将非常接近检测电阻两端的电压。OP07C的输入电压范围（IVR）为2V，这表示输入电压必须至少比正电轨低2V.对于ADA4638而言，IVR=3V。

图 4.高端电流检测

单电容滚降

图5中的示例稍为复杂。目前为止，所有的等式都针对电阻而言；但更准确的做法是，它们应当将阻抗考虑在内。在加入电容的情况下（无论是故意添加的电容或是寄生电容），交流CMRR均取决于目标频率下的阻抗比。若要滚降该示例中的频率响应，则可在反馈电阻两端添加电容C2，如通常会在反相运算放大器配置中做的那样。

图 5.尝试创建低通响应

如需匹配阻抗比Z1=Z3和Z2=Z4，就必须添加电容C4.市场上很容易就能买到0.1%或更好的电阻，但哪怕是0.5%的电容售价都要高于1美元。极低频率下的阻抗可能无关紧要，但电容容差或PCB布局产生的两个运算放大器输入端0.5pF的差额可导致10kHz 时交流CMR下降6dB。这在使用开关稳压器时显得尤为重要。

单芯片差动放大器（如AD8271、AD8274或AD8276）具有好得多的交流CMRR性能，因为运算放大器的两路输入处于芯片上的可控环境下，且价格通常较分立式运算放大器和四个精密电阻更为便宜。

运算放大器输入端之间的电容

为了滚降差动放大器的响应，某些设计人员会尝试在两个运算放大器输入端之间添加电容C1以形成差分滤波器，如图6所示。这样做对于仪表放大器而言是可行的，但对于运算放大器却不可行。VOUT将会通过R2而上下移动，形成闭合环路。在直流时，这不会产生任何问题，并且电路的表现与等式2所描述的相一致。随着频率的增加，C1电抗下降。进入运算放大器输入端的反馈降低，从而导致增益上升。最终，运算放大器会在开环状态下工作，因为电容使输入短路。

图 6.输入电容降低高频反馈

在波特图上，运算放大器的开环增益在-20dB/dec处下降，但噪声增益在+20dB/dec

处上升，形成-40dB/dec交越。正如控制系统课堂上所学到的，它必然产生振荡。一般而言，永远不要在运算放大器的输入端之间使用电容（极少数情况下例外，但本文不作讨论）。

结论

无论是分立式或是单芯片，四电阻差动放大器的使用都非常广泛。为了获得稳定且值得投入生产的设计，应仔细考虑噪声增益、输入电压范围、阻抗比和失调电压规格。

典型差分放大电路

典型差分放大电路 1、典型差分放大电路的静态分析 （1）电路组成 （2）静态工作点的计算 静态时：v s1=v s2=0， 电路完全对称，所以有 I B Rs1+U BE +2I E Re=V EE 又∵ I E =（1+β）I B ∴ I B1=I B2=I B = 通常Rs<<(1+β)Re ，U BE =0.7V （硅管）: I B1=I B2=I B = 因： I C1=I C2=I C =βI B 故： U CE1=U CE2=V CC －I C Rc 静态工作电流取决于V EE 和Re 。同时，在输入信号为零时，输出信号电压也为零（u o= Vc1－VC2=0），即该差放电路有零输入——零输出。 2、差分放大电路的动态分析 ()e s BE EE R 12R U V β++-

（1）差模信号输入时的动态分析 如果两个输入端的信号大小相等、极性相反，即 v s1=- v s2= 或 v s1- v s2= u id u id 称为差模输入信号。 在输入为差模方式时，若一个三极管的集电极电流增大时，则另一个三极管的集电极电流一定减小。在电路理想对称的条件下，有：i c1=- i c2。 Re 上的电流为： i E =i E1+i E2=（I E1+ i e1）+（I E2+ i e2 ） 电路对称时，有I E1= I E2= I E 、i e1=- i e2，使流过Re 上的电流i E =2I E 不变，则发射极的电位也保持不变。差模信号的交流通路如图: 差模信号下不同工作方式的讨论: ① 双端输入—双端输出放大倍数： 当输入信号从两个三极管的基极间加入、输出电压从两个三极管的集电极之间输出时，称之为双端输入—双端输出,其差模电压 be s c s1o1s2s1o2o1id o ud r R R 22u u A +-==--== βv v v v v v

PSpice仿真教程8-差分放大电路分析解读

题目：分析差分放大电路的差模电压增益、共模电压增益和共模抑制比 绘制差分放大电路原理图如图所示，其中vs+和vs-为正弦源。另存为chadong1.sch 一、分析双端输入时的差模电压增益 1.设置信号源的属性。 vs+，vs-为差分放大电路的信号源。vs+的属性设置如下：

Vs-的属性设置如： vs+的“AC”项设为10mv，vs-的“AC”项设为－10mv。这样才能起到差模输入的作用。 2. 设置分析类型 3. Analysis→Simulate，调用Pspice A/D对电路进行仿真计算。 4．测得恒流源给出的静态电流为1.849mA，晶体管Q1和Q2的发射极电流相等，都为0.9246mA。（思考为什么是相等的） 5. 在probe下，单击Trace→Add，在Trace Expression中输入要显示的变量。 若要观察单端输出时的差模电压增益，编辑表达式为：V(out1) / (V(Vs+:+)-V(Vs-:+))； 若要观察双端输出时的差模电压增益，编辑表达式为： (V(out1)-V(out2)) / (V(Vs+:+)-V(Vs-:+))。 得到结果如下：

6. 用游标测量，双端输出时的差模电压增益为100.68，单端输出时的差模电压增益为50.34.是双端输出时的一半（为什么）。两条曲线的上限截止频率点都是3.3843Mhz。 二、分析双端输入时的共模电压增益 将原理图chadong1.sch打开，另存为chadong2.sch 1.设置信号源的属性。 vs+的属性设置不变。 Vs-的“AC”属性设置为10mv，使其和信号源vs+一样，这样就相当于在两个输入端加上了相同的信号，起到共模输入的作用。 2. 设置分析类型 3. Analysis Simulate，调用Pspice A/D对电路进行仿真计算。

差分放大电路解读

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 -==

差动式放大电路 课程设计

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。

差动放大器实验报告

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。

差分放大电路的四种接法

1.双端输入单端输出电路 电路如右图所示，为双端输入、单端输出差分放大电路。由于电路参数不对称，影响了静态工作点和动态参数。 直流分析： 画出其直流通路如右下图所示，图中和是利用戴维宁定理进行变换得出的等效电源和电阻，其表达式分别为：

交流分析：

在差模信号作用时，负载电阻仅取得T1管集电极电位的变化量，所以与双端输出电路相比，其差模放大倍数的数值减小。 如右下图所示为差模信号的等效电路。在差模信号作用时，由于T1管与T2管中电流大小相等方向相反，所以发射极相当于接地。 输出电压 一半。如果输入差模信号极性不变，而输出信号取自T2管的集电极，则输出与输入同相。当输入共模信号时，由于两边电路的输入信号大小相等极性相同。与输出电压相关的 T1管一边电路对共模信号的等效电路如下

可见，单端输入电路与双端输入电路的区别在于：差模信号输入的同时，伴随着共模信号输入。 输出电压 静态工作点以及动态参数的分析完全与双端输入、双端输出相同。 3.单端输入、单端输出电路 如右图所示为单端输入、单端输出电路，该电路对静态工作点、差模增益、共模增益、输入

与输出电阻的分析与单端输出电路相同。对输入信号的作用分析与单端输入电路相同。 改进型差分放大电路 在差分放大电路中，增大发射极电阻Re的阻值，可提高共模抑制比。但集成电路中不易制作大阻值电阻；采用大电阻Re要采用高的稳压电源，不合适。如设晶体管发射极静态电流为0.5mA，则Re中电流为1mA。当Re为10kΩ时，电源VEE的值为10.7V。在同样的静态工作电流下，若Re＝100kΩ，VEE的值约为100V。 为了既能采用较低的电源电压，又能采用很大的等效电阻Re，可采用恒流源电路来取代Re。

差分放大电路

方案三差分放大电路 【项目目标】 知识目标 掌握场效应管的类型、场效应的电压控制作用及共源极放大电路的分析与应用。 能力目标 具有识别场效应管的能力，具有共源极放大的分析能力。

将J8、J9与 J6、J7之间分别加一毫安表，J10、J11连接与J12 改变电位器RP6.将测量的结果记录如下： A1间的电流 A2间的电流 知识点导入 镜像电流源的基本特性。 知识点讲解 基本镜像电流源电路如图所示。 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 ()6060B1 Rp R U U Rp R V BE CC ++--=+-= ≈6 CC Rp R V + 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。 巩固训练：将电路图中的值按照电位的阻值代入进行计算？看测量结果与理论之间的误差？ 电路测试2 将J8、J9与 J6、J7之间分别加一毫安表，改变电位器RP6.将测量的结果A1间的电流 图3.1.4 基本镜像电流源电路

差分放大电路调试任务书解读

实践项目任务书 实践项目五：差分放大电路分析、制作与调试 教师姓名余红娟授课时数2 累计课时 2 一、实践目标 1．安装、分析并测试差分放大电路 2．爱护工具、器材、整理、清洁、习惯与素养 二、实践设备与材料 1．工具 2．器材 3．仪器仪表 三、实践过程 1．典型差动放大器性能测试Array 图1 按图1连接实验电路，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，接通土12V直流电源，用直流电压表测量输出电压UO，调节调零电位器Rp，使UO＝0。调节要仔细，力求准确。 ②测量静态工作点 零点调好以后，用直流电压表测量T1、T2管各电极电位及射极电阻RE两端电压URE， 记入表l。表1

2)测量差模电压放大倍数 断开直流电源，将函数信号发生器的输出端接放大器输入A端，地端接放大器输入B 端构成双端输入方式(注意：此时信号源浮地)．调节输入信号频率f＝lKHZ的正弦信号，输出旋钮旋至零，用示波器监视输出端(集电极C1或C2与地之间)。 表2 接通±12V直流电源，逐渐增大输入电压Ui(约l00mV)，在输出波形无失真的情况下。用交流毫伏表测 Ui、Uc1、UC2，记入表2中，并观察Ui、Uc1、UC2之间的相位关系及URE 随Ui改变而变化的情况。(如测Ui时因浮地有干扰，可分别测A点和B点对地间电压，两者之差为U1)。 3)测量共模电压放大倍数 将放大器A、B短接，信号源接A端与地之间，构成共模输入方式，调节输入信号f＝

1KHZ，Ui=lV，在输出电压无失真的情况下，测量Ucl，Uc2之值记入表2，并观察Ui，Uc1，Uc2之间的相位关系及URE随Ui变化而改变的情况。 2．具有恒流源的差动放大电路性能测试 将图1电路中开关K拨向右边；构成具有恒流源的差动放大电路。重复内容1—2)、1—3)的要求，记入表2。 四、实践总结 1.根据实验电路参数，估算典型差动放大器和具有恒流源的差动放大器的静态工作点及差模电压放大倍数(取βl＝β2=100)。 2．测量静态工作点时，放大器输入端A、B与地应如何连接? 3.实验中怎样获得双端和单端输入差模信号?怎样获得共模信号?画出A、B端与信号源之间的连接图。 4．怎样进行静态调零点?用什么仪表测Uo? 5.怎样用交流毫伏表测双端输出电压Uo?

几个常用经典差动放大器应用电路详解资料

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。

解读差分放大器性质仿真

解读差分放大器的基本特性 2008700528 微三谭宇 引言 差分对或者说差分放大器结构是模拟电路的基本功能块，被广泛地应用于集成电路设计中。比如每个运算放大器的输入级都是差分放大器结构。另外，BJT 差分放大器还是高速数字逻辑电路的基础，例如射极耦合逻辑电路（ECL）。 差分放大电路结构最初应用时使用的是真空管。随后，在分立的双极型晶体管电路中也得到了实现。不过，是集成电路的出现使得差分对极其广泛地应用到了BJT和MOS技术中。有两个原因使得差分放大器十分适合于集成电路的制造。首先，差分电路相对于单端电路来说对于噪声和干扰有更强的抵抗能力。为了说明这一点，假设两根导线携带一个差模小信号，这个信号通过两根导线之间的电压差来表示（如图1）。现在假设干扰信号通过电容或电感耦合到导线上，因为两根导线距离很近，所以干扰电压（每根导线和接地点之间）是相等的。因为是差分系统，只有两根导线之间电压的差值才能成为有效信号，因此干扰分量就这样被抵消了。其次，差分放大器的第二个优点就是差分结构能够使得我们避免像设计分立元件放大器那样，通过旁路电容或者耦合电容来实现放大器的直流偏置或是对放大器各级之间进行耦合。这也是差分电路十分适合于集成电路制造的另一个原因，因为集成工艺不可能经济地制造出大容量的电容。 图1 差分电路对信号的处理

1 MOS 差分对的基本结构 图2所示的是MOS 差分对的基本结构。它包含两个匹配的晶体管M3和M4。它们的源极连接在一起，并且通过一个恒流源I 提供偏置。后者通常由MOSFET 来实现。目前我们先假设电流源是理想的，即它的输出电阻无穷大。尽管图中每个晶体管的漏极都通过电阻D R 连接到DD V 上，然后我们会知道，在许多应用中使用的是有源负载（电流源）。不过现在我们采用简单的电阻负载来说明差分对的工作原理。无论使用何种负载，重要的是要避免MOSFET 工作在变阻区。 图 2 基本的MOS 差分对结构 2 共模电压输入特性分析 由对称性我们可以知道电流I 被两个晶体管平分。即，21D D i i =2/I =,同时对源极电压s v 有 GS CM s V v v -= (1) 其中GS V 是和漏极电流2/I 相关的栅源之间的电压。忽略沟道长度调制效应， GS V 和2/I 的关系如下：

差动放大电路

建平县职业教育中心备课教案 课题模块（单元）项目（课）差动放大电路 授课班级11电子授课教师安森授课类型新授授课时数 2 教学目标知识目标差动放大电路中共模负反馈电阻Re的作用，及其对差模信号和共模 信号的不同处理方法 能力目标差动放大电路动态参数计算 情感态度目标培养学生的学习兴趣，培养学生的爱岗敬业精神 教学核心教学重点典型差动放大电路——长尾电路的特点，静态和动态计算。 教学难点1、差动放大电路中共模负反馈电阻Re的作用，及其对差模信号和 共模信号的不同处理方法； 2、差动放大电路动态参数计算； 思路概述本讲以教师讲授为主。用多媒体演示典型差动放大电路——长尾电路的特点、静态和动 态计算等，便于学生理解和掌握。 教学方法读书指导法、演示法。 教学工具电脑，投影仪 教学过程 一、组织教学：师生互相问候，安全教育，上实训课时一定要听从老师的指挥，在实训室不要乱动电源。 二、复习提问： 三、导入新课： 1、直接耦合放大电路的零点漂移 直接耦合放大电路的零点漂移主要是晶体管的温漂造成的。在基本差动放大电路中，利用参数的对称性进行补偿来抑制温漂。在长尾电路和具有恒流源的差动放大电路中，还利用共模负反馈或恒流源抑制每只放大管的温漂。 2、差动放大电路组成及特点 1）电路组成 差分放大器是由对称的两个基本放大电路通过射极公共电阻耦合构成的。“对称”的含义是两个三极管的特性一致，电路参数对应相等，即Rc1=Rc2，Rb1=Rb2，1=2，VBE1=VBE2，rbe1= rbe2，ICBO1=ICBO2。 2）电路特性 （1）差动放大电路对零漂在内的共模信号有抑制作用； （2）差动放大电路对差模信号有放大作用； （3）共模负反馈电阻Re的作用：①稳定静态工作点。②对差模信号无影响。③对共模信号有负反馈作用：Re越大对共模信号的抑制作用越强；也可能使电路的放大能力变差。 3、差动放大电路的输入和输出方式 1）差动放大电路可以有两个输入端：同相输入端和反相输入端。根据规定的正方向，在某输入端加上一定极性的信号，如果输出信号的极性与其相同，则该输入端称为同相输入端。反之，如果输出信号的极性与其相反，则该输入端称为反相输入端。 2）信号的输入方式：若信号同时加到同相输入端和反相输入端，称为双端输入；若信号仅从

差分放大器设计的实验报告

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

图2差分放大电路静态工作点解读

图2 差分放大电路静态工作点 摘要：简要介绍Multisim8软件的特点，并对差分放大电路进行仿真分析，研 究其如何实现对差模信号放大和对共模信号抑制。仿真结果与理论分析计算一致，在课堂上使模拟电子技术教学更形象、灵活、更贴近工程实际,达到帮助学 生理解原理,更好地掌握所学的知识的目的。对提高学生动手能力、分析问题和 解决问题的能力具有重要的意义。 关键词：Multisim；差分放大电路；仿真分析；差模信号；共模信号 中图分类号：TN707 文献标识码：B 文章编号：1004-373X(2009)04-014-02 Analysis of Differential Amplifier Circuit Simulation Based on Multisim XIONG Xujun (Lanzhou City College,Lanzhou,730070,China) Abstract：Features ofMultisim8 software and differential amplifier for the simulation analysis are introduced,research on how to enlarge differential mode signal and restrain common mode signal.The simulation results calculated in line with the theoretical analysis,in the classroom teaching of electronic technology to simulate more image,flexible and closer to actual projects,to help students understand theory,a better grasp of the knowledge acquired by the purpose It has great significance to enhance students practical ability and analysis of issues and problem-solving abilitie. Keywords：Multisim;differential amplifier;simulation analysis;differential mode signal;common mode signal 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。但是差分放大电路结构复杂、分析繁琐，特别是其对差模输入和 共模输入信号有不同的分析方法，难以理解，因而一直是模拟电子技术中的难 点［1,2］。Multisim 作为著名的电路设计与仿真软件,它不需要真实电路环境 的介入,具有仿真速度快、精度高、准确、形象等优点。因此,Multisim被许多 高校引入到电子电路实验的辅助教学中,形成虚拟实验和虚拟实验室。通过对实 际电子电路的仿真分析,对于缩短设计周期、节省设计费用、提高设计质量具有 重要意义。 1Multisim8软件的特点

差动放大电路解读

差动放大电路 教学目的： 1、掌握基本差动放大电路的组成、工作原理、静态工作情况的分析 2、掌握恒流源差动放大电路的组成、工作原理、静态工作情况的分析 教学重点、难点： 差动放大电路对差模信号的放大作用，对共模信号的抑制作用 教学内容： 1 直接耦合放大器存在的问题 1.1前后级静态工作点的相互影响 在直接耦合放大器中, 由于级与级之间无隔直(流)电容, 因此各级的静态工作点相互影响, 从而要求在设计电路时, 合理安排, 使各级都有合适的静态工作点。 1.2零点漂移 若将直接耦合放大器的输入端短路（ui=0）, 理论上讲, 输出端应保持某个固定值不变。然而, 实际情况并非如此, 输出电压往往偏离初始静态值, 出现了缓慢的、无规则的漂移, 这种现象称为零点漂移。 2 基本差分放大电路 2.1电路组成 2.2工作原理 输入信号为零, 即u i1=u i2=0, 放大电路处于静态, 由于电路完全对称, 由下式可知对共模信号具有抑制作用.

I BQ1=I BQ2=I BQ I EQ1=I EQ2=I EQ I CQ1=I CQ2=I CQ U CQ1=U CQ2=U CC －I CQ Rc U O =U CQ1－U CQ2=0 2.3 静态工作点的计算 当输入信号为零时, 放大电路的直流通路如图所示, 由基极回路可得直流电压方程式为 U R I U R I EE e BEQ b BQ =++Re β ++-= = 122 1 R R U U I I b e BEQ EE BQ EQ ) (22121 2 11 2 12 1 R R I U U U U I I I I I I R U I I e c CQ EE CC CEQ CEQ CQ BQ BQ EQ CQ CQ e EE EQ EQ +-+≈== =≈= ≈=β 2.4动态性能分析 （1） 输入信号的类型 1、差模输入信号 在放大器两输入端分别输入大小相等、 相位相反的信号，即u i1=-u i2时，差模输入信号用u id 来表示。 2、共模输入信号 在放大器两输入端分别输入大小相等、相位相同的信号，即u i1=u i2时，共模输入信号常用u ic 来表示。 u i1=-u i2=1/2u id u i1=u i2=u ic 3、输入任意大小信号 不敷出在放大器两输入端分别输入大小不相等时，将其分解成差模信号和共模信号。 u id = u i1-u i2 uic =1/2( u i1+u i2) （2） 对差模信号的放大作用 当从两管集电极取电压时，其差模电压放大倍数表示为 R r R u u u u u u u u A b be c i o i i o o id od ud +- ==--= =β221 12 1 21 当在两个管子的集电极接上负载R L 时, ) 2///(' 'R R R R r R A L c L b be L ud =+- =β )(2r R r be b id += R r c od 2=

基于Multisim的差分放大电路仿真分析

基于Multisim的差分放大电路仿真分析 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。但是差分放大电路结构复杂、分析繁琐，特别是其对差模输入和共模输入信号有不同的分析方法，难以理解，因而一直是模拟电子技术中的难点。Muhisim作为著名的电路设计与仿真软件，它不需要真实电路环境的介入，具有仿真速度快、精度高、准确、形象等优点。因此，Multisim被许多高校引入到电子电路实验的辅助教学中，形成虚拟实验和虚拟实验室。通过对实际电子电路的仿真分析，对于缩短设计周期、节省设计费用、提高设计质量具有重要意义。 1 Multisim8软件的特点 Muhisim是加拿大IIT(Interactive Image Tech—nologies) 公司在EWB(Electronics Workbench)基础上推出的电子电路仿真设计软件，Muhisim现有版本为Muhisim2001，Muhisim7和较新版本Muhisim8。它具有这样一些特点： （1）系统高度集成，界面直观，操作方便。将电路原理图的创建、电路的仿真分析和分析结果的输出都集成在一起。采用直观的图形界面创建电路：在计算机屏幕上模仿真实验室的工作台，绘制电路图需要的元器件、电路仿真需要的测试仪器均可直接从屏幕上选取。操作方法简单易学。 (2)支持模拟电路、数字电路以及模拟／数字混合电路的设计仿真。既可以分别对模拟电子系统和数字电子系统进行仿真，也可以对数字电路和模拟电路混合在一起的电子系统进行仿真分析。

(3)电路分析手段完备，除了可以用多种常用测试仪表(如示波器、数字万用表、波特图仪等)对电路进行测试以外，还提供多种电路分析方法，包括静态工作点分析、瞬态分析、傅里叶分析等。 (4)提供多种输入／输出接口，可以输入由PSpice 等其他电路仿真软件所创建的Spice网表文件，并自动形成相应的电路原理图，也可以把Muhisim环境下创建的电路原理图文件输出给Protel等常见的印刷电路软件PCB进行印刷电路设计。 2 差分放大电路仿真分析 运行Muhisim 8，在绘图编辑器中选择信号源、直流电源、三极管、电阻，创建双端输入双端输出差分放大电路(双入双出差分放大电路)如图1所示，标出电路中的结点编号。 该次仿真中，采用虚拟直流电压源和虚拟晶体管，差分输入信号采用一对峰值为5 mV、频率为1 kHz的虚拟正弦波信号源。设置虚拟晶体管的模型参数BF= 150，RR=300Ω。

全差分放大器设计

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

模电设计-电流镜负载的差分放大器..

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 -

差分放大电路仿真分析

差分放大电路仿真分析 差分放大电路是集成运算放大器的主要单元电路之一，它具有很强的抑制零点漂移的能力。作为集成运算放大器的输入级，差分放大电路几乎完全决定着集成运算放大器的差模输入特性、共模抑制特性、输入失调特性和噪声特性。 差分放大电路经由两个参数完全相同的晶体管组成，电路结构对称。电路具有两个输入端和两个输出端，因此差分放大电路具有四种形式：单端输入单端输出、单端输入双端输出、双端输入单端输出以及双端输入双端输出。 实验内容： 一、理想差分放大电路 1、绘制电路图 启动Capture CIS程序，新建工程，利用Capture CIS绘图软件，绘制如下的电路原理图。 双击正弦电压源VS+的图标，在弹出的窗口中设置AC为10mV，DC为0V，VOFF为0，V AMPL为10m，VFREQ1kHz。VS-的设置除AC为-10mV外，其余均与VS+同。 2、直流工作点分析 选择Spice | New Simulation Profile功能选项或单击按钮，打开New Simulation对话框，在Name文本框中输入Bias，单击Create按钮，弹出Simulation Settings-Bias对话框，设置如下：

保存设置，启动PSpice A/D仿真程序，调出PSpice A/D窗口，可以在PSpice A/D窗口中选择View | OutPut Filse功能菜单选项，查看输出文件。

在Capture CIS窗口中，单击I 、V按钮，此时电路图中显示电路的静态工作电压与电流值，如下图： 3、双端输入是的基本特性 上面的电路是双端输入的形式，可以利用上面的电路来分析双端输入时的电路特性。 将分析类型设为交流扫描分析AC Sweep。选择PSpice | New Simulation