在運(yùn)放內(nèi)部，通常會(huì)分為幾個(gè)級(jí)，每一級(jí)完成不同的功能。其大致結(jié)構(gòu)框圖如下圖所示：

圖9-02.01

其中的輸入級(jí)，通常的作用就是放大差模信號(hào)、抑制共模信號(hào)、而且其輸入阻抗較大。輸入級(jí)一般是由BJT或FET構(gòu)建的差分放大電路來(lái)實(shí)現(xiàn)的。

本小節(jié)我們分析一種常見(jiàn)的由BJT構(gòu)成的差分放大電路，進(jìn)而理解差模放大與共模抑制的一般原理。其電路如下圖所示：

圖9-02.02

1. 直流分析

在直流情況下，兩個(gè)輸入端的交流電壓信號(hào)源為0，而交流信號(hào)源一般并不是懸空的，最終也會(huì)接地，因此輸入端的直流電壓可視為0V，如下圖所示：

圖9-02.03

兩個(gè)BJT晶體管發(fā)射極相連處的電壓為：

射極總電流為：

假設(shè)兩個(gè)BJT晶體管完全對(duì)稱(chēng)匹配(在一塊芯片中是可以做到的)，則流過(guò)每個(gè)BJT的集電極電流為：

集電極電壓為：

2. 交流分析

將BJT晶體管的re模型代入上面的差分放大電路后，可以得到其小信號(hào)交流等效電路，如下圖所示：

圖9-02.04

(1)差模信號(hào)分析

假設(shè)兩個(gè)輸入端同時(shí)輸入一對(duì)理想的差模信號(hào)(即幅值相同、極性相反)，即：

我們分析這個(gè)差分放大電路對(duì)差模信號(hào)的響應(yīng)：

● 差模放大系數(shù)：

對(duì)于Vi1和Vi2兩個(gè)輸入，我們分別列寫(xiě)其輸入回路的KVL方程為：

兩個(gè)發(fā)射極連接處的電壓Ve為：

將Ib1和Ib2代入上式，并考慮到ri1=ri2=ri，可得：

由于Vi1和Vi2幅值相同、極性相反，其和為0，故上式可進(jìn)一步化簡(jiǎn)為：

上式可解得：

將這個(gè)結(jié)果代入上面的Ib1和Ib2可得：

由此可知，Ib1 和Ib2的大小相等、極性相反;且Ib2的實(shí)際方向和上圖中定義的方向相反。

然后我們?cè)倭袑?xiě)輸出Vo1和Vo2的表達(dá)式：

將Vo1和Vo2相減，并將前面Ib1和Ib2的表達(dá)式代入，可得：

根據(jù)上式，我們可以得到輸出和輸出的關(guān)系式：

最終，差分放大系數(shù)的表達(dá)式為：

從上式可見(jiàn)，我們可以通過(guò)配置RC的值來(lái)調(diào)整差模放大系數(shù)。

● 差模輸入阻抗：

差模輸入阻抗定義為：差模輸入電壓除以差模輸入電流。差模輸入電壓比較簡(jiǎn)單，就是Vi1-Vi2;差模輸入電流稍微麻煩一點(diǎn)，要將上面的電路圖稍微變換一下才能看得清楚。如果將上面的差分放大電路視為一個(gè)整體，并畫(huà)出其和差模輸入電壓源的關(guān)系，如下圖所示：

圖9-02.05

可以看到，從差分電源正極提供給差分電路的總電流即為Ib1，而Ib2僅是回流到差分電源的負(fù)極而已，因此差分輸入阻抗為：

● 差模輸出阻抗：

差模輸出阻抗可以使用我們以前常規(guī)的方法：將差模輸入電壓置零，然后觀察從輸出端看入的電阻。在上面的re等效電路圖中，將差模輸入電壓置零會(huì)使得2個(gè)受控電流源βIb1和βIb2的電流都為零，相當(dāng)于斷路。和上面類(lèi)似，我們將差分放大電路看作一個(gè)整體，畫(huà)出其和輸出端子的關(guān)系，如下圖所示：

圖9-02.06

從上圖可以很容易地看到，從輸出端看入的電阻為：

(2)共模信號(hào)分析

當(dāng)兩個(gè)輸入端同時(shí)輸入理想的共模信號(hào)時(shí)，即相當(dāng)于將Vi1和Vi2短接并同時(shí)接到輸入電壓Vs，其re模型小信號(hào)交流等效電路如下圖所示：

圖9-02.07

下面我們分析這個(gè)差分放大電路對(duì)共模信號(hào)的響應(yīng)：

● 共模放大系數(shù)：

由于差分放大電路完全對(duì)稱(chēng)，當(dāng)Vi1和Vi2輸入相同的信號(hào)(即共模信號(hào))時(shí)，我們?cè)趫D中一致用Vi表示，其輸入電流Ib1和Ib2也是完全相同的，故在圖中我們一致用Ib表示;且其在輸出端產(chǎn)生的輸出信號(hào)Vo1和Vo2也是完全相同的，故我們?cè)趫D中一致用Vo表示。

輸入電流Ib的計(jì)算式為：

上式的左右兩端都有Ib，我們將其整理一下，將含Ib的項(xiàng)都?xì)w并到等式左邊，可得：

輸出電壓Vo為：

因此，共模放大系數(shù)Ac為：

在上式中，通常re遠(yuǎn)小于RE，且我們視β≈β+1，故上式可近似為：

● 共模輸入阻抗：

共模輸入阻抗定義為：共模輸入電壓除以共模輸入電流，其計(jì)算式為：

將上面算得的Ib的表達(dá)式代入，可得：

● 共模輸出阻抗：

共模輸出阻抗的計(jì)算方式和上面差模輸出阻抗的計(jì)算方式相同，我們將差分放大電路看組一個(gè)整體，畫(huà)出其和輸出端子的關(guān)系，如下圖所示：

圖9-02.08

如果只使用其一個(gè)輸出端子作為共模輸出，容易看出其共模輸出阻抗為：

3. 使用恒流源偏置

一個(gè)好的差分放大電路，其差模放大系數(shù)Ad最好遠(yuǎn)大于共模放大系數(shù)Ac，根據(jù)我們前面算得的差模放大系數(shù)和共模放大系數(shù)的表達(dá)式：

由于re一般固定，要增大差模放大系數(shù)，只能靠增大RC;而增大RC后，又會(huì)使得共模放大系數(shù)增大，為使共模放大系數(shù)減小，我們需要增大分母RE，最好RE為無(wú)窮大。對(duì)于這種既需要有一定的直流電流通過(guò)、又希望交流等效電路中電阻為無(wú)窮大的情況，一般可以使用恒流源來(lái)實(shí)現(xiàn)。理想的的恒流源，其交流阻抗為無(wú)窮大;但是實(shí)際的恒流源都會(huì)帶有一定的交流阻抗，表現(xiàn)為在理想恒流源旁邊并聯(lián)一個(gè)很大的電阻Ro。

使用實(shí)際恒流源偏置的差分放大電路如下圖所示：

圖9-02.09

其中，恒流源用來(lái)提供直流偏置電流。對(duì)于交流通路，恒流源的理想部分表現(xiàn)為斷路，小信號(hào)交流電流全部都從Ro通過(guò)，這個(gè)Ro就相當(dāng)于原來(lái)的交流等效電路中的RE。由于Ro的阻值非常大，根據(jù)上面的共模放大系數(shù)的計(jì)算公式，可以使其共模放大系數(shù)非常小。

這種使用恒流源來(lái)改善電路性能的技巧經(jīng)常用于IC芯片的設(shè)計(jì)中，而在分立元器件電路中使用這種技巧并不是很方便。因?yàn)槊總€(gè)BJT晶體管的參數(shù)會(huì)隨器件品質(zhì)而波動(dòng)，因此每個(gè)電路你都要用可調(diào)電阻去把偏置電流調(diào)整到設(shè)計(jì)值，批量生產(chǎn)時(shí)，這個(gè)工作量會(huì)非常大。