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The Advanced Amplifiers
本實驗講義共計14頁
2003.2最新修定
一、實驗目標
1.
2.
觀察差動放大器的基本特性
½½簡單OP
Amp.
二、實驗提示及操½練習
在電子電路中，雜訊(noise)常伴隨著我們所要的訊號(signal)而來，如果我們
要對訊號加以放大，常常需要先濾掉雜訊。通常，我們考慮到利用
RC
電路來濾
波，½先決條件是
noise
和
signal
的頻率要相差很多，以免濾掉原要的
signal。然
而差動放大器(Differential
Amplifier)並不需要考慮頻率的差異，它所考慮的只是當
輸 入 二 端 相 距 不 遠 時
noise
對 的 二 端 造 成 的 ½ 響 是 相 同 的 (視 為
common
signal)，而
signal 就 是 輸 入 二 端 波 ½ 的 差 額 (視 為
differential signal)，如此一
來，差動放大器便可以對
noise
加以½略(reject)，而對
signal
加以放大。
PART (I)：差動放大器(Differential Amplifier)基本原理
差動放大器通常由
BJT
或
FET
與電阻等元件組成，若½用
BJT，則又稱為
emitter- coupled pair；若½用 FET，則稱為 source-coupled amplifier。差動放大器基本
結構如圖
Fig. 12-1，其中 V
B1
與
V
B2
為二個輸入端，V
C1
與
V
C2
則為二個輸出端。
V
CC
R
C
V
C1
Q1
Q2
電輸
R
O
流 出
源阻
抗
R
C
V
C2
+
V
B1
+
V
B2
−
I
I
−
Fig. 12-1 Differential Amplifier
我們假設
Differential Amplifier
的左右二邊是完全的對稱的，那麼我們便可以
½用半電路分析法(half-circuit
concept)來分析 Differential Amplifier。為了便於分析差
動放大器，根據二個輸入信號關係，可以分為
differential mode
及
common mode
二
12-1
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種模式。
1.
common mode：
假設
V
B1
=V
CM
=V
B2
，則
V
CM
對
Q1
及
Q2
所造成的電流可視為等量增加且
皆流經
R
O
。因此，common
mode
可視為並聯二個
CE with R
E
amplifier（其
半電路分析如
Fig.12-2(a)）。由於 CE with R
E
amplifier
的增益比較小，所
以在這種模式下所½得到的增益比較小，我們將此時的增益
A
CM
=
稱之為
common mode voltage gain（共模增益）。
2.
differential mode：
假設
V
B1
=V
DM
、V
B2
=-V
DM
，則輸入端之電½差為
V
d
=2V
DM
。對外界觀察
者而言，在
Q1
中
V
DM
所造成的電流似乎由
Q1
的
Emitter
流出後便直接
流入
Q2
的
Emitter
端，並沒有流經
R
O
。因此，differential
mode
可視為串
接二個的
CE amplifier（其半電路分析如 Fig.12-2(b)）。我們將此時的增
益
A
DM
=
V
C
2
V
DM
V
C
2
V
CM
稱之為
differential mode voltage gain（差模增益）。在相同組
態下，CE
Amplifier
較
CE with R
E
Amplifier
擁有更高的增益，所以，通常
Differential Amplifier
的
differential mode voltage gain
較
common mode voltage
gain
大了許多。而這也是
Differential Amplifier
被½名的原因。
V
CC
V
CC
R
C
V
C2
V
CM
2R
O
R
C
V
C2
V
DM
(a)common mode
Fig.12-2
(b)differential mode
Fig12-1
的 半 電 路 圖
根據半電路分析法（如上圖），Differential
Amplifier
的
differential mode
輸入阻
抗約為
2 r
ß
、common
mode
輸入阻抗約為
2ßR
O
、單邊輸出阻抗與
R
C
相當，頻率響
應特性則與
CE Amplifier
相似。
Differential Amplifier
被廣為應用的重要原因之一，正是這種
A
DM
遠大於
A
CM
的 特 性 。 在許多場合（例如長途傳輸、或醫電應用、…，etc.），我們所要處理
的訊號，經常會被不可½視的同源雜訊所干擾。這時只要將訊號接入
Differential
Amplifier，那麼原來的訊號被當成 differential mode
放大、而摻雜其中的同源雜訊被
當成
common mode
抑制，如此就½獲得優良的放大效果。因此，我們定義
CMRR
（Common-mode
Rejection Ratio）參數，用以描述 Differential Amplifier
的優劣：
12-2
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CMRR
=
A
DM
（usually
in dB）
A
CM
一個
Differential Amplifier
的
CMRR
愈大，相對地，它的
A
DM
必然愈大。根據
此一特性，我們通常將多極放大器的第一級設計為
Differential Amplifier，除用以提
高
overall voltage gain
外，兼以濾去輸入端的雜訊。
PART (II)：差動放大器應用
Fig.12-3
為一腦波偵測器(brain
wave detector)，我們可以經由頭部的 sensor
來
偵測腦部的活動。腦波大約只有幾個
mV，利用一般的放大器來放大腦波並不困
難，½相對地，雜訊(如
60HZ
的交流電)也被放大了。如果雜訊同時½響了輸入
的兩端，我們就可以½用
Differential Amplifier
來濾掉
common mode
雜訊(其濾波品
質和
CMRR
有關)。
Big common swing (noise)
Small difference swing (signal)
only difference
is amplified
+
_
differential
amplifier
Fig.12-3 (brain wave detector)
以目前的
IC
½造技術而言，我們已經有辦法在一片晶片上½½出幾乎完全
匹配的
differential pair，而提高了它的利用價值。
一般用途的
Op Amp，其標準結構是：第一級放大器為 Differential Amplifier，
屬高品質的前½放大器，它並不做極大的放大。第二級主要是電壓放大級，對訊
號做強烈放大。第三級是
voltage follower (CC Amplifier)，它不做電壓放大，而是做
為承接負載的緩衝級。在本實驗中，我們將會½½一個簡易的
Op Amp。
PART III：BJT
電流源(current
mirror
及
Widlar Current Source)
I
ref
V
CC
R
A
R
L
Q1
Q2
I=
I
ref
Fig.12-4 current mirror
12-3
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所謂理想的電流源，是指：不
論 輸 出 端 的 電 壓 為 ½ ， 它 ½ 會 「 強 迫 」 供
給 一 定 量 電 流
，這樣的電源而言（電壓源是：不論輸出電流多少，它½會強迫
輸出端維持定值電壓）。
Fig.12-4的電路稱為電
流 映 射 器（
Current Mirror
，亦稱電
流 鏡
），其中Q1、
Q2是特性完全相同的BJT。從Q2的C極看進去，Q2就是一個電流源，其電流I可由
下式得到：
I
ref
=
V
CC
−
0.7
R
A
Fig.12-4的Current Mirror電路中，Q1、Q2的B極相接，所以V
BE1
=V
BE2
。由於Q1、Q2
是特性完全相同的BJT，所以對Q2來說，只要V
CE2
大於0.3V，I就會大約等於I
ref
。
而
BJT的
特 性 是：若V
BE
維持定值，I
C
（輸出電流）就幾乎與V
CE
（輸出端電壓）
無 關 ， 這恰½就是電流源的特性，所以只要我們供給Q1適當的參考電流I
ref
，Q2
就可以做為一個優良的電流源½用了。
Current Mirror
雖然可做為電流源，½畢竟無法絕對理想。BJT內部，由於構
造 上 的 緣 故 ，會並聯一個大電阻r
o
。因此在Current
Mirror裏，Q2的等效電路應是
Fig.12-5所
示 。
r
o
就相當於是電流源的內阻，由於r
o
的緣故，Q2的V
CE
改變時，I難
免也會有些微的改變。
I
ref
V
CC
R
A
R
L
Q1
Q2
I
r
o
R'
E
Fig.12-5 current source
等 效 電 路
（
Widlar Current Source
）
。
Fig.12-6 Widlar Current Source
在Current
Mirror Q2的E極加上一個電阻R
E
'，如Fig.12-6，稱為衛
德 勒 電 流 源
Widlar Current Source的I與I
ref
有如下的關係：
I
ref
'
R
E
I
1
=
I
⋅
exp
1
+
V
T
β
Widlar Current Source會½I產生
「縮小」
的½用，讓Q2變得像是
「透鏡」
般。與Current
Mirror
相 比 ，
I只有參考電流 I
ref
的數十，甚至數百分之一，因此只要用較小的R
A
就可以產生同樣的電流源，這個Widlar
Current Source的優點，特別是應用在零件
體積要求極為嚴格的高密度積體電路時最為明顯。
Widlar Current Source與Current Mirror一樣，Q2 C、E極之間的r
o
會½電流源½
像並聯一個輸出阻抗r
o
'，它與原本r
o
的關係是：
r
o
'
=
r
o
1
+
g
m
R
'
E
(
)
所以Widlar
Current Source的內阻會較r
o
大，比Current
Mirror更接近理想的電流源。
12-4
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PART (IV)：輸入阻抗及輸出阻抗的測量
輸 入 阻 抗 及 輸 出 阻 抗 與 放 大 電 路 之 主 動 元 件
(active components)及
被 動
(passive)元
件 有 關 ，所以無法½用三用電表來測量。先前我們曾介紹利用串接電
阻來計算
I
in
再求出
R
in
，在此我們將再介紹另一種方法。
Fig.12-7
為放大器輸入阻抗之測試電路，R
in
為放大器之輸入阻抗，R
s
為訊號
源之輸出阻抗，在訊號源和輸入端之間串接一可調之可變電阻，由分壓理論可得
V
B
=
V
A
*
所以
R
in
R
x
+
R
in
則
R
in
(V
A
-V
B
)=R
X
V
B
R
in
=
V
B
R
x
R
x
=
V
A
−
1
V
A
−
V
B
V
B
由上式可得知，任意調整
R
X
，測出
V
A
及
V
B
，即可求出輸入阻抗。若調
整
R
X
，½
V
B
=1/2 V
A
，移去
R
X
，再利用三用電表測量
R
X
，即為
R
in
。
Rs
Rx
Vs
V
A
V
B
Rin
Fig.12-7
輸入阻抗之測試電路
Fig.12-8
為放大器輸出阻抗之測試電路，首先測試放大器無輸出負載下之
輸出電壓
V
A
，如
Fig.12-8(a)所示，在無負載之情況下，假設示波器之輸入阻抗很
大，則量得之
V
O
等於
V
A
。然後將負載電阻
R
X
接上，如
Fig12-8(b)所示，可測得
輸出電壓
V
B
，則
V
B
=
V
S
求得
R
X
R
X
=
V
S
R
S
+
R
X
R
S
+
R
X
V
S
−
V
B
V
S
R
O
=
R
S
=
R
X
=
(
−
1)
R
X
V
B
V
B
由上式可知，只要任意調整
R
X
值，測出
V
B
與
V
A
的值，即可求得輸出阻
抗。若調整
R
X
，½
V
B
=1/2 V
A
，則
R
X
等於
R
O
，再移去
R
X
，利用三用電表測之，
所得之值即為此放大器之輸出阻抗。
12-5
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