講答案4章差動放大電路

第4章差動放大電路在工業(yè)控制過程中，如溫度、壓力這樣的物理量，被傳感器檢測到并轉化為微弱的。變化緩慢的非周期電信號。而這些信號還需要經過直流放大器放大以后，才能進行進一步的處理或推動二次儀表進行顯示。那么，這里的放大器一般采用直接耦合多級放大器。直接耦合多級放大器存在零點漂移的問題，克服零點漂移的有效辦法，就是在多級放大器的輸入級采用差動放大電路。典型差動放大電路零點漂移問題1、零點漂移（1）零點漂移：指輸入信號電壓為零時，輸出電壓發(fā)生緩慢地、無規(guī)則地變化的現(xiàn)象，簡稱零漂。（2） 零漂產生的原因：晶體管參數(shù)（IU、0）隨溫度變化、電源電壓波動、電路元件參數(shù)的變化等。CEO、BE（其中主要因素是溫度對晶體管參數(shù)的影響，稱為溫漂。）（3） 溫漂：環(huán)境溫度每變化1°C,將放大電路輸出端出現(xiàn)的漂移電壓AU'折算到輸入端，用這個折算到輸入端的o漂移電壓數(shù)值表示零漂的大小，用AU'表示。i（常常認為，零漂就是溫漂。）放大電路的級數(shù)越多，放大倍數(shù)越大，則零漂電壓逐級放大，就使零漂越嚴重，有時會將輸入信號淹沒。那么，第一級零漂對輸出端的總零漂來說，占主要地位。2、抑制溫度漂移的措施：在電路中引入直流負反饋。（如第2章介紹的分壓式偏置電路中的R就是一個直流負反饋。）E采用特性相同的管子，使它們的溫漂相互抵消，構成差動放大電路，至于直接耦合多級放大電路的輸入端。（在直接耦合放大電路中抑制零點漂移最有效的電路結構是差動放大電路。）典型差動放大電路1、電路結構與靜態(tài)工作情況（圖4-1為典型的差動放大電路）將兩個電路結構、參數(shù)均相同的單管放大電路組合在一起，就成為差動放大電路的基本形式。兩管射極均通過電阻R與負電源串聯(lián)之后接地。E（1）差動放大電路的結構特點：由兩個結構、參數(shù)左右對稱的共射放大器組成；它有兩個輸入端a和b，存在兩個輸入信號U、U;i1i2它有兩個輸出端，有單端輸出（從任意一個集電極輸出）、雙端輸出（從兩個集電極之間輸出）兩種方式；U為負電源，確保V、V工作在放大狀態(tài)。？EE122）靜態(tài)工作情況u—ui1 i2二u—ui1 i2二0時（靜態(tài)）：①電原VCC和'使得V1和V發(fā)射結正偏，集電結反偏；②"卩IB R上流過的EE12CB靜態(tài)電流為2Ie。2、輸入與輸出方式1）輸入方式：雙端輸入和單獨輸入。1）輸入方式：雙端輸入和單獨輸入。圖4-1為雙端輸入，圖4-2為單端輸入）2）輸出方式：雙端輸出和單端輸出。2）輸出方式：雙端輸出和單端輸出。圖4-1為雙端輸出，圖4-2為單端輸出）3）差動電路的輸入輸出方式：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。3、對零點漂移的抑制作用1）分析圖4-1所示電路，雙端輸入雙端輸出差動電路當輸入u-u-0時:i1i2溫度不變：u=u=0時，輸出電壓u=U—U=0（電路對稱，U=U）TOC\o"1-5"\h\zi1i2 o C1 C2 C1 C2溫度變化時：U =（U +Au ）-（U +Au ） （電路對稱，U=U，Au =Au ）o C1 C1 C2 C2 C1 C2 C1 C2（溫度變化時，兩管集電極電位隨之變化，但電路對稱，變化量Au和Au的大小和方向相同。）C1 C2結論：雙端輸入雙端輸出差動電路有效的抑制了零點漂移）（2）電阻R對零漂的抑制作用E除了差動電路的結構可以抑制零漂以外，電阻R對零漂也有抑制作用）R的電流負反饋作用能夠抑制各種原因引EE起的集電極電流的改變，從而使Au和Au減至最小，抑制零點漂移）C1 C2R：溫度補償電阻）E差動放大電路的公共發(fā)射極電阻R是保證靜態(tài)工作點穩(wěn)定的關鍵元件）E當溫度TT，兩管的發(fā)射極電流I和I、集電極電流I和I均增大。由于兩管基極電位V和V均保持不變,E1 E2 C1 C2 B1B2兩管的發(fā)射極電位V二IR升高，引起兩管的發(fā)射結電壓U和U降低（U二V-1R）。兩管的基極電EEE BE1 BE2 BEBEE流I和I隨之減小，集電極電流I和I下降）此過程類似分壓式偏置的共射放大電路中R的作用）B1 B2 C1 C2 ETTnIT,ITnVT（V二IR）nUI（U二V—IR,V固定）nIInII,IICE E EEE BE BEBEEB B CE結論：（1）雙端輸出的差動放大電路能夠抑制由各種原因引起的以I變化為特征的零點漂移，抑制的效果取決于兩C管參數(shù)的對稱程度）如果兩管完全對稱，則電路能夠完全的抑制零漂）（2）單端輸出的差動放大電路能夠抑制由各種原因引起的以I變化為特征的零點漂移，抑制的效果取決于R的CE大小，如果R很大，可使零漂減至最?。〦4、差模信號與共模信號差模信號：作用在差動放大器兩輸入端的一對數(shù)值相等、極性相反的輸入信號，即u=-u，稱差動放大TOC\o"1-5"\h\zid1 id2電路接收差模輸入。兩端輸入信號之差稱為差模輸入信號u，表示為：u二u-u二2u，idid id1 id2 id1u——u—u2。id1 id2 id'共模信號：兩個輸入信號電壓的大小相等，極性相同，即u二u，稱差動放大電路接收共模輸入。ic1 ic2這樣的輸入稱為共模輸入信號，共模輸入信號常用u表示：u二u二uic icic1 ic2⑶實際信號：實際信號通常既不是單純的差模信號，又不是單純的共模信號，而是任意信號仆鉆。即:11u―u+u―u+—u；u―u+u―u——ui1 ic1 id1ic2idi2 ic2 id2ic2idIu=u+u/2差動放大器兩輸入端的任意信號都可以分解為一對共模信號和一對差模信號，即：{i'1 ic /[u=u—u!22icidu+u貝q可得：u=—^ 些；u=u—uic2 idi1i2書上52頁，例題4-1)典型差動放大電路的靜態(tài)分析靜態(tài)分析的目的就是計算靜態(tài)工乍點Q點，即計算兩管的Ib、Ic和Uce。(由于兩管完全對稱，所以只求一個管的靜態(tài)值即可。靜態(tài)通路如圖4-4所示)I=I=I，I=I=I，U=U=UC1C2C B1B2B CE1 CE2 CE對回路丨列KVL方程可得：RI+U+2RI=UnRI+U+2R(1+0)I=UBBBEEEEEBBBEEBEE注意：流過Re上的電流是IE1+IE2=IE。貝可得：U —U貝可得：I= EEBE—BR+2(1+0)RBE對回路II列KVL方程可得：IR+U+21R=V+U U沁V+U—I(R+2R)CCCE EECCEE CECCEECC E典型差動放大電路的動態(tài)分析動態(tài)分析的目的是討論差動放大電路對差模和共模信號的放大能力，以及各種輸入、輸出方式下電路的電壓放大倍數(shù)和電路的輸入輸出電阻。1、雙端輸入、雙端輸出的差動放大電路(如圖4-1所示)共模信號=i1電路輸入共模信號u=u=u，電路兩邊對稱，則有：b1.b2}=u=u(u=—iR,u=—iRic1 ic2 ic i=iI clc2 cl clCc2 c2Cc1c2

則輸出電壓為：u二u-u二0，即共模輸入條件下的差動輸出為0。occ1c2（差動放大器利用其電路結構、參數(shù)上的對稱性實現(xiàn)了對共模信號的抑制。）雙端輸出的差動放大電路對共模信號無放大作用，共模放大倍數(shù)A廣0（2）差模輸入①輸出電壓uodu輸入一對差模信號：u=-u=~^did1 id22由于電路參數(shù)對稱，V、V所產生的電流的變化大小相等、方向相反，即12i=-，i=-，則有：b1 b2c1c2 c1 c2所以，輸出電壓為：u=u-u=2u，實現(xiàn)了電壓放大。odc1c2 c1由于流經Re的電流iei和ie2大小相等，極性相反，兩管的變化電流相互抵消，流過Re的電流保持不變所以，對差模信號而言,在交流分析時，Re可視為短路。（左圖給出了差動放大器的差模交流通路，Re短路。⑵差模電壓放大倍數(shù)Ad①兩管集電極間沒有接負載RLu差動放大器在輸入差模信號時的電壓增益稱為差模電壓增益：A=十duid式中：u是在u作用下的輸出電壓。（左圖為微變等效電路）od id.uu一u 2u uu-PiR PR.A=—o&= c2= =吐=—cl= b_C=— C—=Aduu uuui（r+R）r+R d1id id 2冬用i1bbeB beB22雙端輸出差模微變等效電路可以認為：差動放大器是以犧牲式中：A雙端輸出差模微變等效電路可以認為：差動放大器是以犧牲d1（從Ad的表達式可以看到，差動放大器雙端輸出時的電壓增益等于半電路增益。一個管子的增益為代價，換取了低漂移的結果。差動放大器具有差動放大作用。）②當兩管集電極間接有負載R厶時，對于差動信號而言，R厶中點電位為0。差模放大倍數(shù)為：

uu一uA=—od= du uid id2ucluu一uA=—od= du uid id2ucluu2id id22uu— —cl—ui1i(r+R)bbeBpR=— L—r+RbeBR式中：R'=R//lLC2雙端輸出差模微變等效電路⑶雙端輸入的差動放大電路的輸入電阻Rd和輸出電阻Roid id②輸出電阻R:從兩個輸出端看進去的等效電阻即為輸入電阻R，則有:ooR二2(r+R)R二2(r+R)id beBR二2RoC(1)差模輸入u輸入一對差模信號：u=一u=~itid1 id22由于電路參數(shù)對稱，V、V所產生的電流的變化大小相等、方向相反，即：12i——i，i=—i，則有：u=—u。由于單端輸出，則輸出電壓為：u—u0b1 b2c1 c2 c1 c2 od c1(對差模信號而言，在交流分析時，R可視為短路0)E(2)差模電壓放大倍數(shù)Aduuu —pi(R//R) pR'A=—o&=—el= +=b CL=— L duu 2u 2i(r+R) 2(r+R)idid il bbeB beB式中：R'二R//RLCL結論：雙端輸入、單端輸出的差動放大電路的差模電壓放大倍數(shù)是雙端輸入、雙端輸出的差動放大電路的一半0 單端輸出差模微變等效電路(2)共模信號電路輸入共模信號曽役2二u，電路兩邊對稱，R上流過的電流為2電路輸入共模信號曽役2uu共模電壓放大倍數(shù)A -比uu共模電壓放大倍數(shù)A -比Cuuicil—i(R//R) —Pi(R//R)= e CL — b CL i(r+R)+2iRi(r+R)+2(1+P)iRbbeBeEbbeB—PR'L-r+R+2(l+P)RbEbeB E共模單管微變等效電路可見，單端輸出差動電路對共模信號有放大作用，但放大倍數(shù)較小0放大倍數(shù)的大小主要取決于Re，當Re?(7+Rb)時，則有：管尋共模單管微變等效電路E雙端輸入的差動電路，當輸入既有差模信號又有共模信號，輸出電壓應為差模輸出與共模輸出的代數(shù)和，即：u=Au+AuodidCic雙端輸入的差動放大電路的輸入電阻R和輸出電阻Rid o輸入電阻R:從兩個輸入端看進去的等效電阻即為輸入電阻R，則有：R二2（r+R）idididbeB輸出電阻R:從單個輸出端看進去的等效電阻即為輸入電阻R，則有：R二RoooC3、 單端輸入、雙端輸出的差動放大電路（如圖4-6所示）當沒有R，即R二0時，輸入信號只加在V管上，V管有放大作用，V管沒有放大作用。接入R，V和V都有EE112E12放大作用。射極電阻R起到了把單端輸入轉換成雙端輸入的作用。E單端輸入、雙端輸出的差動放大電路的差模電壓放大倍數(shù)A、輸入電阻r、輸出電阻r和雙端輸入、雙端輸出的差dio動放大電路相同。4、 單端輸入、單端輸出的差動放大電路（如圖4-2所示）單端輸入、單端輸出的差動放大電路的差模電壓放大倍數(shù)A，共模電壓放大倍數(shù)A、輸入電阻r、輸出電阻r和dCio雙端輸入、單端輸出的差動放大電路相同。共模抑制比CMRR（對于一個差動放大器，共模電壓放大倍數(shù)越小，抑制溫漂（共模信號）的效果就越好；差模電壓放大倍數(shù)越大，放大有用信號（差模信號）的能力就越強。）為了綜合衡量差動放大器對差模信號的放大能力和對共模信號的抑制能力，特別引入一個性能指標——共模抑制比，A記作CMRR，定義為：CMRR=-Ad=pc式中：A—差模電壓增益；A—共模電壓增益dcA工程中，常用對數(shù)形式來表示共模抑制比，CMRR=20lga，單位為分貝（dB）。c共模抑制比CMRR表征的是運放對干擾信號的抑制能力，CMRR越大電路的性能越好。對于電路參數(shù)理想對稱的雙端輸出情況，共模抑制比無窮大。u（共模輸入條件下，差動輸出u二0，則共模電壓增益：A二亍-二0，所以共模抑制比無窮大。）oc c2uic實際中，差動放大電路不可能完全對稱，所以A不等于零，即CMRR只是一個較大的有限值。R越大，A越小,c E cCMRR越大。增加R值，可以提高電路的共模抑制比CMRR。E（書上56頁，例題4-2）具有恒流源的差動放大電路前面分析的差動放大電路中，發(fā)射極電阻R對共模抑制起重要作用，為了提高共模抑制的能力，R的電阻值應取EE

得越大越好，但對較大阻值的Re，要求很高的發(fā)射極電源Vee，給電路構造帶來困難。在實際的差動放大器中，常采用電流源代替R。E具有恒流源的差動放大電路組成（具有恒流源的差動放大電路組成如圖4-7（a）所示，4-7（b）為其簡化電路圖）三極管V、電阻R、R、R和二極管VD構成恒流源電路。R、R的分壓固定了V管的基極電位V，使得V管3 12 E3 12 3 B3 3工作在放大區(qū)。I近似于恒值：I二I+1沁I+1，確保V、V管的靜態(tài)工作點合適。C3 C3E1E2C1C2 1 2二極管VD為溫度補償二極管，溫度變化時，可使I仍為恒值。C3具有恒流源的差動放大電路中，三極管V工作在放大區(qū)，靜態(tài)電阻低，動態(tài)電阻很高，這種電路能很好的抑制零漂,提高電路的共模