差分放大电路：零漂、组成、直流分析.ppt

第一章 差分放大电路 differential amplifier,直接耦合放大电路 # 一般的集成运算放大器都要采用直接耦合方式,1.1 直接耦合放大电路的零点漂移现象及抑制方法,零漂(zero drift)：输入电压为零而输出电压的变化不为零。,原因：电源电压的波动、元件的老化、半导体器件参数随温 度变化而产生的变化。主要原因是温度，也称温漂。,温漂指标：温度每升高1度时，输出漂移电压按电压增益折 算到输入端的等效输入漂移电压值。,抑制零漂（温漂）的措施, 引入直流负反馈：Q点的漂移，故引入Re稳定Q点。 用热敏元件进行温度补偿：二极管图2.4.6。 采用差分式放大电路：利用特性相同的管子，使它们 的温漂相互抵消。,1.2 差分式放大电路的组成及其直流分析,差分放大电路是构成直接耦合多级放大器的基本单元。 一、电路构成,有零点漂移现象,利用对称克服零点漂移现象,对称电路的射极电阻合二为一,为简化电路,便于调节Q点,引入负直流电压源VEE,由两个结构完全对称的共射电路组成，通过射极公共电阻Re耦合构成。电路参数理想对称 特点：零输入时零输出；差模信号具有放大作用，共模信号抑制作用，即为所谓的“差动” 。 差模信号：一对大小相等，极性相反的信号，用uId1、uId2表示， uId1= - uId2。differential 共模信号：一对大小相等，极性相同的信号，用uIc1、uIc2表示，uIc1= uIc2 。 common,输入方式,单端输入,双端输入,输出方式,单端输出,双端输出,差分电路的输入输出方式,二、长尾式差分放大电路,1= 2= UBE1=UBE2= UBE rbe1= rbe2= rbe ICBO1=ICBO2= ICBO RC1=RC2= RC Rb1=Rb2= Rb,静态分析 uI1=uI2 =0,由于电路结构、参数对称， 管子特性一致。 IBQ1=IBQ2 = IBQ ICQ1=ICQ2=ICQ IEQ1=IEQ2 = IEQ UC1=UC2 =UC,1.3 差分放大电路对共模信号的抑制作用,uIc1=uIc2=uIc ib1=ib2 ic1=ic2 ie1=ie2 流过Re上的动态电流： iRe=ie1+ie2=2ie Re上的电压： uRe=2ieRe,因此，从电压等效的观点看，相当每管的射极各接有2 Re的电阻。 画交流通路时，单管射极电阻应为2Re。,共模电压放大倍数,共模电压放大倍数定义为:,双端输出时，当电路完全对称时，uoc1=uoc2,所以双端输出的共模电压放大倍数为零，即Ac=0。,单端输出时的共模电压放大倍数为P163 (3.3.17),可见，由于射极电阻2Re的自动调节(负反馈)作用，使得单端输出的共模电压放大倍数大为减小。在实际电路中，均满足ReRC，故|Ac(单)|0.5，即差动放大器对共模信号不是放大而是抑制。共模负反馈电阻Re越大，则抑制作用越强。,1.4 差分放大电路对差模信号的放大作用,uI1=uId1，uI2=uId2 ， 而uId1= - uId2 ib1= -ib2 ie1= -ie2 uc1= -uc2 流过Re上的交流总电流： ie=ie1+ie2= 0 Re上交流压降为0。 因此，画交流通路时，Re可视为短路，即两管的发射极直接接地。 即：一管的射极电流增大，另一管的射极电流减小，且增大量和减小量时时相等。因此流过Re的信号电流始终为零，公共射极端电位将保持不变。所以对差模输入信号而言，公共射极端可视为差模地端，即Re相当对地短路。,由uc1= - uc2可知RL两端电位一端为正，一端为负，RL的中点应是地电位，即每管对地的负载电阻为RL/2,差模电压放大倍数uId1= -uId2 差模电压放大倍数定义为输出电压与输入差模电压之比。在双端输出时，输出电压为:,输入差模电压为:,RL=Rc/(RL/2),与单管增益形式相同，以牺牲一个管子的放大倍数为代价，来换取低温漂,Ri=2(Rb+rbe) Ro 2 Rc,P160 (3.3.7),单端输出时，则 IBQ1=IBQ2 = IBQ ， ICQ1=ICQ2=ICQ IEQ1=IEQ2 = IEQ ，UCQ1UCQ2,单端输出时，则,Ri=2(Rb+rbe) Ro Rc,接T1,接T2,P163 （3.3.16）,没有Re,Ri=2(Rb+rbe) Ro 2 Rc,双端输入单端输出,Ri=2(Rb+rbe) Ro Rc,总之：差分电路的动态分析：差模信号,RL=Rc/(RL/2),RL=Rc/RL,双端输入双端输出,共模抑制比KCMR衡量差放的一个重要指标,为了衡量差动放大电路对差模信号的放大和对共模信号的抑制能力，引入参数共模抑制比KCMR。它定义为差模放大倍数与共模放大倍数之比的绝对值，即common mode rejection ratio,KCMR也常用dB数表示，并定义为,KCMR实质上是反映实际差动电路的对称性。,双端输出 单端输出,在双端输出理想对称的情况下，因Ac=0,所以KCMR趋于无穷大。但实际的差动电路不可能完全对称，因此KCMR为一有限值。在单端输出不对称的情况下，KCMR必然减小。,理想,差放的特点：输入无差别，输出就不动； 输入有差别，输出就变动。,对任意信号的分析方法,对于两个任意信号Ui1、Ui2，分析时可将它们分解成一对共模信号和一对差模信号，然后分别由差模和共模增益来求。,Uic = Uic1=Uic2 =(Ui1+Ui2)/2 Uid1=-Uid2= Uid /2 Uid=(Ui1-Ui2),例：Ui1=10mV Ui2=8mV Uic=(Ui1+Ui2)/2=9mV Uid=(Ui1-Ui2) =2mV,输出电压为： uO=Aduid+Acuic,差动放大电路的输出与两个输入电压的差值成正比，与输入电压本身的大小无关,Ac=0时： uO=Aduid,已知Ec=12V，Ee=6V，=60 rbb=100 Rc=Rb=Ree=10K RW=100 ,Ui1=5mV, Ui2=3mV 求：输入差模电压Uid1、Uid2和共模电压Uic,双端输出差模Uod和共模电压Uoc,解： 求静态值,例 题,求Uid1、Uid2、Uic,Uid1=-Uid2=(Ui1-Ui2)/2,Uic= Uic1=Uic2=(Ui1+Ui2)/2,=（53）/2=4mV,=（5-3）/2=1mV,求AUd Uod,= -31,= -311= -31mV,求AUc Uoc,双端输出：AUc=0,Uoc=0,例 题,单端输入差放电路的分析,Ui1=Ui Ui2=0,处理方法：按任意信号处理 Uic1=Uic2=(Ui+0)/2= Ui/2 Uid1=-Uid2=(Ui-0)/2= Ui/2,1. 虽然是单端输入，输入信号将自动将Ui/2加于T1,- Ui/2加于T2（Ree的负反馈的作用）双端输入处理。 2.增加了一对共模信号， Uic1=Uic2= Ui/2,例 题,当温度变化或电源电压波动时，都将使集电极电流产生变化，且变化趋势是相同的，其效果相当于在两个输入端加入了共模信号。,差分放大电路对共模信号有很强的抑制作用，这就意味着差放对由温度变化或电源电压波动所引起的输出漂移有很强的抑制作用。这就是研究共模输入信号的意义。,Iec1,Iec2,抑制零点漂移,电路1,1.6 改进型差分放大电路,为了提高共模抑制比应加大Re 。但Re加大后，为保证工作点不变，必须提高负电源，这是很不经济的。同时集成电路难以制造大电阻，为此可用恒流源来代替Re 。 恒流源动态电阻大，可提高共模抑制比。恒流源可提供一个稳定的偏流，同时恒流源的管压降只有几伏，可不必提高负电源。,恒定电流,Ube+I3R3=2UD+I2R2,由于IB3很小,I1I2,有源负载提供大动态电阻,用恒流源输出等效高阻代替实体电阻，称该电阻为有源负载。,若Ube=UD,则I3R3=UD+I2R2,恒流源差分放大电路