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模拟电子技术基础 第九讲 6 1概述6 2差分放大电路的静态计算6 3差分放大电路的动态计算 06差分放大电路 6 1概述 6 1 1差分放大电路的组成6 1 2差分放大电路的输入和输出方式6 1 3差模信号和共模信号 6 1 1差分放大电路的组成 差分放大电路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 如图06 01所示 对称的含义是两个三极管的特性一致 电路参数对应相等 图06 01差分放大电路 即 1 2 VBE1 VBE2 VBErbe1 rbe2 rbeICBO1 ICBO2 ICBORC1 RC2 RCRb1 Rb2 Rb 6 1 2差分放大电路的输入和输出方式 差分放大电路一般有两个输入端 同相输入端 反相输入端 差分放大电路可以有两个输出端 一个是集电极C1 另一个是集电极C2 从C1和C2输出称为双端输出 仅从集电极C1或C2对地输出称为单端输出 根据规定的正方向 在一个输入端加上一定极性的信号 如果所得到的输出信号极性与其相同 则该输入端称为同相输入端 反之 如果所得到的输出信号的极性与其相反 则该输入端称为反相输入端 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 若信号仅从一个输入端对地加入 称为单端输入 图06 02共模信号和差模信号示意图 6 1 3差模信号和共模信号 差分放大电路仅对差模信号具有放大能力 对共模信号不予放大 温度对三极管电流的影响相当于加入了共模信号 差分放大电路是模拟集成运算放大器输入级所采用的电路形式 差模信号共模信号 是指在两个输入端加上幅度相等 极性相反的信号 是指在两个输入端加上幅度相等 极性相同的信号 图06 03双电源差分放大电路 6 2差分放大电路的静态计算 差分放大电路的静态和动态计算方法与基本放大电路基本相同 为了使差分放大电路在静态时 其输入端基本上是零电位 将Re从接地改为接负电源 VEE 由IB的计算式可知 Re对一半差分电路而言 只有2Re才能获得相同的电压降 如图06 03所示 由于接入负电源 所以偏置电阻Rb可以取消 改为 VEE和Re提供基极偏置电流 基极电流为 动画6 1 6 3差分放大电路的动态计算 6 3 1差模状态动态计算6 3 2共模状态动态计算6 3 3恒流源差分放大电路 6 3 1差模状态动态计算 差分放大电路的差模工作状态分为四种 1 双端输入 双端输出 双 双 2 双端输入 单端输出 双 单 3 单端输入 双端输出 单 双 4 单端输入 单端输出 单 单 主要讨论的问题有 差模电压放大倍数差模输入电阻输出电阻 图06 04双端输入双端输出 1 差模电压放大倍数Avd 双端输入差放电路如图06 04所示 负载电阻接在两集电极之间 vi接在两输入端之间 也可看成 vi 2各接在两输入端与地之间 这种方式适用于双端输入和双端输出 输入 输出均不接地的情况 双端输入双端输出差模电压放大倍数 差动放大器双入 双出微变等效电路 1 差模电压放大倍数Avd 双端输入单端输出差模电压放大倍数 这种方式适用于将差分信号转换为单端输出的信号 双端输入单端输出因只利用了一个集电极输出的变化量 所以它的差模电压放大倍数是双端输出的二分之一 图06 05双端输入单端输出 单端输入双端输出差模电压放大倍数 单端输入信号可以转换为双端输入 其转换过程见图06 06 右侧的Rs rbe归算到发射极回路的值 Rs rbe 1 Re 故Re对Ie分流极小 可忽略 于是有 这种方式用于将单端信号转换成双端差分信号 可用于输出负载不接地的情况 图06 06单端输入转换为双端输入 vi1 vi2 vi 2 单端输入单端输出 通过从T1或T2的集电极输出 可以得到输出与输入之间或电位反相或电位同相的关系 从T1的基极输入信号 从C1输出 为反相 从C2输出为同相 2 差模输入电阻 不论是单端输入还是双端输入 差模输入电阻Rid是基本放大电路的两倍 3 输出电阻 输出电阻在单端输出时 双端输出时 6 3 2共模状态动态计算 如果输入信号极性相同 幅度也相同则是纯共模信号 如果极性相同 但幅度不等 则可以认为既包含共模信号 又包含差模信号 应分开加以计算 如图06 07所示 例如温漂信号属共模信号 它对差分放大电路中Ic1和Ic2的影响相同 计算共模放大倍数Avc的微变等效电路 如图06 08所示 其中Re用2Re等效 这与差模时不同 Avc的大小 取决于差分电路的对称性 双端输出时可以认为等于零 单端输出时为 图06 08共模微变等效电路 1 共模放大倍数Avc 2 共模抑制比 共模抑制比KCMR是差分放大器的一个重要指标 或 双端输出时KCMR可认为等于无穷大 单端输出时共模抑制比 动画6 2 6 3 3恒流源差分放大电路 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 这是不经济的 为此可用恒流源T3来代替Re 恒流源电流数值为IE VZ VBE3 Re 图06 09恒流源差分放大电路 恒流源动态电阻大 可提高共模抑制比 同时恒流源的管压降只有几伏 可不必提高负电源之值 这种电路称为恒流源差分放大电路 电路如图06 09所示 07多级放大电路 多级放大电路的放大倍数 7 1 1耦合形式 7 1 2零点漂移 7 1多级放大电路概述 7 1 1耦合形式 多级放大电路的连接 产生了单元电路间的级联问题 即耦合问题 放大电路的级间耦合必须要保证信号的传输 且保证各级的静态工作点正确 耦合电路采用直接连接或电阻连接 不采用电抗性元件 级间采用电容或变压器耦合 电抗性元件耦合 只能传输交流信号 漂移信号和低频信号不能通过 直接耦合电路可传输低频甚至直流信号 因而缓慢变化的漂移信号也可以通过直接耦合放大电路 直接耦合 电抗性元件耦合 根据输入信号的性质 就可决定级间耦合电路的形式 耦合电路的简化形式如图07 01所示 直接耦合或电阻耦合使各放大级的工作点互相影响 应认真加以解决 a 阻容耦合 b 直接耦合 c 变压器耦合图07 01耦合电路的形式 7 1 2零点漂移 零点漂移 是三极管的工作点随时间而逐渐偏离原有静态值的现象 产生零点漂移的主要原因是温度的影响 所以有时也用温度漂移或时间漂移来表示 工作点参数的变化往往由相应的指标来衡量 一般将在一定时间内 或一定温度变化范围内的输出级工作点的变化值除以放大倍数 即将输出级的漂移值归算到输入级来表示的 例如 V C或 V min 7 1 3直接耦合放大电路的构成 直接耦合或电阻耦合使各放大级的工作点互相影响 这是构成直接耦合多级放大电路时必须要加以解决的问题 电位移动直接耦合放大电路 NPN PNP组合电平移动直接耦合放大电路 电流源电平移动放大电路 1 2 3 电位移动直接耦合放大电路 1 于是VC1 VB2VC2 VB2 VCB2 VB2 VC1 这样 集电极电位就要逐级提高 为此后面的放大级要加入较大的发射极电阻 从而无法设置正确的工作点 这种方式只适用于级数较少的电路 如果将基本放大电路去掉耦合电容 前后级直接连接 如图07 02所示 图07 02前后级的直接耦合 2 NPN PNP组合电平移动直接耦合放大电路 级间采用NPN管和PNP管搭配的方式 如图07 03所示 由于NPN管集电极电位高于基极电位 PNP管集电极电位低于基极电位 它们的组合使用可避免集电极电位的逐级升高 图07 03NPN和PNP管组合 电流源电平移动放大电路 3 但电流源交流电阻大 在R1上的信号损失相对较小 从而保证信号的有效传递 同时 输出端的直流电平并不高 实现了直流电平的合理移动 在模拟集成电路中常采用一种电流源电平移动电路 如图07 04所示 图07 04电流源电平移动电路 电流源在电路中的作用实际上是个有源负载 其上的直流压降小 通过R1上的压降可实现直流电平移动 7 2多级放大电路电压放大倍数的计算 在求分立元件多级放大电路的电压放大倍数时有两种处理方法 输入电阻法 开路电压法 一是将后一级的输入电阻作为前一级的负载考虑 即将第二级的输入电阻与第一级集电极负载电阻并联 二是将后一级与前一级开路 计算前一级的开路电压放大倍数和输出电阻 并将其作为信号源内阻加以考虑 共同作用到后一级的输入端 图07 05两级放大电路计算例 现以图07 03的两级放大电路为例加以说明 有关参数示于图07 05中 三极管的参数为 1 2 100 VBE1 VBE2 0 7V 计算总电压放大倍数 分别用输入电阻法和开路电压法计算 7 2 1用输入电阻法求电压增益 1 求静态工作点 2 求电压放大倍数 先计算三极管的输入电阻 电压增益 如果求从VS算起的电压增益 需计算第一级的输入电阻 Ri1 rbe1 Rb1 Rb2 3 1 51 20 3 1 14 4 2 55k 7 2 2用开路电压法求电压增益 第一级的开路电压增益 第二级的电压增益 第一级的输出电阻 总电压增益 7 3变压器耦合的特点 采用变压器耦合也可以隔除直流 传递一定频率的交流信号 因此各放大级的Q互相独立 变压器耦合的优点是可以实现输出级与负载的阻抗匹配 以获得有效的功率传输 变压器耦合阻抗匹配的原理见图07 06 a 在理想条件下 变压器原副边的安匝数相等 即I1N1 I2N2I2 I1N1 N2 I1 V1 V2 V2 RL