讲答案4章-差动放大电路

第4章差动放大电路在工业控制过程中，如温度、压力这样的物理量，被传感器检测到并转化为微弱的。变化缓慢的非周期电信号。而这些信号还需要经过直流放大器放大以后，才能进行进一步的处理或推动二次仪表进行显示。那么，这里的放大器一般采用直接耦合多级放大器。直接耦合多级放大器存在零点漂移的问题，克服零点漂移的有效办法，就是在多级放大器的输入级采用差动放大电路。典型差动放大电路零点漂移问题1、零点漂移（1）零点漂移：指输入信号电压为零时，输出电压发生缓慢地、无规则地变化的现象，简称零漂。（2）零漂产生的原因：晶体管参数（ICEO、UBE、）随温度变化、电源电压波动、电路元件参数的变化等。（其中主要因素是温度对晶体管参数的影响，称为温漂。 ）（3）温漂：环境温度每变化1C,将放大电路输出端出现的漂移电压 Uo折算到输入端，用这个折算到输入端的漂移电压数值表示零漂的大小，用 Ui表示。（常常认为，零漂就是温漂。）放大电路的级数越多，放大倍数越大，则零漂电压逐级放大，就使零漂越严重，有时会将输入信号淹没。那么，第一级零漂对输出端的总零漂来说，占主要地位。2、抑制温度漂移的措施：在电路中引入直流负反馈。（如第2章介绍的分压式偏置电路中的 R就是一个直流负反馈。）采用特性相同的管子，使它们的温漂相互抵消，构成差动放大电路，至于直接耦合多级放大电路的输入端。（在直接耦合放大电路中抑制零点漂移最有效的电路结构是差动放大电路。 ）典型差动放大电路1、电路结构与静态工作情况 （图4-1为典型的差动放大电路）将两个电路结构、参数均相同的单管放大电路组合在一起，就成为差动放大电路的基本形式。两管射极均通过电阻 RE与负电源串联之后接地。（1）差动放大电路的结构特点：①由两个结构、参数左右对称的共射放大器组成；②它有两个输入端a和b,存在两个输入信号ui1、ui2；、双端输出（从两个集电极之间输出）两种方式;③它有两个输出端，有单端输出（从任意一个集电极输出）、双端输出（从两个集电极之间输出）两种方式;④Uee为负电源，确保V1、V2工作在放大状态。（2）静态工作情况UiiUi20时（静态）：①电源Vcc和Uee使得Vi和V2发射结正偏，集电结反偏；②IcIb；③Re上流过的静态电流为2IE。2、输入与输出方式（1）输入方式：双端输入和单独输入。（图 4-1为双端输入，图 4-2为单端输入）（2）输出方式：双端输出和单端输出。（图 4-1为双端输出，图 4-2为单端输出）（3）差动电路的输入输出方式：双端输入双端输出、双端输入单端输出、单端输入双端输出、单端输入单端输出。3、对零点漂移的抑制作用（1）分析图4-1所示电路，双端输入双端输出差动电路当输入 ui1 ui2 0时：温度不变： ui1 ui2 0时，输出电压 uoUc1Uc20（电路对称，Uc1Uc2）温度变化时： uo （Uc1 uc1）（Uc2 uc2）（电路对称，Uc1Uc2，uc1 uc2）（温度变化时，两管集电极电位随之变化，但电路对称，变化量 uC1和UC2的大小和方向相同。）结论：双端输入双端输出差动电路有效的抑制了零点漂移。（2）电阻 RE对零漂的抑制作用除了差动电路的结构可以抑制零漂以外，电阻 RE对零漂也有抑制作用。 RE的电流负反馈作用能够抑制各种原因引起的集电极电流的改变，从而使uC1和UC2减至最小，抑制零点漂移。RE：温度补偿电阻。差动放大电路的公共发射极电阻 RE是保证静态工作点稳定的关键元件。当温度T,两管的发射极电流Iei和IE2、集电极电流IC1和IC2均增大。由于两管基极电位Vbi和VB2均保持不变，两管的发射极电位Ve IeRe升高，引起两管的发射结电压Ubei和Ube2降低（Ube Vb IeRe）。两管的基极电流Ibi和Ib2随之减小，集电极电流Ici和IC2下降。此过程类似分压式偏置的共射放大电路中 Re的作用。TIc,Ie Ve （Ve IeRe）Ube（UbeVbIeRe,Vb固定）IbIc,Ie结论：（i）双端输出的差动放大电路能够抑制由各种原因引起的以IC变化为特征的零点漂移，抑制的效果取决于两管参数的对称程度。如果两管完全对称，则电路能够完全的抑制零漂。（2）单端输出的差动放大电路能够抑制由各种原因引起的以IC变化为特征的零点漂移，抑制的效果取决于 RE的大小，如果 RE很大，可使零漂减至最小。

4、差模信号与共模信号Uid1UUid1Uid2,称差动放大电路接收差模输入。两端输入信号之差称为差模输入信号uid,表示为：uid uid1 uid22uid1,Uid1Uid1Uid2Ud/2。(2)共模信号：两个输入信号电压的大小相等，极性相同，即(2)共模信号：两个输入信号电压的大小相等，极性相同，即Uic1 Uic2,称差动放大电路接收共模输入。这样的输入称为共模输入信号，共模输入信号常用U这样的输入称为共模输入信号，共模输入信号常用Uic表不：UicUic1Uic2Ui1、Ui1、Ui2°即:1 1Ui1 Uic1 Uid1 Uic-Uid ；Ui2 Uic2 Uid2 Uic 二Uid。2 2放动放大器两输入端的任意信号都可以分解为一对共模信号和一对差模信号，即:Ui1uicUid2Uid2则可得：UicTiUi1Ui2(书上52页，例题4-1)4.1.3典型差动放大电路的静态分析静态分析的目的就是计算静态工作点 Q点，即计算两管的IB、IC和UCE放动放大器两输入端的任意信号都可以分解为一对共模信号和一对差模信号，即:Ui1uicUid2Uid2则可得：UicTiUi1Ui2(书上52页，例题4-1)4.1.3典型差动放大电路的静态分析静态分析的目的就是计算静态工作点 Q点，即计算两管的IB、IC和UCE。(由于两管完全对称，所以只求一个管的静态值即可。静态通路如图4-4所示)IC1IC2IC，IB1IB2IB，UCE1UCE2UCEU2uicI")IBUEElC对回路I列KVL方程可得:RbIb Ube 2ReIeUEERbIbUbe 2Re(1注意：流过Re上的电流是IE1IE2IE。则可得：IBUEEUbeRb2(1 )Re对回路n列KVL方程可得：ICRCUCE2IEREVccUEEUceVccUeeIc(Rc2Re)4.1.4典型差动放大电路的动态分析动态分析的目的是讨论差动放大电路对差模和共模信号的放大能力，以及各种输入、输出方式下电路的电压放大倍数和电路的输入输出电阻。1、双端输入、双端输出的差动放大电路1、双端输入、双端输出的差动放大电路(如图4-1所示)(1)共模信号电路输入共模信号Um U^ib1U电路输入共模信号Um U^ib1Uic,电路两边对称，则有：.ic1ib2ic2Uc1Uc2(Uc1iclRc,Uc2 ic2Rc)TOC\o"1-5"\h\z则输出电压为：UocUm420,即共模输入条件下的差动输出为 0。（差动放大器利用其电路结构、参数上的对称性实现了对共模信号的抑制。 ）双端输出的差动放大电路对共模信号无放大作用，共模放大倍数 AC0（2）差模输入①输出电压u0d输入一对差模信号:U输入一对差模信号:UidUid1Uid2 ~由于电路参数对称,Vi、V2所产生的电流的变化大小相等、方向相反，即:ibi*2,ici ic2,则有：U由于电路参数对称,Vi、V2所产生的电流的变化大小相等、方向相反，即:ibi*2,ici ic2,则有：Uc1 Uc2。所以，输出电压为： uoduc1uc22uc1,实现了电压放大。由于流经Re的电流ie1和ie2大小相等，极性相反，两管的变化电流相互抵消，流过RE的电流保持不变所以，对差模信号而言，在交流分析时，RE可视为短路。（左图给出了差动放大器的差模交流通路， RE短路。）（2）差模电压放大倍数 A①两管集电极间没有接负载 RL差动放大器在输入差模信号时的电压增益称为差模电压增益： Ad %Uid式中：Uod是在Uid作用下的输出电压。（左图为微变等效电路）Uod Uc1 Uc2 2Uc1 Uc1 Uc1 ibRC RCAd - —一二 _ _Uid Uid2Uid- y.id- Ui1 ib（rbe RB） rbe RB\o"CurrentDocument"2 2式中：Adi一表示单管共射放大器的增益，又称为半电路增益。双端输出差模微变等效电路（从Ad的表达式可以看到，差动放大器双端输出时的电压增益等于半电路增益。可以认为：差动放大器是以牺牲一个管子的增益为代价，换取了低漂移的结果。差动放大器具有差动放大作用。②当两管集电极间接有负载Rl时，对于差动信号而言， RL中点电位为0。差模放大倍数为：修uoduc1Uc22uc1Uc1Uc1.b(Rc2) RLuoduc1Uc22uc1Uc1Uc1.b(Rc2) RLAd .. T；- -一~ ~uid uid 2uiduidui1ib(rbe RB) rbe RB"2" T式中：RL RC//RL双端输出差模微变等效电路(3)双端输入的差动放大电路的输入电阻 Rd和输出电阻Ro①输入电阻Rd:从两个输入端看进去的等效电阻即为输入电阻Rid,则有：Rid 2(rbe RB)②输出电阻Ro：从两个输出端看进去的等效电阻即为输入电阻Ro,则有：Ro2Rc2、双端输入、单端输出的差动放大电路 (如图4-5所示)(1)差模输入输入一对差*II信号：uidi uid2甄2由于电路参数对称， Vi、V2所产生的电流的变化大小相等、方向相反，即:ib1 ib2,ic1 ic2,则有：uc1 uc2。由于单端输出，则输出电压为:(对差模信号而言，在交流分析时， RE可视为短路。)(2)差模电压放大倍数Ad姐u1叫 ib(Ro//RL) RLAduid uid 2ui1 2ib(rbeRB) 2(rbeRb)式中：RLRc//RL结论：双端输入、单端输出的差动放大电路的差模电压放大倍数是双端输入、双端输出的差动放大电路的一半。单端输出差模微变等效电路RE上流过的电流为2ie。电路输入共模信号uic1uic2RE上流过的电流为2ie。共模电压放大倍数ACUoc Uoc ic(RC//RL) ib(RC//RL)共模电压放大倍数ACuic Ui1 ib(%e RB) 2ieRE "(& Rb)2(1 )ibRE %RB2(1 )RE可见，单端输出差动电路对共模信号有放大作用，但放大倍数较小。放大倍数的大小主要取决于RE，当RE?(rbeRB)时，则有：AC双端输入的差动电路，当输入既有差模信号又有共模信号，输出电压应为差模输出与共模输出的代数和，即： uoAduidACuic(3)双端输入的差动放大电路的输入电阻 Rd和输出电阻Ro输入电阻Rd:从两个输入端看进去的等效电阻即为输入电阻 Rd,则有：Rd2（%Rb）输出电阻R。：从单个输出端看进去的等效电阻即为输入电阻 Ro,则有：RoRc3、单端输入、双端输出的差动放大电路 （如图4-6所示）当没有Re,即Re0时，输入信号只加在Vi管上，M管有放大作用，V2管没有放大作用。接入Re,Vi和V2都有放大作用。射极电阻RE起到了把单端输入转换成双端输入的作用。单端输入、双端输出的差动放大电路白^差模电压放大倍数 人、输入电阻口输出电阻％和双端输入、双端输出的差动放大电路相同。4、单端输入、单端输出的差动放大电路 （如图4-2所示）单端输入、单端输出的差动放大电路的差模电压放大倍数 Ad,共模电压放大倍数AC、输入电阻口输出电阻r。和双端输入、单端输出的差动放大电路相同。4.1.5共模抑制比CMRR（对于一个差动放大器，共模电压放大倍数越小，抑制温漂（共模信号）的效果就越好；差模电压放大倍数越大，放大有用信号（差模信号）的能力就越强。 ）为了综合衡量差动放大器对差模信号的放大能力和对共模信号的抑制能力，特别引入一个性能指标一一共模抑制比，记彳^cmrr,定义为：cmrraAc式中：儿一差模电压增益 ；Ac一共模电压增益工程中，常用对数形式来表示共模抑制比， CMRR20lg上,单位为分贝（dB）。Ac共模抑制比cmrr表征的是运放对干扰信号的抑制能力， cmrr越大电路的性能越好。对于电路参数理想对称的双端输出情况，共模抑制比无穷大。（共模输入条件下，差动输出Uoc0,则共模电压增益： A工”0,所以共模抑制比无穷大。）2Uc实际中，差动放大电路不可能完全对称，所以 Ac不等于零，即CMRR只是一个较大的有限值。 Re越大，Ac越小，CMRR越大。增加Re值，可以提高电路的共模抑制比CMRR。（书上56页，例题4-2）4.2具有恒流源的差动放大电路前面分析的差动放大电路中，发射极电阻 Re对共模抑制起重要作用，为了提高共模抑制的能力， Re的电阻值应取

得越大越好，但又祗$大阻值的 Re,要求很高的发射极电源Vee,给电路构造带来困难。在实际的差动放大器中，常采用电流源代替REO4.2.1具有恒流源的差动放大电路组成（具有恒流源的差动放大电路组成如图4-7（a）（具有恒流源的差动放大电路组成如图4-7（a）所示，4-7（b）为其简化电路图）三极管V3三极管V3、电阻RpR2、RE3和二极管VD构成恒流源电路。RpR2的分压固定了V3管的基极电位VB3,使得V3管工作在放大区。Ic3近似于恒值：Ic3Ie11E2Ic3近似于恒值：Ic3Ie11E21C1%2,确保V1、V2管的静态工作点合适。二极管VD为温度补偿二极管,温度变化时，可使 Ic3仍为恒值。具有恒流源的差动放大电路中,三极管V3工作在放大区，静态电阻低,动态电阻很高,这种电路能很好的抑制零漂,提高