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（IU、0）随温度变化、电源电压波动、电路元件参数的变化等。CEO、BE（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1°C,将放大电路输出端出现的漂移电压AU'折算到输入端，用这个折算到输入端的o漂移电压数值表示零漂的大小，用AU'表示。i（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。）E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R与负电源串联之后接地。E（1）差动放大电路的结构特点：由两个结构、参数左右对称的共射放大器组成；它有两个输入端a和b，存在两个输入信号U、U;i1i2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；U为负电源，确保V、V工作在放大状态。？EE122）静态工作情况u—ui1 i2二u—ui1 i2二0时（静态）：①电原VCC和'使得V1和V发射结正偏，集电结反偏；②"卩IB R上流过的EE12CB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。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。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u-u-0时:i1i2温度不变：u=u=0时，输出电压u=U—U=0（电路对称，U=U）TOC\o"1-5"\h\zi1i2 o C1 C2 C1 C2温度变化时：U =（U +Au ）-（U +Au ） （电路对称，U=U，Au =Au ）o C1 C1 C2 C2 C1 C2 C1 C2（温度变化时，两管集电极电位随之变化，但电路对称，变化量Au和Au的大小和方向相同。）C1 C2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R对零漂的抑制作用E除了差动电路的结构可以抑制零漂以外，电阻R对零漂也有抑制作用）R的电流负反馈作用能够抑制各种原因引EE起的集电极电流的改变，从而使Au和Au减至最小，抑制零点漂移）C1 C2R：温度补偿电阻）E差动放大电路的公共发射极电阻R是保证静态工作点稳定的关键元件）E当温度TT，两管的发射极电流I和I、集电极电流I和I均增大。由于两管基极电位V和V均保持不变,E1 E2 C1 C2 B1B2两管的发射极电位V二IR升高，引起两管的发射结电压U和U降低（U二V-1R）。两管的基极电EEE BE1 BE2 BEBEE流I和I随之减小，集电极电流I和I下降）此过程类似分压式偏置的共射放大电路中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结论：（1）双端输出的差动放大电路能够抑制由各种原因引起的以I变化为特征的零点漂移，抑制的效果取决于两C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I变化为特征的零点漂移，抑制的效果取决于R的CE大小，如果R很大，可使零漂减至最小）E4、差模信号与共模信号差模信号：作用在差动放大器两输入端的一对数值相等、极性相反的输入信号，即u=-u，称差动放大TOC\o"1-5"\h\zid1 id2电路接收差模输入。两端输入信号之差称为差模输入信号u，表示为：u二u-u二2u，idid id1 id2 id1u——u—u2。id1 id2 id'共模信号：两个输入信号电压的大小相等，极性相同，即u二u，称差动放大电路接收共模输入。ic1 ic2这样的输入称为共模输入信号，共模输入信号常用u表示：u二u二uic icic1 ic2⑶实际信号：实际信号通常既不是单纯的差模信号，又不是单纯的共模信号，而是任意信号仆钻。即:11u―u+u―u+—u；u―u+u―u——ui1 ic1 id1ic2idi2 ic2 id2ic2idIu=u+u/2差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：{i'1 ic /[u=u—u!22icidu+u贝q可得：u=—^ 些；u=u—uic2 idi1i2书上52页，例题4-1)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乍点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)I=I=I，I=I=I，U=U=UC1C2C B1B2B CE1 CE2 CE对回路丨列KVL方程可得：RI+U+2RI=UnRI+U+2R(1+0)I=UBBBEEEEEBBBEEBEE注意：流过Re上的电流是IE1+IE2=IE。贝可得：U —U贝可得：I= EEBE—BR+2(1+0)RBE对回路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(如图4-1所示)共模信号=i1电路输入共模信号u=u=u，电路两边对称，则有：b1.b2}=u=u(u=—iR,u=—iRic1 ic2 ic i=iI clc2 cl clCc2 c2Cc1c2

则输出电压为：u二u-u二0，即共模输入条件下的差动输出为0。occ1c2（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A广0（2）差模输入①输出电压uodu输入一对差模信号：u=-u=~^did1 id22由于电路参数对称，V、V所产生的电流的变化大小相等、方向相反，即12i=-，i=-，则有：b1 b2c1c2 c1 c2所以，输出电压为：u=u-u=2u，实现了电压放大。odc1c2 c1由于流经Re的电流iei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。⑵差模电压放大倍数Ad①两管集电极间没有接负载RLu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：A=十duid式中：u是在u作用下的输出电压。（左图为微变等效电路）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双端输出差模微变等效电路可以认为：差动放大器是以牺牲式中：A双端输出差模微变等效电路可以认为：差动放大器是以牺牲d1（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。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R厶时，对于差动信号而言，R厶中点电位为0。差模放大倍数为：

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双端输出差模微变等效电路⑶双端输入的差动放大电路的输入电阻Rd和输出电阻Roid id②输出电阻R:从两个输出端看进去的等效电阻即为输入电阻R，则有:ooR二2(r+R)R二2(r+R)id beBR二2RoC(1)差模输入u输入一对差模信号：u=一u=~itid1 id22由于电路参数对称，V、V所产生的电流的变化大小相等、方向相反，即：12i——i，i=—i，则有：u=—u。由于单端输出，则输出电压为：u—u0b1 b2c1 c2 c1 c2 od c1(对差模信号而言，在交流分析时，R可视为短路0)E(2)差模电压放大倍数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0 单端输出差模微变等效电路(2)共模信号电路输入共模信号曽役2二u，电路两边对称，R上流过的电流为2电路输入共模信号曽役2uu共模电压放大倍数A -比uu共模电压放大倍数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共模单管微变等效电路可见，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0放大倍数的大小主要取决于Re，当Re?(7+Rb)时，则有：管寻共模单管微变等效电路E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：u=Au+AuodidCic双端输入的差动放大电路的输入电阻R和输出电阻Rid o输入电阻R:从两个输入端看进去的等效电阻即为输入电阻R，则有：R二2（r+R）idididbeB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R，则有：R二RoooC3、 单端输入、双端输出的差动放大电路（如图4-6所示）当没有R，即R二0时，输入信号只加在V管上，V管有放大作用，V管没有放大作用。接入R，V和V都有EE112E12放大作用。射极电阻R起到了把单端输入转换成双端输入的作用。E单端输入、双端输出的差动放大电路的差模电压放大倍数A、输入电阻r、输出电阻r和双端输入、双端输出的差dio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A，共模电压放大倍数A、输入电阻r、输出电阻r和dCio双端输入、单端输出的差动放大电路相同。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——共模抑制比，A记作CMRR，定义为：CMRR=-Ad=pc式中：A—差模电压增益；A—共模电压增益dcA工程中，常用对数形式来表示共模抑制比，CMRR=20lga，单位为分贝（dB）。c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。u（共模输入条件下，差动输出u二0，则共模电压增益：A二亍-二0，所以共模抑制比无穷大。）oc c2uic实际中，差动放大电路不可能完全对称，所以A不等于零，即CMRR只是一个较大的有限值。R越大，A越小,c E cCMRR越大。增加R值，可以提高电路的共模抑制比CMRR。E（书上56页，例题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R对共模抑制起重要作用，为了提高共模抑制的能力，R的电阻值应取EE

得越大越好，但对较大阻值的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R。E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）所示，4-7（b）为其简化电路图）三极管V、电阻R、R、R和二极管VD构成恒流源电路。R、R的分压固定了V管的基极电位V，使得V管3 12 E3 12 3 B3 3工作在放大区。I近似于恒值：I二I+1沁I+1，确保V、V管的静态工作点合适。C3 C3E1E2C1C2 1 2二极管VD为温度补偿二极管，温度变化时，可使I仍为恒值。C3具有恒流源的差动放大电路中，三极管V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,提高电路的共模