【差分放大电路的探析与设计（论文）6900字】

差分放大电路的分析与设计摘要新型差分减小放大抑制电路技术是一种广泛应用于该电路以其构造控制参数的高度对称性有效性来抑制"零点漂移"的差分放大抑制电路。其抑制稳定每一个静态电压的工作节点是通过电路测量时输入参数，在每个参数上测量其对称性，以及电路负载的反馈作用，放大动态差模电压的信号源得到抑制，这也是一直较为明显的物理特征，它在直接和间接电压耦合上被广泛使用。本章结合它与差分耦入放大相关电路的技术背景以及国内外的技术研究发展现状，针对其与差分耦合放大相关电路的基本内容结构进行深入探讨，以及与差分耦合放大相关电路的基本设计形式为例着手，根据恒流长尾式的差分放大相关电路、恒流源氏等电路基本原理模型进行基本分析，进而探索引出如何正确设计好与差分耦合放大相关电路，由直流差分耦合式、交流差分耦合式的电路设计基本原理与放大相关电路计算，最后用模拟仿真的基本分析方法，从国际实验中深入探索了与差分耦合放大相关电路的基本测试方法，结合实际设计工作，从而更深入有层次地深入了解了与差分耦合放大相关电路的基本分析与电路设计。关键词：差分放大电路，分析，设计目录第一章绪论 51.1论文的背景和意义 51.2论文的研究内容 51.3国内外现状 5第二章差分放大电路的分析 72.1差分放大电路的形式 72.2基本形式差分放大电路 72.3长尾式差分放大电路 92.4恒流源式差分放大电路 11第三章差分放大电路的设计 133.1差分放大电路的设计原理 133.1.1直流耦合差分放大电路 153.1.2交流耦合差分放大电路 163.2差分放大电路的仿真 17结论 19参考文献 21第1章绪论1.1论文的背景和意义差分信号放大控制电路按它的输入端和输出控制方式主要有四种输入方式：双端电流输入双端电流输出、双端电流输入单端电流输出、单端电流输入双端电流输出和单端电流输入输单端电流输。按共振单模负载和反馈的工作形式又可分为具有恒流典型反馈电路和带发射极连接带恒流源的典型电路两种。差分模拟放大组成电路差分是一种很重要的放大电路，在许多模拟放大电路中经常可以遇见，是许多电子运算器的放大器和比较器的基本输入和高级的基本放大单元组成线路。与普通的单端差分信号放大器相比，单端差分放大器可以有效地抑制单输入高频信号电路中的高频共模信号噪声，并抑制通信电路的接地电流电平浮动和电压值。在差分功率放大器中，用于电子设备的差分放大器的范围是最广泛使用的[1]。近年来，通信技术已日趋现代化，并且越来越多的adc和mcu信号支持引入高频差分编码。由于高频差分信号传输技术可以更好地抑制其对共模波的干扰，因此信号可以进一步传播的距离越来越多，越来越多的应用将选择使用高频差分信号传输。但是，一般的电子设备信号放大器只能支持单针脚信号输出。因此，使用双重运算功率放大器电路来构建可将差分为输入，输出与输入和输出放大器之间的隔离物的电路。与普通单端模拟放大器的端子电路设计相比，差分模拟放大器的端子电路的基本设计，分析，仿真和性能测试仍然存在许多差异，并且存在着这些不同的知识。在模拟放大器电路中一般数学教科书中很少出现。1.2论文的研究内容本文第一章是调查论文设计的相关资料及文献，第二章以差分放大电路的形式进行分析，第三章由差分放大电路的运行原理进行设计、有直流以及交流耦合设计方式，最后仿真分析方法以及相关测试方法。1.3国内外的研究现状差分射频放大集成电路在国内的应用研究还是主要运用比较基础的电子物理数学计算，其他的分析方法还是主要采用基于传统的模拟实验室和仿真计算方法，在实际研究应用过程中，对于采用差分放大电路的各种基础计算形式设计进行了可仿真性的测试与设计分析。而在国外，由加拿大IIT的基础之上研究出了电路仿真技术。此技术将电路图的创建、分析、以及关于分析的输出等等高度集成到一起。运用软件仿真分析其结果与实验物理计算结果一致，这样一来，不仅提高了该实验的深度还扩大了其广度。所以国内外针对差分放大电路的设计分析，也都是基于差分放大电路的工作原理进行。第2章差分放大电路的分析2.1差分放大电路的形式差分信号放大集成电路常见的电源形式主要有三种:基本电源形式、长尾式和驱动恒流式电源式。基本电路形式从基础电路结构组成、电压电流放大比的倍数以及电路共模电流抑制比中可以分析;而第二种称为长尾式的放大形式其基本电路结构组成与基本电路形式不与相同，在各种静态电路分析中很难了解;最后采用横流放大模式的电源差分分别放大整流电路的基本电路结构组成将保证不受电源温度的变化影响，估算一个恒流式电源式差分别放大电路的一个静态电流工作点时，通常我们可以从其中确定一个恒流三极晶体管的工作电流温度开始。2.2基本形式差分放大电路由输出电路来直接组成的基本设计形式，是将基本参数相似的两个输出电路连接到一起，这样以来，就可以形成另一种不一样的基本形式差分放大电路。如下文框图2.1所示。图2.1差分放大电路的基本设计在VT1和VT2的特性完全一样的情况下，则当输入电压等于零时，UCQ1=UCQ2，即UO=0。如果温度升高导致ICQ1由于电路结构的对称性，ICQ2增大而UCQ1减小，ICQ2增大而UCQ2减小，并且两个电子管的变化幅度相等。结果，VT1和VT2输出的零漂移将相互抵消。当输入差模信号Vd（共模信号Vc=0）时，差动放大器的两个输入信号具有相同的幅度和相反的极性，即V1=-V2=Vd/2，因此，不同点对管电流的增加量相同，极性相反时，两个输出端的对地电压增加，即差分模式的输出电压Vod1和Vod2的大小相同，极性相反。这时，双端输出电压Vo=Vod1-Vod2=2Vod1=Vod。差模输入电压用uId表示，放大电路的输出电压变化量为△uo=△uC1-△uC2=△uID。因此，差分放大器电路的差分模式电压放大系数为Ad=Au1（4.2.5）。由此可见，其主要特点是，每次多用一个这样的二极管之后，能够换来对零漂的最大抑制，虽然对放大管的放大倍数并没有什么明显影响。但是从信号抑制零漂的放大效果分析来看，基本两种形式的高频差分信号放大抑制电路并不理想。其产生原因主要是由于电路两侧的管子特性和相关元件工作参数不一定可能做到完全相同，这也就是说，两个三极管在输出端而产生的零漂基本不可能抵消。要是想要更加准确的度量对零漂的处理效果，就必须要提到一个零漂在共模中的抑制百分比的指标，它是一个很好的衡量的技术指标。差分差模放大集成电路的差模输入输出电压误差有两种类型形式，一种是极性相反，差模输入电压uId，即两个差放管的输入电压大小相等，见上图。另一种是极性相同，共模输入电压，即两个差放管的输入电压大小相等，用uIc表示，见图2.2所示。图2.2差放管的输入电压如果环境温度发生变化，两个差分发放管的输入电流将按相同的电流方向一起不断增大或再次减小，相当于给电流放大器的电路两端加上一个非公共模式的输入电流信号。所以我们可以明确认为，差模信号输入干扰信号直接反映了有效的干扰信号，而对于共模信号输入干扰信号同样可以直接反映由于外界温度波动变化等各种原因而可能产生的谐波漂移干扰信号或其他干扰信号。放大放小电路对差模电压输入输出电压的这个放大放小倍数可以称为放在差模输入电压下的放大放小倍数，而差分放大放小电路对放在共模电压输入输出电压的这个放大放小倍数可以称为放在共模输入电压下的放大放小倍数，用Ac表示，通常我们希望称为差分电压放大放小电路的放在差模输入电压下的放大放小倍数愈大愈好，而放在共模输入电压下的放大放小倍数则是愈小愈好。差分共模放大器在电路中能找到惊人的共模抑制比用以下符号式KCMR表示，它的基本定义公式为平分差模放大电压电流放大功率倍数与差分共模放大电压电流放大功率倍数的值之比，一般可以用数值对数公式表示，单位大小为分贝。共模信号抑制比主要描述的是差分信号放大控制电路对零漂的共模抑制响应能力。KCMR愈大，说明抑制零漂的能力愈强。在理想工作情况下，差分电压放大比在电路两侧的电压参数完全相互对称，两管共模输出端的电压温漂完全相互抵消，则两管共模输出电压差分放大比的倍数Ac＝0，共模抑制比KCMR＝∞。对于基本两种形式的共模差分信号放大抑制电路来说，由于内部抑制参数不一定可能绝对完全匹配，所以由于输出输入电压UO仍然可能存在共模温度抑制漂移，共模温度抑制比很低。而且，从每个三极体导管的集成式电极对地面的电压变化来看，其间在温度上的漂移与采用单管电流放大器的电路相同，丝毫没有任何改善。因此，在实际设计工作中一般不推荐采用这种基本电路形式的高频差分信号放大控制电路。2.3长尾式差分放大电路长尾式差分放大电路就是说在两个晶体二极管之间接入一个发射级电阻。如下面框图2.3所示。这个被接入的电极我们称它为长尾，这也就是为什么这种新型电路被称为新型长尾式直流差分信号放大内阻电路的原因了。图2.3长尾式差分放大电路长尾电阻器对Re的反馈作用主要是通过引入一个共轭并模负的正反馈，也就是说，Re对一个共模反馈信号的只有负的正反馈作用，而不是说，对并模反馈信号的则没有负的，正反馈作用。假设将正共模整流信号添加到集成电路的整流器输入的两端，则两个电子管的集成发射极两端的电流电阻将与iC1和iC2同时下降，使管子流经管子。发射极电阻和Re基极电流电阻iE同时增加。结果，在发射极上流动的潜在电阻与uE同时上升，并且反馈被添加到两个管的两个基极整流器环路中，从而电阻uBE1和uBE2减小，从而极大地限制了该增大流过iC1和iC2的电流的百分比。。差模的时候，发射极端的电阻等效为短路，输入电阻Rid=2*[Rbe+Rb]。Rbe是BE间的等效电阻，Rb是基级电阻。输出电阻Rod=2Rc(Rc是集电极电阻)共模的时候发射极电阻等效为原来的2倍输入电阻Ric=Rb+Rbe+(1+β)*2Re，输出电阻Roc=Rc。假设将正共模整流信号添加到集成电路的整流器输入的两端，则两个电子管的集成发射极两端的电流电阻将与iC1和iC2同时下降，使管子流经管子。发射极电阻和Re基极电流电阻iE同时增加。结果，在发射极上流动的潜在电阻与uE同时上升，并且反馈被添加到两个管的两个基极整流器环路中，从而电阻uBE1和uBE2减小，从而极大地限制了该增大流过iC1和iC2的电流的百分比。Re愈大，共轭对模负载的反馈愈强，则共模抑制零漂的作用效果愈好。但是随着Re的体积增大，Re上的直流供电压力下降将愈来愈大。为此，在这个电路中需要引入一个带正负电源电路VEE来自动补偿放在Re上的直流电源压降，以免电路输出直流电压发生变化时的范围超过大小。引入一个VEE以后，以后，静态电源基极上的电流通常可由一个VEE电阻提供，因此我们可以不用连接动态基极电阻中的Rb。2.4恒流源式差分放大电路恒流源式高频差分信号放大器的电路结构如下面框图所示。由电流图可见，恒温整流管流道VT3的集中基极共模电位由整流电阻器对Rb1、Rb2分析电压后变化得到，可以确认为基本电位不受磁场温度连续变化的直接影响，则当磁场温度连续变化时流管VT3的集中发射极共模电位和集中发射极共模电流也基本上会保持稳定，而两个三极放大整流管的集中发电极共模电流前的iC1和iC2之和近似于相等于前的iC3，所以iC1和iC2将不会因磁场温度的连续变化而同时发生增大或连续减小，可见，接入恒温整流三极放大管后，抑制了两个共模电流信号的温度变化如图4所示。图2.4恒流源式差分放大电路有时，为了方便简化起见，常常不把恒流式高频差分信号放大器的电路中每个恒流二极管电流VT3的具体工作电路符号画出，而直接采用一个比较简化的恒流源电路符号公式来进行表示。估算一个恒流和电源式差，当其分别位于电路的一个静态的、电流工作点时，通常情况下，我们可以从预先确定一个恒流三极晶体管，控制其工作电流系数开始。当我们忽略了VT3的基流时，可直接得到两个，不同的直流放大二极管的实际静态输入电流，和实际电压分别为ICQ1=0.5ICQ3；UBQ1=-IBQ1R。在差分放大线路中，含有两个三级晶体管，它们一般情况下充当放大输入电路的输入端和输出端。要是想要实现差分输入放大，其实有很多种连接方式。各有不同，但是又殊途同归，都能起到相似的效果和功能。当输入、输出的电路接法不同时，放大控制电路的主要性能、特点也不尽相同。

第3章差分放大电路的设计3.1差分放大电路的设计原理差分放大耦合输入放大器是输入输出电路之一，是直接扩大输入差分耦合的输入电路，是输入电路中最典型的耦合放大输入电路。电路的两端可通过两个负载输入双端电路进行放大输出，电路输入端和负载两端方向影响同两个出口输入电压，并自动抵消。同时对通过负载单端电路进入放大输出的两个负载输入零漂也自适应变得具有很强的输出阻抗自动抑制和防干扰能力。下图所示，是为一种比较典型的电路，通常情况下，我们称之为，恒流源型单管放大器差动放大电路的输出和输入电路，它由两个相对的放大输出电路组成，输入和输出控制参数对输入功能的要求完全相同，两个恒流源的单管连接，并组成放大器电路的输出和输入电路通过两个输出发射器相互连接并耦合在一起，形成对称的单管，从而形成一个放大器电路的输出和输入电路，其中两个放大器电路，给定输入参数的输出发送器和两个输出通道电路的输出。其中，三极体导管电路中的T1、T2构成差放的两个输入电源端和输入输出电极体导管，T1、T2的两个集成式输入电极体导管和中的Vc1、Vc2构成恒流差放控制电路的两个输出电源进入输出端;三个恒流二极管电路中的T3、T4构成恒流源输出控制电路。图3.1直流耦合差分放大电路3.1.1直流耦合差分放大电路直流差分耦合功率差分补偿放大器件电路由直流差分功率比例补偿放大器件电路、差分功率滤波器、保护放大器件和差分补偿放大电阻四个子部分共同组成。其中对输入值和输出参数关系定义为：（3.1）（3.2）当差分信号输出频率较低时，、、的容抗很大，差分射频放大接收电路的输入阻抗很高，若一个运放电路工作在一个线性差分放大频率区，则根据虚短和实长虚断差分定理，可得：（3.3）（3.4）将式（3.3）、（3.4）代入式（3.1）、（3.2）中可得：（3.5）（3.6）设放大倍数为A，由(3.5)、式(3.6)有:（3.7）式中表示差分矢量倍数相加的乘减，表明该值为差分矢量，放大集成电路的，每个差分矢量放大器，的倍数由输入电阻,A由电阻、、确定。“该差分放大电路中，的滤波器采用了典，型差分滤波器的形式，由差模滤波器和共模滤波器组成，主要作用是滤除传感，器输出信号高频噪声以及噪声。假设传感器差模输出阻抗为，共膜输出阻抗为，与的串，联等效电容为，则差模滤波器的截止频率由、、、、和，确定，共膜滤波器的截止频率由、、、和确定。由于传感器信号传输线较长，其寄生电感与放大器输入电容，容易组成谐振电路，产生过冲和振荡，为此，在信号线上串联小电阻、作为补偿电阻，以减小或消除振荡。电容、分别与电阻、组成一阶低通滤波器，抑制放大器噪声；电阻、对运放，进行环内补偿，增加运放带容性负载的能力；BAT54S作为保护器件，加在放大器输入端，，防止静电放电以及输入电压，超出运放最大输入电压范围而损坏运算放大器。”3.1.2交流耦合差分放大电路“交流耦合差分放大器电路如图3.1.2所示。电容器C9，C10和C11的值比电容器C7和C8的值小得多。因此，电容器C9，C10和C11的影响可以忽略图5中高通滤波器上的，从而可以获得共模高通滤波器的截止频率fHPc。（3.8）假设电容C7与C8的串联等效电容为CS78，则差模高通滤波器的截止fHPd频率为:（3.9）电阻R10、R11为运放提供偏置电压并为运放偏置电流提供流通路径。图3.1.2交流耦合差分放大电路3.2差分放大电路仿真对差分放大电路的分析，常用方法是微变等效电路和仿真分析。仿真分析法主要是因为在实现分立器件和集成电路硬件之前，对不同的输入状态下的电路性能进行了复杂的研究，并可设置多种测试条件，对电路进行全面的分析，本文主要介绍了用这种分析法对差分放大电路的仿真试验，以及对差分放大电路特性的验证，以及对差分放大电路特性的参数扫描法进行分析。电路不对称对输出影响不大。静态情况下，vi=0，因为电路是对称的，双端的输出电压是0。对