《电路与电子技术》课件第10章

第10章直流放大器10.1差动放大器的基本概念10.2典型差动放大电路习题10

直流放大器是一种能够放大微弱的直流信号或频率极低的交流信号的放大器。它在自动控制、检测及计算机系统中有着广泛的应用。

直流放大器有两类：

(1)直接耦合放大器。在多级直流放大器的级间采用直接耦合方式会产生零点漂移问题，克服零点漂移的办法是在多级直流放大器的输入级采用差动放大器。

(2)调制型直流放大器。它先将直流信号变换为一定频率的交流信号，把交流信号放大后再还原为直流信号，以这种方式抑制零点漂移。

10.1.1零点漂移

实际的直流放大器，当输入信号电压为零时，输出信号电压不为零，而是作不规则的缓慢变化，这种现象叫做零点漂移，简称零漂。产生零漂的原因很多，但主要是由于温度、电源电压等变化引起各级静态工作点电压的缓慢变化，且这种变化会被逐级放大，最终使输出静态电压偏离原定值而作不规则的变动。10.1差动放大器的基本概念

衡量零漂的指标有温度漂移和时间漂移两种。温度漂移是指温度变化1℃所产生的漂移电压折合到输入端的数值；时间漂移是指在一定时间(例如24小时)内漂移的电压折合到输入端的最大漂移值。

交流放大器由于级间电容的隔直流作用，因而几乎不存在零漂。但零漂会严重影响直流放大器的正常工作，尤其是当输入的有用信号比较微弱时，零漂所造成的虚假信号会淹没掉有用信号，使放大器失去放大作用。

例如，一放大器的Au=1000，输出电压漂移为200mV，折合成输入端的漂移电压为ΔUid=200/1000=0.2mV。这时若输入信号小于0.2mV，则有用信号就会被漂移电压所淹没。

10.1.2基本差动放大器

基本差动放大器由两个参数完全相同的单管共发射极放大器构成，如图10.1所示。电路中每一个单管共发射极放大器称为单边放大器。差动放大电路有两种信号输入方式：双端输入和单端输入；有两种信号输出方式：双端输出和单端输出。根据不同的输入和输出方式，有四种不同的组合：双端输入双端输出，如图10.1所示，输出电压取两管集电极的电位之差；双端输入单端输出，从一个管子的集电极对地取输出电压；单端输入双端输出，输入信号加在两个输入端，但一个输入端接地；单端输入单端输出。

图10.1基本差动放大器

1.工作原理

差动放大器采用双端输出时对零漂有很强的抑制作用。因为在某一温度，当输入信号为0时，则因电路对称，两管的集电极对地电位相等，即UC1=UC2，从而输出电压为零，即uo=UC1－UC2=0，实现了零输入时零输出。当温度升高时，三极管V1、V2的集电极电流IC1和IC2增大，集电极对地电位UC1和UC2下降，但由于电路对称，两管集电极电流的变化量也相等，即ΔIC1=ΔIC2，两管的集电极对地电位的变化量也相等，即ΔUC1=ΔUC2，这时的双端输出电压仍为零。这就是说，尽管每一个单边放大器的静态工作点随着温度的变化而改变(即有零漂)，但零输入时，差动放大电路的双端输出电压始终为零，即不存在零漂。

2.放大作用

设差动放大器的两个输入信号分别为ui1和ui2，两个单边放大器的放大倍数分别为AV1、AV2，则两管的集电极对地之间的输出信号电压为

uo1=AV1ui1

uo2=AV2ui2

两个集电极之间的输出电压为

uo=uo1－uo2=AV1ui1－AV2ui2

由于电路对称，AV1=AV2=AV，则

uo=AV(ui1－ui2) (10.1)

上式表明，差动放大器的输出电压与两个输入电压之差成正比。这是差动放大器的重要特征，也是差动放大器命名的由来。

差动放大器工作时的输入信号可分为差模信号和共模信号。差模信号是指两个输入信号的大小相等、相位相反，即ui1=－ui2，它是需要放大的有用信号。共模信号是指两个输入信号的大小相等、相位相同，即ui1=ui2，它是需要抑制的无用干扰信号。

1)差模放大作用

如图10.1所示，输入信号ui通过两个相同的电阻R可分成两个大小相等、极性相反的差模信号，即ui1=ui/2和ui2=－ui/2，分别加到两个单边放大器的输入端。这种输入方式称为差模输入。此时的输出电压为

uo=AV(ui1－ui2)=AVui

若用差模放大倍数Ad表示差动放大器对差模信号的放大作用，则

(10.2)

即差动放大器对差模信号的电压放大倍数与单边放大器相同。

2)共模放大作用

若差动放大器中的两个单边放大器完全对称，且输入共模信号ui1=ui2=uic，则输出电压

uo=AV(ui1－ui2)=0

用Ac表示差动放大器对共模信号的放大倍数，简称共模放大倍数，则

即差动放大器对共模信号无放大作用。由于实际的差动放大器不可能完全对称，则uo≠0，Ac≠0，但由于Ac远小于Ad，因此差动放大器对共模信号仍有很强的抑制能力。

3)共模抑制比

为了衡量抑制零漂的效果，需要使用一定量指标，称为共模抑制比。差动放大器的差模放大倍数与共模放大倍数的比值定义为共模抑制比，用CMRR(CommonModeRejectionRation)表示，即

(10.3)

共模抑制比也可用分贝表示，即

CMRR越大则电路抑制零漂的能力越强，理想情况下这个比值是无穷大的。一般差动放大器的CMRR约为60dB，较高水平的为120dB。

1.电路组成

基本差动放大电路对零漂的抑制是靠两个管子集电极电位的漂移相互抵消而实现的，虽然双端输出的零漂被抑制，但并没有抑制单管的零漂。电路不对称，抑制零漂的效果就要受到限制。若采用单端输出，就根本没有抑制零漂的作用。为了进一步减小单边放大器的零漂，使双端输出的零漂更好地被抑制，把基本差动放大电路改进成如图10.2所示的电路，称为典型差动放大器。10.2典型差动放大电路

图10.2典型差动放大器图10.2中RE上通过的电流近似为2IE，作用是通过其电流负反馈抑制共模信号，例如温度升高时负反馈的过程如下：

T↑→IC1(IC2)↑→IE↑→UE=2IERE↑

→UBE1(UBE2)↓→IB1(IB2)↓→IC1(IC2)↓

可见，由于RE的负反馈作用，使集电极的电流基本上保持稳定，从而使单端输出的漂移得到抑制，当然也使双端输出的漂移进一步减小。RE越大，负反馈越强，抑制漂移和共模干扰的能力越强，故称RE为共模反馈电阻。

RW称为调零电位器，作用是当电路不对称时调节两管集电极的电位，使其在静态时双端的输出电压为零。

负电源UEE的作用是在电路接入RE时，抵消RE上的直流压降，保证晶体管有一个合适的静态工作点和较大的动态范围。

2．对差模信号的放大

差动放大电路在接入RE后，对差模信号的放大没有影响。因为对于差模信号，由于电路对称，两管的集电极电流一个在增加，一个在减小，且增加与减小的数量相等，因此RE上的电压保持不变，即RE对差模信号没有反馈作用。典型差动放大器的差模等效电路如图10.3所示。

图10.3典型差动放大器的差模等效电路(a)差模信号通路；(b)单管微变等效电路

1)差模电压放大倍数

差动放大器的电压放大倍数Ad与单管放大器的AV相同，即

(10.4)

由式(10.4)可知，RC越大，RB1越小，Ad越大。RW不宜过大，一般为几十到几百欧姆。

采用单端输出时的差模电压放大倍数Ad单应为双端输出时差模电压放大倍数Ad的一半，即

(10.5)

2)差模输入电阻rid和差模输出电阻rod

由图10.3(b)知差模单管电路的输入电阻为

(10.6)

差动放大电路的差模输入电阻应是两个输入端所呈现的电阻，大小应为两个差模单管电路输入电阻的串联值，即

(10.7)

差模单管电路的输出电阻为

rod单≈RC (10.8)

差动放大电路的差模输出电阻应是两个输出端所呈现的电阻，大小应为两个差模单管电路输出电阻的串联值，即

rod≈2RC (10.9)

3.对共模信号的抑制

对共模信号而言，相当于在发射极接了2RE，故共模信号通路如图10.4(a)所示，单管共模等效电路如图10.4(b)所示。

图10.4典型差动放大器的共模等效电路(a)共模信号通路；(b)单管共模等效电路从图10.4(a)可得到单端输出的共模电压放大倍数为

(10.10)

考虑到RE很大，上式可化为

(10.11)

式(11.11)表明，只要RE选得足够大，则单端输出的共模电压放大倍数Ac单也能远小于1，即在单端输出时也能对共模信号进行有效的抑制，共模抑制比为

(10.12)

对于双端输出，若电路理想对称，则Ac=0，CMRR=∞。但实际上电路不可能理想对称，因而Ac≠0。可以证明双端输出时的共模抑制比为

(10.13)

式中，|β1－β2|是两管的电流放大倍数之差，|UBE1－UBE2|是两管的UBE之差，IC是每个管子集电极的静态电流。从式(11.13)可看出，增大RE、β值，减小基极回路的电阻及两管的特性差异，均可提高共模抑制比。

1.电路如题图10.1所示，设图中β1=β2=60，晶体管的输入电阻rbe1=rbe2=1kΩ，Ube=0.7V，电位器RP的触点在中间位置。

(1)计算电路的静态工作点；

(2)计算电路的差模电压放大倍数；

(3)计算电路的静态输入、输出电阻。习题10

题图10.1

2.电路如题图10.2所示，已知β1=β2=60，rbe1=rbe2=1.5kΩ，UBE1=UBE2=0.7V，ui1=7mV，ui2=15mV，试求电