講答案4章差動(dòng)放大電路

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1、第4章差動(dòng)放大電路 在工業(yè)控制過程中，如溫度、壓力這樣的物理量，被傳感器檢測(cè)到并轉(zhuǎn)化為微弱的。變化緩慢的非周期電信號(hào)。而 這些信號(hào)還需要經(jīng)過直流放大器放大以后，才能進(jìn)行進(jìn)一步的處理或推動(dòng)二次儀表進(jìn)行顯示。那么，這里的放大器 一般采用直接耦合多級(jí)放大器。 直接耦合多級(jí)放大器存在零點(diǎn)漂移的問題，克服零點(diǎn)漂移的有效辦法，就是在多級(jí)放大器的輸入級(jí)采用差動(dòng)放大電 路。 典型差動(dòng)放大電路 零點(diǎn)漂移問題 1、零點(diǎn)漂移 （1）零點(diǎn)漂移：指輸入信號(hào)電壓為零時(shí)，輸出電壓發(fā)生緩慢地、無規(guī)則地變化的現(xiàn)象，簡稱零漂。 （2）零漂產(chǎn)生的原因：晶體管參數(shù) （ICEO、UBE、）隨溫度變化、電源電壓波動(dòng)、

2、電路元件參數(shù)的變化等。 （其中主要因素是溫度對(duì)晶體管參數(shù)的影響，稱為溫漂。 ） （3）溫漂：環(huán)境溫度每變化 1C,將放大電路輸出端出現(xiàn)的漂移電壓 Uo折算到輸入端，用這個(gè)折算到輸入端的 漂移電壓數(shù)值表示零漂的大小，用 Ui表示。 （常常認(rèn)為，零漂就是溫漂。） 放大電路的級(jí)數(shù)越多，放大倍數(shù)越大，則零漂電壓逐級(jí)放大，就使零漂越嚴(yán)重，有時(shí)會(huì)將輸入信號(hào)淹沒。那么，第 一級(jí)零漂對(duì)輸出端的總零漂來說，占主要地位。 2、抑制溫度漂移的措施： ① 在電路中引入直流負(fù)反饋。（如第2章介紹的分壓式偏置電路中的 RE就是一個(gè)直流負(fù)反饋。） ② 采用特性相同的管子，使它們的溫漂相互抵消，構(gòu)成差動(dòng)放大

3、電路，至于直接耦合多級(jí)放大電路的輸入端。 （在直接耦合放大電路中抑制零點(diǎn)漂移最有效的電路結(jié)構(gòu)是差動(dòng)放大電路。 ） 典型差動(dòng)放大電路 1、電路結(jié)構(gòu)與靜態(tài)工作情況 （圖4-1為典型的差動(dòng)放大電路） 將兩個(gè)電路結(jié)構(gòu)、參數(shù)均相同的單管放大電路組合在一起，就成為差 動(dòng)放大電路的基本形式。兩管射極均通過電阻 R與負(fù)電源串聯(lián)之后接地。 （1）差動(dòng)放大電路的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)： ①由兩個(gè)結(jié)構(gòu)、參數(shù)左右對(duì)稱的共射放大器組成； ② 它有兩個(gè)輸入端a和b,存在兩個(gè)輸入信號(hào) ui1、ui2； 、雙端輸出（從兩個(gè)集電極之間輸出）兩種方式; ③它有兩個(gè)輸出端，有單端輸出（從任意一個(gè)集電極輸出） ④Uee為負(fù)電

4、源，確保 V1、V2工作在放大狀態(tài)。 （ 2）靜態(tài)工作情況 Uil Ui2 0時(shí)（靜態(tài)）：① 電源Vcc和U EE使得Vi和V2發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)反偏；② Ic Ib；③Re上流過的 靜態(tài)電流為 2I E 。 2、輸入與輸出方式 （ 1）輸入方式：雙端輸入和單獨(dú)輸入。 （圖 4-1 為雙端輸入，圖 4-2 為單端輸入） （ 2）輸出方式：雙端輸出和單端輸出。 （圖 4-1 為雙端輸出，圖 4-2 為單端輸出） （ 3）差動(dòng)電路的輸入輸出方式：雙端輸入雙端輸出、雙端輸入單端輸出、單端輸入雙端輸出、單端輸入單端輸出。 3、對(duì)零點(diǎn)漂移的抑制作用 （ 1）分析圖 4-1 所示電路，雙

5、端輸入雙端輸出差動(dòng)電路 當(dāng)輸入 ui1 ui2 0 時(shí)： ① 溫度不變： ui1 ui2 0時(shí)，輸出電壓 uo Uc1 Uc2 0 （電路對(duì)稱， Uc1 Uc2） ② 溫度變化時(shí)： uo （Uc1 uc1） （Uc2 uc2） （電路對(duì)稱， Uc1 Uc2 ， uc1 uc2） （溫度變化時(shí)，兩管集電極電位隨之變化，但電路對(duì)稱，變化量 uC1和uC2的大小和方向相同。） 結(jié)論：雙端輸入雙端輸出差動(dòng)電路有效的抑制了零點(diǎn)漂移。 （ 2）電阻 RE 對(duì)零漂的抑制作用 除了差動(dòng)電路的結(jié)構(gòu)可以抑制零漂以外，電阻 RE 對(duì)零漂也有抑制作用。 RE 的電流負(fù)反饋?zhàn)饔媚軌蛞种聘鞣N原因引 起的集

6、電極電流的改變，從而使 uC1和uC2減至最小，抑制零點(diǎn)漂移。 RE ：溫度補(bǔ)償電阻。 差動(dòng)放大電路的公共發(fā)射極電阻 RE 是保證靜態(tài)工作點(diǎn)穩(wěn)定的關(guān)鍵元件。 當(dāng)溫度T ,兩管的發(fā)射極電流Iei和IE2、集電極電流I C1和I C2均增大。由于兩管基極電位Vbi和VB2均保持不變， 兩管的發(fā)射極電位 Ve Ie Re升高，引起兩管的發(fā)射結(jié)電壓 Ubei和Ube2降低（Ube Vb IeRe）。兩管的基極電 流Ibi和Ib2隨之減小，集電極電流Ici和I C2下降。此過程類似分壓式偏置的共射放大電路中 Re的作用。 T Ic ,Ie Ve （Ve IeRe） Ube （U be Vb

7、IeRe,Vb 固定）Ib Ic ,Ie 結(jié)論： （ i ） 雙端輸出的差動(dòng)放大電路能夠抑制由各種原因引起的以 IC 變化為特征的零點(diǎn)漂移， 抑制的效果取決于兩 管參數(shù)的對(duì)稱程度。如果兩管完全對(duì)稱，則電路能夠完全的抑制零漂。 （ 2）單端輸出的差動(dòng)放大電路能夠抑制由各種原因引起的以 I C 變化為特征的零點(diǎn)漂移，抑制的效果取決于 RE 的 大小，如果 RE 很大，可使零漂減至最小。 4、差模信號(hào)與共模信號(hào) Uid1 Uid 2,稱差動(dòng)放大 (1)差模信號(hào)：作用在差動(dòng)放大器兩輸入端的一對(duì)數(shù)值相等、極性相反的輸入信號(hào)，即 電路接收差模輸入。兩端輸入信號(hào)之差稱為差模輸入信號(hào)Uid

8、,表示為：Uid Uid1 Uid 2 2Uid 1 , Uid 1 Uid 2 Ud/2 。 (2)共模信號(hào)：兩個(gè)輸入信號(hào)電壓的大小相等，極性相同，即 Uic1 Uic2 ,稱差動(dòng)放大電路接收共模輸入。 這樣的輸入稱為共模輸入信號(hào)，共模輸入信號(hào)常用 Uic 表不：Uic Uic1 Uic 2 Ui1、 Ui 2 即: (3)實(shí)際信號(hào)：實(shí)際信號(hào)通常既不是單純的差模信號(hào)，又不是單純的共模信號(hào)，而是任意信號(hào) 1 1 Ui1 Uic1 Uid1 Uic -Uid ； Ui2 Uic2 Uid2 Uic 二 Uid。 2 2 放動(dòng)放大器兩輸入端的任意信號(hào)都

9、可以分解為一對(duì)共模信號(hào)和一對(duì)差模信號(hào)，即: Uii uic Uid 2 Uid2 則可得：Uic ,…id Ui1 Ui2 (書上52頁，例題4-1) 典型差動(dòng)放大電路的靜態(tài)分析 靜態(tài)分析的目的就是計(jì)算靜態(tài)工作點(diǎn) Q點(diǎn)，即計(jì)算兩管的IB、Ic和UCE。 (由于兩管完全對(duì)稱，所以只求一個(gè)管的靜態(tài)值即可。靜態(tài)通路如圖 4-4所示) I Ci I C2 I C ， I B1 I B2 I B ， U cE1 U CE2 U CE U2 uic )I B U EE l C I" 對(duì)回路I列 KVL方程可得: RbIb Ube 2REIE U EE RbI

10、b Ube 2Re(1 注意：流過 Re上的電流是IE1 IE2 IE。 則可得：ib U EE U be Rb 2(1 )Re 對(duì)回路n列KVL方程可得：IcR UCE 2IERE Vcc U EE U ce Vcc U ee Ic(Rc 2Re) 典型差動(dòng)放大電路的動(dòng)態(tài)分析 動(dòng)態(tài)分析的目的是討論差動(dòng)放大電路對(duì)差模和共模信號(hào)的放大能力，以及各種輸入、輸出方式下電路的電壓放大倍 數(shù)和電路的輸入輸出電阻。 1、雙端輸入、雙端輸出的差動(dòng)放大電路 (如圖4-1所示) (1 )共模信號(hào) 電路輸入共模信號(hào)Um U^ ib1 Uic ,

11、電路兩邊對(duì)稱，則有：. ic1 i b2 ic2 Uc1 Uc2(Uc1 ic1Rc,Uc2 ic2Rc) 則輸出電壓為：Uoc Um 42 0 ,即共模輸入條件下的差動(dòng)輸出為 0。 （差動(dòng)放大器利用其電路結(jié)構(gòu)、參數(shù)上的對(duì)稱性實(shí)現(xiàn)了對(duì)共模信號(hào)的抑制。 ） 雙端輸出的差動(dòng)放大電路對(duì)共模信號(hào)無放大作用，共模放大倍數(shù) AC 0 （2）差模輸入 ①輸出電壓u0d 輸入一對(duì)差模信號(hào):  Uid Uid1 Uid 2 ~ 由于電路參數(shù)對(duì)稱, Vi、V2所產(chǎn)生的電流的變化大小相等、方向相反，即: ibi *2, i ci ic2 ,則有：Uc1

12、Uc2。 所以，輸出電壓為： uod uc1 uc2 2uc1,實(shí)現(xiàn)了電壓放大。 由于流經(jīng)Re的電流iei和ie2大小相等，極性相反，兩管的變化電 流相互抵消，流過 RE的電流保持不變所以，對(duì)差模信號(hào)而言， 在交流分析時(shí)，RE可視為短路。 （左圖給出了差動(dòng)放大器的差模交流通路， RE短路。） （2）差模電壓放大倍數(shù) A ①兩管集電極間沒有接負(fù)載 RL 差動(dòng)放大器在輸入差模信號(hào)時(shí)的電壓增益稱為差模電壓增益： Ad % Uid 式中：Uod是在Uid作用下的輸出電壓。（左圖為微變等效電路） Uod Uc1 Uc2 2Uc1 Uc1 Uc1 ib RC RC Ad - —一二

13、 _ _ Uid Uid 2 Uid- y.id- Ui1 ib（rbe RB） rbe RB 2 2 式中：Adi 一表示單管共射放大器的增益，又稱為半電路增益。 雙端輸出差模微變等效電路 （從Ad的表達(dá)式可以看到，差動(dòng)放大器雙端輸出時(shí)的電壓增益等于半電路增益。 一個(gè)管子的增益為代價(jià)，換取了低漂移的結(jié)果。差動(dòng)放大器具有差動(dòng)放大作用。 ② 當(dāng)兩管集電極間接有負(fù)載 Rl時(shí)，對(duì)于差動(dòng)信號(hào)而言， Rl中點(diǎn)電位 為0。差模放大倍數(shù)為： 可以認(rèn)為：差動(dòng)放大器是以犧牲 修

14、 uod uc1 Uc2 2uc1 Uc1 Uc1 .b(Rc 2 ) RL Ad . . T；- -一 ~ ~ uid uid 2 uid uid ui1 ib(rbe RB) rbe RB "2" T 式中：RL RC//RL 雙端輸出差模微變等效電路 (3)雙端輸入的差動(dòng)放大電路的輸入電阻 Rd和輸出電阻Ro ① 輸入電阻R^ :從兩個(gè)輸入端看進(jìn)去的等效電阻即為輸入電阻 Rd ,則有：Rd 2(rbe Rb) ② 輸出電阻Ro：從兩個(gè)輸出端看進(jìn)去的等效電阻即為輸入電阻 R

15、,則有：Ro 2Rc 2、雙端輸入、單端輸出的差動(dòng)放大電路 (如圖4-5所示) (1)差模輸入 輸入一對(duì)差*II信號(hào)：uidi uid2 甄 2 由于電路參數(shù)對(duì)稱， Vi、V2所產(chǎn)生的電流的變化大小相等、方向相反，即: ib1 ib2, ic1 ic2,則有：uc1 uc2。由于單端輸出，則輸出電壓為: (對(duì)差模信號(hào)而言，在交流分析時(shí)， RE可視為短路。) (2)差模電壓放大倍數(shù) Ad 姐 田 叫 ib(Ro//RL) Rl Ad uid uid 2ui1 2ib(rbe Rb) 2(% Rb) 式中：RL Rc //RL 結(jié)論：雙端輸入、單端輸出的差動(dòng)放大電路的差模

16、電壓放大倍數(shù)是 雙端輸入、雙端輸出的差動(dòng)放大電路的一半。 單端輸出差模微變等效電路 (2)共模信號(hào) 電路輸入共模信號(hào)uic1 uic2 uic ,電路兩邊對(duì)稱, Re上流過的電流為2ie。 共模電壓放大倍數(shù)AC uoc uoc ic(1//R) ib(，//RL) Rl uic ui1 ib(rbe Rb) 2ieRE ib(rbe Rb) 2(1 ^Re % Rb 2(1 )R 可見，單端輸出差動(dòng)電路對(duì)共模信號(hào)有放大作用，但放大倍數(shù)較小。放 大倍數(shù)的大小主要取決于 RE，當(dāng)RE ? (rbe Rb)時(shí)，則有： AC 雙端輸入的差動(dòng)電路，當(dāng)輸入既有差模信號(hào)又有共模信號(hào)，輸

17、出電 壓應(yīng)為差模輸出與共模輸出的代數(shù)和，即： uo Aduid ACuic (3)雙端輸入的差動(dòng)放大電路的輸入電阻 Rd和輸出電阻Ro ① 輸入電阻Rd :從兩個(gè)輸入端看進(jìn)去的等效電阻即為輸入電阻 Rd ,則有：Rd 2（%e Rb） ② 輸出電阻Ro：從單個(gè)輸出端看進(jìn)去的等效電阻即為輸入電阻 R,則有：Ro Rc

18、3、單端輸入、雙端輸出的差動(dòng)放大電路 （如圖4-6所示） 當(dāng)沒有Re,即Re 0時(shí)，輸入信號(hào)只加在 Vi管上，V1管有放大作用，V2管沒有放大作用。接入 ％, Vi和V2都有 放大作用。射極電阻 RE起到了把單端輸入轉(zhuǎn)換成雙端輸入的作用。 單端輸入、雙端輸出的差動(dòng)放大電路白^差模電壓放大倍數(shù) 人、輸入電阻 口 輸出電阻％和雙端輸入、雙端輸出的差 動(dòng)放大電路相同。 4、單端輸入、單端輸出的差動(dòng)放大電路 （如圖4-2所示） 單端輸入、單端輸出的差動(dòng)放大電路的差模電壓放大倍數(shù) Ad,共模電壓放大倍數(shù) AC ＞輸入電阻口輸出電阻r。和 雙端輸入、單端輸出的差動(dòng)放大電路相同。 共模抑制比

19、CMRR （對(duì)于一個(gè)差動(dòng)放大器，共模電壓放大倍數(shù)越小，抑制溫漂（共模信號(hào)）的效果就越好；差模電壓放大倍數(shù)越大， 放大有用信號(hào)（差模信號(hào)）的能力就越強(qiáng)。 ） 為了綜合衡量差動(dòng)放大器對(duì)差模信號(hào)的放大能力和對(duì)共模信號(hào)的抑制能力，特別引入一個(gè)性能指標(biāo)一一共模抑制 比， 記彳^CMRR,定義為：CMRR A Ac 式中：兒一差模電壓增益 ；Ac一共模電壓增益 工程中，常用對(duì)數(shù)形式來表示共模抑制比， CMRR 20lg上,單位為分貝（dB）。 Ac 共模抑制比CMRR表征的是運(yùn)放對(duì)干擾信號(hào)的抑制能力， CMRR越大電路的性能越好。 對(duì)于電路參數(shù)理想對(duì)稱的雙端輸出情況，共模抑制比無窮大。

20、 （共模輸入條件下，差動(dòng)輸出 u℃ 0,則共模電壓增益： A 工” 0 ,所以共模抑制比無窮大。） 2Uc 實(shí)際中，差動(dòng)放大電路不可能完全對(duì)稱，所以 Ac不等于零，即CMRR只是一個(gè)較大的有限值。 Re越大，Ac越小， CMRR越大。增加Re值，可以提高電路的共模抑制比 CMRR。 （書上56頁，例題4-2） 具有恒流源的差動(dòng)放大電路 前面分析的差動(dòng)放大電路中，發(fā)射極電阻 Re對(duì)共模抑制起重要作用，為了提高共模抑制的能力， Re的電阻值應(yīng)取 得越大越好，但又祗$大阻值的 Re ,要求很高的發(fā)射極電源 Vee ,給電路構(gòu)造帶來困難。在實(shí)際的差動(dòng)放大器中，常 采用電流源代替REO

21、 具有恒流源的差動(dòng)放大電路組成 （具有恒流源的差動(dòng)放大電路組成如圖 4-7 （a）所示，4-7 （b）為其簡化電路圖） 三極管V3、電阻電、R? Re3和二極管VD構(gòu)成恒流源電路。電、R2的分壓固定了 V3管的基極電位VB3,使得V3管 工作在放大區(qū)。 Ic3近似于恒值：Ic3 Iei 1 E2 1 C1 Ic2,確保Vi、V2管的靜態(tài)工作點(diǎn)合適。 二極管VD為溫度補(bǔ)償二極管, 溫度變化時(shí)，可使 Ic3仍為恒值。 具有恒流源的差動(dòng)放大電路中, 三極管V3工作在放大區(qū)，靜態(tài)電阻低, 動(dòng)態(tài)電阻很高, 這種電路能很好的抑制零漂, 提高電路的共模抑制比。 具有恒

22、流源的差動(dòng)放大電路的分析 1、靜態(tài)分析 （靜態(tài)工作點(diǎn)的計(jì)算，從恒流源電路的基極回路開始） 若 Il? Ib3,則有 Ii I2 （忽略V3的壓降） ，則R2上壓降為：11 I2 Vee Vcc Ri R2 U R2 Vee Vcc ) ~- IL - R2 R1 R2 ①各極電流 U R2 U BE3 Ie3 ,則有: RE3 1 C1 1 C2 1 E3 2 If, Ib1 Ib2 Ib 2 IC ②各極電位 V1、V2管的基極電位為: VB1 VB2 IbRb （直流分析，Ui短接，與地點(diǎn)相接。 V1、V2管的發(fā)射

23、極電位為: Ve Vb U BE IbRb U BE V1、V2管的壓降為: U CE1 U CE2 U CE VCC IcRc VE VCC IcRc 1 B RB U BE VCC U BE 1 Rc Rb Ib V3管的壓降為：Uce3 Vee Ve I C343 2、動(dòng)態(tài)分析 動(dòng)態(tài)分析時(shí)，把恒流源看做阻值很高的 Re 0 因此對(duì)恒流源的動(dòng)態(tài)分析參照前面介紹的典型差動(dòng)放大電路的分析即 可。 （表4-1給出了恒流源差動(dòng)電路的四種輸入輸出方式的性能比較。 ） 恒流源的作用：（1）恒流源相當(dāng)于阻值很大的電阻。 2）恒流源不影響差模放大倍數(shù)。 3）恒流源影響共模放大倍數(shù)使共模放大倍數(shù)減小從而增加共模抑制比理想的恒流源相當(dāng)于阻值為無窮的 RE 無窮大） 所以共模抑制比是無窮。 58 頁例題 4-3 ）