講答案4章差動放大電路.doc

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第4章 差動放大電路 在工業(yè)控制過程中，如溫度、壓力這樣的物理量，被傳感器檢測到并轉(zhuǎn)化為微弱的。變化緩慢的非周期電信號。而這些信號還需要經(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放大器。 直接耦合多級放大器存在零點(diǎn)漂移的問題，克服零點(diǎn)漂移的有效辦法，就是在多級放大器的輸入級采用差動放大電路。 4.1 典型差動放大電路 4.1.1 零點(diǎn)漂移問題 1、零點(diǎn)漂移 （1）零點(diǎn)漂移：指輸入信號電壓為零時，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)隨溫度變化、電源電壓波動、電路元件參數(shù)的變化等。 （其中主要因素是溫度對晶體管參數(shù)的影響，稱為溫漂。） （3）溫漂：環(huán)境溫度每變化1℃，將放大電路輸出端出現(xiàn)的漂移電壓 折算到輸入端，用這個折算到輸入端的漂移電壓數(shù)值表示零漂的大小，用表示。 （常常認(rèn)為，零漂就是溫漂。） 放大電路的級數(shù)越多，放大倍數(shù)越大，則零漂電壓逐級放大，就使零漂越嚴(yán)重，有時會將輸入信號淹沒。那么，第一級零漂對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就是一個直流負(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)成差動放大電路，至于直接耦合多級放大電路的輸入端。 （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)是差動放大電路。） 4.1.2 典型差動放大電路 1、電路結(jié)構(gòu)與靜態(tài)工作情況 （圖4-1為典型的差動放大電路） 將兩個電路結(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 動放大電路的基本形式。兩管射極均通過電阻與負(fù)電源串聯(lián)之后接地。 （1）差動放大電路的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)： ① 由兩個結(jié)構(gòu)、參數(shù)左右對稱的共射放大器組成； ② 它有兩個輸入端和，存在兩個輸入信號、； ③ 它有兩個輸出端，有單端輸出（從任意一個集電極輸出）、雙端輸出（從兩個集電極之間輸出）兩種方式； ④ 為負(fù)電源，確保、工作在放大狀態(tài)。 （2）靜態(tài)工作情況 時（靜態(tài)）：① 電源和使得和發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)反偏；②；③上流過的靜態(tài)電流為。 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、對零點(diǎn)漂移的抑制作用 （1）分析圖4-1 所示電路，雙端輸入雙端輸出差動電路 當(dāng)輸入時： ① 溫度不變：時，輸出電壓（電路對稱，） ② 溫度變化時： （電路對稱，，） （溫度變化時，兩管集電極電位隨之變化，但電路對稱，變化量和的大小和方向相同。） 結(jié)論：雙端輸入雙端輸出差動電路有效的抑制了零點(diǎn)漂移。 （2）電阻對零漂的抑制作用 除了差動電路的結(jié)構(gòu)可以抑制零漂以外，電阻對零漂也有抑制作用。的電流負(fù)反饋?zhàn)饔媚軌蛞种聘鞣N原因引起的集電極電流的改變，從而使和減至最小，抑制零點(diǎn)漂移。 ：溫度補(bǔ)償電阻。 差動放大電路的公共發(fā)射極電阻是保證靜態(tài)工作點(diǎn)穩(wěn)定的關(guān)鍵元件。 當(dāng)溫度，兩管的發(fā)射極電流和、集電極電流和均增大。由于兩管基極電位和均保持不變，兩管的發(fā)射極電位升高，引起兩管的發(fā)射結(jié)電壓和降低（）。兩管的基極電流和隨之減小，集電極電流和下降。此過程類似分壓式偏置的共射放大電路中的作用。 結(jié)論：（1）雙端輸出的差動放大電路能夠抑制由各種原因引起的以變化為特征的零點(diǎn)漂移，抑制的效果取決于兩管參數(shù)的對稱程度。如果兩管完全對稱，則電路能夠完全的抑制零漂。 （2）單端輸出的差動放大電路能夠抑制由各種原因引起的以變化為特征的零點(diǎn)漂移，抑制的效果取決于的大小，如果很大，可使零漂減至最小。 4、差模信號與共模信號 （1）差模信號：作用在差動放大器兩輸入端的一對數(shù)值相等、極性相反的輸入信號，即，稱差動放大電路接收差模輸入。兩端輸入信號之差稱為差模輸入信號，表示為：， 。 （2）共模信號：兩個輸入信號電壓的大小相等，極性相同，即，稱差動放大電路接收共模輸入。 這樣的輸入稱為共模輸入信號，共模輸入信號常用表示： （3）實(shí)際信號：實(shí)際信號通常既不是單純的差模信號，又不是單純的共模信號，而是任意信號、。即： ；。 差動放大器兩輸入端的任意信號都可以分解為一對共模信號和一對差模信號，即： 則可得： ； （書上52頁，例題4-1） 4.1.3 典型差動放大電路的靜態(tài)分析 靜態(tài)分析的目的就是計(jì)算靜態(tài)工作點(diǎn)點(diǎn)，即計(jì)算兩管的、和。 （由于兩管完全對稱，所以只求一個管的靜態(tài)值即可。靜態(tài)通路如圖4-4所示） ， ， 對回路Ⅰ列KVL方程可得： 注意：流過上的電流是。 則可得： 對回路Ⅱ列KVL方程可得： 4.1.4 典型差動放大電路的動態(tài)分析 動態(tài)分析的目的是討論差動放大電路對差模和共模信號的放大能力，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、雙端輸出的差動放大電路 （如圖4-1所示） （1）共模信號 電路輸入共模信號，電路兩邊對稱，則有：（） 則輸出電壓為：，即共模輸入條件下的差動輸出為0。 （差動放大器利用其電路結(jié)構(gòu)、參數(shù)上的對稱性實(shí)現(xiàn)了對共模信號的抑制。） 雙端輸出的差動放大電路對共模信號無放大作用，共模放大倍數(shù) （2）差模輸入 ① 輸出電壓 輸入一對差模信號： 由于電路參數(shù)對稱，、所產(chǎn)生的電流的變化大小相等、方向相反，即： ，，則有：。 所以，輸出電壓為：，實(shí)現(xiàn)了電壓放大。 由于流經(jīng)的電流和大小相等，極性相反，兩管的變化電 流相互抵消，流過的電流保持不變所以，對差模信號而言， 在交流分析時，可視為短路。 （左圖給出了差動放大器的差模交流通路，短路。） （2）差模電壓放大倍數(shù) ① 兩管集電極間沒有接負(fù)載 差動放大器在輸入差模信號時的電壓增益稱為差模電壓增益： 式中：是在作用下的輸出電壓。（左圖為微變等效電路） 式中：—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 （從的表達(dá)式可以看到，差動放大器雙端輸出時的電壓增益等于半電路增益?？梢哉J(rèn)為：差動放大器是以犧牲一個管子的增益為代價，換取了低漂移的結(jié)果。差動放大器具有差動放大作用。） ② 當(dāng)兩管集電極間接有負(fù)載時，對于差動信號而言，中點(diǎn)電位 為0。差模放大倍數(shù)為： 式中： 雙端輸出差模微變等效電路 （3）雙端輸入的差動放大電路的輸入電阻和輸出電阻 ① 輸入電阻：從兩個輸入端看進(jìn)去的等效電阻即為輸入電阻，則有： ② 輸出電阻：從兩個輸出端看進(jìn)去的等效電阻即為輸入電阻，則有： 2、雙端輸入、單端輸出的差動放大電路 （如圖4-5所示） （1）差模輸入 輸入一對差模信號： 由于電路參數(shù)對稱，、所產(chǎn)生的電流的變化大小相等、方向相反，即： ，，則有：。由于單端輸出，則輸出電壓為：。 （對差模信號而言，在交流分析時，可視為短路。） （2）差模電壓放大倍數(shù) 式中： 結(jié)論：雙端輸入、單端輸出的差動放大電路的差模電壓放大倍數(shù)是 雙端輸入、雙端輸出的差動放大電路的一半。 單端輸出差模微變等效電路 （2）共模信號 電路輸入共模信號，電路兩邊對稱，上流過的電流為。 共模電壓放大倍數(shù) 可見，單端輸出差動電路對共模信號有放大作用，但放大倍數(shù)較小。放 共模單管微變等效電路 大倍數(shù)的大小主要取決于，當(dāng)時，則有： 雙端輸入的差動電路，當(dāng)輸入既有差模信號又有共模信號，輸出電 壓應(yīng)為差模輸出與共模輸出的代數(shù)和，即： （3）雙端輸入的差動放大電路的輸入電阻和輸出電阻 ① 輸入電阻：從兩個輸入端看進(jìn)去的等效電阻即為輸入電阻，則有： ② 輸出電阻：從單個輸出端看進(jìn)去的等效電阻即為輸入電阻，則有： 3、單端輸入、雙端輸出的差動放大電路 （如圖4-6所示） 當(dāng)沒有，即時，輸入信號只加在管上，管有放大作用，管沒有放大作用。接入，和都有放大作用。射極電阻起到了把單端輸入轉(zhuǎn)換成雙端輸入的作用。 單端輸入、雙端輸出的差動放大電路的差模電壓放大倍數(shù)、輸入電阻、輸出電阻和雙端輸入、雙端輸出的差動放大電路相同。 4、單端輸入、單端輸出的差動放大電路 （如圖4-2所示） 單端輸入、單端輸出的差動放大電路的差模電壓放大倍數(shù)，共模電壓放大倍數(shù)、輸入電阻、輸出電阻和雙端輸入、單端輸出的差動放大電路相同。 4.1.5 共模抑制比 （對于一個差動放大器，共模電壓放大倍數(shù)越小，抑制溫漂（共模信號）的效果就越好；差模電壓放大倍數(shù)越大，放大有用信號（差模信號）的能力就越強(qiáng)。） 為了綜合衡量差動放大器對差模信號的放大能力和對共模信號的抑制能力，特別引入一個性能指標(biāo)——共模抑制比， 記作，定義為： 式中：—差模電壓增益 ； —共模電壓增益 工程中，常用對數(shù)形式來表示共模抑制比， ，單位為分貝（）。 共模抑制比表征的是運(yùn)放對干擾信號的抑制能力，越大電路的性能越好。 對于電路參數(shù)理想對稱的雙端輸出情況，共模抑制比無窮大。 （共模輸入條件下，差動輸出，則共模電壓增益：，所以共模抑制比無窮大。） 實(shí)際中，差動放大電路不可能完全對稱，所以不等于零，即只是一個較大的有限值。越大，越小， 越大。增加值，可以提高電路的共模抑制比。 （書上56頁，例題4-2） 4.2 具有恒流源的差動放大電路 前面分析的差動放大電路中，發(fā)射極電阻對共模抑制起重要作用，為了提高共模抑制的能力，的電阻值應(yīng)取得越大越好，但對較大阻值的，要求很高的發(fā)射極電源，給電路構(gòu)造帶來困難。在實(shí)際的差動放大器中，常采用電流源代替。 4.2.1 具有恒流源的差動放大電路組成 （具有恒流源的差動放大電路組成如圖4-7（a）所示，4-7（b）為其簡化電路圖） 三極管、電阻和二極管構(gòu)成恒流源電路。的分壓固定了管的基極電位，使得管工作在放大區(qū)。 近似于恒值：，確保、管的靜態(tài)工作點(diǎn)合適。 二極管為溫度補(bǔ)償二極管，溫度變化時，可使仍為恒值。 具有恒流源的差動放大電路中，三極管工作在放大區(qū)，靜態(tài)電阻低，動態(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。 4.2.1 具有恒流源的差動放大電路的分析 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，則有（忽略的壓降），則上壓降為： ① 各極電流 ，則有：， ② 各極電位 、管的基極電位為： （直流分析，短接，與地點(diǎn)相接。） 、管的發(fā)射極電位為： 、管的壓降為： 管的壓降為： 2、動態(tài)分析 動態(tài)分析時，把恒流源看做阻值很高的。因此對恒流源的動態(tài)分析參照前面介紹的典型差動放大電路的分析即可。 （表4-1給出了恒流源差動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)于阻值為無窮的電阻（即無窮大），所以共模抑制比是無窮。 （書上58頁，例題4-3）