講答案4章差動放大電路

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1、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，才能進行進一步的處理或推動二次儀表進行顯示。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漂移的問題，克服零點漂移的有效辦法，就是在多級放大器的輸入級采用差動放大電 路。 典型差動放大電路 零點漂移問題 1、零點漂移 （1）零點漂移：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) （ICEO、UBE、）隨溫度變化、電源電壓波動、

2、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 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 RE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

3、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漂移最有效的電路結(jié)構(gòu)是差動放大電路。 ） 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 R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： 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a和b,存在兩個輸入信號 ui1、ui2； 、雙端輸出（從兩個集電極之間輸出）兩種方式; ③它有兩個輸出端，有單端輸出（從任意一個集電極輸出） 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（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電路 當(dāng)輸入 ui1 ui2 0 時： ① 溫度不變： ui1 ui2 0時，輸出電壓 uo Uc1 Uc2 0 （電路對稱， Uc1 Uc2） ② 溫度變化時： uo （Uc1 uc1） （Uc2 uc2） （電路對稱， Uc1 Uc2 ， uc1 uc2） （溫度變化時，兩管集電極電位隨之變化，但電路對稱，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電路有效的抑制了零點漂移。 （ 2）電阻 RE 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 RE 對零漂也有抑制作用。 RE 的電流負(fù)反饋作用能夠抑制各種原因引 起的集

6、電極電流的改變，從而使 uC1和uC2減至最小，抑制零點漂移。 RE ：溫度補償電阻。 差動放大電路的公共發(fā)射極電阻 RE 是保證靜態(tài)工作點穩(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 I C 變化為特征的零點漂移，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、差模信號與共模信號 Uid1 Uid 2,稱差動放大 (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 電路接收差模輸入。兩端輸入信號之差稱為差模輸入信號Uid

8、,表示為：Uid Uid1 Uid 2 2Uid 1 , Uid 1 Uid 2 Ud/2 。 (2)共模信號：兩個輸入信號電壓的大小相等，極性相同，即 Uic1 Uic2 ,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 Uic 表不：Uic Uic1 Uic 2 Ui1、 Ui 2 即: (3)實際信號：實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 1 1 Ui1 Uic1 Uid1 Uic -Uid ； Ui2 Uic2 Uid2 Uic 二 Uid。 2 2 放動放大器兩輸入端的任意信號都

9、可以分解為一對共模信號和一對差模信號，即: Uii uic Uid 2 Uid2 則可得：Uic ,…id Ui1 Ui2 (書上52頁，例題4-1) 典型差動放大電路的靜態(tài)分析 靜態(tài)分析的目的就是計算靜態(tài)工作點 Q點，即計算兩管的IB、Ic和UCE。 (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) 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Um U^ ib1 Uic ,

11、電路兩邊對稱，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) AC 0 （2）差模輸入 ①輸出電壓u0d 輸入一對差模信號:  Uid Uid1 Uid 2 ~ 由于電路參數(shù)對稱, 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，對差模信號而言， 在交流分析時，RE可視為短路。 （左圖給出了差動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 差動放大器在輸入差模信號時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，差動放大器雙端輸出時的電壓增益等于半電路增益。 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 Rl時，對于差動信號而言， Rl中點電位 為0。差模放大倍數(shù)為： 可以認(rèn)為：差動放大器是以犧牲 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^ :從兩個輸入端看進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：從兩個輸出端看進去的等效電阻即為輸入電阻 R

15、,則有：Ro 2Rc 2、雙端輸入、單端輸出的差動放大電路 (如圖4-5所示) (1)差模輸入 輸入一對差*II信號：uidi uid2 甄 2 由于電路參數(shù)對稱， 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: (對差模信號而言，在交流分析時， 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uic1 uic2 uic ,電路兩邊對稱, 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，單端輸出差動電路對共模信號有放大作用，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，則有： AC 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

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 :從兩個輸入端看進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：從單個輸出端看進去的等效電阻即為輸入電阻 R,則有：Ro Rc

18、3、單端輸入、雙端輸出的差動放大電路 （如圖4-6所示） 當(dāng)沒有Re,即Re 0時，輸入信號只加在 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) 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、單端輸出的差動放大電路相同。 共模抑制比

19、CMRR （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。 ） 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)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表征的是運放對干擾信號的抑制能力， CMRR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。

20、 （共模輸入條件下，差動輸出 u℃ 0,則共模電壓增益： A 工” 0 ,所以共模抑制比無窮大。） 2Uc 實際中，差動放大電路不可能完全對稱，所以 Ac不等于零，即CMRR只是一個較大的有限值。 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） 具有恒流源的差動放大電路 前面分析的差動放大電路中，發(fā)射極電阻 Re對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。在實際的差動放大器中，常 采用電流源代替REO

21、 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)工作點合適。 二極管VD為溫度補償二極管, 溫度變化時，可使 Ic3仍為恒值。 具有恒流源的差動放大電路中, 三極管V3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。 具有恒

22、流源的差動放大電路的分析 1、靜態(tài)分析 （靜態(tài)工作點的計算，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、動態(tài)分析 動態(tài)分析時，把恒流源看做阻值很高的 Re 0 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 RE 無窮大） 所以共模抑制比是無窮。 58 頁例題 4-3 ）