差分放大電路

1、方案三 差分放大電路【項目目標】知識目標掌握場效應管的類型、場效應的電壓控制作用及共源極放大電路的分析與應用。 能力目標具有識別場效應管的能力，具有共源極放大的分析能力?！倦娐吩韴D】 【項目操作】電路測試將J8、J9與 J6、J7之間分別加一毫安表，J10、J11連接與J12改變電位器RP6.將測量的結(jié)果記錄如下：A1間的電流A2間的電流知識點導入鏡像電流源的基本特性。知識點講解基本鏡像電流源電路如圖所示。T1、T2參數(shù)完全相同（即1=2，ICEO1=ICEO2）。原理：因為VBE1=VBE2，所以IC1=IC2圖3.1.4 基本鏡像電流源電路IREF基準電流：推出，當>>2時，

2、IC2= IC1IREF優(yōu)點：（1）IC2IREF，即IC2不僅由IREF確定，且總與IREF相等。（2）T1對T2具有溫度補償作用，IC2溫度穩(wěn)定性能好（設溫度增大，使IC2增大，則IC1增大，而IREF一定，因此IB減少，所以IC2減少）。缺點：（1）IREF（即IC2）受電源變化的影響大，故要求電源十分穩(wěn)定。（2）適用于較大工作電流（mA數(shù)量級）的場合。若要IC2下降，則R就必須增大，這在集成電路中因制作大阻值電阻需要占用較大的硅片面積。（3）交流等效電阻Ro不夠大，恒流特性不理想。（4）IC2與IREF的鏡像精度決定于。當較小時，IC2與IREF 的差別不能忽略。鞏固訓練：將電路圖中的

3、值按照電位的阻值代入進行計算？看測量結(jié)果與理論之間的誤差？電路測試2將J8、J9與 J6、J7之間分別加一毫安表，改變電位器RP6.將測量的結(jié)果記錄如下：A1間的電流A2間的電流知識點導入鏡像電流源的基本特性。知識點講解 比例電流源（改進電路二）帶有發(fā)射極電阻的鏡像電流源，它是針對基本鏡像電流源缺點（3）進行的改進，其中Re1=Re2，兩管輸入仍有對稱性，所以：圖3.1.6 鏡像電流源及其等效電路求T2的輸出電阻Ro：輸出阻值較大，所以這種電流源具有很好的恒流特性。溫度穩(wěn)定性比基本的電流源好得多。若此電路Re1不等于Re2，則：VBE1+IE1Re1=VBE2+IE2Re2（式中，IE1即IR

4、，IE2即Io）Io參數(shù)對稱的兩管在IC相差10倍以內(nèi)時，|VBE1-VBE1|<60mV。所以，如果Io與IR接近，或IR較大，則VBE可忽略。即只要合理選擇兩T射極電阻的比例，可得合適的Io、Ro。因此，此電流源又稱為比例電流源。鞏固訓練：將電路圖中的值按照電位的阻值代入進行計算？看測量結(jié)果與理論之間的誤差？知識鏈接：微電流源圖3.1.7 微電流源電路有些情況下，要求得到極其微小的輸出電流IC2，這時可令比例電流源中的Re1=0，如圖3.1.7即可以在Re2不大的情況下得到微電流IC2。原理：當IR一定時，Io可確定為：可見，利用兩管基-射電壓差VBE可以控制Io。由于VBE的數(shù)值小

5、，用阻值不大的Re2即可得微小的工作電流微電流源。微電流源特點：（1）T1，T2是對管，基極相連，當VCC、R、Re2已知時，（略去VBE），當VBE1、VBE2為定值時，也確定了。（2）當VCC變化時，IREF、VBE也變化，由于Re2的值一般為千歐級，變化部分主要降至Re2上，即VBE2<<VBE1，則IC2的變化遠小于IREF的變化。因此電源電壓波動對工作電流IC2影響不大。（3）T1管對T2管有溫度補償作用，IC2的溫度穩(wěn)定性好。總的說來，電流“小”而“穩(wěn)”。小R不大時IC2可以很?。ㄎ擦考墸?。穩(wěn)Re2（負反饋）使恒流特性好，溫度特性好，受電源變化影響小。進一步，電流的數(shù)

6、學關系為：IoRe2=VBE1-VBE2而 IC若 則 IC2 Re=26ln1060mV即電流每增加10倍，IC2Re總是增加60mV。因此得到電流每增加10倍，Re上的電壓增加60mV的簡單數(shù)學關系式，使計算十分方便。思考：若要求提供10µA的輸出電流，使用VCC=6V的電源，R=19k，你如何設計這個電流源？電流源的主要應用前面曾提到，增大Rc可以提高共射放大電路的電壓增益，但是，Rc不能很大，因為在集成工藝中制造大電阻的代價太高，而且，在電源電壓不變的情況下，Rc越大，導致輸出幅度越小。那么，能否找到一種元件代替Rc，其動態(tài)電阻大，使得電壓增益增大，但靜態(tài)電阻較小，因而不致于

7、減小輸出幅度呢？自然地，可以考慮晶體管恒流源。由于電流源具有直流電阻小，交流電阻大的特點，在模擬集成電路中較為廣泛地把它作負載使用有源負載，【項目操作】電路測試1、 觀察此電路的組成2、將J3、J13與 J4、J5之間分別加一毫安表，J1、J14連接。調(diào)整RP7使得兩毫安表的電流相等。J3與J4之間放一電壓表。觀察此時電壓表的讀數(shù)。知識點導入差分放大電路基本特性、靜態(tài)特性知識點講解一、差分放大電路的靜態(tài)特性圖3.2.3 差動式放大電路因沒有輸入信號，即vs1=vs2=0時，由于電路完全對稱：所以輸入為0時，輸出也為0。二、差分放大電路的基本特性 （一）零漂及電路組成在直接耦合放大電路中提到了零

8、漂的問題，抑制零漂的方法一般有如下幾個方面：（1）選用高質(zhì)量的硅管。（2）采用補償?shù)姆椒?，用一個熱敏元件，抵消IC受溫度影響的變化。（3）采用差動放大電路。本節(jié)詳細討論差動放大器的工作原理和基本性能，如圖3.2.1所示。基本差動式放大器如圖3.2.1所示。T1、T2特性相同的晶體管。電路對稱，參數(shù)也對稱，如：VBE1=VBE2=VBE，Rc1=Rc2=Rc，Rb1=Rb2=Rb，Rs1=Rs2=Rs，1=2=；電路有兩個輸入端：b1端，b2端；有個輸出端：c1端，c2端。（二）共模信號和差模信號。若vs1=-vs2差模輸入信號，大小相等，對共同端極性相反的兩個信號，用vsd表示。若vs1=vs

9、2共模輸入信號，大小相等，對共同端的極性相同，按共同模式變化的信號，用vsc表示。實際上，對于任何輸入信號和輸出信號，都是差模信號和共模信號的合成，為分析簡便，將它們分開討論?？紤]到電路的對稱性和兩信號共同作用的效果有：vs1vs2于是，此時相應的差模輸入信號為：vsd=vs1-vs2差模信號是兩個輸入信號之差，即vs1、vs2中含有大小相等極性相反的一對信號。共模信號：vsc=(vs1+vs2)/2 共模信號則是二者的算術(shù)平均值，即vs1、vs2中含有大小相等，極性相同的一對信號。即對于差放電路輸入端的兩個任意大小和極性的輸入信號vs1和vs2均可分解為相應的差模信號和共模輸入信號兩部分。(

10、三)、差模信號和共模信號的放大倍數(shù)放大電路對差模輸入信號的放大倍數(shù)稱為差模電壓放大倍數(shù)AVD：AVD=vo/vsd。放大電路對共模輸入信號的放大倍數(shù)稱為共模電壓放大倍數(shù)AVC：AVC=vo/vsc。在差、共模信號同存情況下，線性工作情況中，可利用疊加原理求放大電路總的輸出電壓vo。vo=AVDvsd+AVCvsc例題講解：如圖3.2.2所示，vs1=5mV，vs2=1mV，則vsd=5-1=4mV，vsc=0.5(5+1)=3mV。也就是說，兩個輸入信號可看作是vs1=5mV3mV+2mVvs2=1mV-3mV+2mV差模輸入信號vsd=4mV和共模輸入信號vsc=3mV疊加而成。電路測試3將

11、J3、J13與 J4、J5之間分別加一毫安表，J1、J14連接。調(diào)整RP7使得兩毫安表的電流相等。J3與J4之間放一電壓表。J14、J15與J16、J17之間加一信號源，調(diào)節(jié)RP2和RP5，分別觀察此時電壓表的讀數(shù)。知識點導入差分放大電路動態(tài)特性知識點講解從測量的結(jié)果看：vb1增大使得ib1增大，使ic1增大使得vc1減小。vb2減小使得ib2減小，又使ic2減小，使得vc2增大。由此可推出：vo=vc1-vc2=2v（v為每管變化量）。若在輸入端加共模信號，即vs1=vs2。由于電路的對稱性和恒流源偏置，理想情況下，vo=0，無輸出。這就是所謂“差動”的意思：兩個輸入端之間有差別，輸出端才有

12、變動。3. 在差動式電路中，無論是溫度的變化，還是電流源的波動都會引起兩個三極管的ic及vc的變化。這個效果相當于在兩個輸入端加入了共模信號，理想情況下，vo不變從而抑制了零漂。當然實際情況下，要做到兩管完全對稱和理想恒流源是比較困難的，但輸出漂移電壓將大為減小。綜上分析，放大差模信號，抑制共模信號是差放的基本特征。通常情況下，我們感興趣的是差模輸入信號，對于這部分有用信號，希望得到盡可能大的放大倍數(shù)；而共模輸入信號可能反映由于溫度變化而產(chǎn)生的漂移信號或隨輸入信號一起進入放大電路的某種干擾信號，對于這樣的共模輸入信號我們希望盡量地加以抑制，不予放大傳送。凡是對差放兩管基極作用相同的信號都是共模

13、信號。常見的有：（1）vi1不等于-vi2，信號中含有共模信號；（2）干擾信號（通常是同時作用于輸入端）；（3）溫漂。靜態(tài)估算： 電路測試4將J3、J13與 J4、J5之間分別加一毫安表，J1、J14連接。調(diào)整RP7使得兩毫安表的電流相等。J3與J4之間放一電壓表。J14、J15與J16、J17之間加一信號源，1、兩信號源所加電壓大小相等，方向相反，測量結(jié)果？2、兩信號源所加電壓大小相等，方向相同，測量結(jié)果？知識點導入差分放大電路動態(tài)特性知識點講解差放電路有兩個輸入端和兩個輸出端。同樣，輸出也分雙端輸出和單端輸出方式。組合起來，有4種連接方式：雙端輸入雙端輸出、雙入單出、單入雙出、單入單出。1

14、雙入雙出（1）輸入為差模方式：，若ic1上升，而ic2下降。電路完全對稱時，則|ic1| =|ic2|因為I不變，因此ve=0（vo1=vc1，vo2=vc2）。即AVC=A1（共發(fā)射單管放大電路的放大倍數(shù)）。有負載RL時圖3.2.4 差動放大器共模輸入交流通路及其等效電路因為RL的中點是交流地電位，因此在其交流通路中，電路中線上各點均為交流接地，由此可畫出信號的交流通路如圖3.2.4所示，由上面的計算可見，負載在電路完全對稱，雙入雙出的情況下，AVD=A1，可見該電路使用成倍的元器件換取抑制零漂的能力。差模輸入電阻Ri從兩個輸入端看進去的等效電阻Ri=2rbe。差模輸出電阻Ro的值為Ro=2

15、Rc Ro、Ri是單管的兩倍。（2）輸入為共模方式：vs1=vs2，此時變化量相等，vc1=vc2 實際上，電路完全對稱是不容易的，但即使這樣，AVC也很小，放大電路的抑制共模能力還是很強的。鞏固訓練：J3與地連接，將J4懸空，計算電路的放大倍數(shù)和輸入電阻及輸出電阻。知識鏈接單入雙出、單出若vs1=vi0，則ic1增大，使ie1也增大，ve增大。由于T2的b級通過Rs接地，如圖3.2.6所示，則vBE2=0-ve=-ve，所以有vBE2減小，ic2也減小。整個過程，在單端輸入vs的作用下，兩T的電流為ic1增加，ic2減少。所以單端輸入時，差動放大的T1、T2仍然工作在差動 狀態(tài)。圖3.2.5

16、 2Re為等效電阻圖3.2.6 單端輸入、雙端輸出電路從另一方面理解：vs1=vi，vs2=0將單端輸入信號分解成為一個差模信號vsd和共模信號vsc 將兩個輸入端的信號看作由共模信號和差模信號疊加而成，即：電路輸出端總電壓為：vo=AVCvsc+AVDvsd經(jīng)過這樣的變換后，電路便可按雙入情況分析：（1）如為雙端輸出，則似雙入雙出中分析：即可看為單入雙出時的輸出vo與雙入雙出相同。（2）如為單端輸出（設從T1，c極輸出），則似雙入單出中分析 （3）差模輸入電阻：當Re很大時（開路），可近似認為Ri與差動輸入時相似Ri2rbe （4）輸出電阻：雙出：Ro=2Rc單出：Ro=Rc注：對于單入單出

17、的情況，從T1的c極輸出，和從T2的c極輸出時輸入，輸出的相位關系是不同的。從T1的c極輸出如圖3.2.7所示。設vi的瞬時極性大于零，則ic1增大，vc1減小，所以輸出與輸入電壓相位相反，所以AVD<0。從T2的c極輸出如圖3.2.8所示。設vi的瞬時極性大于零，則ic1增大，ve增大，使得vBE2減小，所以ic2減小，vc2增大，輸入輸出相位相同。所以AVD>0。由以上分析可知在單入單出差放電路中，如果從某個三極管的b極輸入，然后從同一個T的c極輸出，則vo和vi反相；如果從另一T的c極輸出，則vo和vi同相。順便提一下，在單出的情況下，常將不輸出的三極管的Rc省去，而將T的c

18、極直接接到電源VCC上。圖3.2.7 從T1的c極輸出圖3.2.8 從T2的c極輸出電路測試51、 測量差模放大倍數(shù)AVd將TP9接地，從 TP8處輸入峰峰值為50mV，頻率為1KHz的差模信號Vid。參見圖7-1，用毫伏表分別測出雙端輸出差模電壓Vod（Uo1Uo2）和單端輸出電壓Vod1(Uo1)、Vod2(Uo2)。用示波器觀察它們的波形(Vod的波形觀察方法：用兩個探頭，分別測Vod1、Vod2的波形，微調(diào)檔相同，按下示波器Y2反相按鍵，在顯示方式中選擇疊加方式即可得到所測的差分波形)。并計算出差模雙端輸出的放大倍數(shù)A Vd和單端輸出的差模放大倍數(shù)AVd1或A Vd2。記入自制表格中。2、 測量共模放大倍數(shù)AVC連接輸入端TP8和TP9，則R1與R2從電路中斷開。從TP8端輸入峰峰值為5V，頻率為1KHz的共