講答案4章-差動(dòng)放大電路

第4章差動(dòng)放大電路在工業(yè)控制過(guò)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(guò)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(wèn)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(wèn)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(wú)規(guī)則地變化的現(xiàn)象，簡(jiǎn)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)、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(méi)。那么，第一級(jí)零漂對(duì)輸出端的總零漂來(lái)說(shuō)，占主要地位。2、抑制溫度漂移的措施：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 R就是一個(gè)直流負(fù)反饋。）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(guò)電阻 RE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）、雙端輸出（從兩個(gè)集電極之間輸出）兩種方式;④Uee為負(fù)電源，確保V1、V2工作在放大狀態(tài)。（2）靜態(tài)工作情況UiiUi20時(shí)（靜態(tài)）：①電源Vcc和Uee使得Vi和V2發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)反偏；②IcIb；③Re上流過(guò)的靜態(tài)電流為2IE。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，雙端輸入雙端輸出差動(dòng)電路當(dāng)輸入 ui1 ui2 0時(shí)：溫度不變： ui1 ui2 0時(shí)，輸出電壓 uoUc1Uc20（電路對(duì)稱，Uc1Uc2）溫度變化時(shí)： uo （Uc1 uc1）（Uc2 uc2）（電路對(duì)稱，Uc1Uc2，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IC1和IC2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 IeRe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IC2下降。此過(guò)程類似分壓式偏置的共射放大電路中 Re的作用。TIc,Ie Ve （Ve IeRe）Ube（UbeVbIeRe,Vb固定）IbIc,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IC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)Uid1UUid1Uid2,稱差動(dòng)放大電路接收差模輸入。兩端輸入信號(hào)之差稱為差模輸入信號(hào)uid,表示為：uid uid1 uid22uid1,Uid1Uid1Uid2Ud/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(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U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：UicUic1Uic2Ui1、Ui1、Ui2°即:1 1Ui1 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)都可以分解為一對(duì)共模信號(hào)和一對(duì)差模信號(hào)，即:Ui1uicUid2Uid2則可得：UicTiUi1Ui2(書上52頁(yè)，例題4-1)4.1.3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放動(dòng)放大器兩輸入端的任意信號(hào)都可以分解為一對(duì)共模信號(hào)和一對(duì)差模信號(hào)，即:Ui1uicUid2Uid2則可得：UicTiUi1Ui2(書上52頁(yè)，例題4-1)4.1.3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)IC1IC2IC，IB1IB2IB，UCE1UCE2UCEU2uicI")IBUEElC對(duì)回路I列KVL方程可得:RbIb Ube 2ReIeUEERbIbUbe 2Re(1注意：流過(guò)Re上的電流是IE1IE2IE。則可得：IBUEEUbeRb2(1 )Re對(duì)回路n列KVL方程可得：ICRCUCE2IEREVccUEEUceVccUeeIc(Rc2Re)4.1.4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^ib1U電路輸入共模信號(hào)Um U^ib1Uic,電路兩邊對(duì)稱，則有：.ic1ib2ic2Uc1Uc2(Uc1iclRc,Uc2 ic2Rc)TOC\o"1-5"\h\z則輸出電壓為：UocUm420,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(wú)放大作用，共模放大倍數(shù) AC0（2）差模輸入①輸出電壓u0d輸入一對(duì)差模信號(hào):U輸入一對(duì)差模信號(hào):UidUid1Uid2 ~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,ici ic2,則有：U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,ici ic2,則有：Uc1 Uc2。所以，輸出電壓為： uoduc1uc22uc1,實(shí)現(xiàn)了電壓放大。由于流經(jīng)Re的電流ie1和ie2大小相等，極性相反，兩管的變化電流相互抵消，流過(guò)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) A①兩管集電極間沒(méi)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 ibRC RCAd - —一二 _ _Uid Uid2Uid- y.id- Ui1 ib（rbe RB） rbe RB\o"CurrentDocument"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?？梢哉J(rèn)為：差動(dòng)放大器是以犧牲一個(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：修uoduc1Uc22uc1Uc1Uc1.b(Rc2) RLuoduc1Uc22uc1Uc1Uc1.b(Rc2) RLAd .. T；- -一~ ~uid uid 2uiduidui1ib(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Ro①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Rid,則有：Rid 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Ro,則有：Ro2Rc2、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u1叫 ib(Ro//RL) RLAduid uid 2ui1 2ib(rbeRB) 2(rbeRb)式中：RLRc//RL結(jié)論：雙端輸入、單端輸出的差動(dòng)放大電路的差模電壓放大倍數(shù)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RE上流過(guò)的電流為2ie。電路輸入共模信號(hào)uic1uic2RE上流過(guò)的電流為2ie。共模電壓放大倍數(shù)ACUoc Uoc ic(RC//RL) ib(RC//RL)共模電壓放大倍數(shù)ACuic Ui1 ib(%e RB) 2ieRE "(& Rb)2(1 )ibRE %RB2(1 )RE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?(rbeRB)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)，輸出電壓應(yīng)為差模輸出與共模輸出的代數(shù)和，即： uoAduidACuic(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：Rd2（%Rb）輸出電阻R。：從單個(gè)輸出端看進(jìn)去的等效電阻即為輸入電阻 Ro,則有：RoRc3、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(méi)有Re,即Re0時(shí)，輸入信號(hào)只加在Vi管上，M管有放大作用，V2管沒(méi)有放大作用。接入Re,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。4.1.5共模抑制比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：cmrraAc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(lái)表示共模抑制比， CMRR20lg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(wú)窮大。（共模輸入條件下，差動(dòng)輸出Uoc0,則共模電壓增益： A工”0,所以共模抑制比無(wú)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(yè)，例題4-2）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(lái)困難。在實(shí)際的差動(dòng)放大器中，常采用電流源代替REO4.2.1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）（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(jiǎn)化電路圖）三極管V3三極管V3、電阻RpR2、RE3和二極管VD構(gòu)成恒流源電路。RpR2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：Ic3Ie11E2Ic3近似于恒值：Ic3Ie11E21C1%2,確保V1、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