第3章-生物医学常用放大器-第3节-直流放大器课件

第三节第三节 直流放大器直流放大器第三章第三章 生物医学常用放大器生物医学常用放大器一、直流放大器的零点漂移一、直流放大器的零点漂移1、零点漂移现象及其产生的原因、零点漂移现象及其产生的原因2、差分放大电路的形成差分放大电路的形成二、差分放大器二、差分放大器1、基本差分放大电路、基本差分放大电路2、差分放大电路的改进、差分放大电路的改进3、差分放大电路的工作性能分析差分放大电路的工作性能分析4、差分放大电路的四种接法及分析、差分放大电路的四种接法及分析第三节 直流放大器第三章 生物医学常用放大器一、直流放大器一、零点漂移现象及其产生的原因一、零点漂移现象及其产生的原因1.什么是零点漂移现象什么是零点漂移现象：uI0，uO0的现象。的现象。2 2.产生原因产生原因：温度变化，直流电源波动，元器件老化。其：温度变化，直流电源波动，元器件老化。其中晶体管的特性对温度敏感是主要原因，故也称零漂为温漂。中晶体管的特性对温度敏感是主要原因，故也称零漂为温漂。一、零点漂移现象及其产生的原因1.什么是零点漂移现象：u3.3.造成问题造成问题 零点漂移引起电压的变化与被放大的有用信号零点漂移引起电压的变化与被放大的有用信号无法区别开，对于直流放大器，前级引起的零点漂无法区别开，对于直流放大器，前级引起的零点漂移电压，被后级放大，最后将掩盖正常输出，造成移电压，被后级放大，最后将掩盖正常输出，造成错误输出。错误输出。4.4.解决方法解决方法 放大器的输入级采用差分放大器。放大器的输入级采用差分放大器。差分放大器差分放大器具有抑制零点漂移的作用，广泛用于集成电路的输具有抑制零点漂移的作用，广泛用于集成电路的输入级。入级。3.造成问题2、差分放大电路的形成、差分放大电路的形成目标：目标：Ui=0时，时，V可以补可以补偿温度引起的电压偿温度引起的电压飘移。飘移。2、差分放大电路的形成目标：第3章-生物医学常用放大器-第3节-直流放大器课件二、基本差分放大电路二、基本差分放大电路在理想对称的情况下：在理想对称的情况下：1.1.克服零点漂移；克服零点漂移；2.2.零输入零输出；零输入零输出；3.3.抑制共模信号；抑制共模信号；4.4.放大差模信号。放大差模信号。动态参数：动态参数：A Ad d、R Ri i、R Ro o、A Ac c、K KCMRCMR电路组成特点电路组成特点:对称性对称性在任何温度下，在任何温度下，T T1 1和和T T2 2的特性和参数均完全相同。的特性和参数均完全相同。二、基本差分放大电路在理想对称的情况下：电路组成特点:对称性（1 1）静态时，）静态时，IC1=IC2、UCl=UC2 UO=UCl-UC2=0（2 2）温度变化时）温度变化时 IC1=IC2UCl=UC2 uo=UCl-UC2=0。由温度变化引起的零点漂移被有效地抑制。由温度变化引起的零点漂移被有效地抑制。差分放大器对称结构对两管所产生的同向温度漂移具差分放大器对称结构对两管所产生的同向温度漂移具有较好的抑制作用，这是它的突出优点。有较好的抑制作用，这是它的突出优点。1.1.零点漂移的抑制零点漂移的抑制（1）静态时，IC1=IC2、UCl=UC2 (1)(1)共模输入共模输入(common-mode input)两管基极输入信号大小相等，极性相同，即两管基极输入信号大小相等，极性相同，即uil=ui2，这样的输入称为共模输入。这样的输入称为共模输入。差分放大器对共模信号差分放大器对共模信号没有放大作用，即放大倍数为零。没有放大作用，即放大倍数为零。温度变化所引起的零点漂移和其它干扰信号都可温度变化所引起的零点漂移和其它干扰信号都可以视为共模信号，以视为共模信号，差分电路抑制共模信号能力的大小差分电路抑制共模信号能力的大小反映出它对零点漂移的抑制水平，在高质量的直流放反映出它对零点漂移的抑制水平，在高质量的直流放大器中第一级总是采用差分放大器。大器中第一级总是采用差分放大器。2.差分放大器对信号的放大作用差分放大器对信号的放大作用(1)共模输入(common-mode input)2.(2)(2)差模输入差模输入(differential input)两管基极输入信号大小相等，极性相反，即两管基极输入信号大小相等，极性相反，即uil=-ui2，这样的输入称为差模输入。这样的输入称为差模输入。差模输入信号使两管的集电极电流差模输入信号使两管的集电极电流IC一增一减，相应一增一减，相应的两管的集电极电位一减一增。的两管的集电极电位一减一增。差动放大电路的输出电压为两管各自输出电压变化量差动放大电路的输出电压为两管各自输出电压变化量的两倍，的两倍，也就是将要放大的输入信号。也就是将要放大的输入信号。(2)差模输入(differential input)改进原因：改进原因：在实际电路中，在实际电路中，T1T1、T2T2完全对称的情况并不存完全对称的情况并不存在，单靠电路的对称性来抑制零点漂移是有限的。在，单靠电路的对称性来抑制零点漂移是有限的。差分电路中差分电路中每个管的集电极电位的漂移并未得到抑制，必须从改进电路着每个管的集电极电位的漂移并未得到抑制，必须从改进电路着手，来减小每个三极管自身的零点漂移。手，来减小每个三极管自身的零点漂移。3.典型差分放大器的改进典型差分放大器的改进 改进原因：在实际电路中，T1、T2完全对称的情况并不（1）长尾式差分放大器）长尾式差分放大器电路特点：电路特点：接入发射极电阻接入发射极电阻RE、辅助负电源、辅助负电源UEE，采用正负双电源供电。，采用正负双电源供电。为使电路左右平衡，设置调零电位器为使电路左右平衡，设置调零电位器Rw。电源电源UEE的作用：的作用：1 1）使信号变化幅度加大。）使信号变化幅度加大。2 2）IB1、IB2由负电源由负电源-UEE提供。提供。R RW W取值应大些？取值应大些？还是小些？还是小些？发射极电阻发射极电阻RERE的作用是的作用是稳定静态工作点，限制稳定静态工作点，限制每一个三极管的漂移范每一个三极管的漂移范围，减小每个管子的零围，减小每个管子的零点漂移。点漂移。（1）长尾式差分放大器电路特点：电源UEE的作用：RW取值发射极电阻发射极电阻RERE的作用是的作用是稳定静态工作点，限制稳定静态工作点，限制每一个三极管的漂移范每一个三极管的漂移范围，减小每个管子的零围，减小每个管子的零点漂移。点漂移。发射极电阻RE的作用是稳定静态工作点，限制每一个三极管的漂移双端输入双端输入双端输出对称差分双端输出对称差分放大器。放大器。4 4、电路性能分析、电路性能分析静态工作点分析：静态工作点分析：Q点的计算点的计算动态分析：动态分析：共模信号、差模信号共模信号、差模信号双端输入双端输出对称差分放大器。4、电路性能分析静态工作点4.1 4.1 Q点分析点分析（输入为（输入为0 0）晶体管输入回路方程：晶体管输入回路方程：选合适的选合适的VEE和和Re就就可得合适的可得合适的Q4.1 Q点分析（输入为0）晶体管输入回路方程：选合适的VE4.2 4.2 抑制共模信号抑制共模信号 共模信号：数值相等、极性相同的共模信号：数值相等、极性相同的输入信号，即输入信号，即4.2 抑制共模信号 共模信号：数值相等、极性相同的输入信号为什么中间为什么中间等于地？等于地？4.3 4.3 差模信号作用时的动态分析差模信号作用时的动态分析差模放大倍数差模放大倍数Re哪里去了哪里去了？为什么中间4.3 差模信号作用时的动态分析差模放大倍数Re哪 在实际应用时，信号源需要有在实际应用时，信号源需要有“接地接地”点，以避点，以避免干扰；或负载需要有免干扰；或负载需要有“接地接地”点，以安全工作。点，以安全工作。根据信号源和负载的接地情况，差分放大电路有四根据信号源和负载的接地情况，差分放大电路有四种接法：种接法：双端输入双端输出、双端输入单端输出、单端双端输入双端输出、双端输入单端输出、单端输入双端输出、单端输入单端输出输入双端输出、单端输入单端输出。5、差分放大电路的四种接法差分放大电路的四种接法 在实际应用时，信号源需要有“接地”点，以避免干扰；或(1)(1)双端输入双端输入双端输出双端输出差模放大倍数差模放大倍数(1)双端输入双端输出差模放大倍数(2)(2)双端输入双端输入单端输出单端输出对差模信号的等效电路对差模信号的等效电路(2)双端输入单端输出对差模信号的等效电路(3)(3)单端输入单端输入双端输出双端输出共模输入电压共模输入电压差模输入电压差模输入电压 输入差模信号的同时总是伴随着共模信号输入。且输入差模信号的同时总是伴随着共模信号输入。且共模放大倍数共模放大倍数AcAc不为零！不为零！单端输入双端输出的静态工作、交流等效模型、动单端输入双端输出的静态工作、交流等效模型、动态参数分析与双端输入双端输出完全相同。态参数分析与双端输入双端输出完全相同。输入信号为输入信号为0.5U0.5UI I。(3)单端输入双端输出共模输入电压差模输入电压 输入差(4)(4)单端输入单端输入单端输出单端输出rid=2(RB+rbe)rod=RC 单端输入单端输出的静态工作、交流等效模型、动单端输入单端输出的静态工作、交流等效模型、动态参数分析与双端输入单端输出完全相同。态参数分析与双端输入单端输出完全相同。输入信号为输入信号为0.5U0.5UI I。共模放大倍数共模放大倍数AcAc不为零！不为零！(4)单端输入单端输出rid=2(RB+rbe)单端四种差分放大电路的性能比较四种差分放大电路的性能比较接法接法差模电压放大增益差模电压放大增益共模电压放大增益共模电压放大增益KCMR输入、输出电阻输入、输出电阻双入双入双出双出对称条件下对称条件下Auc=0KCMRrid=2(RB+rbe)rod=2RC单入单入双出双出对称条件下对称条件下Auc=0KCMRrid=2(RB+rbe)rod=2RC双入双入单出单出rid=2(RB+rbe)rod=RC单入单入单出单出rid=2(RB+rbe)rod=RC四种差分放大电路的性能比较接法差模电压放大增益共模电压放大增6、具有恒流源的、具有恒流源的差分放大电路差分放大电路 R Re e 越大，越大，每一边的漂移越小，共模负反馈越强，单端输出时每一边的漂移越小，共模负反馈越强，单端输出时A Ac c越小，越小，K KCMRCMR越大，越大，差分放大电路的性能越好差分放大电路的性能越好。但为使静态电流不变，但为使静态电流不变，R Re e 越大，越大，V VEEEE越越大，以至于大，以至于R Re e太大就太大就不合理了不合理了。目标：目标：在低电源条件下，得到趋于无穷大的在低电源条件下，得到趋于无穷大的R Re e。解决方法：采用电流源取代解决方法：采用电流源取代Re！6、具有恒流源的差分放大电路 Re 越大，每一边的漂移用用恒流源恒流源取代取代Re，组成差分放大电路组成差分放大电路等效电阻等效电阻为无穷大为无穷大IC3近似为近似为恒流恒流用恒流源取代Re，组成差分放大电路等效电阻为无穷大IC3近似恒流源的作用恒流源的作用:恒流源相当于阻值很大的电阻。恒流源相当于阻值很大的电阻。恒流源不影响差模放大倍数。恒流源不影响差模放大倍数。恒流源影响共模放大倍数，使共模放大倍数减小，从而恒流源影响共模放大倍数，使共模放大倍数减小，从而增加共模抑制比，理想的恒流源相当于阻值为无穷大的增加共模抑制比，理想的恒流源相当于阻值为无穷大的电阻，所以共模抑制比是无穷大。电阻，所以共模抑制比是无穷大。恒流源的作用:恒流源相当于阻值很大的电阻。加调零电位器加调零电位器 RWR RW W取值应大些？取值应大些？还是小些？还是小些？加调零电位器 RWRW取值应大些？