差分放大电路：零漂、组成、直流分析

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第一章 差分放大电路,differential amplifier,直接耦合放大电路,#,一般的集成运算放大器都要采用直接耦合方式,1.1 直接耦合放大电路的零点漂移现象及抑制方法,零漂(zero drift),：,输入电压为零而输出电压的变化不为零。,原因,：,电源电压的波动、元件的老化、半导体器件参数随温,度变化而产生的变化。,主要原因是温度，,也称,温漂,。,温漂指标,：温度每升高1度时，输出漂移电压按电压增益折,算到输入端的等效输入漂移电压值。,抑制零漂（温漂）的措施,引入直流负反馈：Q点的漂移，故引入R,e,稳定Q点。,用热敏元件进行温度补偿：二极管图。,采用差分式放大电路：利用特性相同的管子，使它们 的温漂相互抵消。,1.2 差分式放大电路的组成及其直流分析,差分放大电路是构成直接耦合多级放大器的基本单元。,一、电路构成,有零点漂移现象,利用对称克服零点漂移现象,对称电路的射极电阻合二为一,为简化电路,便于调节Q点,引入负直流电压源V,EE,由两个结构,完全对称,的共射电路组成，通过射极公共电阻R,e,耦合构成。电路参数理想对称,特点,：零输入时零输出；差模信号具有放大作用，共模信号抑制作用，即为所谓的“差动”,。,差模信号,：,一对大小相等，极性相反的信号，用,u,Id1、,u,Id2,表示，,u,Id1,=-,u,Id2。,differential,共模信号,：,一对大小相等，极性相同的信号，用,u,Ic1、,u,Ic2,表示，,u,Ic1,=,u,Ic2,。,common,输入方式,单端输入,双端输入,输出方式,单端输出,双端输出,差分电路的输入输出方式,二、长尾式差分放大电路,1,=,2,=,U,BE1,=,U,BE2,=,U,BE,r,be1,=,r,be2,=,r,be,I,CBO1,=,I,CBO2,=,I,CBO,R,C1,=,R,C2,=,R,C,R,b1,=,R,b2,=,R,b,静态分析,u,I,1,=,u,I,2,=0,由于电路结构、参数,对称,，,管子特性一致。,I,BQ1,=I,BQ2,=,I,BQ,I,CQ1,=I,CQ2,=I,CQ,I,EQ1,=I,EQ2,=,I,EQ,U,C1,=U,C2,=U,C,1.3,差分放大电路对共模信号的抑制作用,u,Ic1,=,u,Ic2,=,u,Ic,i,b1,=i,b2,i,c1,=i,c2,i,e1,=i,e2,流过R,e,上的动态电流：,i,Re,=i,e1,+i,e2,=2i,e,R,e,上的电压：,u,Re,=,2i,e,R,e,因此，从电压等效的观点看，相当每管的射极各接有2,R,e,的电阻。,画交流通路时，单管射极电阻应为2,R,e。,共模电压放大倍数,共模电压放大倍数定义为:,u,oc,R,c,u,I,c1,T,1,R,b,2R,e,I,ec1,u,oc1,R,c,u,I,c2,T,2,R,b,2R,e,I,ec2,u,oc2,双端输出时,，,当电路完全对称时，,u,oc1,=,u,oc2,所以双端输出的共模电压放大倍数为零，即,A,c,=0。,单端输出时的共模电压放大倍数为P163 (3.3.17),可见，由于射极电阻2,R,e,的自动调节(负反馈)作用，使得单端输出的共模电压放大倍数大为减小。在实际电路中，均满足,R,e,R,C,，故|,A,c,(单)|0.5，即差动放大器对共模信号不是放大而是抑制。共模负反馈电阻,R,e,越大，则抑制作用越强。,1.4,差分放大电路对,差模信号的放大作用,u,I1,=,u,Id1,，,u,I2,=,u,Id2,，,而,u,Id1,=-,u,Id2,i,b1,=-i,b2,i,e1,=-i,e2,u,c1,=-u,c2,流过R,e,上的交流总电流：,i,e,=i,e1,+i,e2,=0,R,e,上交流压降为0。,因此，画交流通路时，R,e,可视为短路，即两管的发射极直接接地。,即：一管的射极电流增大，另一管的射极电流减小，且增大量和减小量时时相等。因此流过,R,e,的信号电流始终为零，公共射极端电位将保持不变。所以对差模输入信号而言，公共射极端可视为差模地端，即,R,e,相当对地短路。,由,u,c1,=-,u,c2,可知R,L,两端电位一端为正，一端为负，R,L,的中点应是地电位，,即每管对地的负载电阻为R,L,/2,R,b,R,c,u,Id1,u,o,T,1,R,b,R,c,u,Id2,T,2,u,I,d,差模电压放大倍数,u,Id1,=-,u,I,d2,差模电压放大倍数定义为输出电压与输入差模电压之比。在双端输出时，输出电压为:,输入差模电压为:,R,b,R,c,u,Id1,u,o,T,1,R,b,R,c,u,Id2,T,2,u,Id,R,L,=R,c,/(R,L,/2),与单管增益形式相同，以牺牲一个管子的放大倍数为代价，来换取低温漂,R,i,=2(R,b,+r,be,),R,o,2 R,c,P160 (3.3.7),单端输出时，则,I,BQ1,=I,BQ2,=,I,BQ,，,I,CQ1,=I,CQ2,=I,CQ,I,EQ1,=I,EQ2,=,I,EQ,，U,CQ1,U,CQ2,V,CC,=(I,CQ1,+,I,LQ,),R,C,+,U,OQ,I,LQ,=,U,OQ,/,R,L,单端输出时，则,R,i,=2(R,b,+r,be,),R,o,R,c,接T1,接T2,P163 （）,没有Re,R,i,=2(R,b,+r,be,),R,o,2,R,c,双端输入单端输出,R,i,=2(R,b,+r,be,),R,o,R,c,总之：差分电路的,动态,分析：,差模信号,R,L,=R,c,/(R,L,/2),R,L,=R,c,/R,L,双端输入双端输出,共模抑制比,K,CMR,衡量差放的一个重要指标,为了衡量差动放大电路对差模信号的放大和对共模信号的抑制能力，引入参数共模抑制比K,CMR,。它定义为差模放大倍数与共模放大倍数之比的绝对值，即common mode rejection ratio,K,CMR,也常用dB数表示，并定义为,K,CMR,实质上是反映实际差动电路的对称性。,双端输出,单端输出,在双端输出理想对称的情况下，因,A,c,=0,所以K,CMR,趋于无穷大。但实际的差动电路不可能完全对称，因此K,CMR,为一有限值。在单端输出不对称的情况下，K,CMR,必然减小。,理想,差放的特点,：输入无差别，输出就不动；,输入有差别，输出就变动。,对任意信号的分析方法,对于两个任意信号U,i1,、U,i2,，分析时可将它们,分解成一对共模信号和一对差模信号,，然后分别由差模和共模增益来求。,U,ic,=U,ic1,=U,ic2,=(U,i1,+U,i2,)/2,U,id1,=-U,id2,=U,id,/2,U,id,=(U,i1,-U,i2,),例,：U,i1,=10mV U,i2,=8mV,U,ic,=(U,i1,+U,i2,)/2=9mV U,id,=(U,i1,-U,i2,)=2mV,输出电压,为：,u,O,=A,d,u,id,+A,c,u,ic,差动放大电路的输出与两个输入电压的差值成正比，与输入电压本身的大小无关,A,c,=0时,：,u,O,=A,d,u,id,已知E,c,=12V，E,e,=6V，,=60 r,bb,=100 R,c,=R,b,=R,ee,=10K R,W,=100,U,i1,=5mV,U,i2,=3mV,求：输入差模电压U,id1,、U,id2,和共模电压U,ic,双端输出差模U,od,和共模电压U,oc,解：,求静态值,例,题,求,U,id1,、U,id2、,U,ic,U,id1,=-U,id2,=(U,i1,-U,i2,)/2,U,ic,=U,ic1,=U,ic2,=(U,i1,+U,i2,)/2,=（53）/2=4mV,=（5-3）/2=1mV,求,A,Ud,U,od,=-31,=-31,1=-31mV,求,A,Uc,U,oc,双端输出：A,Uc,=0,U,oc,=0,例,题,单端输入差放电路的分析,U,i1,=U,i,U,i2,=0,处理方法：,按任意信号处理,U,ic1,=U,ic2,=(U,i,+0)/2=U,i,/2,U,id1,=-U,id2,=(U,i,-0)/2=U,i,/2,1.虽然是单端输入，输入信号将自动将,U,i,/2,加于T,1,-,U,i,/2,加于T,2,（R,ee,的负反馈的作用）双端输入处理。,2.增加了一对共模信号，,U,ic1,=U,ic2,=U,i,/2,例,题,当温度变化或电源电压波动时，都将使集电极电流产生变化，且变化趋势是相同的，,其,效果相当于在两个输入端加入了共模信号,。,差分放大电路,对共模信号有很强的抑制作用,，这就意味着差放,对,由温度变化或电源电压波动所引起的,输出漂移有很强的抑制作用。,这就是研究共模输入信号的意义。,I,ec1,I,ec2,抑制零点漂移,电路1,1.6 改进型差分放大电路,为了提高共模抑制比应加大,R,e,。但,R,e,加大后，为保证工作点不变，必须,提高负电源,，这是很不经济的。同时集成电路难以制造大电阻，为此可用恒流源来代替,R,e,。,恒流源动态电阻大,，可提高共模抑制比。恒流源可,提供一个稳定的偏流,，同时恒流源的管压降只有几伏，可,不必提高负电源,。,恒定电流,U,be,+I,3,R,3,=2U,D,+I,2,R,2,由于I,B3,很小,I,1,I,2,有源负载提供,大动态电阻,用恒流源输出等效高阻代替实体电阻,，称该电阻为有源负载。,若U,be,=U,D,则,I,3,R,3,=U,D,+I,2,R,2,恒流源差分放大电路,静态,电路2简化画法,差动放大电路的调零措施,恒流源电路的简化画法及电路调零措施,差动放大器的传输特性,差分放大电路的电压传输特性,本章小结,（1）零漂温漂静漂,（2）差分电路的静态分析,（3）对共模信号的抑制：Re=2Re,理想对称,（4）对差模信号的放大：没Re,（5）共模抑制比K,CMR,（6）四种接法时的计算,（7）改进型差分放大电路,