3.11差分放大器.doc

3.11 差分放大器一、实验目的1. 掌握基本差分放大器的设计方法。2.了解零漂产生的原理与抑制零漂的方法。3.掌握差分放大器的基本测试方法。二、实验原理1.典型差分式直流放电器图3-11-1所示为一个典型差分式直流放电器电路。电路两边对称，R E为两管公用发射极电阻，RW为调零电位器。静态时，调节RW可使两管静态电流相等，输出电压Vo=Vc1-Vc2=0.图3-11-1中V1为输入信号，VO为输出直流信号。如果输入一个信号VID，对地而言则是一对大小相等而极性相反的差模信号 Vi1 =-Vi2=12Vid ,在T1和T2完全对称的情况下，则有CQ1增大了Ic，VCQ1减少了Vc；同时CQ2减少了Ic，VCQ2增加了Vc，故Vod=Vc1-Vc2=-2Vc。如果忽略信号源内阻，则差模电压放大倍数Avd为 Avd =VODVID=2VOD12VID1=2VOD1VID=2Avd1 =2-12RLRB+rbe+121+Rw (3 11 - 1) = - RLRB+rbe+12(1+)Rw 式中，RL=RC1/RL2 ,RB=RI1/RB1,Avd1为T1的电压放大倍数，且调零电位器滑动端处于中间位置。 如果输入一对大小相等极性相同的共模信号VIC=VI1=VI2，则两管电流同时增大，导致RE上的电压降又随之增大且为单管电流增量的两倍，故RE共模信号起着很强的负反馈作用。输出端由于各单管输出电压同时减小，且增量相等，故总输出为0，几乎对共模信号无放大作用，其单边输出增益也很小。可推导出 Avc1=Avc2=-RCRB+rbe+121+Rw+2(1+)RE (3 11 - 2) 其中，RC=RC1=RC2。 一般 2（1+）RERB+rbe+12(1+)Rw 故式（3-11-2）可简化为 =Avc2-RC2RE (3 11 3 ) 晶体管因温度、电源电压等变化引起的工作点的变化，在差分放大器中相当于加入了共模信号。因此，差分放大器能很好的抑制温度、电源电压等变化对工作点的影响。在差分放大器中常用共模抑制比来衡量放大器的性能，其定义为 kCMR=|AvdAvc| 或 kCMR（dB）=20lg|AvdAvc|（dB） ( 3 11 4 )KCMR越大，表示电路对称性越好，对漂移的抑制能力也就越强。2. 由运放构成的高阻抗差分放大器图 3 11 2 为高输入阻抗差分放大器电路，应用十分广泛。从仪器测量放大器，到特种测量放大器，几乎都能见到其踪迹。从图3 11 2中可以看到，A1和 A2两个同相运放电路构成输入级，再与差分放大器A3串联组成三运放差分放大器电路。电路中有关电阻保持严格对称，具有以下几个优点：（1） A1和A2提高了差模信号与共模信号之比，即提高了信噪比。（2） 在保证有关电阻严格对称的条件下，各电阻阻值的误差对该电路的共模抑制比KCMR没有影响。（3） 电路对共模信号几乎没有放大作用，共模电压增益接近于零。 因为电路中R1=R2,R3=R4,R5=R6,故可导出两级差模总增益为 Avd=(Rp+2R1RP)R5R3 ( 3 11 - 5)通常，第一级增益要尽量高，第二级增益一般为12倍。这里选择第一级100倍，第二级为1倍。则取R3=R4=R5=R6=10k,要求匹配性好，一般用金属膜精密电阻，阻值可在10k几百k间选择。则 Avd=Rp+2R1Rp ( 3 11 - 6 )先定Rp，通常在1K10K内，这里取Rp=1K，则可由上式求得R1=99Rp/2=49.5 K取标称值51 K。图3-11-2中的Rs1和Rs2通常不要超过Rp/2，这里选Rs1=Rs2=510，用于保护运放输入级。 A1和A2应选用低温漂、高KCMR的运放，性能一致性要好。现在已有专用集成电路，除Rp外，其余的器件均封装在一块芯片内，如INA111。 3.设计举例 设计一个差分放大器，差模增益Avd20倍，单电源12V供电。采用双端输入、双端输出方式，要求工作点电流ICQ=0.5mA ，负载RL=10 K。 首先，确定电路类型。由于对共模抑制比没有具体要求，所以一般电路就可以了。由于要求单电源供电，故选类似于图3-11-1的电路。若要求双电源供电，将图3-11-1中RE下端接负电源。如果对共模抑制比大小有要求，则一定要选双电源供电，否则较难达到指标要求。KCMR介于50db60db之间，可将图3-11-1中的RE用恒流源代替，下端接负电源。当要求很高时，用图3-11-2类型的电路。电路形式定好后，再考虑工作点设置。一般差分放大器多用作输入级，故差模输入信号都很小。通常选择ICQ=（0.31）mA.这里取ICQ1=ICQ2=0.5mA。接下来确定RE和RW的大小。一般取VEQ1=VEQ2=VEQ(12)V,这里取VEQ2=IEQ（RW2+2RE）ICQ（RW2+2RE）=1.5V（3-11-8）这里RW取220，则RE1.5 K （3-11-9）同理可得 RI1+R1VBEQ1+VEQ1IB1=2.2K一般R1=R2=500左右.这里取R1=510,则取RI1=1.5 K.晶体管一般要求50，选择时应注意两管的匹配性，尽量保证两者值相同。各对应电阻值选择一样，应选用相同阻值、相同材料的元件，一般是金属膜电阻。假定=50V，则 rBE1=300+(1+)26IE1=2952由式（3-11-1）可得 Avd=-RL，BE+rbe+1+RW/2=-20因RB=RB1/RI1=1.30 K，故可求得RL，=3.94 K。再由RL，=RC/(R L/2)求得RC=18.6 K，取标称值RC=18K。三、预习要求1熟悉有关差分放大器的基本原理和设计方法。2了解几种常用的差分放大电路。3.设计几种差分放大器。指标要求如下： （1）增益Avd15，单电源VCC=+12V供电，双端输入双端输出工作方式，负载RL=10K，工作电流ICQ=0.2mA。 （2）增益Avd20，双电源VCC=+6V、VEE=-6V供电，输入输出工作方式上，单端输出时共模抑制比大于等于50dB,负载RL=10 K，ICQ=0.5mA，恒流源电路部分采用分压式偏置。（3）增益Avd100，KCMR80dB，负载RL=10 K，双电源12V供电，建议采用三运放差分电路。以上任务每项作为一个内容，由易到难。四、实验内容1.搭接电路2.静态调试要求晶体管或运放各管脚在零输入时（接地），电位正常，与估算值基本吻合。3.动态调试输入0.1V左右的直流信号，可分双端、单端、共模、差模方式输入，自拟表格将测试结果记录表中，结果正常。4.指标测试按指标进行相应数据的测试，使计算结果满足设计要求。若指标不到设计要求，需调整电路直到达标。提示：分立元件差分电路一定要有调零电路，这样才能达到指标要求电位器选用多线圈式，输出失调电压控制在10mV以内。五、实验报告要求1设计过程与电路。2调试过程与测试结果。3 。对产生故障做理论分析。4.总结差分电路的性能和特点。六、思考题1.若采用交流输入信号，针对单端和双端