讲答案4章 差动放大电路

第4章差分放大器电路在工业控制过程中，温度和压力等物理量被传感器检测并转化为弱量。缓慢变化的非周期性电信号。然而，在进一步处理或推动辅助仪器显示之前，这些信号需要由直流放大器放大。然后，这里的放大器通常使用直接耦合多级放大器。直接耦合多级放大器存在零漂移问题。克服零点漂移的有效方法是在多级放大器的输入级使用差分放大电路。4.1典型差分放大器电路4.1.1零漂移问题1.零漂移(1)零漂移：指输入信号电压为零时，输出电压变化缓慢且不规则的现象，称为零漂移。(2)零点漂移的原因：晶体管参数随温度变化、电源电压波动、电路元件参数变化等。(主要因素是温度对晶体管参数的影响，这称为温度漂移。)(3)温度漂移：环境温度每变化1，放大器电路输出端的漂移电压就会转换到输入端，转换到输入端的漂移电压值用来表示零漂移的幅度，用。(人们通常认为零漂移就是温度漂移。)放大电路的级数越多，放大系数越大，零漂移电压将逐步放大，这将使零漂移更加严重，有时会淹没输入信号。然后，第一级零漂移在输出端的总零漂移中起主要作用。2.抑制温度漂移的措施：电路中引入直流负反馈。(例如，第2章中介绍的部分电压偏置电路是DC负反馈。)(2)使用具有相同特性的管使它们的温度漂移相互抵消，形成差分放大器电路。至于直接耦合多级放大器电路的输入端。(在直接耦合放大电路中，抑制零漂移最有效的电路结构是差分放大电路。)4.1.2典型差分放大器电路1.电路结构和静态操作(图4-1是典型的差分放大器电路)当两个具有相同电路结构和参数的单管放大电路组合在一起时，就会产生差异。动态放大电路的基本形式。两个管的发射极通过电阻串联到负电源，然后接地。(1)差分放大器电路的结构特点：(1)由两个结构和参数对称的级联组成；(2)它有两个输入端和两个输入信号。(3)它有两个输出端，单端输出(来自任何集电极的输出)和双端输出(两个集电极之间的输出)。它是一个负电源，保证工作在放大状态。(2)静态工作条件时间(静态):电源和发射极结正偏，集电极结反偏；。(3)流过的静态电流为。2.输入和输出模式(1)输入模式：双端输入和独立输入。(图4-1是双端输入，图4-2是单端输入)(2)输出模式：双端输出和单端输出。(图4-1是双端输出，图4-2是单端输出)(3)差分电路的输入输出方式：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。3.零漂移抑制(1)分析图4-1所示的电路。双端输入和双端输出差分电路进入时：(1)当温度恒定时，输出电压(电路对称，)(2)温度变化时：(电路对称，)(当温度变化时，两个管的集电极电位也随之变化，但电路是对称的，变化和的大小和方向是相同的。)结论：双端输入双端输出差分电路能有效抑制零点漂移。(2)抑制电阻零点漂移除了可以抑制零漂移的差分电路结构之外，电阻也可以抑制零漂移。电流的负反馈可以抑制由各种原因引起的集电极电流的变化，从而使总和最小化并抑制零漂移。:温度补偿电阻。常见电磁干扰在温度下，两个管的发射极电流和集电极电流之和增加。由于两个管的基极电势之和保持不变，两个管的发射极电势上升，导致两个管的发射极结电压下降()。两个管的基极电流和减小，集电极电流和减小。该过程类似于具有部分偏压的共源共栅电路中的功能。结论：(1)双端输出差动放大电路可以抑制由各种原因引起的零点漂移，抑制效果取决于两个管参数的对称程度。如果两个管完全对称，电路可以完全抑制零漂移。(2)具有单端输出的差分放大器电路可以抑制由各种原因引起的变化所表征的零漂移。抑制效果取决于的大小。如果它很大，零漂移可以最小化。4.差模信号和共模信号(1)差模信号：作用在差动放大器两个输入端的一对具有相等值和相反极性的输入信号，即差动放大器电路接收差模输入。两端输入信号之间的差值称为差模输入信号，表示为：(2)共模信号：两个输入信号的电压大小和极性相等，即差分放大器电路接收共模输入。这种输入称为共模输入信号，通常表示为：(3)实际信号：实际信号通常既不是简单的差模信号，也不是简单的共模信号，而是任意信号。那就是：；差分放大器两个输入端的任何信号都可以分解成一对共模信号和一对差模信号，即：您可以获得：(本书第52页，示例4-1)4.1.3典型差分放大器电路的静态分析静态分析的目的是计算静态工作点，即计算两个管的总和。(由于两个管完全对称，因此只需要一个管的静态值。静态路径如图4-4所示)，对于循环1的第一列的KVL方程，可以获得以下结果：注意：流过的电流是。您可以获得：环路列的KVL方程可以得到：4.1.4典型差分放大器电路的动态分析动态分析的目的是讨论差分放大电路对差分和共模信号的放大能力，以及不同输入输出模式下电路的电压放大系数和输入输出电阻。1.具有双端输入和双端输出的差分放大器电路(如图4-1所示)(1)共模信号该电路输入共模信号，电路的两侧对称，然后： ()则输出电压为：即共模输入条件下的差分输出为0。(差分放大器利用其电路结构和参数的对称性来抑制共模信号。)具有两个输出的差分放大电路对共模信号没有放大效应，并且共模放大因子(2)差模输入(1)输出电压输入一对差模信号：由于电路参数的对称性，产生的电流大小相同，方向相反，即：有：因此，输出电压为：实现电压放大。由于流过两个管的电流大小相等，极性相反，所以两个管的变化是电的电流相互抵消，流经它们的电流保持不变。因此，对于差模信号，在交流分析中，它可以被视为短路。(左图显示了差分放大器的差分模式交流路径，短路。)(2)差模电压放大系数(1)两个集管器之间没有负载输入差模信号时差分放大器的电压增益称为差模电压增益：其中：是作用中的输出电压。(左边是微型变压器的等效电路)其中：-表示单管共源共栅放大器的增益，也称为半电路增益。双端输出差模差分可变等效电路(从表达式可以看出，差分放大器两端输出端的电压增益等于半电路增益。可以认为差分放大器牺牲了一个管的增益(1)输入电阻：从两个输入端看到的等效电阻是输入电阻，即：(2)输出电阻：从两个输出端看到的等效电阻是输入电阻，即：2.具有双端输入和单端输出的差分放大器电路(如图4-5所示)(1)差模输入输入一对差模信号：由于电路参数的对称性，产生的电流大小相同，方向相反，即：有：由于是单端输出，输出电压为：(对于差模信号，在交流分析中可视为短路。)(2)差模电压放大系数其中：结论：双端输入单端输出差动放大电路的差模电压放大系数为具有双端输入和双端输出的差分放大器电路的一半。单端输出差模差分可变等效电路(2)共模信号该电路输入共模信号，电路两侧对称，流经电路的电流为。共模电压放大系数可以看出，单端输出差分电路可以放大共模信号，但放大系数很小。放电共模单管微型变压器等效电路大倍数的大小主要取决于，当时有：当输入差分和共模信号时，具有两个输入的差分电路输出电流。电压应为差模输出和共模输出的代数和，即：(3)具有双端输入的差分放大器电路的输入电阻和输出电阻(1)输入电阻：从两个输入端看到的等效电阻是输入电阻，即：(2)输出电阻：从单个输出端看到的等效电阻是输入电阻，即：3.具有单端输入和双端输出的差分放大器电路(如图4-6所示)当没有时，输入信号立即只施加到管上，管具有放大效应，而管没有放大效应。接入，两者都有放大效应。发射极电阻用于将单端输入转换为双端输入。具有单端输入和双端输出的差分放大器电路与具有双端输入和双端输出的差分放大器电路具有相同的差模电压放大系数、输入电阻和输出电阻。4.具有单端输入和单端输出的差分放大器电路(如图4-2所示)单端输入单端输出差分放大电路的差模电压放大系数、共模电压放大系数、输入电阻和输出电阻与双端输入单端输出差分放大电路相同。4.1.5 CMRR(对于差分放大器，共模电压的放大系数越小，抑制温度漂移(共模信号)的效果越好)；差模电压的放大系数越大，放大有用信号(差模信号)的能力就越强。)为了全面测量差分放大器对差模信号的放大能力和对共模信号的抑制能力，特别引入了一个性能指标共模抑制比。定义为：其中：-差模电压增益；-共模电压增益在工程中，共模抑制比通常以对数形式表示，单位为分贝()。共模抑制比(CMRR)代表运算放大器抑制干扰信号的能力。电路越大，性能越好。对于具有电路参数的理想对称双端输出，共模抑制比是无穷大。(在共模输入条件下，差分输出导致共模电压增益：因此共模抑制比是无穷大。)实际上，差分放大器电路不可能完全对称，因此它不等于零，也就是说，它只是一个大的有限值。越大，越小，越大。附加值可以提高电路的共模抑制比。(本书第56页，示例4-2)4.2带恒流源的差分放大器电路在前面分析的差分放大器电路中，发射极电阻在共模抑制中起着重要作用。为了提高共模抑制能力，电阻值越大越好。怎么二极管是一种温度补偿二极管，当温度变化时可以保持恒定值。在恒流源差动放大电路中，三极管工作在放大区，具有低静态电阻和高动态电阻。该电路能很好地抑制零点漂移，提高电路的共模抑制比。4.2.1带恒流源的差分放大器电路分析1.静态分析(静态工作点的计算从恒流源电路的基本电路开始)如果存在(可忽略不计的压降)，上压降为：(1)各极电流，有：(2)各极电位电子管的基本电位是：(DC分析，短路，连接到现场。)该管的发射极电位为：2.管道压降：管道压降：2.动态分析