差分放大电路.ppt

模拟电子技术基础,安徽理工大学电气工程系,主讲：黄友锐,第九讲,6.1概述6.2差分放大电路的静态计算6.3差分放大电路的动态计算,06差分放大电路,6.1概述,6.1.1差分放大电路的组成6.1.2差分放大电路的输入和输出方式6.1.3差模信号和共模信号,6.1.1差分放大电路的组成,差分放大电路是由对称的两个基本放大电路，通过射极公共电阻耦合构成的。如图06.01所示。对称的含义是两个三极管的特性一致，电路参数对应相等。,图06.01差分放大电路,即：1=2=VBE1=VBE2=VBErbe1=rbe2=rbeICBO1=ICBO2=ICBORC1=RC2=RCRb1=Rb2=Rb,6.1.2差分放大电路的输入和输出方式,差分放大电路一般有两个输入端：同相输入端，反相输入端。,差分放大电路可以有两个输出端，一个是集电极C1，另一个是集电极C2。从C1和C2输出称为双端输出，仅从集电极C1或C2对地输出称为单端输出。,根据规定的正方向，在一个输入端加上一定极性的信号，如果所得到的输出信号极性与其相同，则该输入端称为同相输入端。,反之，如果所得到的输出信号的极性与其相反，则该输入端称为反相输入端。,信号的输入方式：若信号同时加到同相输入端和反相输入端，称为双端输入；若信号仅从一个输入端对地加入，称为单端输入。,图06.02共模信号和差模信号示意图,6.1.3差模信号和共模信号,差分放大电路仅对差模信号具有放大能力，对共模信号不予放大。,温度对三极管电流的影响相当于加入了共模信号。差分放大电路是模拟集成运算放大器输入级所采用的电路形式。,差模信号共模信号,是指在两个输入端加上幅度相等，极性相反的信号。,是指在两个输入端加上幅度相等，极性相同的信号。,图06.03双电源差分放大电路,6.2差分放大电路的静态计算,差分放大电路的静态和动态计算方法与基本放大电路基本相同。为了使差分放大电路在静态时，其输入端基本上是零电位，将Re从接地改为接负电源VEE。,由IB的计算式可知，Re对一半差分电路而言，只有2Re才能获得相同的电压降。,如图06.03所示。由于接入负电源，所以偏置电阻Rb可以取消，改为VEE和Re提供基极偏置电流。基极电流为:,(动画6-1),6.3差分放大电路的动态计算,6.3.1差模状态动态计算6.3.2共模状态动态计算6.3.3恒流源差分放大电路,6.3.1差模状态动态计算,差分放大电路的差模工作状态分为四种:1.双端输入、双端输出（双-双）2.双端输入、单端输出（双-单）3.单端输入、双端输出（单-双）4.单端输入、单端输出（单-单）主要讨论的问题有：差模电压放大倍数差模输入电阻输出电阻,图06.04双端输入双端输出,(1)差模电压放大倍数Avd,双端输入差放电路如图06.04所示。负载电阻接在两集电极之间。vi接在两输入端之间，也可看成vi/2各接在两输入端与地之间。,这种方式适用于双端输入和双端输出，输入、输出均不接地的情况。,双端输入双端输出差模电压放大倍数,差动放大器双入双出微变等效电路,(1)差模电压放大倍数Avd,双端输入单端输出差模电压放大倍数,这种方式适用于将差分信号转换为单端输出的信号。,双端输入单端输出因只利用了一个集电极输出的变化量，所以它的差模电压放大倍数是双端输出的二分之一。,图06.05双端输入单端输出,单端输入双端输出差模电压放大倍数,单端输入信号可以转换为双端输入，其转换过程见图06.06。右侧的Rs+rbe归算到发射极回路的值(Rs+rbe)/(1+)Re，故Re对Ie分流极小，可忽略，于是有:,这种方式用于将单端信号转换成双端差分信号,可用于输出负载不接地的情况。,图06.06单端输入转换为双端输入,vi1=vi2=vi/2,单端输入单端输出,通过从T1或T2的集电极输出，可以得到输出与输入之间或电位反相或电位同相的关系。从T1的基极输入信号，从C1输出，为反相；从C2输出为同相。,(2)差模输入电阻,不论是单端输入还是双端输入，差模输入电阻Rid是基本放大电路的两倍。,(3)输出电阻,输出电阻在单端输出时，双端输出时，,6.3.2共模状态动态计算,如果输入信号极性相同，幅度也相同则是纯共模信号。如果极性相同，但幅度不等，则可以认为既包含共模信号，又包含差模信号，应分开加以计算，如图06.07所示。,例如温漂信号属共模信号，它对差分放大电路中Ic1和Ic2的影响相同。,计算共模放大倍数Avc的微变等效电路，如图06.08所示。其中Re用2Re等效，这与差模时不同。Avc的大小，取决于差分电路的对称性，双端输出时可以认为等于零。单端输出时为:,图06.08共模微变等效电路,(1)共模放大倍数Avc,(2)共模抑制比,共模抑制比KCMR是差分放大器的一个重要指标。,，或,双端输出时KCMR可认为等于无穷大，单端输出时共模抑制比,(动画6-2),6.3.3恒流源差分放大电路,为了提高共模抑制比应加大Re。但Re加大后，为保证工作点不变，必须提高负电源，这是不经济的。为此可用恒流源T3来代替Re。,恒流源电流数值为IE=(VZ-VBE3)/Re,图06.09恒流源差分放大电路,恒流源动态电阻大，可提高共模抑制比。同时恒流源的管压降只有几伏，可不必提高负电源之值。这种电路称为恒流源差分放大电路，电路如图06.09所示。,07多级放大电路,多级放大电路的放大倍数,7.1.1耦合形式,7.1.2零点漂移,7.1多级放大电路概述,7.1.1耦合形式,多级放大电路的连接，产生了单元电路间的级联问题，即耦合问题。放大电路的级间耦合必须要保证信号的传输，且保证各级的静态工作点正确。,耦合电路采用直接连接或电阻连接，不采用电抗性元件。,级间采用电容或变压器耦合。,电抗性元件耦合，只能传输交流信号，漂移信号和低频信号不能通过。,直接耦合电路可传输低频甚至直流信号，因而缓慢变化的漂移信号也可以通过直接耦合放大电路。,直接耦合,电抗性元件耦合,根据输入信号的性质，就可决定级间耦合电路的形式。,耦合电路的简化形式如图07.01所示。,直接耦合或电阻耦合使各放大级的工作点互相影响，应认真加以解决。,(a)阻容耦合(b)直接耦合(c)变压器耦合图07.01耦合电路的形式,7.1.2零点漂移,零点漂移,是三极管的工作点随时间而逐渐偏离原有静态值的现象。产生零点漂移的主要原因是温度的影响，所以有时也用温度漂移或时间漂移来表示。工作点参数的变化往往由相应的指标来衡量。,一般将在一定时间内，或一定温度变化范围内的输出级工作点的变化值除以放大倍数，即将输出级的漂移值归算到输入级来表示的。例如V/C或V/min。,7.1.3直接耦合放大电路的构成,直接耦合或电阻耦合使各放大级的工作点互相影响，这是构成直接耦合多级放大电路时必须要加以解决的问题。,电位移动直接耦合放大电路,NPN+PNP组合电平移动直接耦合放大电路,电流源电平移动放大电路,(1),(2),(3),电位移动直接耦合放大电路,(1),于是VC1=VB2VC2=VB2+VCB2VB2（VC1）这样，集电极电位就要逐级提高，为此后面的放大级要加入较大的发射极电阻，从而无法设置正确的工作点。这种方式只适用于级数较少的电路。,如果将基本放大电路去掉耦合电容，前后级直接连接，如图07.02所示。,图07.02前后级的直接耦合,(2),NPN+PNP组合电平移动直接耦合放大电路,级间采用NPN管和PNP管搭配的方式，如图07.03所示。由于NPN管集电极电位高于基极电位，PNP管集电极电位低于基极电位，它们的组合使用可避免集电极电位的逐级升高。,图07.03NPN和PNP管组合,电流源电平移动放大电路,(3),但电流源交流电阻大，在R1上的信号损失相对较小，从而保证信号的有效传递。同时,输出端的直流电平并不高，实现了直流电平的合理移动。,在模拟集成电路中常采用一种电流源电平移动电路，如图07.04所示。,图07.04电流源电平移动电路,电流源在电路中的作用实际上是个有源负载，其上的直流压降小，通过R1上的压降可实现直流电平移动。,7.2多级放大电路电压放大倍数的计算,在求分立元件多级放大电路的电压放大倍数时有两种处理方法。,输入电阻法,开路电压法,一是将后一级的输入电阻作为前一级的负载考虑，即将第二级的输入电阻与第一级集电极负载电阻并联。,二是将后一级与前一级开路，计算前一级的开路电压放大倍数和输出电阻，并将其作为信号源内阻加以考虑，共同作用到后一级的输入端。,图07.05两级放大电路计算例,现以图07.03的两级放大电路为例加以说明，有关参数示于图07.05中。三极管的参数为1=2=100，VBE1=VBE2=0.7V。计算总电压放大倍数。分别用输入电阻法和开路电压法计算。,7.2.1用输入电阻法求电压增益,（1）求静态工作点,（2）求电压放大倍数,先计算三极管的输入电阻,电压增益,如果求从VS算起的电压增益，需计算第一级的输入电阻,Ri1=rbe1/Rb1/Rb2=3.1/51/20=3.1/14.4=2.55k,7.2.2用开路电压法求电压增益,第一级的开路电压增益,第二级的电压增益,第一级的输出电阻,总电压增益,7.3变压器耦合的特点,采用变压器耦合也可以隔除直流，传递一定频率的交流信号，因此各放大级的Q互相独立。变压器耦合的优点是可以实现输出级与负载的阻抗匹配，以获得有效的功率传输。变压器耦合阻抗匹配的原理见图07.06(a)。,在理想条件下，变压器原副边的安匝数相等，即I1N1=I2N2I2=（I1N1/N2）=I1(V1/V2)=(V2/RL)(