差分放大器设计.ppt

1、学习要求 掌握差分放大器的主要特性参数及其测试方法；,学会设计具有恒流源的差分放大器及电路的调试技术。,差分放大器设计,恒流源电路,一、具有恒流源的差分放大器,输入端,输出端,具有恒流源的差分放大器，应用十分广泛。特别是在模拟集成电路中，常作为输入级或中间放大级。,T1、T2称为差分对管，T1与T2的特性应相同，常采用双三极管如5G921或BG319等，它与电阻RB1、RB2、RC1、RC2及电位器RP共同组成差分放大器的基本电路,基本电路,T3、T4是特性相同的晶体管， 与电阻RE3、RE4、R共同组成 恒流源电路，为差分对管的射 极提供恒定电流I0,RP可调整电路的对称性,电路特点,由于电

2、路的这种对称性结构特点及恒流源的作用，无论是温度的变化，还是电源的波动(称之为共模信号)，对T1、T2两管的影响都是一样的。因此，差分放大器具有抑制零点漂移，电路工作稳定的优点，而且还具有下限频率低、输入阻抗高等优点。适用于放大变化速率低的小信号，常用作模拟集成电路中的输入级或中间放大级。,1. 输入输出信号的连接方式, 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, 双端输入双端输出,RL加在 3、4端,R1、R2是均压电阻，给差分放大器提供对称差模输入信号,Vid 两端均不接地, 双端输入单端输出,两端应加相同的负载,两端应加相同的负载,均压电阻R1、R2给差分放

3、大器提供对称差模输入信号,Vid 两端均不接地,单端输入双端输出,RL应接在3、4两个输出端,信号源的一端和差分放大器的一个输入端均接地,单端输入单端输出,两个输出端应接相同的负载,信号源的一端和 差分放大器的一个输入端均应接地,两个输出端应接相同的负载,注意：,连接方式不同，电路的特性参数是有所不同的,2. 静态工作点的计算,差分放大器的输入端不加信号,恒流源电路的电流 IR,恒定电流I0,恒定电流主要由电源电压VEE及电阻R、RE4决定,称IO为IR的镜像电流,对于T1、T2组成的对称 电路， 则有:,T1、T2特性参数相同 RC1=RC2,RB1=RB2,IC1Q= IC2Q= I0/2

4、,差分放大器的 静态工作点， 主要由恒流源 电流I0的大小 决定。,二、主要特性参数及其测试方法,1. 传输特性 2. 差模特性 3. 共模特性,1. 传输特性,传输特性是指差分放大器输入差模电压vid时，集电极电流iC随输入电压vid的变化规律。,差模输入电压Vid=0时， 两管的集电极电流相等， IC1Q= IC2Q= I0/2， 称Q点为静态工作点；,当vid增加(25mV以内)时， iC1随vid线性增加，iC2随vid 线性减少，IC1+ IC2= I0的 关系不变；,非线性区,限幅区,限幅区,线性放大区,在vid增加到使T1趋于饱和区， T2趋于截止区(vid超过50mV)时， i

5、C1的增加和iC2的减小都逐渐缓慢， 这时iC1、iC2随vid作非线性变化,在vid再继续增加 (超过100mV)， T1饱和、T2截止时， iC1、iC2不再随vid变化，,加入射极电阻RP 可加强电流负反馈， 扩展线性区,当RP100 vid在50mV内是线性区,测量传输特性,1. 传输特性,在实际应用中是通过测量T1和T2的集电极电压 vC1、vC2随差模电压vid的变化规律来测量差模传输特性。 因为vC1= VCCiC1RC1，如果+ VCC、RC1确定，则vC1与 iC1的变化规律相同，而且测量电压VC1、VC2比测量电 流IC1、IC2要方便得多。,测量差模传输特性接线图,示波器

6、上显示的差模传输特性曲线,uc1=Vcc -Ic1*Rc1,截止区：Vc=Vcc-Io*Rc,注意：需要将Vid逐渐增加才能看到传输特性曲线上的各个区域,2. 差模特性,当从差分放大器的两个输入端输入一对差模信号(大小相等、极性相反)时，与差分放大器4种接法所对应的差模电压增益AVD、差模输入电阻Rid、差模输出电阻Rod的关系如表所示。,差分放大器4种接法的差模特性,2. 差模特性,双端输出时的差模特性完全相同,单端输出时的差模特性也完全相同,双端输入、单端输入， 输入电阻Rid是相同的,差模电压增益AVd的测量方法,2. 差模特性,设差分放大器为双端输出接法,用双踪示波器测量vC1及vC2

7、(它们应是一对大小相等、极性相反的不失真正弦波)。,设差分放大器为单端输出接法,用双踪示波器测量vC1及vC2(它们应是一对大小相等、极性相反的不失真正弦波)。,双端输出时的差模电压增益：,单端输出时的差模电压增益：,如果VC1与VC2不相等，则说明 放大器的参数不完全对称。 若VC1与VC2相差较大，则应重 新调整静态工作点，使电路性 能尽可能对称。,差模输入电阻与差模输出电阻的测量,差模输入电阻Rid与差模输出电阻Rod的测量方法与单管放大器输入电阻Ri及输出电阻Ro的测量方法相同。,2. 差模特性,3. 共模特性,当差分放大器的两个输入端 输入一对共模信号(大小相等、 极性相同)vic时

8、，由于恒流源的 作用，集电极电压vC1、vC2不 会因vic变化而同时增大或减小。 如果电路参数完全对称，则共 模电压增益AVc0。,具有恒流源的差分放 大器对共模信号，如晶体 管的零点漂移、电源波动、 温度变化等的影响具有很 强的抑制能力。常用共模 抑制比KCMR来表征差分放 大器对共模信号的抑制能 力，即,KCMR愈大，说明差分 放大器对共模信号的 抑制力愈强，放大器 的性能愈好。,共模抑制比KCMR的测量方法,后测量放大器的共模电压增益AVC,3. 共模特性,先测量放大器的差模电压增益AVd,将放大器的端与端相连接,输入Vic=500mV， fi=500Hz的共模 信号。,示波器观测vC

9、1、vC2,如果电路的对称性很好，则 VC1= VC20，示波器观测vC1、 vC2时，其波形近似于一条水 平直线。共模电压增益AVc0， 则共模抑制比,如果电路的对称性不是很好，vC1、 vC2的波形可能为一对大小相等、 极性相反的正弦波(其原因是由于 电路的参数不完全对称所引起的)。 但其幅值很小，用交流毫伏表测量 或将示波器的“V/cm”置于较小档时 才能观测到波形。这时的共模电压 增益，,双端输出时,单端输出时 AvcVc1/VicVc2/Vic,三、设计举例,例 设计一具有恒流源的单端输入双端输出差分放大器。 已知条件 +VCC=+12V，VEE= 12V，RL=20k，Vid=20

10、mV。 性能指标要求 Rid20k，AVd20，KCMR60dB。,(1) 确定电路连接方式及晶体管型号 根据指标要求KCMR60dB，即要求电路的对称性要好，则应采用集成差分对管BG319（ BG319其内部有4只特性完全相同的晶体管）或挑选三极管性能参数较一致的3DG130、3DG100等。根据题目要求，采用具有恒流源的单端输入双端输出差分放大器电路。,具有恒流源的单端输入双端输出差分放大器,设计举例,T1、T2、T3、T4为BG319的 4只晶体管，1=2=3=4=60,(2) 设置静态工作点并计算元件参数,差分放大器的静态工作点主要由恒流源i0的值决定，一般先设定I0。I0越小，恒流源

11、越恒定，漂移越小，放大器的输入阻抗越高。但也不能太小，一般为几毫安。取I0=1mA，,IR= I0=1mA，IC1= IC2= I0/2=0.5mA,Rid=2(RB1+ rbe)20k 则 RB16.6k 取RB1= RB2=6.8k,要求Rid20k,要求AVd20,取AVd=30,取RC1= RC2=10k,T1、T2的静态工作电压 集电极： VC1Q= VC2Q= VCCIC RC= 7V 基极： VB1Q= VB2Q=(Ic/ )RB1=0.08V0V 则 VE1Q= VE2Q 0.7V,恒流源电路的静态工作点及元件参数,设计举例,R+RE=11.3k,射极电阻RE一般取几千欧姆，这

12、里取RE3= RE4=2k，则R=9.3k，为方便调整I0，R用5.1k固定电阻与10k电位器RP2串联。,T3、T4静态工作电压 VB3= VB4= -IR*R= -9.3V VE3= VE4= VB40.7V= -10V,(3) 静态工作点的调整方法,设计举例,输入端接地,用数字电压表测量T1、T2的 集电极对地的电压VC1Q、VC2Q,调整RP1使其满足VC1Q= VC2Q 并测量T1、T2的基极和发射极对 地电压，VB1Q、VE1Q、VB2Q、VE2Q,用数字电压表测量T3、T4的射极 电压,并调节RP2使I0的值满足 设计要求(如1mA), VE3 = VE4 = -10V 。,VC

13、E1Q=VC1Q-VE1Q, VCE2Q=VC2Q-VE2Q 应使两管均工作在放大状态,测量差模传输特性曲线,设计举例,差模输入信号vid从20mV逐渐增大,调节RP1、RP2使传输特性曲线尽可能对称,如果晶体管的特性不太一致，改变RP1、RP2仍然不能使传输特性曲线对称，则可适当调整电路外参数，如RC1或RC2。待电路的差模特性曲线对称后，移去信号源，测量各三极管的电压值，并记录相应的数据。,VC1QVC2QVB1QVB2QVE1QVE2QVC3QVC4QVE3QVE4Q 7.17.1000.80.80.99.310.010.0,计算静态工作点I0=1mA、VCE1 =7.9V 、VCE2 = 7.9V 、VCE3 = 9.1V,(4) 测量结果,设计举例,技术指标的测量值为,(5) 误差分析,Rid=2(RB1+ rbe)+RP1 =23.22k,rbe =300+(1+ )*26mv/I0/2mA* mA =