講答案4章差動(dòng)放大電路.doc

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第4章 差動(dòng)放大電路 在工業(yè)控制過程中，如溫度、壓力這樣的物理量，被傳感器檢測(cè)到并轉(zhuǎn)化為微弱的。變化緩慢的非周期電信號(hào)。而這些信號(hào)還需要經(jīng)過直流放大器放大以后，才能進(jìn)行進(jìn)一步的處理或推動(dòng)二次儀表進(jìn)行顯示。那么，這里的放大器一般采用直接耦合多級(jí)放大器。 直接耦合多級(jí)放大器存在零點(diǎn)漂移的問題，克服零點(diǎn)漂移的有效辦法，就是在多級(jí)放大器的輸入級(jí)采用差動(dòng)放大電路。 4.1 典型差動(dòng)放大電路 4.1.1 零點(diǎn)漂移問題 1、零點(diǎn)漂移 （1）零點(diǎn)漂移：指輸入信號(hào)電壓為零時(shí)，輸出電壓發(fā)生緩慢地、無規(guī)則地變化的現(xiàn)象，簡(jiǎn)稱零漂。 （2）零漂產(chǎn)生的原因：晶體管參數(shù)隨溫度變化、電源電壓波動(dòng)、電路元件參數(shù)的變化等。 （其中主要因素是溫度對(duì)晶體管參數(shù)的影響，稱為溫漂。） （3）溫漂：環(huán)境溫度每變化1℃，將放大電路輸出端出現(xiàn)的漂移電壓 折算到輸入端，用這個(gè)折算到輸入端的漂移電壓數(shù)值表示零漂的大小，用表示。 （常常認(rèn)為，零漂就是溫漂。） 放大電路的級(jí)數(shù)越多，放大倍數(shù)越大，則零漂電壓逐級(jí)放大，就使零漂越嚴(yán)重，有時(shí)會(huì)將輸入信號(hào)淹沒。那么，第一級(jí)零漂對(duì)輸出端的總零漂來說，占主要地位。 2、抑制溫度漂移的措施： ① 在電路中引入直流負(fù)反饋。（如第2章介紹的分壓式偏置電路中的就是一個(gè)直流負(fù)反饋。） ② 采用特性相同的管子，使它們的溫漂相互抵消，構(gòu)成差動(dòng)放大電路，至于直接耦合多級(jí)放大電路的輸入端。 （在直接耦合放大電路中抑制零點(diǎn)漂移最有效的電路結(jié)構(gòu)是差動(dòng)放大電路。） 4.1.2 典型差動(dòng)放大電路 1、電路結(jié)構(gòu)與靜態(tài)工作情況 （圖4-1為典型的差動(dòng)放大電路） 將兩個(gè)電路結(jié)構(gòu)、參數(shù)均相同的單管放大電路組合在一起，就成為差 動(dòng)放大電路的基本形式。兩管射極均通過電阻與負(fù)電源串聯(lián)之后接地。 （1）差動(dòng)放大電路的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)： ① 由兩個(gè)結(jié)構(gòu)、參數(shù)左右對(duì)稱的共射放大器組成； ② 它有兩個(gè)輸入端和，存在兩個(gè)輸入信號(hào)、； ③ 它有兩個(gè)輸出端，有單端輸出（從任意一個(gè)集電極輸出）、雙端輸出（從兩個(gè)集電極之間輸出）兩種方式； ④ 為負(fù)電源，確保、工作在放大狀態(tài)。 （2）靜態(tài)工作情況 時(shí)（靜態(tài)）：① 電源和使得和發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)反偏；②；③上流過的靜態(tài)電流為。 2、輸入與輸出方式 （1）輸入方式：雙端輸入和單獨(dú)輸入。 （圖4-1為雙端輸入，圖4-2為單端輸入） （2）輸出方式：雙端輸出和單端輸出。 （圖4-1為雙端輸出，圖4-2為單端輸出） （3）差動(dòng)電路的輸入輸出方式：雙端輸入雙端輸出、雙端輸入單端輸出、單端輸入雙端輸出、單端輸入單端輸出。 3、對(duì)零點(diǎn)漂移的抑制作用 （1）分析圖4-1 所示電路，雙端輸入雙端輸出差動(dòng)電路 當(dāng)輸入時(shí)： ① 溫度不變：時(shí)，輸出電壓（電路對(duì)稱，） ② 溫度變化時(shí)： （電路對(duì)稱，，） （溫度變化時(shí)，兩管集電極電位隨之變化，但電路對(duì)稱，變化量和的大小和方向相同。） 結(jié)論：雙端輸入雙端輸出差動(dòng)電路有效的抑制了零點(diǎn)漂移。 （2）電阻對(duì)零漂的抑制作用 除了差動(dòng)電路的結(jié)構(gòu)可以抑制零漂以外，電阻對(duì)零漂也有抑制作用。的電流負(fù)反饋?zhàn)饔媚軌蛞种聘鞣N原因引起的集電極電流的改變，從而使和減至最小，抑制零點(diǎn)漂移。 ：溫度補(bǔ)償電阻。 差動(dòng)放大電路的公共發(fā)射極電阻是保證靜態(tài)工作點(diǎn)穩(wěn)定的關(guān)鍵元件。 當(dāng)溫度，兩管的發(fā)射極電流和、集電極電流和均增大。由于兩管基極電位和均保持不變，兩管的發(fā)射極電位升高，引起兩管的發(fā)射結(jié)電壓和降低（）。兩管的基極電流和隨之減小，集電極電流和下降。此過程類似分壓式偏置的共射放大電路中的作用。 結(jié)論：（1）雙端輸出的差動(dòng)放大電路能夠抑制由各種原因引起的以變化為特征的零點(diǎn)漂移，抑制的效果取決于兩管參數(shù)的對(duì)稱程度。如果兩管完全對(duì)稱，則電路能夠完全的抑制零漂。 （2）單端輸出的差動(dòng)放大電路能夠抑制由各種原因引起的以變化為特征的零點(diǎn)漂移，抑制的效果取決于的大小，如果很大，可使零漂減至最小。 4、差模信號(hào)與共模信號(hào) （1）差模信號(hào)：作用在差動(dòng)放大器兩輸入端的一對(duì)數(shù)值相等、極性相反的輸入信號(hào)，即，稱差動(dòng)放大電路接收差模輸入。兩端輸入信號(hào)之差稱為差模輸入信號(hào)，表示為：， 。 （2）共模信號(hào)：兩個(gè)輸入信號(hào)電壓的大小相等，極性相同，即，稱差動(dòng)放大電路接收共模輸入。 這樣的輸入稱為共模輸入信號(hào)，共模輸入信號(hào)常用表示： （3）實(shí)際信號(hào)：實(shí)際信號(hào)通常既不是單純的差模信號(hào)，又不是單純的共模信號(hào)，而是任意信號(hào)、。即： ；。 差動(dòng)放大器兩輸入端的任意信號(hào)都可以分解為一對(duì)共模信號(hào)和一對(duì)差模信號(hào)，即： 則可得： ； （書上52頁(yè)，例題4-1） 4.1.3 典型差動(dòng)放大電路的靜態(tài)分析 靜態(tài)分析的目的就是計(jì)算靜態(tài)工作點(diǎn)點(diǎn)，即計(jì)算兩管的、和。 （由于兩管完全對(duì)稱，所以只求一個(gè)管的靜態(tài)值即可。靜態(tài)通路如圖4-4所示） ， ， 對(duì)回路Ⅰ列KVL方程可得： 注意：流過上的電流是。 則可得： 對(duì)回路Ⅱ列KVL方程可得： 4.1.4 典型差動(dòng)放大電路的動(dòng)態(tài)分析 動(dòng)態(tài)分析的目的是討論差動(dòng)放大電路對(duì)差模和共模信號(hào)的放大能力，以及各種輸入、輸出方式下電路的電壓放大倍數(shù)和電路的輸入輸出電阻。 1、雙端輸入、雙端輸出的差動(dòng)放大電路 （如圖4-1所示） （1）共模信號(hào) 電路輸入共模信號(hào)，電路兩邊對(duì)稱，則有：（） 則輸出電壓為：，即共模輸入條件下的差動(dòng)輸出為0。 （差動(dòng)放大器利用其電路結(jié)構(gòu)、參數(shù)上的對(duì)稱性實(shí)現(xiàn)了對(duì)共模信號(hào)的抑制。） 雙端輸出的差動(dòng)放大電路對(duì)共模信號(hào)無放大作用，共模放大倍數(shù) （2）差模輸入 ① 輸出電壓 輸入一對(duì)差模信號(hào)： 由于電路參數(shù)對(duì)稱，、所產(chǎn)生的電流的變化大小相等、方向相反，即： ，，則有：。 所以，輸出電壓為：，實(shí)現(xiàn)了電壓放大。 由于流經(jīng)的電流和大小相等，極性相反，兩管的變化電 流相互抵消，流過的電流保持不變所以，對(duì)差模信號(hào)而言， 在交流分析時(shí)，可視為短路。 （左圖給出了差動(dòng)放大器的差模交流通路，短路。） （2）差模電壓放大倍數(shù) ① 兩管集電極間沒有接負(fù)載 差動(dòng)放大器在輸入差模信號(hào)時(shí)的電壓增益稱為差模電壓增益： 式中：是在作用下的輸出電壓。（左圖為微變等效電路） 式中：—表示單管共射放大器的增益，又稱為半電路增益。 雙端輸出差模微變等效電路 （從的表達(dá)式可以看到，差動(dòng)放大器雙端輸出時(shí)的電壓增益等于半電路增益?？梢哉J(rèn)為：差動(dòng)放大器是以犧牲一個(gè)管子的增益為代價(jià)，換取了低漂移的結(jié)果。差動(dòng)放大器具有差動(dòng)放大作用。） ② 當(dāng)兩管集電極間接有負(fù)載時(shí)，對(duì)于差動(dòng)信號(hào)而言，中點(diǎn)電位 為0。差模放大倍數(shù)為： 式中： 雙端輸出差模微變等效電路 （3）雙端輸入的差動(dòng)放大電路的輸入電阻和輸出電阻 ① 輸入電阻：從兩個(gè)輸入端看進(jìn)去的等效電阻即為輸入電阻，則有： ② 輸出電阻：從兩個(gè)輸出端看進(jìn)去的等效電阻即為輸入電阻，則有： 2、雙端輸入、單端輸出的差動(dòng)放大電路 （如圖4-5所示） （1）差模輸入 輸入一對(duì)差模信號(hào)： 由于電路參數(shù)對(duì)稱，、所產(chǎn)生的電流的變化大小相等、方向相反，即： ，，則有：。由于單端輸出，則輸出電壓為：。 （對(duì)差模信號(hào)而言，在交流分析時(shí)，可視為短路。） （2）差模電壓放大倍數(shù) 式中： 結(jié)論：雙端輸入、單端輸出的差動(dòng)放大電路的差模電壓放大倍數(shù)是 雙端輸入、雙端輸出的差動(dòng)放大電路的一半。 單端輸出差模微變等效電路 （2）共模信號(hào) 電路輸入共模信號(hào)，電路兩邊對(duì)稱，上流過的電流為。 共模電壓放大倍數(shù) 可見，單端輸出差動(dòng)電路對(duì)共模信號(hào)有放大作用，但放大倍數(shù)較小。放 共模單管微變等效電路 大倍數(shù)的大小主要取決于，當(dāng)時(shí)，則有： 雙端輸入的差動(dòng)電路，當(dāng)輸入既有差模信號(hào)又有共模信號(hào)，輸出電 壓應(yīng)為差模輸出與共模輸出的代數(shù)和，即： （3）雙端輸入的差動(dòng)放大電路的輸入電阻和輸出電阻 ① 輸入電阻：從兩個(gè)輸入端看進(jìn)去的等效電阻即為輸入電阻，則有： ② 輸出電阻：從單個(gè)輸出端看進(jìn)去的等效電阻即為輸入電阻，則有： 3、單端輸入、雙端輸出的差動(dòng)放大電路 （如圖4-6所示） 當(dāng)沒有，即時(shí)，輸入信號(hào)只加在管上，管有放大作用，管沒有放大作用。接入，和都有放大作用。射極電阻起到了把單端輸入轉(zhuǎn)換成雙端輸入的作用。 單端輸入、雙端輸出的差動(dòng)放大電路的差模電壓放大倍數(shù)、輸入電阻、輸出電阻和雙端輸入、雙端輸出的差動(dòng)放大電路相同。 4、單端輸入、單端輸出的差動(dòng)放大電路 （如圖4-2所示） 單端輸入、單端輸出的差動(dòng)放大電路的差模電壓放大倍數(shù)，共模電壓放大倍數(shù)、輸入電阻、輸出電阻和雙端輸入、單端輸出的差動(dòng)放大電路相同。 4.1.5 共模抑制比 （對(duì)于一個(gè)差動(dòng)放大器，共模電壓放大倍數(shù)越小，抑制溫漂（共模信號(hào)）的效果就越好；差模電壓放大倍數(shù)越大，放大有用信號(hào)（差模信號(hào)）的能力就越強(qiáng)。） 為了綜合衡量差動(dòng)放大器對(duì)差模信號(hào)的放大能力和對(duì)共模信號(hào)的抑制能力，特別引入一個(gè)性能指標(biāo)——共模抑制比， 記作，定義為： 式中：—差模電壓增益 ； —共模電壓增益 工程中，常用對(duì)數(shù)形式來表示共模抑制比， ，單位為分貝（）。 共模抑制比表征的是運(yùn)放對(duì)干擾信號(hào)的抑制能力，越大電路的性能越好。 對(duì)于電路參數(shù)理想對(duì)稱的雙端輸出情況，共模抑制比無窮大。 （共模輸入條件下，差動(dòng)輸出，則共模電壓增益：，所以共模抑制比無窮大。） 實(shí)際中，差動(dòng)放大電路不可能完全對(duì)稱，所以不等于零，即只是一個(gè)較大的有限值。越大，越小， 越大。增加值，可以提高電路的共模抑制比。 （書上56頁(yè)，例題4-2） 4.2 具有恒流源的差動(dòng)放大電路 前面分析的差動(dòng)放大電路中，發(fā)射極電阻對(duì)共模抑制起重要作用，為了提高共模抑制的能力，的電阻值應(yīng)取得越大越好，但對(duì)較大阻值的，要求很高的發(fā)射極電源，給電路構(gòu)造帶來困難。在實(shí)際的差動(dòng)放大器中，常采用電流源代替。 4.2.1 具有恒流源的差動(dòng)放大電路組成 （具有恒流源的差動(dòng)放大電路組成如圖4-7（a）所示，4-7（b）為其簡(jiǎn)化電路圖） 三極管、電阻和二極管構(gòu)成恒流源電路。的分壓固定了管的基極電位，使得管工作在放大區(qū)。 近似于恒值：，確保、管的靜態(tài)工作點(diǎn)合適。 二極管為溫度補(bǔ)償二極管，溫度變化時(shí)，可使仍為恒值。 具有恒流源的差動(dòng)放大電路中，三極管工作在放大區(qū)，靜態(tài)電阻低，動(dòng)態(tài)電阻很高，這種電路能很好的抑制零漂，提高電路的共模抑制比。 4.2.1 具有恒流源的差動(dòng)放大電路的分析 1、靜態(tài)分析 （靜態(tài)工作點(diǎn)的計(jì)算，從恒流源電路的基極回路開始） 若，則有（忽略的壓降），則上壓降為： ① 各極電流 ，則有：， ② 各極電位 、管的基極電位為： （直流分析，短接，與地點(diǎn)相接。） 、管的發(fā)射極電位為： 、管的壓降為： 管的壓降為： 2、動(dòng)態(tài)分析 動(dòng)態(tài)分析時(shí)，把恒流源看做阻值很高的。因此對(duì)恒流源的動(dòng)態(tài)分析參照前面介紹的典型差動(dòng)放大電路的分析即可。 （表4-1給出了恒流源差動(dòng)電路的四種輸入輸出方式的性能比較。） 恒流源的作用：（1）恒流源相當(dāng)于阻值很大的電阻。 （2）恒流源不影響差模放大倍數(shù)。 （3）恒流源影響共模放大倍數(shù)，使共模放大倍數(shù)減小，從而增加共模抑制比，理想的恒流源相當(dāng)于阻值為無窮的電阻（即無窮大），所以共模抑制比是無窮。 （書上58頁(yè)，例題4-3）