【圖】差動(dòng)放大器(差分放大器)基礎(chǔ)知識(shí)
(2016/12/23 0:05:00)
差動(dòng)放大器(差分放大器)基礎(chǔ)知識(shí)
差動(dòng)放大器(差分放大器)基礎(chǔ)知識(shí)
差動(dòng)放大器又稱(chēng)差分放大器，幾乎所有集成運(yùn)算放大器的輸入級(jí)都采用這種電路，因?yàn)樗鼘?duì)抑制零點(diǎn)漂移，提高共模抑制比起到關(guān)鍵的作用。
5.2.1 零點(diǎn)漂移
在直接耦合放大電路中，通常把輸入信號(hào)為零時(shí)的輸出電壓（或電流），也即是靜態(tài)輸出工作點(diǎn)的電壓（或電流）作為參考電壓（或參考電流），稱(chēng)為“零點(diǎn)”。“零點(diǎn)”絕不是專(zhuān)指電位為零的那個(gè)端點(diǎn)，不可望文生義。
如果直接耦合放大器（或稱(chēng)直流放大器）的電源電壓發(fā)生波動(dòng)，或者環(huán)境溫度發(fā)生變化，都會(huì)引起“零點(diǎn)”的電壓（或電流）值發(fā)生變化，而這種變化是緩慢的，人們稱(chēng)之為“零點(diǎn)漂移”
晶體管的直流參數(shù)B、UBE和ICBO均是溫度函數(shù)。在常溫下，隨溫度的升高，將引起B(yǎng)和ICBO的增大和UBE的減小，這都使集電極電流Ic增大，集電極 發(fā)射極間電壓UcE減小，產(chǎn)生零點(diǎn)漂移。在工程中，往往需要放大一些緩慢變化的弱信號(hào)，在直接耦合放大器的輸出端將出現(xiàn)信號(hào)的物理量和零點(diǎn)漂移的物理量的迭加。假若信號(hào)物理量遠(yuǎn)大于漂移物理量，人們可以忽略漂移的影響，認(rèn)為輸出物理量就是信號(hào)量。若信號(hào)物理量與漂移物理量之比相當(dāng)或者更小，人們無(wú)法區(qū)分這兩種物理量，這種放大將失去意義。
衡量放大器零點(diǎn)漂移的程度，或者說(shuō)大小，采用溫度漂移，簡(jiǎn)稱(chēng)溫漂的技術(shù)指標(biāo)。人們通常規(guī)定：溫度每升高1℃時(shí)，引起放大器的等效輸入漂移量稱(chēng)為溫漂。
例如：某直流放大器在基準(zhǔn)環(huán)境溫度為20 ℃時(shí)，直流放大倍數(shù)為100倍，輸入信號(hào)為零時(shí)，輸出端電壓為4V，若環(huán)境溫度上升到30 ℃時(shí)，輸入信號(hào)仍為零，而輸出電壓為4.05V。輸出端漂移電壓為0.05V，該電壓除以放大倍數(shù)，就是折合到輸入端漂移電壓為0.5mV，再除以溫度變化量便是溫度漂移，為50 μV/℃。
克服零點(diǎn)漂移最有效的措施之一，就是采用差動(dòng)放大器。
5.2.2 差動(dòng)放大器的工作原理
1.靜態(tài)分析
差動(dòng)放大器的基本電路如圖5.10所示。
假設(shè)T1和T2管電參數(shù)完全一致，電路兩邊結(jié)構(gòu)、阻值完全對(duì)稱(chēng)。當(dāng)兩輸入電壓Ui1和Ui2都為零，即兩輸入端同時(shí)接地時(shí)。圖中各物理量估值如下，由于基極電阻RB的阻值和基極電流IB的值通常均很小，不考慮的RB電壓降可得
2.差模信號(hào)與共模信號(hào)
雙端輸入信號(hào)分別是Ui1和Ui2 ，現(xiàn)在定義：兩輸入信號(hào)之差為差模輸入信號(hào)，記作Uid 。
Uid = Ui1— Ui2 (5.13)
定義：兩輸入信號(hào)之平均值為共模輸入信號(hào)，記作Uic。
差動(dòng)放大器(差分放大器)基礎(chǔ)知識(shí)
差動(dòng)放大器又稱(chēng)差分放大器，幾乎所有集成運(yùn)算放大器的輸入級(jí)都采用這種電路，因?yàn)樗鼘?duì)抑制零點(diǎn)漂移，提高共模抑制比起到關(guān)鍵的作用。
5.2.1 零點(diǎn)漂移
在直接耦合放大電路中，通常把輸入信號(hào)為零時(shí)的輸出電壓（或電流），也即是靜態(tài)輸出工作點(diǎn)的電壓（或電流）作為參考電壓（或參考電流），稱(chēng)為“零點(diǎn)”。“零點(diǎn)”絕不是專(zhuān)指電位為零的那個(gè)端點(diǎn)，不可望文生義。
如果直接耦合放大器（或稱(chēng)直流放大器）的電源電壓發(fā)生波動(dòng)，或者環(huán)境溫度發(fā)生變化，都會(huì)引起“零點(diǎn)”的電壓（或電流）值發(fā)生變化，而這種變化是緩慢的，人們稱(chēng)之為“零點(diǎn)漂移”
晶體管的直流參數(shù)B、UBE和ICBO均是溫度函數(shù)。在常溫下，隨溫度的升高，將引起B(yǎng)和ICBO的增大和UBE的減小，這都使集電極電流Ic增大，集電極 發(fā)射極間電壓UcE減小，產(chǎn)生零點(diǎn)漂移。在工程中，往往需要放大一些緩慢變化的弱信號(hào)，在直接耦合放大器的輸出端將出現(xiàn)信號(hào)的物理量和零點(diǎn)漂移的物理量的迭加。假若信號(hào)物理量遠(yuǎn)大于漂移物理量，人們可以忽略漂移的影響，認(rèn)為輸出物理量就是信號(hào)量。若信號(hào)物理量與漂移物理量之比相當(dāng)或者更小，人們無(wú)法區(qū)分這兩種物理量，這種放大將失去意義。
衡量放大器零點(diǎn)漂移的程度，或者說(shuō)大小，采用溫度漂移，簡(jiǎn)稱(chēng)溫漂的技術(shù)指標(biāo)。人們通常規(guī)定：溫度每升高1℃時(shí)，引起放大器的等效輸入漂移量稱(chēng)為溫漂。
例如：某直流放大器在基準(zhǔn)環(huán)境溫度為20 ℃時(shí)，直流放大倍數(shù)為100倍，輸入信號(hào)為零時(shí)，輸出端電壓為4V，若環(huán)境溫度上升到30 ℃時(shí)，輸入信號(hào)仍為零，而輸出電壓為4.05V。輸出端漂移電壓為0.05V，該電壓除以放大倍數(shù)，就是折合到輸入端漂移電壓為0.5mV，再除以溫度變化量便是溫度漂移，為50 μV/℃。
克服零點(diǎn)漂移最有效的措施之一，就是采用差動(dòng)放大器。
5.2.2 差動(dòng)放大器的工作原理
1.靜態(tài)分析
差動(dòng)放大器的基本電路如圖5.10所示。
假設(shè)T1和T2管電參數(shù)完全一致，電路兩邊結(jié)構(gòu)、阻值完全對(duì)稱(chēng)。當(dāng)兩輸入電壓Ui1和Ui2都為零，即兩輸入端同時(shí)接地時(shí)。圖中各物理量估值如下，由于基極電阻RB的阻值和基極電流IB的值通常均很小，不考慮的RB電壓降可得
2.差模信號(hào)與共模信號(hào)
雙端輸入信號(hào)分別是Ui1和Ui2 ，現(xiàn)在定義：兩輸入信號(hào)之差為差模輸入信號(hào)，記作Uid 。
Uid = Ui1— Ui2 (5.13)
定義：兩輸入信號(hào)之平均值為共模輸入信號(hào)，記作Uic。
3.小信號(hào)差模特性分析
當(dāng)兩輸入端僅有差模信號(hào)而沒(méi)有共模信號(hào)時(shí)，設(shè)左正右負(fù)，則T1管射極電流增加的量與T2管射極電流減少的量相等，則IE不變，UE也不變。換句話說(shuō)，RE中沒(méi)有交流電流流過(guò)，則兩管發(fā)射極可視為交流接地。該差放交流等放電路如圖5.11所示。
根據(jù)共射放大器的一般原理可得：
4.小信號(hào)共模特性分析
當(dāng)兩輸入端僅有共模信號(hào)，而沒(méi)有差模信號(hào)時(shí)，設(shè)左右均為正，則T1管、T2管射極電流均增大，則IE增大，增UE高，U01和U02 同時(shí)減小。RE可用兩只2RE的電阻并聯(lián)所取代。共模輸入時(shí)的交流等效電路如圖5.12所示。
由于兩管特性一致，電路對(duì)
稱(chēng)，所加為共模電壓，故兩
管發(fā)射極等電位，兩管發(fā)射
極間的連線中無(wú)電流，該連
線可以去掉，而不影響電路
分析。
5.共模抑制比
共模抑制比定義為差模電壓放大倍數(shù)與共模電壓放大倍數(shù)之比，用CMRR表示：
從式(5.24)中可以看出增大RE可以增加CMRR的值，但是，由于UEE和UCQ的限制，使得增大RE有限，通常為幾千歐。用電流源取代RE ，便是集成電路差放輸入級(jí)常用的作法。電流源在上一節(jié)已講述過(guò)了。對(duì)于鏡像電流源的輸出電阻r0=rce。對(duì)于比例電流源或微電流源的輸出電阻則更高。
6.差動(dòng)放大器的大信號(hào)特性
大信號(hào)作用下，晶體管工作進(jìn)入非線性區(qū)（飽和、載止區(qū)），將使差模輸出信號(hào)產(chǎn)生嚴(yán)重失真。下面從發(fā)射結(jié)的伏安特性入手來(lái)研究這種失真。若令圖5.13中的RB=0，有如下關(guān)系
將式(5.26)和式(5.27)繪制出差放轉(zhuǎn)移特性曲線，如圖5.13所示。從曲線可以看出：
（1）當(dāng)Uid/UT在±1之間，Uid與Ic1、具有良好的線性關(guān)系。
（2）當(dāng)Uid/UT在±2之間，Uid與Ic1 、 Ic2具有準(zhǔn)線性關(guān)系。
（3）當(dāng)Uid/UT在±4之外， Ic1或Ic2中一個(gè)趨于限幅（極限為 IE），另一個(gè)趨于截止。輸出差模信號(hào)嚴(yán)重失真。
為了擴(kuò)大差動(dòng)放大器輸入大信號(hào)的線性或準(zhǔn)線性的應(yīng)用范圍，可采用如下的方法：
（1）差動(dòng)放大器采用復(fù)合管接法。例如NPN—NPN接法，或NPN—PNP接法（共集—共基接法）。
（2）差動(dòng)放大器采用負(fù)反饋，即在兩只三級(jí)管的發(fā)射極各串接一只小電阻，起到電流串聯(lián)負(fù)反饋?zhàn)饔谩５@種方法是以犧牲差模放大倍數(shù)為代價(jià)的。如果用一只電位器取代這兩只小電阻，該電路還可以起到調(diào)節(jié)實(shí)際差放的平衡問(wèn)題。
7.差動(dòng)放大器的單端化電路
如前所述，單端輸出的差動(dòng)放大器，雖可以實(shí)現(xiàn)雙端輸入—單端輸出的功能，但是，它的差模增益僅是雙端輸出差放的一半，而共模抑制比更是小得多得多。為了克服上述的缺點(diǎn)，利用電流源作為有源負(fù)載，構(gòu)成差動(dòng)放大器的單端化電路，見(jiàn)圖5.14。
圖中T3和T4管為鏡像電流源，作為差放管T1、T2的負(fù)載。
(1) 在兩輸入端均接地的情況下，四只晶體管中的電流為靜態(tài)工作點(diǎn)電流，假若完全相等，即Ic1 = Ic2 = Ic3 = Ic4 ，則輸出電流I0 = 0。
(3) 在輸入共模信號(hào)的情況下，四只晶體管增加(或減少)的電流完全一致，于是共模輸出電流I0 =0，這和差動(dòng)放大器雙端輸出時(shí)共模輸出電壓為零的情況一樣。
差動(dòng)放大器的單端化電路被集成運(yùn)算放大器普遍地采用。
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