差分放大器設(shè)計(jì)

差分放大器設(shè)計(jì)第一頁(yè)，共三十二頁(yè)，編輯于2023年，星期日2010-1-262

二、設(shè)計(jì)課題具有恒流源的單端輸入—單端輸出差分放大器設(shè)計(jì)

性能指標(biāo)要求

Rid＞10k，AVD＞15，KCMR＞50dB。

已知條件

VCC=+12V，VEE=–12V，RL=20k，

Vid=20mV(有效值)，3DG100或9018

差分放大器設(shè)計(jì)

掌握差分放大器的主要特性參數(shù)及其測(cè)試方法；

學(xué)會(huì)設(shè)計(jì)具有恒流源的差分放大器及其調(diào)試技術(shù)。

一、學(xué)習(xí)要求

第二頁(yè)，共三十二頁(yè)，編輯于2023年，星期日2010-1-263

三、具有恒流源的差分放大器組成及特點(diǎn)

輸入端輸出端

在模擬集成電路中，差分放大器常作為輸入級(jí)或中間放大級(jí)。T3、T4是特性相同的晶體管，與電阻RE3、RE4、R共同組成恒流源電路，為差分對(duì)管的射極提供恒定電流I0RP可調(diào)整電路的對(duì)稱性

T1、T2稱為差分對(duì)管，T1與T2特性應(yīng)相同，常用雙三極管如5G921或BG319等，它與RB1、RB2、RC1、RC2及RP共同組成差分放大器的基本電路第三頁(yè)，共三十二頁(yè)，編輯于2023年，星期日2010-1-264

電路特點(diǎn)

1、電路的結(jié)構(gòu)對(duì)稱，有恒流源的作用，電路靜態(tài)工作點(diǎn)穩(wěn)定。3、電路的下限頻率低。適用于放大變化速率低的小信號(hào)。2、抑制零點(diǎn)漂移的能力強(qiáng)。無(wú)論是溫度的變化，還是電源的波動(dòng)(稱之為共模信號(hào))，對(duì)T1、T2兩管的影響都是一樣的。第四頁(yè)，共三十二頁(yè)，編輯于2023年，星期日2010-1-265

1.輸入－輸出信號(hào)的連接方式

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

注意：

連接方式不同，電路特性參數(shù)有所不同。第五頁(yè)，共三十二頁(yè)，編輯于2023年，星期日2010-1-266

雙端輸入—雙端輸出

RL加在

3、4端R1、R2是均壓電阻，給差分放大器提供對(duì)稱差模輸入信號(hào)

Vid

兩端均不接地第六頁(yè)，共三十二頁(yè)，編輯于2023年，星期日2010-1-267

雙端輸入—單端輸出

均壓電阻R1、R2給差分放大器提供對(duì)稱差模輸入信號(hào)

Vid

兩端均不接地兩個(gè)輸出端應(yīng)接相同的負(fù)載兩個(gè)輸出端應(yīng)接相同的負(fù)載第七頁(yè)，共三十二頁(yè)，編輯于2023年，星期日2010-1-268

單端輸入—雙端輸出

RL應(yīng)接在3、4兩個(gè)輸出端信號(hào)源的一端和差分放大器的一個(gè)輸入端均接地第八頁(yè)，共三十二頁(yè)，編輯于2023年，星期日2010-1-269

單端輸入—單端輸出

兩個(gè)輸出端應(yīng)接相同的負(fù)載信號(hào)源的一端和

差分放大器的一個(gè)輸入端均應(yīng)接地兩個(gè)輸出端應(yīng)接相同的負(fù)載第九頁(yè)，共三十二頁(yè)，編輯于2023年，星期日2010-1-2610

2.靜態(tài)工作點(diǎn)的計(jì)算輸入端不加信號(hào)

恒流源電路的參考電流

IR

恒定電流I0

靜態(tài)工作點(diǎn)主要由恒流源電流I0的大小決定。恒定電流I0主要由電源電壓–VEE及電阻R、RE4決定。第十頁(yè)，共三十二頁(yè)，編輯于2023年，星期日2010-1-2611

四、主要特性參數(shù)及其測(cè)試方法

1.傳輸特性2.差模特性3.共模特性第十一頁(yè)，共三十二頁(yè)，編輯于2023年，星期日2010-1-2612

1.傳輸特性

傳輸特性是指差分放大器輸入差模電壓vid時(shí)，集電極電流iC隨輸入電壓vid的變化規(guī)律。

vid=0時(shí)，IC1=IC2=I0/2，稱Q點(diǎn)為靜態(tài)工作點(diǎn)；

vid增加(±25mV以內(nèi))時(shí)，iC1隨vid線性增加，iC2則線性減少，IC1+IC2=I0的關(guān)系不變；

非線性區(qū)

限幅區(qū)

線性放大區(qū)vid增加

(超過(guò)±50mV)時(shí)，iC1增加和iC2減小都逐漸變緩，iC1、iC2隨vid作非線性變化。

vid再增加(超過(guò)±100mV)，iC1、iC2不再隨vid變化

第十二頁(yè)，共三十二頁(yè)，編輯于2023年，星期日2010-1-2613

1.傳輸特性

傳輸特性是指差分放大器輸入差模電壓vid時(shí)，集電極電流iC隨輸入電壓vid的變化規(guī)律。

線性放大區(qū)擴(kuò)寬加入射極電阻RP可增強(qiáng)電流負(fù)反饋，擴(kuò)展線性區(qū),當(dāng)RP＝100，vid在±50mV內(nèi)是線性區(qū)第十三頁(yè)，共三十二頁(yè)，編輯于2023年，星期日2010-1-2614

在實(shí)際應(yīng)用中是通過(guò)測(cè)量T1和T2的集電極電壓vC1、vC2隨差模電壓vid的變化規(guī)律來(lái)測(cè)量差模傳輸特性。因?yàn)関C1=VCC–iC1RC1，如果+VCC、RC1確定，則vC1與–iC1的變化規(guī)律相同，而且測(cè)量電壓vC1、vC2比測(cè)量電流iC1、iC2要方便得多。

測(cè)量傳輸特性的方法

測(cè)量差模傳輸特性接線圖

示波器上顯示的差模傳輸特性曲線

vc1=Vcc-ic1*Rc1

第十四頁(yè)，共三十二頁(yè)，編輯于2023年，星期日2010-1-2615

從差分放大器的兩個(gè)輸入端輸入一對(duì)差模信號(hào)(大小相等、極性相反)時(shí)，與差分放大器4種接法所對(duì)應(yīng)的差模電壓增益AVD、差模輸入電阻Rid、差模輸出電阻Rod的關(guān)系如表所示。

雙端輸出時(shí)的差模特性完全相同單端輸出時(shí)的差模特性也完全相同

雙端輸入、單端輸入，輸入電阻Rid是相同的

2.差模特性第十五頁(yè)，共三十二頁(yè)，編輯于2023年，星期日2010-1-2616

差模電壓增益AVD的測(cè)量方法

設(shè)差分放大器為單端輸入—雙端輸出接法

輸入差模信號(hào)為fi=500Hz、Vid=20mV（有效值)正弦波，用雙蹤示波器測(cè)量vC1及vC2(它們應(yīng)是一對(duì)大小相等、極性相反的不失真正弦波)，用示波器或晶體管毫伏表分別測(cè)量VC1、VC2雙端輸出時(shí)的差模電壓增益：

單端輸出時(shí)的差模電壓增益：

若VC1與VC2不等，則說(shuō)明放大器的參數(shù)不完全對(duì)稱。

若VC1與VC2相差較大，需重新調(diào)整Q點(diǎn)，使電路能盡可能對(duì)稱。第十六頁(yè)，共三十二頁(yè)，編輯于2023年，星期日2010-1-2617

Rid與Rod的測(cè)量方法

差模輸入電阻Rid與差模輸出電阻Rod的測(cè)量方法與單管放大器輸入電阻Ri及輸出電阻Ro的測(cè)量方法相同。第十七頁(yè)，共三十二頁(yè)，編輯于2023年，星期日2010-1-2618

3.共模特性

常用共模抑制比KCMR來(lái)表征差分放大器對(duì)共模信號(hào)的抑制能力，即KCMR愈大，說(shuō)明放大器抑制共模信號(hào)能力愈強(qiáng)，放大器的性能愈好。

當(dāng)差分放大器兩輸入端輸入共模信號(hào)(大小相等、極性相同)vic時(shí)，由于恒流源的作用，集電極電壓vC1、vC2不會(huì)因vic變化而同時(shí)增大或減小。如果電路參數(shù)完全對(duì)稱，則共模電壓增益AVc0。故具有恒流源的差分放大器對(duì)共模信號(hào)，如晶體管的零點(diǎn)漂移、電源波動(dòng)、溫度變化等的影響具有很強(qiáng)的抑制能力。第十八頁(yè)，共三十二頁(yè)，編輯于2023年，星期日2010-1-2619

共模抑制比KCMR的測(cè)量方法

先測(cè)量放大器的差模電壓增益AVD,再測(cè)量共模增益AVC。將放大器的①端與②端相連接輸入Vic=500mV，fi=500Hz的共模信號(hào)。示波器觀測(cè)vC1、vC2

若電路的對(duì)稱性很好，則VC1=VC20，示波器觀測(cè)vC1、vC2時(shí)，其波形近似于一條水平直線。共模電壓增益AVC0，則共模抑制比

第十九頁(yè)，共三十二頁(yè)，編輯于2023年，星期日2010-1-2620

共模抑制比KCMR的測(cè)量方法

若電路對(duì)稱性不是很好，vC1、vC2的波形可能為一對(duì)大小相等、極性相反的正弦波。但其幅值很小，將示波器V/cm”置于較小檔時(shí)才能觀測(cè)到波形。雙端輸出時(shí)：

先測(cè)量放大器的差模電壓增益AVD,再測(cè)量共模增益AVC。單端輸出時(shí)：

電路的共模抑制比：第二十頁(yè)，共三十二頁(yè)，編輯于2023年，星期日2010-1-2621

五、設(shè)計(jì)舉例

例

設(shè)計(jì)有恒流源的單端輸入—雙端輸出差分放大器。

已知條件+VCC=+12V，–VEE=–12V，RL=20k，Vid=20mV。

性能指標(biāo)

Rid＞20k，AVD≥20，KCMR＞60dB。

根據(jù)要求KCMR＞60dB，即要求電路的對(duì)稱性要好，應(yīng)采用集成差分對(duì)管BG319（BG319內(nèi)部有4只特性完全相同的管子）或挑選三極管性能參數(shù)較一致的3DG130、3DG100等。根據(jù)題目要求，采用具有恒流源的單端輸入—雙端輸出差分放大電路。(1)確定電路連接方式及晶體管型號(hào)

第二十一頁(yè)，共三十二頁(yè)，編輯于2023年，星期日2010-1-2622

具有恒流源的單端輸入—雙端輸出差分放大器

T1、T2、T3、T4為BG319的4只晶體管，1=2=3=4=60

(2)設(shè)置靜態(tài)工作點(diǎn)并計(jì)算元件參數(shù)

●Q點(diǎn)主要由恒流源i0值決定，一般先設(shè)定I0。●I0越小，恒流源越恒定，漂移越小，放大器的輸入阻抗越高。

●但不能太小，一般為幾毫安。取I0=1mA。第二十二頁(yè)，共三十二頁(yè)，編輯于2023年，星期日2010-1-2623

具有恒流源的單端輸入—雙端輸出差分放大器

(2)設(shè)置靜態(tài)工作點(diǎn)并計(jì)算元件參數(shù)

IR=I0=1mA，IC1=IC2=I0/2=0.5mA

Rid=2(RB1+rbe)＞20k

則

RB1＞6.6k

要求Rid＞20k

取RB1=RB2=6.8k

第二十三頁(yè)，共三十二頁(yè)，編輯于2023年，星期日2010-1-2624

具有恒流源的單端輸入—雙端輸出差分放大器

(2)設(shè)置靜態(tài)工作點(diǎn)并計(jì)算元件參數(shù)

要求AVD＞20取AVD=30

取RC1=RC2=10k

第二十四頁(yè)，共三十二頁(yè)，編輯于2023年，星期日2010-1-2625

具有恒流源的單端輸入—雙端輸出差分放大器

(2)設(shè)置靜態(tài)工作點(diǎn)并計(jì)算元件參數(shù)

計(jì)算T1、T2靜態(tài)工作點(diǎn)：集電極：

VC1Q=VC2Q

=VCC–ICRC=7V基極：VB1Q=VB2Q=(Ic/)RB1=0.08V0V則VE1Q=VE2Q–0.7V第二十五頁(yè)，共三十二頁(yè)，編輯于2023年，星期日2010-1-2626

具有恒流源的單端輸入—雙端輸出差分放大器

(2)設(shè)置靜態(tài)工作點(diǎn)并計(jì)算元件參數(shù)

計(jì)算恒流源電路參數(shù)：R+RE=11.3k

取RE3=RE4=2k，則R=9.3k，為方便調(diào)整I0，R用5.1k電阻與10k電位器RP2串聯(lián)。T3、T4靜態(tài)工作電壓VB3=VB4=-IR*R=-9.3VVE3=VE4=VB3–0.7=-10V第二十六頁(yè)，共三十二頁(yè)，編輯于2023年，星期日2010-1-2627

具有恒流源的單端輸入—雙端輸出差分放大器

(2)設(shè)置靜態(tài)工作點(diǎn)并計(jì)算元件參數(shù)

為了方便調(diào)整電路的對(duì)稱性，在T1、T2兩管的射極接入一阻值較小的電位器RP1。

第二十七頁(yè)，共三十二頁(yè)，編輯于2023年，星期日2010-1-2628

(3)靜態(tài)工作點(diǎn)的調(diào)整方法

調(diào)整RP1，使其滿足VC1Q=VC2Q并測(cè)量T1、T2基極和發(fā)射極對(duì)地電壓（VB1Q、VE1Q、VB2Q、VE2Q）

VCE1Q=VC1Q-VE1Q,VCE2Q=VC2Q-VE2Q應(yīng)使兩管均工作在放大狀態(tài)測(cè)試條件：輸入端①、②接地用電壓表測(cè)量T1、T2的集電極對(duì)地電壓VC1Q、VC2Q

用電壓表測(cè)量T3、T4射極電壓，并調(diào)節(jié)RP2使I0的值為1mA,則VE3=VE4≈-VEE+IR*RE3=

-10V

。第二十八頁(yè)，共三十二頁(yè)，編輯于2023年，星期日2010-1-2629

測(cè)量差模傳輸特性曲線差模輸入信號(hào)vid=20mV

調(diào)節(jié)RP1、RP2使傳輸特性曲線盡可能對(duì)稱

如果晶體管的特性不太一致，改變RP1、RP2仍然不能使傳輸特性曲線對(duì)稱，則可適當(dāng)調(diào)整電路外參數(shù)，如RC1或RC2。

待電路的差模特性曲線對(duì)稱后，移去信號(hào)源，測(cè)量各三極管的電壓值，并記錄相應(yīng)的數(shù)據(jù)。計(jì)算靜態(tài)工作點(diǎn)I0=1mA、VCE1=7.9V

、VCE2=7.9V

、VCE3=9.1V

VC1Q

VC2Q