《電路與電子技術(shù)》課件第10章

第10章直流放大器10.1差動(dòng)放大器的基本概念10.2典型差動(dòng)放大電路習(xí)題10

直流放大器是一種能夠放大微弱的直流信號(hào)或頻率極低的交流信號(hào)的放大器。它在自動(dòng)控制、檢測(cè)及計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中有著廣泛的應(yīng)用。

直流放大器有兩類(lèi)：

(1)直接耦合放大器。在多級(jí)直流放大器的級(jí)間采用直接耦合方式會(huì)產(chǎn)生零點(diǎn)漂移問(wèn)題，克服零點(diǎn)漂移的辦法是在多級(jí)直流放大器的輸入級(jí)采用差動(dòng)放大器。

(2)調(diào)制型直流放大器。它先將直流信號(hào)變換為一定頻率的交流信號(hào)，把交流信號(hào)放大后再還原為直流信號(hào)，以這種方式抑制零點(diǎn)漂移。

10.1.1零點(diǎn)漂移

實(shí)際的直流放大器，當(dāng)輸入信號(hào)電壓為零時(shí)，輸出信號(hào)電壓不為零，而是作不規(guī)則的緩慢變化，這種現(xiàn)象叫做零點(diǎn)漂移，簡(jiǎn)稱(chēng)零漂。產(chǎn)生零漂的原因很多，但主要是由于溫度、電源電壓等變化引起各級(jí)靜態(tài)工作點(diǎn)電壓的緩慢變化，且這種變化會(huì)被逐級(jí)放大，最終使輸出靜態(tài)電壓偏離原定值而作不規(guī)則的變動(dòng)。10.1差動(dòng)放大器的基本概念

衡量零漂的指標(biāo)有溫度漂移和時(shí)間漂移兩種。溫度漂移是指溫度變化1℃所產(chǎn)生的漂移電壓折合到輸入端的數(shù)值；時(shí)間漂移是指在一定時(shí)間(例如24小時(shí))內(nèi)漂移的電壓折合到輸入端的最大漂移值。

交流放大器由于級(jí)間電容的隔直流作用，因而幾乎不存在零漂。但零漂會(huì)嚴(yán)重影響直流放大器的正常工作，尤其是當(dāng)輸入的有用信號(hào)比較微弱時(shí)，零漂所造成的虛假信號(hào)會(huì)淹沒(méi)掉有用信號(hào)，使放大器失去放大作用。

例如，一放大器的Au=1000，輸出電壓漂移為200mV，折合成輸入端的漂移電壓為ΔUid=200/1000=0.2mV。這時(shí)若輸入信號(hào)小于0.2mV，則有用信號(hào)就會(huì)被漂移電壓所淹沒(méi)。

10.1.2基本差動(dòng)放大器

基本差動(dòng)放大器由兩個(gè)參數(shù)完全相同的單管共發(fā)射極放大器構(gòu)成，如圖10.1所示。電路中每一個(gè)單管共發(fā)射極放大器稱(chēng)為單邊放大器。差動(dòng)放大電路有兩種信號(hào)輸入方式：雙端輸入和單端輸入；有兩種信號(hào)輸出方式：雙端輸出和單端輸出。根據(jù)不同的輸入和輸出方式，有四種不同的組合：雙端輸入雙端輸出，如圖10.1所示，輸出電壓取兩管集電極的電位之差；雙端輸入單端輸出，從一個(gè)管子的集電極對(duì)地取輸出電壓；單端輸入雙端輸出，輸入信號(hào)加在兩個(gè)輸入端，但一個(gè)輸入端接地；單端輸入單端輸出。

圖10.1基本差動(dòng)放大器

1.工作原理

差動(dòng)放大器采用雙端輸出時(shí)對(duì)零漂有很強(qiáng)的抑制作用。因?yàn)樵谀骋粶囟?，?dāng)輸入信號(hào)為0時(shí)，則因電路對(duì)稱(chēng)，兩管的集電極對(duì)地電位相等，即UC1=UC2，從而輸出電壓為零，即uo=UC1－UC2=0，實(shí)現(xiàn)了零輸入時(shí)零輸出。當(dāng)溫度升高時(shí)，三極管V1、V2的集電極電流IC1和IC2增大，集電極對(duì)地電位UC1和UC2下降，但由于電路對(duì)稱(chēng)，兩管集電極電流的變化量也相等，即ΔIC1=ΔIC2，兩管的集電極對(duì)地電位的變化量也相等，即ΔUC1=ΔUC2，這時(shí)的雙端輸出電壓仍為零。這就是說(shuō)，盡管每一個(gè)單邊放大器的靜態(tài)工作點(diǎn)隨著溫度的變化而改變(即有零漂)，但零輸入時(shí)，差動(dòng)放大電路的雙端輸出電壓始終為零，即不存在零漂。

2.放大作用

設(shè)差動(dòng)放大器的兩個(gè)輸入信號(hào)分別為ui1和ui2，兩個(gè)單邊放大器的放大倍數(shù)分別為AV1、AV2，則兩管的集電極對(duì)地之間的輸出信號(hào)電壓為

uo1=AV1ui1

uo2=AV2ui2

兩個(gè)集電極之間的輸出電壓為

uo=uo1－uo2=AV1ui1－AV2ui2

由于電路對(duì)稱(chēng)，AV1=AV2=AV，則

uo=AV(ui1－ui2) (10.1)

上式表明，差動(dòng)放大器的輸出電壓與兩個(gè)輸入電壓之差成正比。這是差動(dòng)放大器的重要特征，也是差動(dòng)放大器命名的由來(lái)。

差動(dòng)放大器工作時(shí)的輸入信號(hào)可分為差模信號(hào)和共模信號(hào)。差模信號(hào)是指兩個(gè)輸入信號(hào)的大小相等、相位相反，即ui1=－ui2，它是需要放大的有用信號(hào)。共模信號(hào)是指兩個(gè)輸入信號(hào)的大小相等、相位相同，即ui1=ui2，它是需要抑制的無(wú)用干擾信號(hào)。

1)差模放大作用

如圖10.1所示，輸入信號(hào)ui通過(guò)兩個(gè)相同的電阻R可分成兩個(gè)大小相等、極性相反的差模信號(hào)，即ui1=ui/2和ui2=－ui/2，分別加到兩個(gè)單邊放大器的輸入端。這種輸入方式稱(chēng)為差模輸入。此時(shí)的輸出電壓為

uo=AV(ui1－ui2)=AVui

若用差模放大倍數(shù)Ad表示差動(dòng)放大器對(duì)差模信號(hào)的放大作用，則

(10.2)

即差動(dòng)放大器對(duì)差模信號(hào)的電壓放大倍數(shù)與單邊放大器相同。

2)共模放大作用

若差動(dòng)放大器中的兩個(gè)單邊放大器完全對(duì)稱(chēng)，且輸入共模信號(hào)ui1=ui2=uic，則輸出電壓

uo=AV(ui1－ui2)=0

用Ac表示差動(dòng)放大器對(duì)共模信號(hào)的放大倍數(shù)，簡(jiǎn)稱(chēng)共模放大倍數(shù)，則

即差動(dòng)放大器對(duì)共模信號(hào)無(wú)放大作用。由于實(shí)際的差動(dòng)放大器不可能完全對(duì)稱(chēng)，則uo≠0，Ac≠0，但由于Ac遠(yuǎn)小于Ad，因此差動(dòng)放大器對(duì)共模信號(hào)仍有很強(qiáng)的抑制能力。

3)共模抑制比

為了衡量抑制零漂的效果，需要使用一定量指標(biāo)，稱(chēng)為共模抑制比。差動(dòng)放大器的差模放大倍數(shù)與共模放大倍數(shù)的比值定義為共模抑制比，用CMRR(CommonModeRejectionRation)表示，即

(10.3)

共模抑制比也可用分貝表示，即

CMRR越大則電路抑制零漂的能力越強(qiáng)，理想情況下這個(gè)比值是無(wú)窮大的。一般差動(dòng)放大器的CMRR約為60dB，較高水平的為120dB。

1.電路組成

基本差動(dòng)放大電路對(duì)零漂的抑制是靠?jī)蓚€(gè)管子集電極電位的漂移相互抵消而實(shí)現(xiàn)的，雖然雙端輸出的零漂被抑制，但并沒(méi)有抑制單管的零漂。電路不對(duì)稱(chēng)，抑制零漂的效果就要受到限制。若采用單端輸出，就根本沒(méi)有抑制零漂的作用。為了進(jìn)一步減小單邊放大器的零漂，使雙端輸出的零漂更好地被抑制，把基本差動(dòng)放大電路改進(jìn)成如圖10.2所示的電路，稱(chēng)為典型差動(dòng)放大器。10.2典型差動(dòng)放大電路

圖10.2典型差動(dòng)放大器圖10.2中RE上通過(guò)的電流近似為2IE，作用是通過(guò)其電流負(fù)反饋抑制共模信號(hào)，例如溫度升高時(shí)負(fù)反饋的過(guò)程如下：

T↑→IC1(IC2)↑→IE↑→UE=2IERE↑

→UBE1(UBE2)↓→IB1(IB2)↓→IC1(IC2)↓

可見(jiàn)，由于RE的負(fù)反饋?zhàn)饔?，使集電極的電流基本上保持穩(wěn)定，從而使單端輸出的漂移得到抑制，當(dāng)然也使雙端輸出的漂移進(jìn)一步減小。RE越大，負(fù)反饋越強(qiáng)，抑制漂移和共模干擾的能力越強(qiáng)，故稱(chēng)RE為共模反饋電阻。

RW稱(chēng)為調(diào)零電位器，作用是當(dāng)電路不對(duì)稱(chēng)時(shí)調(diào)節(jié)兩管集電極的電位，使其在靜態(tài)時(shí)雙端的輸出電壓為零。

負(fù)電源UEE的作用是在電路接入RE時(shí)，抵消RE上的直流壓降，保證晶體管有一個(gè)合適的靜態(tài)工作點(diǎn)和較大的動(dòng)態(tài)范圍。

2．對(duì)差模信號(hào)的放大

差動(dòng)放大電路在接入RE后，對(duì)差模信號(hào)的放大沒(méi)有影響。因?yàn)閷?duì)于差模信號(hào)，由于電路對(duì)稱(chēng)，兩管的集電極電流一個(gè)在增加，一個(gè)在減小，且增加與減小的數(shù)量相等，因此RE上的電壓保持不變，即RE對(duì)差模信號(hào)沒(méi)有反饋?zhàn)饔?。典型差?dòng)放大器的差模等效電路如圖10.3所示。

圖10.3典型差動(dòng)放大器的差模等效電路(a)差模信號(hào)通路；(b)單管微變等效電路

1)差模電壓放大倍數(shù)

差動(dòng)放大器的電壓放大倍數(shù)Ad與單管放大器的AV相同，即

(10.4)

由式(10.4)可知，RC越大，RB1越小，Ad越大。RW不宜過(guò)大，一般為幾十到幾百歐姆。

采用單端輸出時(shí)的差模電壓放大倍數(shù)Ad單應(yīng)為雙端輸出時(shí)差模電壓放大倍數(shù)Ad的一半，即

(10.5)

2)差模輸入電阻rid和差模輸出電阻rod

由圖10.3(b)知差模單管電路的輸入電阻為

(10.6)

差動(dòng)放大電路的差模輸入電阻應(yīng)是兩個(gè)輸入端所呈現(xiàn)的電阻，大小應(yīng)為兩個(gè)差模單管電路輸入電阻的串聯(lián)值，即

(10.7)

差模單管電路的輸出電阻為

rod單≈RC (10.8)

差動(dòng)放大電路的差模輸出電阻應(yīng)是兩個(gè)輸出端所呈現(xiàn)的電阻，大小應(yīng)為兩個(gè)差模單管電路輸出電阻的串聯(lián)值，即

rod≈2RC (10.9)

3.對(duì)共模信號(hào)的抑制

對(duì)共模信號(hào)而言，相當(dāng)于在發(fā)射極接了2RE，故共模信號(hào)通路如圖10.4(a)所示，單管共模等效電路如圖10.4(b)所示。

圖10.4典型差動(dòng)放大器的共模等效電路(a)共模信號(hào)通路；(b)單管共模等效電路從圖10.4(a)可得到單端輸出的共模電壓放大倍數(shù)為

(10.10)

考慮到RE很大，上式可化為

(10.11)

式(11.11)表明，只要RE選得足夠大，則單端輸出的共模電壓放大倍數(shù)Ac單也能遠(yuǎn)小于1，即在單端輸出時(shí)也能對(duì)共模信號(hào)進(jìn)行有效的抑制，共模抑制比為

(10.12)

對(duì)于雙端輸出，若電路理想對(duì)稱(chēng)，則Ac=0，CMRR=∞。但實(shí)際上電路不可能理想對(duì)稱(chēng)，因而Ac≠0?？梢宰C明雙端輸出時(shí)的共模抑制比為

(10.13)

式中，|β1－β2|是兩管的電流放大倍數(shù)之差，|UBE1－UBE2|是兩管的UBE之差，IC是每個(gè)管子集電極的靜態(tài)電流。從式(11.13)可看出，增大RE、β值，減小基極回路的電阻及兩管的特性差異，均可提高共模抑制比。

1.電路如題圖10.1所示，設(shè)圖中β1=β2=60，晶體管的輸入電阻rbe1=rbe2=1kΩ，Ube=0.7V，電位器RP的觸點(diǎn)在中間位置。

(1)計(jì)算電路的靜態(tài)工作點(diǎn)；

(2)計(jì)算電路的差模電壓放大倍數(shù)；

(3)計(jì)算電路的靜態(tài)輸入、輸出電阻。習(xí)題10

題圖10.1

2.電路如題圖10.2所示，已知β1=β2=60，rbe1=rbe2=1.5kΩ，UBE1=UBE2=0.7V，ui1=7mV，ui2=15mV，試求電