差分放大電路又稱為差動(dòng)放大電路,當(dāng)該電路的兩個(gè)輸入端的電壓有差別時(shí),輸出電壓才有變動(dòng),因此稱為差動(dòng)。差分放大電路是由靜態(tài)工作點(diǎn)穩(wěn)定的放大電路演變而來的。
集成電路中電路都是用的各種恒流源作偏置,偏置電路中電流都是恒定不變的,所有的參數(shù)計(jì)算都是圍繞這個(gè)恒定的電流。
一 最簡單的恒流源,鏡像恒流源,如圖
簡單差分放大電路詳解
那么這個(gè)電路是怎么工作的了,書本教材中介紹是:
電源 Vcc通過電阻R1和Q2產(chǎn)生一個(gè)基準(zhǔn)電流 Iref,然后通過鏡像電流源在Q1的集電極得到相應(yīng)的Ic1,作為提供給某個(gè)放大器的偏置電流。
Ib1 =Ib2=Ib
Ic1 =Ic2=Ic
═〉Ic1 =Ic2=Iref -2Ib=Iref-2(Ic2/β)
得:Ic2≈Iref×[1 ÷﹙1+2/β﹚]
當(dāng)β》》2時(shí),可得:
Ic2≈Iref=[Vcc-Ube1]÷R
由于輸出恒流Ic2和基準(zhǔn)電流基本相同他們?nèi)缤R像的關(guān)系所以這種恒流電路稱為鏡像電流源。
但是我個(gè)人覺得從靜態(tài)公式來理解,效果不如從動(dòng)態(tài)來理解,這樣會(huì)更形象說明問題。
電源Vcc接通的一瞬間,電壓加在Q2,Q1基極產(chǎn)生Ib2,Ib1,同時(shí)也產(chǎn)生Ic2,Ib1。
Ic=βIb,Ic2流過電阻R1,產(chǎn)生電壓降,一旦這個(gè)電壓降大于4.3v,加在Q2,Q1基極的電壓就不足0.7v。
此時(shí)基射之間電壓不足以克服基射之間PN結(jié)的內(nèi)電場,Ib2,Ib1就會(huì)變小,導(dǎo)致Ic2,IC1變小,R1的電壓降也會(huì)變小。
基極電壓又開始升高,導(dǎo)致Ib2,Ib1又開始增加,Ic2,Ic1增加,以此循環(huán),基射之間電壓達(dá)到一個(gè)動(dòng)態(tài)平衡,在0.7V附近微小的波動(dòng),靜態(tài)來看穩(wěn)定在0.7v。
二 放大器分析
因?yàn)榉治龆际菄@這個(gè)恒定的偏置電流,所以我們必須先計(jì)算出這個(gè)鏡像流的電流,我們所有的計(jì)算都是建立在電路結(jié)構(gòu)對(duì)稱,三極管的參數(shù)一致上面。
Q5和Q7組成鏡像流,IC5=IC7=(Vcc-Vee-Vbe5)/R4=(10v-0.8v)/4000Ω=2.3mA,誤差約為2Ib5或者2Ib7,從圖也可以看出來Q5集電極電流IC7分流了Ib5和Ib7,Ib5=Ib7,所以為2Ib5或者2Ib7。
差分放大電路的分析
1、靜態(tài)分析
靜態(tài)時(shí)Ui1 =Ui2=0,由于兩管對(duì)稱,設(shè)UBEQ1=UBEQ2=UBEQ,RB1=RB2=RB,RC1=RC2=RC,由基極-發(fā)射極回路列方程
(1)
(2)
則有
(3)
通常情況下,RB阻值很小,IBQ也很小,所以IBQRB可以忽略不計(jì),發(fā)射極靜態(tài)電流
4)
(5)
2、動(dòng)態(tài)分析
(1)對(duì)共模信號(hào)的抑制作用
在差動(dòng)式放大電路的兩個(gè)輸入端加上一對(duì)大小相等極性相同的信號(hào),即Ui1=Ui2,這種輸入方式稱為共模輸入。共模輸入信號(hào)用Uic表示。共模輸入的電路如圖1所示。由于電路參數(shù)對(duì)稱,ΔiB1=ΔiB2,ΔiC1=ΔiC2,因此集電極電位變化也相等,共模輸入時(shí)的輸出電壓
UC1=UC2=AuUic(6)
Uoc=UC1-UC2=0(7)
這說明差分放大電路對(duì)共模信號(hào)有很強(qiáng)的抑制作用,在參數(shù)完全對(duì)稱的情況下,共模輸出為零。
由于電路參數(shù)的理想對(duì)稱性,溫度變化時(shí)管子的電流變化完全相同,故可以將溫度漂移等效成共模信號(hào),差分放大電路對(duì)共模信號(hào)有很強(qiáng)的抑制作用。
圖1 輸入共模信號(hào)
在圖1中,RE對(duì)共模輸入信號(hào)起負(fù)反饋?zhàn)饔茫欢?,?duì)于每邊晶體管而言,發(fā)射極電阻為2RE,阻值越大,負(fù)反饋?zhàn)饔迷綇?qiáng),集電極電流變化越小,因而集電極電位的變化莫測也就越小,但RE不宜過大,因?yàn)橛墒剑?)可知,它受電源電壓UCC的限制。為了描述差分放大電路對(duì)共模信號(hào)的抵制能力,引入一個(gè)新的參數(shù)----共模放大倍數(shù)AC,定義為
(8)
式(8)中,uic為共模輸入電壓;uoc是uic作用下的輸出電壓。在電路參數(shù)理想對(duì)稱的情況下,AC=0。
(2)對(duì)差模信號(hào)的放大作用
當(dāng)加在兩個(gè)輸入端之間的輸入信號(hào)Uid被輸入端對(duì)地的電阻分壓,它們各分得Uid的一半,但極性相反。即
(9)
這相當(dāng)于在兩個(gè)輸入端加上一對(duì)大小相等極性相反的信號(hào),這樣的信號(hào)稱為差模信號(hào)。差模輸入信號(hào)如圖2(a)所示。
圖2 輸入差模信號(hào)
由于ui1=-ui2,又由于電路參數(shù)對(duì)稱,T1、T2所產(chǎn)生的電流變化大小相等而變化方向相反,即ΔiB1=-ΔiB2,ΔiC1=-ΔiC2,因此集電極電位的變化也是大小相等而變化方向相反,ΔuC1=-ΔuC2,這樣得到輸出電壓uo=uC1-uC2=2ΔuC1,從而實(shí)現(xiàn)電壓放大。同時(shí),T1和T2的發(fā)射極電流的變化,同基極電流一樣,也是大小相等而變化方向相反,即ΔiE1=-ΔiE2,因此流過電阻RE的電流變化ΔiRE=-ΔiE1+ΔIE2=0,即RE對(duì)差模信號(hào)的無反饋?zhàn)饔?。也就是說,RE對(duì)差模信號(hào)相當(dāng)于短路,因此大大提高了對(duì)差模信號(hào)的放大能力。
由于圖2 (a)中晶體管的發(fā)射極E點(diǎn)電位在差模信號(hào)作用下不變,相當(dāng)于接“地”,由于負(fù)載電阻的中點(diǎn)電位在差模信號(hào)作用下也不變,也相當(dāng)于接“地”,因而RL被分成相等的兩部分,分別接在T1管和T2管的c和e極之間,差模信號(hào)作用下的等效電路如圖2 (b)所示。
差模電壓放大倍數(shù)
(10)
可見,差模電壓放大倍數(shù)等于單管共射極放大電路的電壓放大倍數(shù)。 由圖2 (b)可得
(11)
(12)
聯(lián)立(10) 、(11) 和(12)三式,可求得Aud
(13)
由此可見,雖然差動(dòng)放大電路用了兩只晶體管,但它的放大能力只相當(dāng)于單管共射放大電路。因而差動(dòng)放大電路是以犧牲一只管子的放大倍數(shù)為代價(jià),換取抑制溫度漂移的效果。
根據(jù)輸入電阻的定義,根據(jù)圖2 (b)所示的微變等效電路可知
(14)
根據(jù)輸出電阻的定義,根據(jù)圖2 (b)所示的微變等效電路可知
(15)
在理想狀態(tài)下,即電路完全對(duì)稱時(shí)差動(dòng)式放大電路對(duì)共模信號(hào)有完全的抑制作用。實(shí)際電路中,差動(dòng)式放大電路不可能做到絕對(duì)對(duì)稱,這時(shí)Uoc≠0,Auc≠0,即共模輸出電壓不等于零,共模電壓放大倍數(shù)不等于零。為了衡量差動(dòng)式電路對(duì)共模信號(hào)的抑制能力,將Aud與Auc之比稱為共模抑制比,用KCMR表示,即
(16)
由上式可以看出,KCMR越大,差動(dòng)式放大電路放大差模信號(hào)(有用信號(hào))的能力越強(qiáng),抑制共模信號(hào)(無用信號(hào))的能力越強(qiáng),即KCMR越大越好。理想差動(dòng)式電路的共模抑制比KCMR→∞。后面我們將討論如何提高共模抑制比。由式(16)可見,在保證Aud不變的情況下,降低Ac,可以提高KCMR。
射極電阻RE越大,對(duì)于零點(diǎn)漂移和共模信號(hào)的抑制作用越顯著。但RE越大,產(chǎn)生的直流壓降就越大。為了補(bǔ)償RE上的直流壓降,使射極基本保持零電位,故增加負(fù)電源UEE,此時(shí),基極電流IB可由UEE提供。當(dāng)RE選得較大時(shí),維持正常工作電流所需的負(fù)電源將很高,例如,若選RE=100kΩ,則維持1mA射極電流所需的負(fù)電源UEE競高達(dá)200V,顯然是不可取的。為了解決這個(gè)問題,可以采用恒流源電路代替射極電阻RE,其電路如圖3(a)所示。圖中T3管采用分壓式偏置電路,無論T1、T2管有無信號(hào)輸入,IB3恒定,IC3恒定,所以T3管稱為恒流管。其簡化電路如圖3(b)所示。
恒流源的靜態(tài)電阻U/I很小,所以不需要太大的UEE就可以得到合適的工作電流。
圖3 恒流源差分放大電路
在圖3(a)中,IC3=IE3,由于IC3恒定 ,故IE3恒定,則ΔIE=0,這時(shí)動(dòng)態(tài)電阻rd為
(17)
恒流源對(duì)動(dòng)態(tài)信號(hào)呈現(xiàn)高達(dá)幾兆歐的電阻,rd相當(dāng)于RE,所以,對(duì)差模電壓放大倍數(shù)Aud無影響。對(duì)共模信號(hào)有很強(qiáng)的抑制能力,使Auc → 0,這時(shí)KCMR→∞。實(shí)現(xiàn)了在不增加負(fù)電源UEE的同時(shí),提高了共模抑制比的目的。
(3)任意信號(hào)的分解
任意信號(hào)指:兩個(gè)輸入信號(hào)ui1、ui2既非差模信號(hào)又非共模信號(hào),如圖4(a)所示,可以將這對(duì)任意信號(hào)替換成一對(duì)共模信號(hào)和一對(duì)差模信號(hào),如圖4 (b)所示。
圖4 任意信號(hào)分解
差模分量:
(18)
共模分量:
(19)
評(píng)論