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原创 长尾式差分放大电路

2008-9-26 13:27 7080 0 1 分类: 模拟

一、电路的组成



如图(a)所示,当温度变化时,集电极电位变化,使输出电压变化,若采用直接耦合方式,这种变化会逐级放大,使电路无法正常工作。


采用(b)所示电路,采用电路参数完全相同,管子特性也完全相同的电路,那么两只管子的集电极静态电位在温度变化时也将时时相等,电路以两只管子集电极电位差作为输出,就克服了温度漂移。


共模信号:对于图(b)所示电路,当uI1uI2所加信号为大小相等极性相同的输入信号时,称为共模信号。




332a.gif


332b.gif



共模输入信号的分析:当电路输入共模信号时,由于电路参数对称,T1管和T2管所产生的电流变化相等,即image002.gifimage004.gif;因此,集电极电位的变化也相等,即image006.gif。输出电压image008.gif。说明差分放大电路对共模信号具有很强的抑制作用,在电路参数完全对称的情况下,共模输出为零。


差模信号uI1uI2所加信号为大小相等极性相反的输入信号时,称为差模信号


差模输入信号的分析:由于输入信号image010.gif,电路参数对称,T1管和T2管所产生的电流变化相等而变化方向相反,即image012.gifimage014.gif;因此,集电极电位的变化相等变化方向相反,即image016.gif。输出电压image018.gif,从而可以实现电压放大。注意:Re1Re2的存在使电路的电压放大能力变差。




将发射极电阻Re1Re2合二而一,成为一个电阻Re,如图(c)所示,则在差模信号作用下Re中的电流变化为零,即Re对差模信号无反馈作用(相当于短路),因此大大提高了对差模信号的放大能力。


为了简化电路,便于调节Q点,也为了使电源与信号源能够“共地”,就产生了如图(d)所示的典型差分放大电路电。


332c.gif

二、长尾式差分放大电路

Multisim.gif



长尾式电路:如图所示为典型的差分放大电路,由于Re接负载电源-VEE,拖一个尾巴,故称为长尾式电路。


电路参数理想对称:Rb1=Rb2=RbRc1=Rc2=RcT1管与T2管的特性相同,β1=β2=β,rbe1=rbe2=rbeRe为公共的发射极电阻。



1.静态分析



当输入信号uI1=uI2=0时,电阻Re中的电流等于T1管和T2管的发射极电流之,即


image002.gif


根据基极回路方程


image004.gif


IBQRb很小,忽略不计。




image006.gif


image008.gif


image010.gif


由于UCQ1=UCQ2,所以uO=UCQ1-UCQ2=0



333.gif



2.对共模信号的抑制作用



利用电路参数的对称性抑制温度漂移:当电路输入共模信号时,如下图所示,基极电流和集电极电流变化相等,即image012.gifimage014.gif;因此,集电极电位的变化也相等,即image016.gif,从而使输出电压image018.gif。由于电路参数的理想对称性,温度变化时管子的电流变化完全相同,故可以将温度漂移等效成共模信号,差分放大电路对共模信号有很强的抑制作用。




利用发射极电阻Re对共模信号的抑制:利用Re对共模信号的负反馈作用,Re阻值愈大,负反馈作用愈强,集电极电位的变化愈小,差分放大电路对共模信号的抑制能力愈强。但Re取值不能过大,它受电源电压VEE的限制。


共模放大倍数Ac定义为


image020.gif


334.gif


式中image022.gif为共模输入电压,image024.gifimage022.gif作用下的输出电压。



3.对差模信号的放大作用



当给差分放大电路输入一个差模信号uId时,由于电路参数的对称性,uId经分压后,加在T1管一边的为image027.gif,加在T2管一边的为
image029.gif
。如下图a)所示。


由于E点电位在差模信号作用下不变,相当于接“地”;又由于负载电阻的中点电位在差模信号作用下也不变,也相当于接“地”,因而RL被分成相等的两部分,等效电路如图(b)所示。


差模放大倍数Ad定义为


image031.gif


式中image033.gif为差模输入电压,image035.gifimage033.gif作用下的输出电压。


点击看大图

从图(b)中可知,
image038.gif
image040.gif,所以


image042.gif


由此可见,差分放大电路电压放大能力只相当于单管共射极放大电路。差分放大电路是以牺牲一只管子的放大倍数为代价,换取了低温漂的效果。


输入电阻


image044.gif


输出电阻


image046.gif


共模抑制比KCMR考察差分放大电路对差模信号的放大能力和对共模信号的抑制能力。


image048.gif


其值愈大,电路性能愈好。在电路参数理想对称的情况下,KCMR=∞。

三、差分放大电路的四种接法



1.双端输入单端输出电路

Multisim.gif




电路如右图所示,为双端输入、单端输出差分放大电路。由于电路参数不对称,影响了静态工作点和动态参数。


337.gif

直流分析:



画出其直流通路如右下图所示,图中image002.gifimage004.gif是利用戴维宁定理进行变换得出的等效电源和电阻,其表达式分别为:


image006.gif


image008.gif





虽然由于输入回路参数对称,使静态电流IBQ1=IBQ2,从而ICQ1=ICQ2;但是,由于输出回路的不对称性,使T1管和T2管的集电极电位各不相同,即UCQ1UCQ2

UCEQ1UCEQ2。可得

image010.gif



338.gif


image012.gif


image014.gif



image016.gif


image018.gif



交流分析:



在差模信号作用时,负载电阻仅取得T1管集电极电位的变化量,所以与双端输出电路相比,其差模放大倍数的数值减小。


如右下图所示为差模信号的等效电路。在差模信号作用时,由于T1管与T2管中电流大小相等方向相反,所以发射极相当于接地。


输出电压


image020.gif




输入电压


image022.gif


差模放大倍数


image024.gif


电路的输入电阻


image026.gif


电路的输出电阻


image028.gif


是双端输出电路输出电阻的一半。


339.gif


如果输入差模信号极性不变,而输出信号取自T2管的集电极,则输出与输入同相。


当输入共模信号时,由于两边电路的输入信号大小相等极性相同。与输出电压相关的T1管一边电路对共模信号的等效电路如下图所示。发射极电阻Re上的电流变化量
image030.gif
,发射极电位的变化量image032.gif;对于每只管子而言,可认为是image034.gif流过阻值为2Re的射电阻。



点击看大图


输入电压


image036.gif


输出电压


image038.gif


共模放大倍数为


image040.gif


共模抑制比


image042.gif


结论:Re愈大,Ac的值愈小KCMR愈大,电路的性能愈好。



2.单端输入、双端输出电路

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如下图a)所示为单端输入、双端输出电路。电路对于差模信号是通过发射极相连的方式将T1管的发射极电流传递到T2管的发射极的,故称这种电路为射极耦合电路。


如图(b)所示将输入信号进行等效变换,可看出,两输入端分别输入了差模信号和共模信号。



点击看大图


可见,单端输入电路与双端输入电路的区别在于:差模信号输入的同时,伴随着共模信号输入。


输出电压


image044.gif


若电路参数对称,则Ac0KCMR为无穷大。


静态工作点以及动态参数的分析完全与双端输入、双端输出相同。




3.单端输入、单端输出电路


3312.gif

如右图所示为单端输入、单端输出电路,该电路对静态工作点、差模增益、共模增益、输入与输出电阻的分析与单端输出电路相同。对输入信号的作用分析与单端输入电路相同。


Multisim.gif

四、改进型差分放大电路

Multisim.gif





在差分放大电路中,增大发射极电阻Re的阻值,可提高共模抑制比。但集成电路中不易制作大阻值电阻;采用大电阻Re要采用高的稳压电源,不合适。如设晶体管发射极静态电流为0.5mA,则Re中电流为1mA。当Re10kΩ时,电源VEE的值为10.7V。在同样的静态工作电流下,若Re100kΩ,VEE的值约为100V


3314.gif
 



为了既能采用较低的电源电压,又能采用很大的等效电阻Re,可采用恒流源电路来取代Re。晶体管工作在放大区时,其集电极电流几乎仅决定于基极电流而与管压降无关,当基极电流是一个不变的直流电流时,集电极电流就是一个恒定电流。因此,利用工作点稳定电路来取代Re,就得如右上图所示电路。


恒流源电路在不高的电源电压下既为差分放大电路设置了合适的静态工作电流,又大大增强了共模负反馈作用,使电路具有更强的抑制共模信号的能力。


如右上图所示恒流源电路可用恒流源取代。在实际电路中,常用阻值很小的电位器加在两只管子发射极之间,见下图中的Rw


调零电位器Rw:调节电位器的滑动端位置便可使电路在uI1uI20时,uO0Rw称为调零电位器。



3314.gif3315.gif



为了获得高输入电阻的差分放大电路,可用场效应管取代晶体管,如右上图所示。这种电路特别适于做直接耦合多级放大电路的输入级。通常情况下可以认为其输入电阻为无穷大。其应用和晶体管差分放大电路相同。


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文章评论 1条评论)

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tlc1986s 2009-12-8 19:22

有这板子的资料吗谢谢

helijin 2008-10-4 17:03

很详细 nice job
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