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模擬電路網(wǎng)絡(luò)課件第二十六節(jié):差分式放大電路

6.2 差分式放大電路

一、直接耦合多級(jí)放大電路的零點(diǎn)漂移

多級(jí)放大電路的耦合方式

為了獲得足夠高的增益或滿足輸入電阻、輸出電阻的特殊要求，實(shí)用的放大電路通常由幾級(jí)基本放大單元級(jí)聯(lián)而成，構(gòu)成多級(jí)放大電路。各級(jí)之間的連接方式稱為耦合方式。常用的耦合方式有阻容耦合、變壓器耦合、直接耦合三種。

直接耦合多級(jí)放大電路的特點(diǎn)

直接耦合也稱為直流耦合。其優(yōu)缺點(diǎn)如下：

優(yōu)點(diǎn)：

（1）信號(hào)傳輸通路沒有電抗元件，可以放大直流及緩慢變化的信號(hào)；

（2）體積小，便于集成

缺點(diǎn)：

（1）各級(jí)之間靜態(tài)工作點(diǎn)相互影響

（2）存在較嚴(yán)重的零點(diǎn)漂移問題

圖1是一個(gè)3級(jí)直接耦合放大電路。根據(jù)各級(jí)輸入輸出所處的電極，可以判斷出第一、二級(jí)是共發(fā)射極組態(tài)，第三級(jí)是共集電極組態(tài)。

零點(diǎn)漂移

如果將直接耦合放大電路的輸入端短路，其輸出端應(yīng)有一固定的直流電壓，即靜態(tài)輸出電壓。但實(shí)際上輸出電壓將隨著時(shí)間的推移，偏離初始值而緩慢地隨機(jī)波動(dòng)，這種現(xiàn)象稱為零點(diǎn)漂移，簡(jiǎn)稱零漂。零漂實(shí)際上就是靜態(tài)工作點(diǎn)的漂移。

零漂產(chǎn)生的主要原因

（1）溫度的變化。由溫度對(duì)放大電路工作點(diǎn)影響一節(jié)我們知道，溫度的變化最終都將導(dǎo)致BJT的集電極電流 IC的變化，從而使靜態(tài)工作點(diǎn)發(fā)生變化，使輸出產(chǎn)生漂移。因此，零漂有時(shí)也稱為溫漂。

（2）電源電壓波動(dòng)。電源電壓的波動(dòng)，也將引起靜態(tài)工作點(diǎn)的波動(dòng)，而產(chǎn)生零點(diǎn)漂移。

分析零點(diǎn)漂移應(yīng)注意的幾個(gè)問題

（1）只有在直接耦合放大電路中，前級(jí)的零點(diǎn)漂移才能被逐級(jí)放大，并最終傳送出。

（2）第一級(jí)的漂移影響最大，對(duì)放大電路的總漂移起著決定性作用。

（3）當(dāng)漂移電壓的大小可以與有效信號(hào)電壓相比時(shí)，將“淹沒”有效信號(hào)。嚴(yán)重時(shí)甚至使后級(jí)放大電路進(jìn)入飽和或截止?fàn)顟B(tài)，而無(wú)法正常工作。

抑制零點(diǎn)漂移一般措施

（1）用非線性元件進(jìn)行溫度補(bǔ)償；

（2）采用調(diào)制解調(diào)方式。如“斬波穩(wěn)零放大器”；

（3）采用差分式放大電路。

目前，第三種方式以其簡(jiǎn)單，經(jīng)濟(jì)，抑制零漂能力強(qiáng)等特點(diǎn)而廣泛采用。本章只介紹該方式抑制零漂的原理。

二、差模信號(hào)與共模信號(hào)

根據(jù)第1章知識(shí)我們知道，放大電路是一個(gè)雙口網(wǎng)絡(luò)，每個(gè)端口有兩個(gè)端子，其端口結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。當(dāng)兩個(gè)輸入端子的輸入信號(hào)分別為vi1和vi2時(shí)，兩信號(hào)的差值稱為差模信號(hào)，而兩信號(hào)的算術(shù)平均值稱為共模信號(hào)，即

差模信號(hào)

共模信號(hào)

根據(jù)以上兩式可以得到

? ????

可以看出，兩個(gè)輸入端的信號(hào)均可分解為差模信號(hào)和共模信號(hào)兩部分。

兩種信號(hào)的特點(diǎn)

差模分量：大小相等，相位相反

共模分量：大小相等，相位相同

差模電壓增益 ??????? 共模電壓增益

總輸出電壓??

其中，表示由差模信號(hào)產(chǎn)生的輸出

?????? 表示由共模信號(hào)產(chǎn)生的輸出

共模抑制比?? ?

共模抑制比是衡量放大電路抑制零點(diǎn)漂移能力的重要指標(biāo)。

三、差分放大電路的結(jié)構(gòu)

四、差分放大電路的靜態(tài)分析

五、抑制零漂的原理

雙端輸出時(shí)

在圖1差分式放大電路中

溫度變化

?兩管集電極電流以及相應(yīng)的

集電極電壓相同的變化

?在電路完全對(duì)稱的情況下，雙端輸出

（兩集電極間）的電壓可以始終保持為零

?抑制了零點(diǎn)漂移????????????????? 圖1

盡管在實(shí)際情況下，要做到兩管電路完全對(duì)稱是比較困難的，但輸出漂移電壓仍將大大減小。

單端輸出時(shí)

抑制零點(diǎn)漂移的作用也可以從另一方面來(lái)理解。由BJT的工作特性我們知道，溫度升高時(shí)，集電極電流會(huì)增加。由于電路中Re的存在，將對(duì)電路產(chǎn)生如下影響：

以上過(guò)程類似于分壓式射極偏置電路的溫度穩(wěn)定過(guò)程。所以，即使電路處于單端輸出方式時(shí)，仍有較強(qiáng)的抑制零漂能力。但由于Re上流過(guò)兩倍的集電極變化電流，其穩(wěn)定能力比射極偏置電路更強(qiáng)。

關(guān)鍵

Re越大，抑制零漂能力越強(qiáng)。圖2中發(fā)射極采用電流源電路，其等效電阻更大，所以有更強(qiáng)的抑制零漂能力。

由于溫度變化或電源電壓波動(dòng)，會(huì)對(duì)兩管集電極電流產(chǎn)生相同的影響，其效果相當(dāng)于在兩個(gè)輸入端加入了共模信號(hào)。因此，當(dāng)提高電路的共模抑制比時(shí)，也就提高了抑制零漂的能力。

六、差分放大電路的差模動(dòng)態(tài)指標(biāo)

七、共模動(dòng)態(tài)指標(biāo)與共模抑制比

八、差分放大電路的不同接法的性能比較

差分式放大電路幾種接法的性能指標(biāo)比較

九、FET差分放大電路

FET差分式放大電路的特點(diǎn)

輸入阻抗高，輸入偏置電流很小。

JFET構(gòu)成的差分式放大電路：輸入電阻可達(dá)1012W，輸入偏置電流約為100pA數(shù)量級(jí)；

MOSFET差分式放大電路：輸入電阻則可達(dá)1015W，輸入偏置電流在10pA以下。

FET差分式放大電路的分析

FET差分式放大電路的電路結(jié)構(gòu)、工作原理和分析方法與BJT差分式放大電路基本相同，并具有相同的電路特點(diǎn)，只不過(guò)是用FET的小信號(hào)模型來(lái)分析計(jì)算而已。

圖1所示為帶恒流源的JFET差分式放大電路。其中JFET T1、T2是差分對(duì)管，BJT T3、T4及R1、R2、R3組成恒流源電路，用于抑制共模信號(hào)。電路的動(dòng)態(tài)指標(biāo)計(jì)算類似于場(chǎng)效應(yīng)管單極共源放大電路。由于該電路是單入-單出差分式放大電路，所以，其差模電壓增益為

式中g(shù)m為T1、T2的互導(dǎo)。

輸入電阻的計(jì)算與BJT構(gòu)成的差分放大電路有所差別。由于場(chǎng)效應(yīng)管的輸入電阻很大，柵極電流可忽略不計(jì)。同時(shí)，該電路的柵極有Rg電阻接地。所以，差模輸入電阻為

Rid?Rg

十、差分放大電路的傳輸特性

差分式放大電路在小信號(hào)線性工作狀態(tài)下的放大作用。當(dāng)信號(hào)較大時(shí)，輸入輸出的關(guān)系可通過(guò)傳輸特性曲線來(lái)描述。下面以圖1所示電路為例進(jìn)行討論。

????（1）

???? （2）

????（3）

??????（4）

??? （5）

???? （6）

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