差分放大電路常見的形式有三種:基本形式、長尾式和恆流源式。
一、基本形式差分放大電路
1.電路組成
將兩個電路結構、引數均相同的單管放大電路組合在一起,就成為差分放大電路的基本形式,如下圖所示。輸入電壓分成相同的兩部分加到兩管的基極,輸出電壓等於兩管的集電極電壓之差。
2.電壓放大倍數
當外加乙個輸入電壓時,由於電路結構對稱,vt1和vt2基極得到的輸入電壓將大小相等,但極性相反,如上圖所示。這樣的輸入電壓稱為差模輸入電壓,用uid,則放大電路輸出電壓的變化量為
△uo=△uc1-△uc2=△uid
所以差分放大電路的差模電壓放大倍數為
ad=au1 (4.2.5)
上式表明,差分放大電路的差模電壓放大倍數和單管放大電路的電壓放大倍數相同。可以看出,差分放大電路的特點是,多用乙個放大管後,雖然電壓放大倍數沒有增加,但是換來了對零漂的抑制。
但是從抑制零漂的效果來看,基本形式的差分放大電路並不理想。其原因是電路兩側的管子特性和元件引數不可能完全相同,因此兩個三極體輸出端的溫漂也不可能完全抵消。為了衡量對零漂的抑制效果,需要提出乙個技術指標,這就是共模抑制比。
3.共模抑制比
差分放大電路的輸入電壓有兩種形式,一種是差模輸入電壓uid,即兩個差放管的輸入電壓大小相等,但極性相反,見上圖。另一種是共模輸入電壓,即兩個差放管的輸入電壓大小相等,且極性相同,用uic表示,見下圖。
放大電路對差模輸入電壓的放大倍數稱為差模電壓放大倍數,用ad表示,即
而放大電路對共模輸入電壓的放大倍數稱為共模電壓放大倍數,用ac表示,即
通常希望差分放大電路的差模電壓放大倍數愈大愈好,而共模電壓放大倍數愈小愈好。
差分放大電路找人模抑制比用符號kcmr表示,它的定義為差模電壓放大倍數與共模電壓放大倍數之比,一般用對數表示,單位為分貝,即
共模抑制比描述差分放大電路對零漂的抑制能力。kcmr愈大,說明抑制零漂的能力愈強。在理想情況下,差分放大電路兩側的引數完全對稱,兩管輸出端的溫漂完全抵消,則共模電壓放大倍數ac=0,共模抑制比kcmr=∞。
對於基本形式的差分放大電路來說,由於內部引數不可能絕對匹配,所以輸出電壓uo仍然存在溫度漂移,共模抑制比很低。而且,從每個三極體的集電極對地電壓來看,其溫度漂移與單管放大電路相同,絲毫沒有改善。因此,在實際工作中一般不採用這種基本形式的差分放大電路。
二、長尾式差分放大電路
為了減小每個管子輸出端的溫漂,引出了長尾式差分放大電路。
1.電路組成
在兩個放大管的發射極接入乙個發射極電阻re,如下圖所示。這個電阻一般稱為「長尾」,所以這種電路稱為長尾式差分放大電路。
但是對於差模輸入訊號,由於兩管的輸入訊號幅度相等而極性相反,所以ic1增加多少,i c2就減少同樣的數量,因而流過re的電流總量保持不變,則△ue=0,所以對於差模訊號沒有反饋作用。
re愈大,共模負反饋愈強,則抑制零漂的效果愈好。但是,隨著re的增大,re上的直流壓降將愈來愈大。為此,在電路中引入乙個負電源vee來補償re上的直流壓降,以免輸出電壓變化範圍大小。引入vee以後,靜態基極電流可由vee提供,因此可以不接基極電阻rb,如上圖所示。
2.靜態分析
當輸入電壓等於零時,由於電路結構對稱,故設ibq1=ibq2=ibq,icq1=icq2=icq,ubeq1=ubq2=ubq,ucq1=ucq2=ucq,β1=β2=β,由三極體的基極迴路可得靜態集電極電流和電位為
icq≈βibq
ucq=vcc-icqrc(對地)
靜態基極電位為
ubq=-ibqr(對地) (4.2.12)
三、恆流源式差分放大電路
1.電路組成
恆流源式差分放大電路如下圖所示。由圖可見,恆流管vt3的基極電位由電阻rb1、rb2分壓後得到,可認為基本不受溫度變化的影響,則當溫度變化時vt3的發射極電位和發射極電流也基本保持穩定,而兩個放大管的集電極電流ic1和ic2之和近似等於ic3,所以ic1和ic2將不會因溫度的變化而同時增大或減小,可見,接入恆流三極體後,抑制了共模訊號的變化。
估算恆流源式差分別電路的靜態工作點時,通常可以從確定恆流三極體的電流開始。當忽略vt3的基流時,可得到兩個放大管的靜態電流和電壓為
icq1=0.5icq3 (4.2.18)
ubq1= - ibq1r (4.21)
四、差分放大電路的輸入、輸出接法
差分放大電路有兩個放大三極體,它們的基極和集電極分別是放大電路的兩個輸入端和兩個輸出端。差分放大的輸入、輸出端可以有四種不同的接法,即差分輸入、雙端輸出,差分輸入、單端輸出,單端輸入、雙端輸出和單端輸入、單端輸出,如下圖所示。當輸入、輸出的接法不同時,放大電路的效能、特點也不盡相同,下面分別進行介紹。
電路見上圖(a)。
2.差分輸入、單端輸出
電路見上圖(b)。由於只從三極體vt1的集電極輸出,而另一管vt2集電極的電壓變化沒有輸出,所以△uo約為雙端輸出時的一半,
如改從vt2集電極輸出,則輸出電壓將與輸入電壓同相,即ad的表示式中沒有負號。
差模輸入電阻和輸出電阻為
rid=2(r+rbe) (4.2.23)
ro=rc (4.2.24)
這種接法常用於將差分訊號轉換為單端訊號,以便與後面的放大級實現共地。
3.單端輸入、雙端輸出
在單端輸入的情況下,輸入電壓只加在某乙個三極體的基極與公共端之間,另一管的基極接地,如上圖(c)所示。現在來分析一下單端輸入時兩個三極體的工作情況
在上圖(c)中,設某個瞬時輸入電壓極性為正,則vt1的集電極電流ic1將增大,流過長尾電阻re或恆流管的電流也隨之增大,於是發射極電位ue公升高,但vt2基極迴路的電壓ube2-ub2-ue將降低,使vt2的集電極電流ic2減小。可見,在單端輸入時,仍然是乙個三極體的電流增大,另一管電流減小。
因長尾電阻或恆流三極體引入的共模負反饋將阻止ic1和ic2同時增大或減小,故當共模負反饋足夠強時,可認為ic1和ic2之和基本上不變,即△ic1+△ic2≈0,或△ic1≈-△ic2。說明在單端輸入時,發射極電壓ue將隨輸入電壓ui變化,當共模反饋足夠強時,可認為vt1的輸入電壓△ube1=△u1-△ue,vt2的輸入電壓△ube2=-△ue。由此可知,△ube1與△ube2大小近似相等而極性相反,即兩個三極體仍然基本上工作在差分狀態。這種接法主要用於單端訊號轉換為雙端輸出,以便作為下一級的差分輸入訊號。
4.單端輸入、單端輸出
電路如上圖(d)所示。由於從單端輸出,所以其差模電壓放大倍數約為雙端輸出時的一半。
如果改從vt2的集電極輸出,則以上ad的表示式中沒有負號,即輸出電壓與輸入電壓相同。
這種接法的特點是在單端輸入和單端輸出的情況與,比一般的單管放大電路具有較強的抑制零漂的能力。另外,通過從不同的三極體集電極輸出,可使輸出電壓與輸入電壓成反相或同相關係。
總之,根據以上對差分放大電路輸入、輸出端四種不同接法的分析,可以得出以下幾個結論:
①雙端輸出時,差模電壓放大倍數基本上與單管放大電路的電壓放大倍數相同;單端輸出時,ad約為雙端輸出時的一半。
②雙端輸出時,輸出電阻ro=2rc;單端輸出時,ro=rc。
③雙端輸出時,因為兩管集電極電壓的溫漂互相抵消,所以在理想情況下共模抑制比kcmt=∞;單端輸出時,由於通過長尾電阻或恆流三極體引入了很強的共模負反饋,因此仍能得到較高的共模抑制比,當然不知雙端輸出時間高。
④單端輸出時,可以選擇從不同的三極體輸出,而使輸出電壓與輸入電壓反相或同相。
⑤單端輸入時,由於引入了很強的共模負反饋,兩個三極體仍基本上工作在養分狀態。
⑥單端輸入時,從乙個三極體到公共端之間的差模輸入電阻rid≈2(r+reb).
現將四種不同接法時差分放大電路的主要效能和特點列出表4-1中,以便對照比較。
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