差分放大器的设计

学习要求掌握差分放大器的主要特性参数及其测试方法；学会设计具有恒流源的差分放大器及电路的调试技术。差分放大器设计恒流源电路一、具有恒流源的差分放大器输入端输出端具有恒流源的差分放大器，应用十分广泛。特别是在模拟集成电路中，常作为输入级或中间放大级。T1、T2称为差分对管，T1与T2的特性应相同，常采用双三极管如5G921或BG319等，它与电阻RB1、RB2、RC1、RC2及电位器RP共同组成差分放大器的基本电路基本电路T3、T4是特性相同的晶体管，与电阻RE3、RE4、R共同组成恒流源电路，为差分对管的射极提供恒定电流I0RP可调整电路的对称性电路特点由于电路的这种对称性结构特点及恒流源的作用，无论是温度的变化，还是电源的波动(称之为共模信号)，对T1、T2两管的影响都是一样的。因此，差分放大器具有抑制零点漂移，电路工作稳定的优点，而且还具有下限频率低、输入阻抗高等优点。适用于放大变化速率低的小信号，常用作模拟集成电路中的输入级或中间放大级。1.输入输出信号的连接方式双端输入—双端输出双端输入—单端输出单端输入—双端输出单端输入—单端输出双端输入—双端输出RL加在3、4端R1、R2是均压电阻，给差分放大器提供对称差模输入信号Vid两端均不接地双端输入—单端输出两端应加相同的负载两端应加相同的负载均压电阻R1、R2给差分放大器提供对称差模输入信号Vid两端均不接地•单端输入—双端输出RL应接在3、4两个输出端信号源的一端和差分放大器的一个输入端均接地•单端输入—单端输出两个输出端应接相同的负载信号源的一端和差分放大器的一个输入端均应接地两个输出端应接相同的负载注意：连接方式不同，电路的特性参数是有所不同的2.静态工作点的计算差分放大器的输入端不加信号恒流源电路的电流IR恒定电流I0静态时，IR＝2IB4Q+IC4Q=2IC4Qß＋IC4QIC4QIO恒定电流主要由电源电压－VEE及电阻R、RE4决定称IO为IR的镜像电流IO=IR=|－VEE|－0.7VR+RE4对于T1、T2组成的对称电路，则有:2VVVC10CCC1C1QCCC2QC1QRIVRImAmV26)1(300mAEbeIrmA2/mV26)1(300mA0IT1、T2特性参数相同RC1=RC2,RB1=RB2IC1Q=IC2Q=I0/2差分放大器的静态工作点，主要由恒流源电流I0的大小决定。二、主要特性参数及其测试方法1.传输特性2.差模特性3.共模特性1.传输特性传输特性是指差分放大器输入差模电压vid时，集电极电流iC随输入电压vid的变化规律。I0差模输入电压Vid=0时，两管的集电极电流相等，IC1Q=IC2Q=I0/2，称Q点为静态工作点；当vid增加(±25mV以内)时，iC1随vid线性增加，iC2随vid线性减少，IC1+IC2=I0的关系不变；非线性区限幅区限幅区线性放大区在vid增加到使T1趋于饱和区，T2趋于截止区(vid超过±50mV)时，iC1的增加和iC2的减小都逐渐缓慢，这时iC1、iC2随vid作非线性变化在vid再继续增加(超过±100mV)，T1饱和、T2截止时，iC1、iC2不再随vid变化，加入射极电阻RP可加强电流负反馈，扩展线性区,当RP＝100vid在±50mV内是线性区测量传输特性1.传输特性在实际应用中是通过测量T1和T2的集电极电压vC1、vC2随差模电压vid的变化规律来测量差模传输特性。因为vC1=VCC–iC1RC1，如果+VCC、RC1确定，则vC1与–iC1的变化规律相同，而且测量电压VC1、VC2比测量电流IC1、IC2要方便得多。测量差模传输特性接线图示波器上显示的差模传输特性曲线uc1=Vcc-Ic1*Rc1截止区：Vc=Vcc-Io*Rc注意：需要将Vid逐渐增加才能看到传输特性曲线上的各个区域2.差模特性当从差分放大器的两个输入端输入一对差模信号(大小相等、极性相反)时，与差分放大器4种接法所对应的差模电压增益AVD、差模输入电阻Rid、差模输出电阻Rod的关系如表所示。差分放大器4种接法的差模特性2.差模特性双端输出时的差模特性完全相同单端输出时的差模特性也完全相同双端输入、单端输入，输入电阻Rid是相同的差模电压增益AVd的测量方法2.差模特性设差分放大器为双端输出接法,用双踪示波器测量vC1及vC2(它们应是一对大小相等、极性相反的不失真正弦波)。设差分放大器为单端输出接法,用双踪示波器测量vC1及vC2(它们应是一对大小相等、极性相反的不失真正弦波)。双端输出时的差模电压增益：idC2idC1VDVVVVAidC2C1VDVVVA单端输出时的差模电压增益：如果VC1与VC2不相等，则说明放大器的参数不完全对称。若VC1与VC2相差较大，则应重新调整静态工作点，使电路性能尽可能对称。差模输入电阻与差模输出电阻的测量差模输入电阻Rid与差模输出电阻Rod的测量方法与单管放大器输入电阻Ri及输出电阻Ro的测量方法相同。2.差模特性3.共模特性当差分放大器的两个输入端输入一对共模信号(大小相等、极性相同)vic时，由于恒流源的作用，集电极电压vC1、vC2不会因vic变化而同时增大或减小。如果电路参数完全对称，则共模电压增益AVc0。具有恒流源的差分放大器对共模信号，如晶体管的零点漂移、电源波动、温度变化等的影响具有很强的抑制能力。常用共模抑制比KCMR来表征差分放大器对共模信号的抑制能力，即VCVDCMRAAKdBlg20VCVDCMRAAKKCMR愈大，说明差分放大器对共模信号的抑制力愈强，放大器的性能愈好。共模抑制比KCMR的测量方法后测量放大器的共模电压增益AVC3.共模特性先测量放大器的差模电压增益AVd将放大器的①端与②端相连接输入Vic=500mV，fi=500Hz的共模信号。示波器观测vC1、vC2如果电路的对称性很好，则VC1=VC20，示波器观测vC1、vC2时，其波形近似于一条水平直线。共模电压增益AVc0，则共模抑制比VCVDCMRAAK如果电路的对称性不是很好，vC1、vC2的波形可能为一对大小相等、极性相反的正弦波(其原因是由于电路的参数不完全对称所引起的)。但其幅值很小，用交流毫伏表测量或将示波器的“V/cm”置于较小档时才能观测到波形。这时的共模电压增益，双端输出时icC2C1VCVVVA单端输出时Avc＝Vc1/Vic＝Vc2/VicdBlg20VCVDCMRAAK三、设计举例例设计一具有恒流源的单端输入—双端输出差分放大器。已知条件+VCC=+12V，–VEE=–12V，RL=20k，Vid=20mV。性能指标要求Rid＞20k，AVd≥20，KCMR＞60dB。(1)确定电路连接方式及晶体管型号根据指标要求KCMR＞60dB，即要求电路的对称性要好，则应采用集成差分对管BG319（BG319其内部有4只特性完全相同的晶体管）或挑选三极管性能参数较一致的3DG130、3DG100等。根据题目要求，采用具有恒流源的单端输入—双端输出差分放大器电路。具有恒流源的单端输入—双端输出差分放大器设计举例T1、T2、T3、T4为BG319的4只晶体管，1=2=3=4=60(2)设置静态工作点并计算元件参数差分放大器的静态工作点主要由恒流源i0的值决定，一般先设定I0。I0越小，恒流源越恒定，漂移越小，放大器的输入阻抗越高。但也不能太小，一般为几毫安。取I0=1mA，IR=I0=1mA，IC1=IC2=I0/2=0.5mAK4.3mA2/I26mV)1(300mA0berRid=2(RB1+rbe)＞20k则RB1＞6.6k取RB1=RB2=6.8k要求Rid＞20k20beB1LVDrRRA要求AVd＞20取AVd=30kR1.5L则)2///(LLCRRRk4.10)2/()2/(LLLLCRRRRR取RC1=RC2=10kT1、T2的静态工作电压集电极：VC1Q=VC2Q=VCC–ICRC=7V基极：VB1Q=VB2Q=(Ic/)RB1=0.08V0V则VE1Q=VE2Q–0.7V恒流源电路的静态工作点及元件参数设计举例EEE0RV7.0RRVIIR+RE=11.3k射极电阻RE一般取几千欧姆，这里取RE3=RE4=2k，则R=9.3k，为方便调整I0，R用5.1k固定电阻与10k电位器RP2串联。T3、T4静态工作电压VB3=VB4=-IR*R=-9.3VVE3=VE4=VB4－0.7V=-10V(3)静态工作点的调整方法设计举例输入端①接地用数字电压表测量T1、T2的集电极对地的电压VC1Q、VC2Q调整RP1使其满足VC1Q=VC2Q并测量T1、T2的基极和发射极对地电压，VB1Q、VE1Q、VB2Q、VE2Q用数字电压表测量T3、T4的射极电压,并调节RP2使I0的值满足设计要求(如1mA),VE3=VE4=-10V。VCE1Q=VC1Q-VE1Q,VCE2Q=VC2Q-VE2Q应使两管均工作在放大状态测量差模传输特性曲线设计举例差模输入信号vid从20mV逐渐增大调节RP1、RP2使传输特性曲线尽可能对称如果晶体管的特性不太一致，改变RP1、RP2仍然不能使传输特性曲线对称，则可适当调整电路外参数，如RC1或RC2。待电路的差模特性曲线对称后，移去信号源，测量各三极管的电压值，并记录相应的数据。VC1QVC2QVB1QVB2QVE1QVE2QVC3QVC4QVE3QVE4Q7.17.100–0.8–0.8–0.9–9.3–10.0–10.0计算静态工作点I0=1mA、VCE1=7.9V、VCE2=7.9V、VCE3=9.1V(4)测量结果设计举例28idC2C1VDVVVA技术指标的测量值为0icC2C1VCVVVAVCVDCMRlg20AAKk3.23isiidRVVVR(5)误差分析Rid=2(RB1+rbe)+RP1=23.22krbe=300+(1+)*26mv/{[I0/2]mA*mA}=3.4k4.2521*1beB1LVD/RrRRAP0icC2C1VCVVVAVCVDCMRlg20AAK输入电阻误差：γRid＝（23.3－23.22）/23.22*100%=0.35%差模电压增益误差：γAVD＝（28－25.4）/25.4*100%=10.24%四、设计任务-----P84设计课题：具有恒流源的单端输入—单端输出差分放大器设计性能指标要求Rid＞10k，AVd＞15，KCMR＞50dB。已知条件VCC=+12V，VEE=–12V，RL=20k，Vid=20mV，3DG100或3DG130