4-实验五-差分放大器

实验五差分放大器3学时一、实验目的1．学习调整差分放大器的静态工作点。2．加深对差分放大器性能及特点的理解。3．学习差分放大器主要性能指标的测试方法。二、预习要求1．复习差分放大器的工作原理和性能分析方法。2．画出完整正确的实验电路。3．了解差分放大器的调整方法及放大倍数、共模抑制比的测量方法。4．明确实验内容，画出测量记录表。三、实验电路及原理差分放大器是基本放大电路之一，由于它具有抑制零点漂移的优异性能，因此得到广泛的应用，并成为集成电路中重要的基本单元电路，常作为集成运算放大器的输入级。差分放大电路常见的形式有三种：基本形式、长尾式和恒流源式。1．基本形式差分放大电路（1）电路组成将两个电路结构、参数均相同的单管放大电路组合在一起，就成为差分放大电路的基本形式，如图5.1所示。输入电压1Iu和2Iu分别加在两管的基极，输出电压等于两管的集电极电压之差。在理想情况下，电路中左右两部分三极管的特性和电阻的参数均完全相同，则当输入电压等于零时，21CQCQUU，故输出电压0oU。如果温度升高使1CQI增大，1CQU减小，则2CQI也将增大，2CQU也将减小，而且两管变化的幅度相等，结果1T和2T输出端的零点漂移将互相抵消。+-1bR2bR1cR2cR1R2RCCV1Iu2Iuou1T2T图5.1差分放大电路的基本形式加上输入信号以后：（2）差模输入电压和共模输入电压差分放大电路有两个输入端，可以分别加上两个输入电压1Iu和2Iu。如果两个输入电压大小相等。而且极性相反，这样的输入电压称为差模输入电压，如图5.2所示，差模输入电压用符号Idu表示；如果两个输入信号不仅大小相等，而且极性也相同，这样的输入电压称为共模输入电压，如图5.3所示，共模输入电压用符号Icu表示。+-1bR2bR1cR2cR1R2RCCVou+---++Idu21Idu21Idu1T2T图5.2差模输入电压实际上，在差分放大电路的两个输入端加上任意大小、任意极性的输入电压1Iu和2Iu，我们可以将它们认为是某个差模输入电压与某个共模输入电压的组合，其中差模输入电压Idu和共模输入电压Icu的值分别为21IIIduuu2121IIIcuuu因此，只要分析清楚差分放大电路对差模输入信号和共模输入信号的响应，利用叠加定理即可完整地描述差分放大电路对所有各种输入信号的响应。+-1bR2bR1cR2cR1R2RCCVou+-Icu2T1T图5.3共模输入电压通常情况下，认为差模输入电压反映了有效的信号，而共模输入电压可能反映由于温度变化而产生的漂移信号，或者是随着有效信号一起进入放大电路的某种干扰信号。（3）差模电压放大倍数、共模电压放大倍数和共模抑制比放大电路对差模输入电压的放大倍数称为差模电压放大倍数，用dA表示，即IdoduuA而放大电路对共模输入电压的放大倍数称为共模放大倍数，用cA表示，即IcocuuA差分放大电路的共模抑制比用符号CMRK（Common-moderejectionratio）表示，它的定义为差模电压放大倍数与共模电压放大倍数之比，一般用对数表示，单位为dB，即cdCMRAAKlg20共模抑制比能够描述差分放大电路对零漂的抑制能力，CMRK愈大，说明抑制零漂的能力愈强。现在分析基本形式差分放大电路的差模电压放大倍数。图5.2中假设每一边单管放大电路的电压放大倍数为1uA，则1T、2T的集电极输出电压的变化量分别为IduCuAu1121IduCuAu1221则放大电路输出电压的变化量为IduCCouAuuu121所以差分放大电路的差模电压放大倍数为1uIdodAuuA上式表明，差分放大电路的差模电压放大倍数和单管放大电路的电压放大倍数相同。可以看出，差分放大电路的特点是：多用一个放大管后，虽然电压放大倍数没有增加，但是换来了对零漂的抑制。在图5.3中，如为理想情况，即差分放大电路左右两部分的参数完全对称，则加上共模输入信号时，1T和2T的集电极电压完全相等，输出电压等于0，则共模电压放大倍数0cA，共模抑制比CMRK。实际上，由于电路内部参数不可能绝对匹配，因此加上共模输入电压时，存在一定的输出电压，共模电压放大倍数0cA，共模抑制比较低。而且，对于这种基本形式的差分放大电路来说，从每个三极管的集电极对地电压来看，其温度漂移与单管放大电路相同，丝毫没有改善。因此实际工作中一般不采用这种基本形式的差分电路。2．长尾式差分放大电路为了减小每个管子输出端的温漂，引出了长尾式差分放大电路。（1）电路组成在图5.1的基础上，在两个放大管的发射极接入一个发射极电阻eR，如图5.4所示。这个电阻一般称为“长尾”，所以这种电路称为长尾式差分放大电路。+-1cR2cR1R2RCCV1Iu2IuoueREEV1T2T图5.4长尾式差分放大电路长尾电阻eR的作用是引入一个共模负反馈，也就是说，eR对共模信号有负反馈作用，而对差模信号没有负反馈作用。假设在电路输入端加上正的共模信号，则两个管子的集电极电流1Ci、2Ci同时增加，使流过发射极电阻eR的电流Ei增加，于是发射极电位Eu升高，反馈到两管的基极回路中，使1BEu、2BEu降低，从而限制了1Ci、2Ci的增加。但是对于差模输入信号，由于两管的输入信号幅度相等而极性相反，所以1Ci增加多少，2Ci就减少同样的数量，因而流过eR的电流总量保持不变，则0Eu，所以对于差模信号没有反馈作用。eR引入的共模负反馈使共模放大倍数cA减小，降低了每个管子的零点漂移。但对差模放大倍数dA没有影响，因此提高了电路的共模抑制比。eR愈大，共模反馈愈强，则抑制零漂的效果愈好。但是，随着eR的增大，eR上的直流压降愈来愈大。为此，在电路中引入一个负电源EEV来补偿eR上的直流压降，以免输出电压变化范围太小。引入EEV以后，静态基极电流可由EEV提供，因此可以不接基极电阻bR，如图5.4所示。（2）静态分析当输入电压等于零时，由于电路结构对称，即21，bebeberrr21，cccRRR21，RRR21，故可认为BQBQBQIII21，CQCQCQIII21，BEQBEQBEQUUU21，CQCQCQUUU21，由三极管的基极回路可得：EEeEQBEQBQVRIURI2则静态基极电流为eBEQEEBQRRUVI)1(2静态集电极电流和电位为BQCQIICCQCCCQRIVU（对地）静态基极电位为RIUBQBQ（对地）（3）动态分析由于接入长尾电阻eR后，当输入差模信号时流过eR的电流不变，EU相当于一个固定电位，在交流通路中可将eR视为短路，因此长尾式差分放大电路的交流通路如图5.5所示。+-1cR2cR1R2R2LRou2LR1Iu2Iu1T2T图5.5长尾式差分放大电路的交流通路图中LR为接在两个三极管集电极之间的负载电阻。当输入差模信号时，一管集电极电位降低，另一个集电极电位升高，可以认为LR中点处的电位保持不变，也就是说，在2/LR处相当于交流接地。根据交流通路可得1111BCbeIBiirRui则1112||2||IbeLcLcCCurRRRRRiu同理2222||2||IbeLcLcCCurRRRRRiu故输出电压为21212||IIbeLcCCouurRRRuuu则差模电压放大倍数为beLcIIodrRRRuuuA2||21从两管输入端向里看，差模输入电阻为beidrRR2+-1cR2cR1R2RCCV1Iu2IuoueREEVWR1T2T图5.6接有调零电位器的长尾式差分放大电路两管集电极之间的输出电阻为coRR2在长尾式差分放大电路中，为了在两侧参数不完全对称的情况下能使静态时的oU为零，常常接入调零电位器WR，如图5.6所示。3．恒流源式差分放大电路在长尾式差分放大电路中，长尾电阻eR愈大，则共模负反馈作用愈强，抑制零漂的效果愈好。但是eR愈大，为了得到同样的工作电流所需的负电源EEV的值愈高。希望既要抑制零漂的效果比较好，同时又不要求过高的EEV值。为此，可以考虑采用一个三极管代替原来的长尾电阻eR。在三极管输出特性的恒流区，当集电极电压有一个较大的变化量CEu时，集电极电流Ci基本不变。此时三极管c、e之间的等效电阻CCEceiur的值很大。用恒流三极管充当一个阻值很大的长尾电阻eR，既可在不用大电阻的条件下有效的抑制零漂，又适合集成电路制造工艺中用三极管代替大电阻的特点，因此，这种方法在集成运放中被广泛采用。（1）电路组成恒流源式差分放大电路如图5.7所示。由图可见，恒流管3T的基极电位由电阻1bR、2bR分压后得到，可认为基本不受温度变化的影响，则当温度变化时3T的发射极电位和发射极电流也基本保持稳定，而两个放大管的集电极电流1Ci、2Ci之和近似等于3Ci，所以1Ci和2Ci将不会因温度的变化而同时增大或减小。可见，接入恒流三极管后，抑制了共模信号的变化。有时，为了简化起见，常常不把恒流式差分放大电路中恒流管3T的具体电路画出，而采用一个简化的恒流源符号来表示，如图5.8所示。+-1cR2cR1R2RCCV1Iu2IuoueREEV1bR2bR1T2T3T图5.7恒流源式差分放大电路+-1cR2cR1R2RCCV1Iu2IuouEEVI1T2T图5.8恒流源式差分放大电路的简化表示法（2）静态分析估算恒流源式差分放大电路的静态工作点时，通常可从确定恒流三极管的电流开始。由图5.7可知，当忽略3T的基流时，1bR上电压为EECCbbbRVVRRRUb2111则恒流管3T的静态电流为eBEQREQCQRUUIIb3331于是可得到两个放大管的静态电流和电压为)(1)(211211121121321对地对地RIUUIIIRIVUUIIIBQBQBQCQBQBQcCQCCCQCQCQCQCQ（3）动态分析由于恒流三极管相当于一个阻值很大的长尾电阻，它的作用也是引入一个共模负反馈，对差模电压放大倍数没有影响，所以恒流源式差放的交流通路与长尾式电路的交流通路相同，见图5.5。因而，二者的差模电压放大倍数dA、差模输入电阻idR和输出电阻oR均相同。本次实验采用的差分放大电路如图5.9所示。1T和2T为3DG6对管，3T为9013管。+-1cR2cR1RCCV+12V3T1T2T5R6RCCVER3ER3R4R2RiV+-oVKk68k100k1.5k10k10k10k10k10510510WR100AB3DG63DG69013-12V图5.9差分放大器实验电路当图中的开关K拨向左边时（如图5.10所示），电路构成典型的差分放大器（长尾式差分放大电路）。电路主要由两个元件参数相同的基本共射放大器组成。差分对管1T和2T起控制和放大电压或电流作用；1cR和2cR为差分对管的集电极负载电阻；51~RR构成差分对管的直流电阻；WR调零电位器用来调节1T和2T的静态工作点，使得输入信号0iV时，双端输出电压0oV；ER为两管共用的发射极电阻，它对差模信号无反馈作用，因而不影响差模电压放大倍数，但对共模信号有较强的负反馈作用，故可有效地抑制零漂，稳定静态工作点。+-1cR2cR1RCCV+12V1T2TCCVER3R4R2RiV+-oVKk10k10k10k10k10510510WR100AB3DG63DG6-12V图5.10长尾式差分放大电路+-1cR2cR1RCCV+12V3T1T2T5R6RCCV3ER3R4R2RiV+-oVKk68k100k1.5k10k10k10k10510510WR100AB3DG63DG69013-12V图5.11恒