試驗3差分放大電路設(shè)計試驗

1、糖孑信息學(xué)院電手鈕模擬電路課程設(shè)計報告差分放大器設(shè)計2021級通信工程20211342104王開鵬20211342105王娜20211342107王象 方振匡2021年11月27日題 目:專業(yè)年級:組 員:指導(dǎo)教師:差分放大器設(shè)計一、實驗內(nèi)容設(shè)計一具有包流源的單端輸入一雙端輸出差動放大器RL=20kQ, Ud=20Mv性能指標要求Rd25kQ,A/d25,KcM60Db二、實驗原理圖3.3.31、包流源差分放大器在生產(chǎn)實踐中，常需要對一些變化緩慢的信號進行放大，此時就不能用阻容耦合放大電路了。為此，假設(shè)要傳送直流信號，就必須采用直接耦合。差分式直流放大電路是一種特殊的直接耦合放大電路，要求電路

2、兩邊的元器件完全對稱，即兩管型號相同、特性相同、各對應(yīng)電阻值相等。 為了改善差分式直流放大電路的零點漂移，利用了負反應(yīng)能穩(wěn)定工作點的原理，在兩管公共發(fā)時極回路接入了穩(wěn)流電阻催和負電源VEE, RE愈大，穩(wěn)定性愈好。但由于負電源不可能用得很低，因而限制了Ft阻值的增大。為了解決這一矛盾，實際應(yīng)用中常用晶體管恒流源來代替 R,形成了具有恒流源的差分放大器，電路如圖 3.3.3 所示。具有恒流源的差分放大器，應(yīng)用十分廣泛。特別是在模擬集成電路中，常被用作輸入級或中間放大級。圖3.3.3中，V、V2稱為差分對管，常采用雙三極管，如5G921、BG319 或 FHIB 等，它與信號源內(nèi)阻Ri、R2、集電

3、極電阻 FC、FC2及電位器 RP 共同組成差動放大器的根本電路。VV4和電阻R3、Ru R 共同組成恒流源電路，為差分對管的射極提供恒定電流I。電路中 R、R 是取值一致而且比擬小的電阻，其作用是使在連接不同輸入方式時加到電路兩邊的信號能到達大小相 等、極性相反，或大小相等、極性相同，以滿足差模信號輸入或共模信號輸入時的需要。晶 體管V與 V2、V3與 V4是分別做在同一塊襯底上的兩個管子，電路參數(shù)應(yīng)完全對稱，調(diào)節(jié) RP 可調(diào)整電路的對稱性。 靜態(tài)時，兩輸入端不加信號，即V=O 由于電路兩邊電路參數(shù)、元件都是對稱的，故兩Vx=12V, VEE=- 12V,管的電流電壓相等，即 IB1=|B2

4、,IC1=|C2,UCQ=UCQ4 此時輸出電壓UO=UCQ-UCQ=0，負載電阻 R 沒有電流流過，而流過RE中的電流為兩管電流IE之和。所以在理想情況下，當輸入信號為零時，此差分直流放大電路的輸出也為零。當某些環(huán)境因素或干擾存在時，會引起電路參數(shù)變化。例如當溫度升高時，三極管UBE會下降，6會增加，其結(jié)果使兩管的集電極電流增加了ICQ。由于電路對稱，故必有 ICQ1=ICQ入 Ieg使兩管集電極對地電位也產(chǎn)生了一個增量比1和左UCQ且數(shù)值相等。此時輸出電壓的變化量 U0=A吐Q- 吐Q2=0,這說明雖然由于溫度升高，每個管子的集電極對地電位產(chǎn) 生了漂移，但只要電路對稱，輸出電壓取自兩管的集

5、電極，差動式直流放大電路是可以利用一個管子的漂移去補償另一個管子的漂移， 可見，差分放大器能有效地抑制零飄。2、單端輸入一雙端輸出連接方式為一 A,一 BJ 地；一3、靜態(tài)工作點的計算靜態(tài)時，差分放大器的輸入端不加信號IR= 2IB4IC4 = IC4 T C4 =I0故稱 10為 IR的鏡像電流，其表達式為:-VEE0.7V0= IR=(3.3.1)R Re4上式說明，恒定電流 Io 主要由電源電壓一一 VEE 及電阻 R、RC4 決定，與晶體管的特性參數(shù) 無關(guān)。對于差分對管 V1、V2組成的對稱電路，那么有IC1= IC2= 1 (3.3.2)2圖3.3.4傳輸特性UC1 =UC2 =VC

6、CTcRe1=VCC一IoRe1(333)2可見差分放大器的靜態(tài)工作點主要由恒流源電流I0決定。三、主要性能及其測試方法1.傳輸特性傳輸特性是指差動放大器在差模信號輸入時，輸出電流Ie隨輸入電壓的變化規(guī)律，傳輸特性曲線如圖 3.3.4 所示。由傳輸特性可以看出：(1)當差模輸入電壓Ud= 0時， 兩管的集電極電流相等，IC1=IC2=Io/2，稱 Io/2 點為靜態(tài)工作點。(2)Ud增加(土 25mv 以內(nèi))時，IC1 隨 Ud線性增加，IC2隨 Ud線性減少，IC1+Ie2=Io的關(guān) 系不從而使零點漂移得到抵消，放大器性能得到改善。C,一 DbUd,在圖 3.3.3 中。對于恒流源電路2II

7、C1mA)IC2J Ud(mv)-150 -100 -5050 100 150 d02變，稱此為差動放大器的線性放大區(qū)。3 Ud增加到使 V 趨于飽和區(qū)，V2趨于截止區(qū)時Ud超過土 50m0; lei的增加和IC2 的減小都逐漸緩慢，這時 lei、le2隨 Ud做非線性變化，稱此為差動放大器的非線性區(qū)。加大射極電阻 RP假設(shè) RP 為固定電阻，可加強電流負反應(yīng)作用，擴展線性區(qū)，縮小非線性區(qū)。4 Ud再繼續(xù)增加超過土 100mM, V 飽和時；lei不再隨 Ud變化；V2截止時，le2為 反向飽和電流，稱此為限幅區(qū)。以上分析說明，傳輸特性直觀地反映了差分放大器的電路對稱性及工作狀態(tài)，可用來設(shè)置差

8、動放大器的靜態(tài)工作點及調(diào)整與觀測電路的對稱性。可以通過測量 Vi、V2的集電極電壓 LCi、UC2隨差模電壓 Ud的變化規(guī)律來測差模傳輸特性。 因為UCi=VCe-Iei；FCi,如果+VCOFCi確定，貝UUCi；與一 lei的變化規(guī)律完全相同，而且測量電 壓 成、此2比測量電流 lei；、|C2要方便，測量方法如圖 3-3 所示。信號發(fā)生器輸出為 Ud=50mV fi=ikHz 正弦波。設(shè)差分放大器為單端輸入一雙端輸出接法，示波器上將顯示如圖3.3.4 所示的傳輸特性曲線。Q 點就是靜態(tài)工作點，對應(yīng)的電壓為UCQ/2，當 Ud增加時，UCi隨 Ud線性減少，UC2隨 Ud線增加，但始終保持

9、 Uci+UC2=Uea2 的關(guān)系不變。所以此傳輸特性可以用來設(shè)置差分放大器的靜態(tài)工作點，觀測電路的對稱性。(3.3.4)如果是單端輸出，那么A UCiUCiAud =UidUid如果 UCi與 UC2不相等，說明放大器的參數(shù)不完全對稱。整靜態(tài)工作點，使電路性能盡可能對稱。差模輸入電阻 Rd與差模輸出電阻 Rd 的測量方法與根本設(shè)計實驗一的單管放大器輸入電 阻 Rd及輸出電阻 Rd 的測量方法相同。圖 3.3.5 測量差模傳輸特性接線圖2.差模特性當差分放大器的兩個輸入端輸入一對差模信號器四種接法所對應(yīng)的差模電壓增益 所示。表 3.3.i 說明，四種連接方式中，雙端輸出時的差模特性完全相同，特

10、性也完全相同。不管是雙端輸入還是單端輸入，其輸入電阻R 均相同。差模電壓增益 Ad 的測量方法是：輸入差模信號為Ud=20mV fi=i00Hz 正弦波，設(shè)差分放大器為單端輸入一雙端輸出接法。用雙蹤示波器分別觀測 等、極性相反的不失真正弦波。用晶體毫伏表或示波器分別測量 增益為大小相等、極性相反Ad、差模輸入電阻 Rd、差模輸出電阻時，與差分放大Rd 的關(guān)系如表 3-i單端輸出時的差模UCi及 UC2,它們應(yīng)是一對大小相UCi、LC2的值，那么差模電壓(3.3.5)UCi與 UC2相差較大，應(yīng)重新調(diào)圖 3.3.6 示波器顯示的差模傳輸特性曲線表 3.3.1差分放大器四種按法的差模特性模特性連接

11、方差模電壓增益Ad差模輸入電阻Rd差模輸出電阻Rd雙端輸入-雙端輸出A-JRL(忽略 RP 的影響)RLRL=R/二2Rd- 2(RI+E)(忽略 RP 的影響)d 26 mV%全30*1+) 一IC1Rd=2&單端輸入-雙端輸出同上同上同上雙端輸入-單端輸出A一區(qū)udFI+雇)RL=RRL同上R=R單端輸入-單端輸出同上同上同上3.共模特性當差分放大器的兩個輸入端輸入一對共模信號(大小相等、極性相同的一對信號，如漂移電壓、電源波動產(chǎn)生的干擾等)Uc時，貝 U：(1)雙端輸出時，由于同時從兩管的集電極輸出，如果電路完全對稱，那么輸出電壓上UC2 共模電壓增益為或KCMR=20也墮dB(

12、3.3.12)Auc&MRt大，說明差分放大器對共模信號的抑制力愈強，放大器的性能愈好。共模抑制比&MR的測量方法如下：當差模電壓增益Aud的測量完成后，將放大器的端U0C：UC1 ：UC2NABC0UicUic如果恒流源電流恒定不變，那么U：1=AUC20,那么 AucQ0。說明差分放大器雙端輸出時,對零點漂移等共模干擾信號有很強的抑制能力。(2)單端輸出時，由于只從一管的集電極輸出電壓4 Uc2RLAUC一一UicUic2Re(3.3.6)比1或左UC2,那么共模電壓增益為(3.3.7)式中Re為恒流源的交流等效電阻，即PRe=命(1 -3)Rbe3RBRE326mVrbe

13、3= 300 (1-)IE3RB: R Re4式中Re3為 V3的集電極輸出電阻，一般為幾百千歐。由于Re口RL，那么共模電壓增益 AUC1。所以差分放大器即使是單端輸出，對共模信號 也無放大作用，仍有一定的抑制能力。常用共模抑制比KM冰表征差分放大器對共模信號的抑制能力，即(3.3.8)(3.3.9)(3.3.10KCMRAudAuc(3.3.11)與端相連接，輸入 Uc=500mV fi=l00Hz 的共模信號。如果電路的對稱性很好，恒流源恒定不變，那么 UC1與 UC2的值近似為零，示波器觀測UC1與 UC2的波形近似于一條水平直線。共模放大倍數(shù) Auc 0,那么共模抑制比KCM珈L=U

14、C1*UC2或慫=典單端輸入時UidUid由于Auc1 ,所以放大器的共模抑制比也可以到達幾十分貝。在要求不高的情況下,可以用一固定電阻代替恒流源，Vi、V2也可采用特性相近的兩只晶體管，而不一定要用對管,可以通過調(diào)整外參數(shù)使電路盡可能對稱。四、設(shè)計內(nèi)容及步驟1.確定電路連接方式及晶體管型號圖為具有恒流源的單端輸入一雙端輸出差分放大器電路，其中 的 4 只晶體管，在圖示儀上測量3 i=6 2=6 3=6 4=60。2.靜態(tài)工作點元件參數(shù)的計算差分放大器的靜態(tài)工作點主要由恒流源 Io決定，故一般先設(shè)定 Io。Io取值不能太大，Io越小，恒流源越恒定，漂移越小，放大器的輸入阻抗越高。但也不能太小，

15、一般為幾毫安左如果電路的對稱性不好， 或恒流源不恒定， 那么 用交流毫伏表測量吐1、吐2,那么共模電壓增益為Ubl、UC2為一對大小相等極性相反的正弦波,Vi、V2、V3、V4為 S9013KCMR放大器的共模抑制比KCMR：令I(lǐng)0=1mA由式3.3.1 、3.3.2 得IR=Ic=1mA,Ici=Ic2=* =0.5mA再由(3.3.9 )式得rbe=300Q+(1+E ) 26=3.4125kQRd=2(Rd+Re)25k。 那么Ri9.1kQ取Ri=R2=9.1kQ要求Avd 25,由表 3.3.1 可得A,d= 25取Ad=30&1 +rbeRL=6.3k-貝U RC=17.0

16、3 k Q取FCI= RC2=17 k Q4.靜態(tài)工作點的調(diào)整輸入端接地，用萬用表測量集電極對地的電壓Ubi、UC&假設(shè)成乒 Ub2,證明電路不對稱，應(yīng)調(diào)整 RF1,測得、間電壓為零，使得Ubi=Ub2,這一過程稱之為調(diào)零。量電阻Rbi兩端的UR.電壓，井調(diào)節(jié) RF2使1。=2 苛，滿足設(shè)計要求值Io=1mA由于 Io為設(shè)定值，不一定使兩只 管子工作在放大狀態(tài)，所以要用萬用表分別測量各極對地的電壓，即Ubi、UBI、UEI、Uh、UB2RL=R/RL/2= UC2 = VCC- ICRC1 = VCC- I0*1=3.5V2M、UC2分別為V、V2集電極對地的電壓，而基極對地的電壓3、

17、UB2那么為UB1=UB2=RM=0.08V出0V那么UE1=UE2出0.7V射極電阻不能太大，否那么負反應(yīng)太強，使得放大器增益很小，一般取 器，以便調(diào)整電路的對稱性，現(xiàn)取RP=100Q。對于恒流源電路，其靜態(tài)工作點和元件參數(shù)計算如下：.- UEE0.7VIR- I。=-一-R REUC1R+R=11.3 K，100 Q 左右的電位射極電阻RE一般取幾千歐，這里取 RE3=RE4=2Q,貝 U R=9.3k Q。為調(diào)整I方便，R 用 5.1k Q固定電阻與 10k Q 電位器 RR 串聯(lián)。LE2O這時UBEQ0.7V , Ubi應(yīng)為正幾伏電壓。如果Vi、V2已經(jīng)工作在放大狀態(tài)，再利用差模傳輸特

18、性曲線，觀測電路的對稱性，并調(diào)整靜態(tài)工作點I。的值。將輸入端輸入差模信號Ud=20mV 其測量方法見圖 2-24。進一步調(diào)節(jié) RPi、RP2使傳輸特性曲線盡可能對稱。如果選 用的是特性不太一致的晶體管作為差分對管，改變 RR, RP2的值仍然不能使特性曲線對稱時，可適當調(diào)整電路外參數(shù)，如RCI或 RC2,使 RCI與 R2 不等，以滿足特性曲線對稱。待電路的差模特性曲線對稱后， 移去信號源，再用萬用表測量各三極管的電壓值，并記錄下來，然后再計算靜態(tài)工作點Io、LCEI、UbE2LCE&Ad、AJOKSM 神 Rd的值。差分放大器實驗波形圖五、實驗小結(jié)I、靜態(tài)工作點的調(diào)試Uci/VUc2/VUbi/VUb2/VUei/VUe2/V4.444.5o.iO.i0.70.72、誤差分析(1)要求共模抑制