【差分放大電路的探析與設計（論文）6900字】

差分放大電路的分析與設計摘要新型差分減小放大抑制電路技術是一種廣泛應用于該電路以其構造控制參數的高度對稱性有效性來抑制"零點漂移"的差分放大抑制電路。其抑制穩(wěn)定每一個靜態(tài)電壓的工作節(jié)點是通過電路測量時輸入參數，在每個參數上測量其對稱性，以及電路負載的反饋作用，放大動態(tài)差模電壓的信號源得到抑制，這也是一直較為明顯的物理特征，它在直接和間接電壓耦合上被廣泛使用。本章結合它與差分耦入放大相關電路的技術背景以及國內外的技術研究發(fā)展現狀，針對其與差分耦合放大相關電路的基本內容結構進行深入探討，以及與差分耦合放大相關電路的基本設計形式為例著手，根據恒流長尾式的差分放大相關電路、恒流源氏等電路基本原理模型進行基本分析，進而探索引出如何正確設計好與差分耦合放大相關電路，由直流差分耦合式、交流差分耦合式的電路設計基本原理與放大相關電路計算，最后用模擬仿真的基本分析方法，從國際實驗中深入探索了與差分耦合放大相關電路的基本測試方法，結合實際設計工作，從而更深入有層次地深入了解了與差分耦合放大相關電路的基本分析與電路設計。關鍵詞：差分放大電路，分析，設計目錄第一章緒論 51.1論文的背景和意義 51.2論文的研究內容 51.3國內外現狀 5第二章差分放大電路的分析 72.1差分放大電路的形式 72.2基本形式差分放大電路 72.3長尾式差分放大電路 92.4恒流源式差分放大電路 11第三章差分放大電路的設計 133.1差分放大電路的設計原理 133.1.1直流耦合差分放大電路 153.1.2交流耦合差分放大電路 163.2差分放大電路的仿真 17結論 19參考文獻 21第1章緒論1.1論文的背景和意義差分信號放大控制電路按它的輸入端和輸出控制方式主要有四種輸入方式：雙端電流輸入雙端電流輸出、雙端電流輸入單端電流輸出、單端電流輸入雙端電流輸出和單端電流輸入輸單端電流輸。按共振單模負載和反饋的工作形式又可分為具有恒流典型反饋電路和帶發(fā)射極連接帶恒流源的典型電路兩種。差分模擬放大組成電路差分是一種很重要的放大電路，在許多模擬放大電路中經常可以遇見，是許多電子運算器的放大器和比較器的基本輸入和高級的基本放大單元組成線路。與普通的單端差分信號放大器相比，單端差分放大器可以有效地抑制單輸入高頻信號電路中的高頻共模信號噪聲，并抑制通信電路的接地電流電平浮動和電壓值。在差分功率放大器中，用于電子設備的差分放大器的范圍是最廣泛使用的[1]。近年來，通信技術已日趨現代化，并且越來越多的adc和mcu信號支持引入高頻差分編碼。由于高頻差分信號傳輸技術可以更好地抑制其對共模波的干擾，因此信號可以進一步傳播的距離越來越多，越來越多的應用將選擇使用高頻差分信號傳輸。但是，一般的電子設備信號放大器只能支持單針腳信號輸出。因此，使用雙重運算功率放大器電路來構建可將差分為輸入，輸出與輸入和輸出放大器之間的隔離物的電路。與普通單端模擬放大器的端子電路設計相比，差分模擬放大器的端子電路的基本設計，分析，仿真和性能測試仍然存在許多差異，并且存在著這些不同的知識。在模擬放大器電路中一般數學教科書中很少出現。1.2論文的研究內容本文第一章是調查論文設計的相關資料及文獻，第二章以差分放大電路的形式進行分析，第三章由差分放大電路的運行原理進行設計、有直流以及交流耦合設計方式，最后仿真分析方法以及相關測試方法。1.3國內外的研究現狀差分射頻放大集成電路在國內的應用研究還是主要運用比較基礎的電子物理數學計算，其他的分析方法還是主要采用基于傳統(tǒng)的模擬實驗室和仿真計算方法，在實際研究應用過程中，對于采用差分放大電路的各種基礎計算形式設計進行了可仿真性的測試與設計分析。而在國外，由加拿大IIT的基礎之上研究出了電路仿真技術。此技術將電路圖的創(chuàng)建、分析、以及關于分析的輸出等等高度集成到一起。運用軟件仿真分析其結果與實驗物理計算結果一致，這樣一來，不僅提高了該實驗的深度還擴大了其廣度。所以國內外針對差分放大電路的設計分析，也都是基于差分放大電路的工作原理進行。第2章差分放大電路的分析2.1差分放大電路的形式差分信號放大集成電路常見的電源形式主要有三種:基本電源形式、長尾式和驅動恒流式電源式。基本電路形式從基礎電路結構組成、電壓電流放大比的倍數以及電路共模電流抑制比中可以分析;而第二種稱為長尾式的放大形式其基本電路結構組成與基本電路形式不與相同，在各種靜態(tài)電路分析中很難了解;最后采用橫流放大模式的電源差分分別放大整流電路的基本電路結構組成將保證不受電源溫度的變化影響，估算一個恒流式電源式差分別放大電路的一個靜態(tài)電流工作點時，通常我們可以從其中確定一個恒流三極晶體管的工作電流溫度開始。2.2基本形式差分放大電路由輸出電路來直接組成的基本設計形式，是將基本參數相似的兩個輸出電路連接到一起，這樣以來，就可以形成另一種不一樣的基本形式差分放大電路。如下文框圖2.1所示。圖2.1差分放大電路的基本設計在VT1和VT2的特性完全一樣的情況下，則當輸入電壓等于零時，UCQ1=UCQ2，即UO=0。如果溫度升高導致ICQ1由于電路結構的對稱性，ICQ2增大而UCQ1減小，ICQ2增大而UCQ2減小，并且兩個電子管的變化幅度相等。結果，VT1和VT2輸出的零漂移將相互抵消。當輸入差模信號Vd（共模信號Vc=0）時，差動放大器的兩個輸入信號具有相同的幅度和相反的極性，即V1=-V2=Vd/2，因此，不同點對管電流的增加量相同，極性相反時，兩個輸出端的對地電壓增加，即差分模式的輸出電壓Vod1和Vod2的大小相同，極性相反。這時，雙端輸出電壓Vo=Vod1-Vod2=2Vod1=Vod。差模輸入電壓用uId表示，放大電路的輸出電壓變化量為△uo=△uC1-△uC2=△uID。因此，差分放大器電路的差分模式電壓放大系數為Ad=Au1（4.2.5）。由此可見，其主要特點是，每次多用一個這樣的二極管之后，能夠換來對零漂的最大抑制，雖然對放大管的放大倍數并沒有什么明顯影響。但是從信號抑制零漂的放大效果分析來看，基本兩種形式的高頻差分信號放大抑制電路并不理想。其產生原因主要是由于電路兩側的管子特性和相關元件工作參數不一定可能做到完全相同，這也就是說，兩個三極管在輸出端而產生的零漂基本不可能抵消。要是想要更加準確的度量對零漂的處理效果，就必須要提到一個零漂在共模中的抑制百分比的指標，它是一個很好的衡量的技術指標。差分差模放大集成電路的差模輸入輸出電壓誤差有兩種類型形式，一種是極性相反，差模輸入電壓uId，即兩個差放管的輸入電壓大小相等，見上圖。另一種是極性相同，共模輸入電壓，即兩個差放管的輸入電壓大小相等，用uIc表示，見圖2.2所示。圖2.2差放管的輸入電壓如果環(huán)境溫度發(fā)生變化，兩個差分發(fā)放管的輸入電流將按相同的電流方向一起不斷增大或再次減小，相當于給電流放大器的電路兩端加上一個非公共模式的輸入電流信號。所以我們可以明確認為，差模信號輸入干擾信號直接反映了有效的干擾信號，而對于共模信號輸入干擾信號同樣可以直接反映由于外界溫度波動變化等各種原因而可能產生的諧波漂移干擾信號或其他干擾信號。放大放小電路對差模電壓輸入輸出電壓的這個放大放小倍數可以稱為放在差模輸入電壓下的放大放小倍數，而差分放大放小電路對放在共模電壓輸入輸出電壓的這個放大放小倍數可以稱為放在共模輸入電壓下的放大放小倍數，用Ac表示，通常我們希望稱為差分電壓放大放小電路的放在差模輸入電壓下的放大放小倍數愈大愈好，而放在共模輸入電壓下的放大放小倍數則是愈小愈好。差分共模放大器在電路中能找到驚人的共模抑制比用以下符號式KCMR表示，它的基本定義公式為平分差模放大電壓電流放大功率倍數與差分共模放大電壓電流放大功率倍數的值之比，一般可以用數值對數公式表示，單位大小為分貝。共模信號抑制比主要描述的是差分信號放大控制電路對零漂的共模抑制響應能力。KCMR愈大，說明抑制零漂的能力愈強。在理想工作情況下，差分電壓放大比在電路兩側的電壓參數完全相互對稱，兩管共模輸出端的電壓溫漂完全相互抵消，則兩管共模輸出電壓差分放大比的倍數Ac＝0，共模抑制比KCMR＝∞。對于基本兩種形式的共模差分信號放大抑制電路來說，由于內部抑制參數不一定可能絕對完全匹配，所以由于輸出輸入電壓UO仍然可能存在共模溫度抑制漂移，共模溫度抑制比很低。而且，從每個三極體導管的集成式電極對地面的電壓變化來看，其間在溫度上的漂移與采用單管電流放大器的電路相同，絲毫沒有任何改善。因此，在實際設計工作中一般不推薦采用這種基本電路形式的高頻差分信號放大控制電路。2.3長尾式差分放大電路長尾式差分放大電路就是說在兩個晶體二極管之間接入一個發(fā)射級電阻。如下面框圖2.3所示。這個被接入的電極我們稱它為長尾，這也就是為什么這種新型電路被稱為新型長尾式直流差分信號放大內阻電路的原因了。圖2.3長尾式差分放大電路長尾電阻器對Re的反饋作用主要是通過引入一個共軛并模負的正反饋，也就是說，Re對一個共模反饋信號的只有負的正反饋作用，而不是說，對并模反饋信號的則沒有負的，正反饋作用。假設將正共模整流信號添加到集成電路的整流器輸入的兩端，則兩個電子管的集成發(fā)射極兩端的電流電阻將與iC1和iC2同時下降，使管子流經管子。發(fā)射極電阻和Re基極電流電阻iE同時增加。結果，在發(fā)射極上流動的潛在電阻與uE同時上升，并且反饋被添加到兩個管的兩個基極整流器環(huán)路中，從而電阻uBE1和uBE2減小，從而極大地限制了該增大流過iC1和iC2的電流的百分比。。差模的時候，發(fā)射極端的電阻等效為短路，輸入電阻Rid=2*[Rbe+Rb]。Rbe是BE間的等效電阻，Rb是基級電阻。輸出電阻Rod=2Rc(Rc是集電極電阻)共模的時候發(fā)射極電阻等效為原來的2倍輸入電阻Ric=Rb+Rbe+(1+β)*2Re，輸出電阻Roc=Rc。假設將正共模整流信號添加到集成電路的整流器輸入的兩端，則兩個電子管的集成發(fā)射極兩端的電流電阻將與iC1和iC2同時下降，使管子流經管子。發(fā)射極電阻和Re基極電流電阻iE同時增加。結果，在發(fā)射極上流動的潛在電阻與uE同時上升，并且反饋被添加到兩個管的兩個基極整流器環(huán)路中，從而電阻uBE1和uBE2減小，從而極大地限制了該增大流過iC1和iC2的電流的百分比。Re愈大，共軛對模負載的反饋愈強，則共模抑制零漂的作用效果愈好。但是隨著Re的體積增大，Re上的直流供電壓力下降將愈來愈大。為此，在這個電路中需要引入一個帶正負電源電路VEE來自動補償放在Re上的直流電源壓降，以免電路輸出直流電壓發(fā)生變化時的范圍超過大小。引入一個VEE以后，以后，靜態(tài)電源基極上的電流通?？捎梢粋€VEE電阻提供，因此我們可以不用連接動態(tài)基極電阻中的Rb。2.4恒流源式差分放大電路恒流源式高頻差分信號放大器的電路結構如下面框圖所示。由電流圖可見，恒溫整流管流道VT3的集中基極共模電位由整流電阻器對Rb1、Rb2分析電壓后變化得到，可以確認為基本電位不受磁場溫度連續(xù)變化的直接影響，則當磁場溫度連續(xù)變化時流管VT3的集中發(fā)射極共模電位和集中發(fā)射極共模電流也基本上會保持穩(wěn)定，而兩個三極放大整流管的集中發(fā)電極共模電流前的iC1和iC2之和近似于相等于前的iC3，所以iC1和iC2將不會因磁場溫度的連續(xù)變化而同時發(fā)生增大或連續(xù)減小，可見，接入恒溫整流三極放大管后，抑制了兩個共模電流信號的溫度變化如圖4所示。圖2.4恒流源式差分放大電路有時，為了方便簡化起見，常常不把恒流式高頻差分信號放大器的電路中每個恒流二極管電流VT3的具體工作電路符號畫出，而直接采用一個比較簡化的恒流源電路符號公式來進行表示。估算一個恒流和電源式差，當其分別位于電路的一個靜態(tài)的、電流工作點時，通常情況下，我們可以從預先確定一個恒流三極晶體管，控制其工作電流系數開始。當我們忽略了VT3的基流時，可直接得到兩個，不同的直流放大二極管的實際靜態(tài)輸入電流，和實際電壓分別為ICQ1=0.5ICQ3；UBQ1=-IBQ1R。在差分放大線路中，含有兩個三級晶體管，它們一般情況下充當放大輸入電路的輸入端和輸出端。要是想要實現差分輸入放大，其實有很多種連接方式。各有不同，但是又殊途同歸，都能起到相似的效果和功能。當輸入、輸出的電路接法不同時，放大控制電路的主要性能、特點也不盡相同。

第3章差分放大電路的設計3.1差分放大電路的設計原理差分放大耦合輸入放大器是輸入輸出電路之一，是直接擴大輸入差分耦合的輸入電路，是輸入電路中最典型的耦合放大輸入電路。電路的兩端可通過兩個負載輸入雙端電路進行放大輸出，電路輸入端和負載兩端方向影響同兩個出口輸入電壓，并自動抵消。同時對通過負載單端電路進入放大輸出的兩個負載輸入零漂也自適應變得具有很強的輸出阻抗自動抑制和防干擾能力。下圖所示，是為一種比較典型的電路，通常情況下，我們稱之為，恒流源型單管放大器差動放大電路的輸出和輸入電路，它由兩個相對的放大輸出電路組成，輸入和輸出控制參數對輸入功能的要求完全相同，兩個恒流源的單管連接，并組成放大器電路的輸出和輸入電路通過兩個輸出發(fā)射器相互連接并耦合在一起，形成對稱的單管，從而形成一個放大器電路的輸出和輸入電路，其中兩個放大器電路，給定輸入參數的輸出發(fā)送器和兩個輸出通道電路的輸出。其中，三極體導管電路中的T1、T2構成差放的兩個輸入電源端和輸入輸出電極體導管，T1、T2的兩個集成式輸入電極體導管和中的Vc1、Vc2構成恒流差放控制電路的兩個輸出電源進入輸出端;三個恒流二極管電路中的T3、T4構成恒流源輸出控制電路。圖3.1直流耦合差分放大電路3.1.1直流耦合差分放大電路直流差分耦合功率差分補償放大器件電路由直流差分功率比例補償放大器件電路、差分功率濾波器、保護放大器件和差分補償放大電阻四個子部分共同組成。其中對輸入值和輸出參數關系定義為：（3.1）（3.2）當差分信號輸出頻率較低時，、、的容抗很大，差分射頻放大接收電路的輸入阻抗很高，若一個運放電路工作在一個線性差分放大頻率區(qū)，則根據虛短和實長虛斷差分定理，可得：（3.3）（3.4）將式（3.3）、（3.4）代入式（3.1）、（3.2）中可得：（3.5）（3.6）設放大倍數為A，由(3.5)、式(3.6)有:（3.7）式中表示差分矢量倍數相加的乘減，表明該值為差分矢量，放大集成電路的，每個差分矢量放大器，的倍數由輸入電阻,A由電阻、、確定?！霸摬罘址糯箅娐分?，的濾波器采用了典，型差分濾波器的形式，由差模濾波器和共模濾波器組成，主要作用是濾除傳感，器輸出信號高頻噪聲以及噪聲。假設傳感器差模輸出阻抗為，共膜輸出阻抗為，與的串，聯等效電容為，則差模濾波器的截止頻率由、、、、和，確定，共膜濾波器的截止頻率由、、、和確定。由于傳感器信號傳輸線較長，其寄生電感與放大器輸入電容，容易組成諧振電路，產生過沖和振蕩，為此，在信號線上串聯小電阻、作為補償電阻，以減小或消除振蕩。電容、分別與電阻、組成一階低通濾波器，抑制放大器噪聲；電阻、對運放，進行環(huán)內補償，增加運放帶容性負載的能力；BAT54S作為保護器件，加在放大器輸入端，，防止靜電放電以及輸入電壓，超出運放最大輸入電壓范圍而損壞運算放大器?！?.1.2交流耦合差分放大電路“交流耦合差分放大器電路如圖3.1.2所示。電容器C9，C10和C11的值比電容器C7和C8的值小得多。因此，電容器C9，C10和C11的影響可以忽略圖5中高通濾波器上的，從而可以獲得共模高通濾波器的截止頻率fHPc。（3.8）假設電容C7與C8的串聯等效電容為CS78，則差模高通濾波器的截止fHPd頻率為:（3.9）電阻R10、R11為運放提供偏置電壓并為運放偏置電流提供流通路徑。圖3.1.2交流耦合差分放大電路3.2差分放大電路仿真對差分放大電路的分析，常用方法是微變等效電路和仿真分析。仿真分析法主要是因為在實現分立器件和集成電路硬件之前，對不同的輸入狀態(tài)下的電路性能進行了復雜的研究，并可設置多種測試條件，對電路進行全面的分析，本文主要介紹了用這種分析法對差分放大電路的仿真試驗，以及對差分放大電路特性的驗證，以及對差分放大電路特性的參數掃描法進行分析。電路不對稱對輸出影響不大。靜態(tài)情況下，vi=0，因為電路是對稱的，雙端的輸出電壓是0。對