第四章差分和多级放大器精选.doc

第四章差分和多级放大器 4.1差分放大器 实验中发现，在直接耦合放大电路中，如果将输入端短路，输出端的输出电压不一定会是零，而是随时间缓慢变化，即产生零点漂移现象，这是由于温度变化所引起的半导体器件参数产生变化而引起的，显然，这样产生的输出干扰将使放大器无法正常工作。差分放大器正是解决零点漂移问题的有效方法。 差分放大电路是构成多级直接耦合放大电路的基本放大电路，是使用最广泛的重要的基本单元电路。 4.1.1电路介绍 1 电路结构输入输出方式 将两个完全相同的晶体管的发射极连接，面对面的组合起来，便组成了基本差分放大器，如图4-1所示。 差分放大器的信号是由这两个晶体管的基极输入，由它们的集电极输出。由于输入输出的方式不同，差分放大器有四种不同的工作状态。输入信号由差分放大器的一端输入，另一端接地，称为单端输入，信号由两个输入端同时输入，称为双端输入。同样，输出信号由差分放大器的一个集电极输出，称为单端输出，信号由两个集电极之间输出，称为双端输出。这样，便组合成单端输入单端输出、单端输入双端输出、双端输入单端输出、双端输入双端输出这四种输入输出方式。 差分放大器的输入信号可分为大小和极性都相同的共模信号部分及大小相同但极性相反的差模信号部分。 图4-1差分放大器 2差分放大电路的共模信号 差分放大器两输入端的输入信号的大小和极性都相同的部分，称为共模输入信号，记作，则有共模输入信号 通常，共模信号是大信号，因此，用大信号的分析方法来分析共模输入信号。 将与连接，输入信号，如图4-2所示，由图可知： Q1和Q2中的发射极电流，集电极电流 ，则有 发现，这些电压电流关系与共模电压无关，可见，改变共模电压的大小，以上电压电流关系不会改变，也就是说，差分放大器对共模信号没有放大能力。 图4-2差分放大器共模信号输入 3 差分放大电路的差模信号 差分放大器两输入端的输入信号的大小相同但极性相反的部分，称为差模输入信号，记作。 （a）（b）（c） 图4-3 差分放大器差模信号输入 分别按照差模信号的大小的情不同情况来分别进行分析： 大信号情况： 如图4-3（a），若在的基极加上+1的大信号，将的基极接地，此时，饱和，发射极处的电压为＋0.3，截止。中的电流为，的电流为0，的集电极电压为，的集电极电压为，则两集电极之间的电压，即输出电压，。 同理，如图4-3（b），若在的基极加上-1的大信号，将的基极接地，此时，截止，饱和，射极处的电压为－0.7。中的电流为0，的电流为，的集电极电压为，的集电极电压为，则两基极之间的电压，即输出电压，。 小信号情况 如图4-3（c），在的基极加上一个小的变化电压，即一个小的信号，将的基极接地，则有差模输入信号。小信号情况会在以后的章节中详细介绍。 有时候，将与连接，但不接地，则称为平衡输入法，可起到抗干扰的作用。 4.1.2大信号运行传输特性 再看基本电路，如图4-4，若共发射极的电压为，根据前面的知识，由晶体管公式，得： 两式相除，得到： 将等式两边分别加1，并取倒数，即可得 由此，可以画出BJT差分对的传输特性曲线，如图4-5所示，其横轴是用归一化的差模输入电压，即，纵轴是用归一化的集电极电流，即，通常，当差分放大器用作放大器时是工作在中间呈线性的部分。 图4-4大信号运行模型 图4-5大信号运行传输特性曲线 4.1.3小信号工作 由于差分放大器对共模大信号没有放大能力，通常研究的是差分放大器对两输入端的输入信号之差，即差模小信号的放大能力。 如图4-6所示，差分放大器的输入端一端输入信号，另一端为，两输入端信号之差为 1 集电极电流 当输入信号为时，根据前面推导的公式， 可得集电极电流表达式： 以ic1为例，分子分母同乘以，得 当，用级数展开并取前两项再化简，就可得到 式中 其中, 同样方法，可得 2 差模输入阻抗 如图4-7，可得等式 （因为，） 得到差模输入阻抗 如图4-8所示，当发射极串有小电阻（调零电位器）时，用同样方法可求得此时的输入电阻为 3 差模增益 前已述及，差分放大器集电极电流 ， 所以， 由于 因此可得差模增益 差模增益也可以用 以上是双端输出情况，单端输出时： ，或者 当时，增益 当时，增益 由此可见，单端输出时，增益差一半。 4共模增益 图4-10（a）所示为一长尾放大器，它可以等效为图4-10（b），由于下面的两个电阻两端电压分别相等则图4-10（b）又可以等效为图4-10（c），此时只看一半即可，这就成了一个晶体管放大器的典型电路，如图4-10(d)所示 由于，即 而 得到共模增益 图4-10差分放大器共模增益 5 共模输入阻抗 图4-11图4-12 共模输入模型图如4-11所示，考虑半边电路如4-12所示，由前面晶体管放大电路的有关输入阻抗的知识可以求得， 半个