1、1 二、設(shè)計課題具有恒流源單端輸入單端輸出差分放大器設(shè)計 5.3 差分放大器設(shè)計 一、學(xué)習(xí)要求 三、具有恒流源的差分放大器組成及特點 四、主要特性參數(shù)及其測試方法 五、設(shè)計舉例六、實驗要求12010-1-262 二、設(shè)計課題具有恒流源的單端輸入單端輸出差分放大器設(shè)計 性能指標(biāo)要求 Rid10k，AVD15，KCMR50dB。 已知條件 VCC=+12V，VEE= 12V，RL=20k， Vid=20mV(有效值)，3DG100或90183.3 差分放大器設(shè)計 掌握差分放大器的主要特性參數(shù)及其測試方法； 學(xué)會設(shè)計具有恒流源的差分放大器及其調(diào)試技術(shù)。 一、學(xué)習(xí)要求 22010-1-263 三、具有

2、恒流源的差分放大器組成及特點 輸入端輸出端 在模擬集成電路中，差分放大器常作為輸入級或中間放大級。 T3、T4是特性相同的晶體管， 與電阻RE3、RE4、R共同組成 恒流源電路，為差分對管的射 極提供恒定電流I0RP可調(diào)整電路的對稱性 T1、T2稱為差分對管，T1與T2 特性應(yīng)相同，常用雙三極管如 5G921或BG319等，它與RB1、 RB2、RC1、RC2及RP共同組成 差分放大器的基本電路32010-1-264 電路特點 1、電路的結(jié)構(gòu)對稱，有恒流源的作用，電路靜態(tài)工作點穩(wěn)定。 3、電路的下限頻率低。適用于放大變化速率低的小信號。 2、抑制零點漂移的能力強。無論是溫度的變化，還是電源的波

3、動(稱之為共模信號)，對T1、T2兩管的影響都是一樣的。42010-1-265 1. 輸入輸出信號的連接方式 雙端輸入雙端輸出 雙端輸入單端輸出 單端輸入雙端輸出 單端輸入單端輸出 注意： 連接方式不同，電路特性參數(shù)有所不同。52010-1-266 雙端輸入雙端輸出 RL加在 3、4端R1、R2是均壓電阻，給差分放大器提供對稱差模輸入信號 Vid 兩端均不接地62010-1-267 雙端輸入單端輸出 均壓電阻R1、R2給差分放大器提供對稱差模輸入信號 Vid 兩端均不接地兩個輸出端應(yīng)接相同的負(fù)載兩個輸出端應(yīng)接相同的負(fù)載72010-1-268 單端輸入雙端輸出 RL應(yīng)接在3、4兩個輸出端信號源的

4、一端和差分放大器的一個輸入端均接地82010-1-269 單端輸入單端輸出 兩個輸出端應(yīng)接相同的負(fù)載信號源的一端和 差分放大器的一個輸入端均應(yīng)接地兩個輸出端應(yīng)接相同的負(fù)載92010-1-2610 2. 靜態(tài)工作點的計算輸入端不加信號 恒流源電路的參考電流 IR 恒定電流I0 靜態(tài)工作點主要由恒流源電流I0的大小決定。恒定電流I0主要由電源電壓VEE及電阻R、RE4決定。102010-1-2611 四、主要特性參數(shù)及其測試方法 1. 傳輸特性 2. 差模特性 3. 共模特性112010-1-2612 1. 傳輸特性 傳輸特性是指差分放大器輸入差模電壓vid時，集電極電流iC隨輸入電壓vid的變化

5、規(guī)律。 vid=0時，IC1= IC2= I0/2， 稱Q點為靜態(tài)工作點； vid增加(25mV以內(nèi))時， iC1隨vid線性增加，iC2則 線性減少，IC1+ IC2= I0的 關(guān)系不變； 非線性區(qū) 限幅區(qū) 線性放大區(qū) vid增加 (超過50mV)時， iC1增加和iC2減小都逐漸變緩， iC1、iC2隨vid作非線性變化。 vid再增加(超過100mV)， iC1、iC2不再隨vid變化 122010-1-2613 1. 傳輸特性 傳輸特性是指差分放大器輸入差模電壓vid時，集電極電流iC隨輸入電壓vid的變化規(guī)律。 線性放大區(qū)擴寬 加入射極電阻RP可增強電流負(fù) 反饋，擴展線性區(qū),當(dāng)RP1

6、00， vid在50mV內(nèi)是線性區(qū)132010-1-2614 在實際應(yīng)用中是通過測量T1和T2的集電極電壓vC1、vC2隨差模電壓vid的變化規(guī)律來測量差模傳輸特性。 因為vC1= VCCiC1RC1，如果+ VCC、RC1確定，則vC1與iC1的變化規(guī)律相同，而且測量電壓vC1、vC2比測量電流iC1、iC2要方便得多。 測量傳輸特性的方法 測量差模傳輸特性接線圖 示波器上顯示的差模傳輸特性曲線 vc1=Vcc -ic1*Rc1 142010-1-2615 從差分放大器的兩個輸入端輸入一對差模信號(大小相等、極性相反)時，與差分放大器4種接法所對應(yīng)的差模電壓增益AVD、差模輸入電阻Rid、差

7、模輸出電阻Rod的關(guān)系如表所示。 雙端輸出時的差模特性完全相同 單端輸出時的差模特性 也完全相同 雙端輸入、單端輸入， 輸入電阻Rid是相同的 2. 差模特性152010-1-2616 差模電壓增益AVD的測量方法 設(shè)差分放大器為單端輸入雙端輸出接法 輸入差模信號為fi=500Hz、Vid=20mV（有效值)正弦波，用雙蹤示波器測量vC1及vC2(它們應(yīng)是一對大小相等、極性相反的不失真正弦波)，用示波器或晶體管毫伏表分別測量VC1、VC2雙端輸出時的差模電壓增益： 單端輸出時的差模電壓增益： 若VC1與VC2不等，則說明 放大器的參數(shù)不完全對稱。 若VC1與VC2相差較大，需 重新調(diào)整Q點，使

8、電路能盡 可能對稱。162010-1-2617 Rid與Rod的測量方法 差模輸入電阻Rid與差模輸出電阻Rod的測量方法與單管放大器輸入電阻Ri及輸出電阻Ro的測量方法相同。172010-1-2618 3. 共模特性 常用共模抑制比KCMR來表征差分放大器對共模信號的抑制能力，即 K CMR 愈大，說明放大器抑制共模信號能力愈強，放大器的性能愈好。 當(dāng)差分放大器兩輸入端輸入共模信號(大小相等、極性相同)vic時，由于恒流源的作用，集電極電壓vC1、vC2不會因vic變化而同時增大或減小。如果電路參數(shù)完全對稱，則共模電壓增益AVc0。故具有恒流源的差分放大器對共模信號，如晶體管的零點漂移、電源

9、波動、溫度變化等的影響具有很強的抑制能力。182010-1-2619 共模抑制比KCMR的測量方法 先測量放大器的差模電壓增益AVD,再測量共模增益AVC。將放大器的端與端相連接輸入Vic=500mV， fi=500Hz的共模 信號。示波器觀測vC1、vC2 若電路的對稱性很好，則VC1= VC20，示波器觀測vC1、vC2時，其波形近似于一條水平直線。共模電壓增益AVC0，則共模抑制比 192010-1-2620 共模抑制比KCMR的測量方法 若電路對稱性不是很好，vC1、vC2的波形可能為一對大小相等、極性相反的正弦波。但其幅值很小，將示波器V/cm”置于較小檔時才能觀測到波形。雙端輸出時

10、： 先測量放大器的差模電壓增益AVD,再測量共模增益AVC。單端輸出時： 電路的共模抑制比：202010-1-2621 五、設(shè)計舉例 例 設(shè)計有恒流源的單端輸入雙端輸出差分放大器。 已知條件 +VCC=+12V，VEE= 12V，RL=20k，Vid=20mV。 性能指標(biāo) Rid20k，AVD20，KCMR60dB。 根據(jù)要求KCMR60dB，即要求電路的對稱性要好，應(yīng)采用集成差分對管BG319（ BG319內(nèi)部有4只特性完全相同的管子）或挑選三極管性能參數(shù)較一致的3DG130、3DG100等。根據(jù)題目要求，采用具有恒流源的單端輸入雙端輸出差分放大電路。(1) 確定電路連接方式及晶體管型號 2

11、12010-1-2622 具有恒流源的單端輸入雙端輸出差分放大器 T1、T2、T3、T4為BG319的4只晶體管，1=2=3=4=60 (2) 設(shè)置靜態(tài)工作點并計算元件參數(shù) Q點主要由恒流源i0值決定，一般先設(shè)定I0。 I0越小，恒流源越恒定，漂移越小，放大器的輸入阻抗越高。 但不能太小，一般為幾毫安。取I0=1mA。222010-1-2623 具有恒流源的單端輸入雙端輸出差分放大器 (2) 設(shè)置靜態(tài)工作點并計算元件參數(shù) IR= I0=1mA，IC1= IC2= I0/2=0.5mA Rid=2(RB1+ rbe)20k 則 RB16.6k 要求Rid20k 取RB1= RB2=6.8k 23

12、2010-1-2624 具有恒流源的單端輸入雙端輸出差分放大器 (2) 設(shè)置靜態(tài)工作點并計算元件參數(shù) 要求AVD20取AVD=30 取RC1= RC2=10k 242010-1-2625 具有恒流源的單端輸入雙端輸出差分放大器 (2) 設(shè)置靜態(tài)工作點并計算元件參數(shù) 計算T1、T2靜態(tài)工作點： 集電極： VC1Q= VC2Q = VCCIC RC= 7V 基極： VB1Q= VB2Q =(Ic/ )RB1=0.08V0V 則 VE1Q= VE2Q 0.7V252010-1-2626 具有恒流源的單端輸入雙端輸出差分放大器 (2) 設(shè)置靜態(tài)工作點并計算元件參數(shù) 計算恒流源電路參數(shù)：R+RE=11.

13、3k 取RE3= RE4=2k，則R=9.3k，為方便調(diào)整I0，R用5.1k電阻與10k電位器RP2串聯(lián)。T3、T4靜態(tài)工作電壓 VB3= VB4= -IR*R= -9.3V VE3= VE4= VB3 0.7= -10V262010-1-2627 具有恒流源的單端輸入雙端輸出差分放大器 (2) 設(shè)置靜態(tài)工作點并計算元件參數(shù) 為了方便調(diào)整電路的對稱性， 在T1、T2兩管的射極接入一 阻值較小的電位器RP1。 272010-1-2628 (3) 靜態(tài)工作點的調(diào)整方法 調(diào)整RP1，使其滿足VC1Q= VC2Q 并測量T1、T2基極和發(fā)射極對地 電壓（VB1Q、VE1Q、VB2Q、VE2Q） VCE

14、1Q=VC1Q-VE1Q, VCE2Q=VC2Q-VE2Q 應(yīng)使兩管均工作在放大狀態(tài) 測試條件：輸入端 、接地用電壓表測量T1、T2的集電極 對地電壓VC1Q、VC2Q 用電壓表測量T3、T4射極電壓， 并調(diào)節(jié)RP2使I0的值為1mA, 則 VE3=VE4 -VEE+IR*RE3= -10V 。282010-1-2629 測量差模傳輸特性曲線差模輸入信號vid=20mV 調(diào)節(jié)RP1、RP2使傳輸特性曲線盡可能對稱 如果晶體管的特性不太一致，改變RP1、RP2仍然不能使傳輸特性曲線對稱，則可適當(dāng)調(diào)整電路外參數(shù)，如RC1或RC2。 待電路的差模特性曲線對稱后，移去信號源，測量各三極管的電壓值，并記錄相應(yīng)的數(shù)據(jù)。 計算靜態(tài)工作點I0=1mA、VCE1 =7.9V 、VCE2 = 7.9V 、VCE3 = 9.1V VC1QVC2QVB1QVB2QVE1QVE2QVC3QVC4QVE3QVE4Q 7.17.1000.80.80.99.310.010.0292010-1-2630 (4) 測量結(jié)果 技術(shù)指標(biāo)的測量值為 302010-1-2631 (5) 誤差分析Rid=2(RB1+ rbe)+RP1 =23.22k 差模電壓增益誤差：AVD （2825.4）/25.4*100%=10.24% 輸入電阻誤差：Rid（ 23.3 23.22 ）/23.22*100%=0.35