差動(dòng)放大器實(shí)驗(yàn)研究與探索

賈 哲,潘 婧,朱建華,胡 軼,閆娟枝,陳丫丫

(太原學(xué)院 材料與化學(xué)工程系,山西 太原 030032)

0 引言

差動(dòng)放大器[1]作為一種基本放大電路,屬于模擬電子電路中一種重要電路類(lèi)型。目前廣泛使用的集成電路運(yùn)算放大器就是在硅片上把晶體管和電阻組合起來(lái),最終制成一個(gè)完整的直接耦合[2]多級(jí)放大電路。直接耦合多級(jí)放大電路存在零點(diǎn)漂移問(wèn)題,在實(shí)際電路中,使用時(shí)溫度的變化,每個(gè)電阻、晶體管參數(shù)的變化及電源電壓的波動(dòng)會(huì)使輸出電壓發(fā)生變化,也就是容易產(chǎn)生零點(diǎn)漂移問(wèn)題。零點(diǎn)漂移問(wèn)題[3]會(huì)隨著時(shí)間緩慢進(jìn)行,對(duì)直接耦合多級(jí)放大電路來(lái)講,輸入級(jí)的零點(diǎn)漂移問(wèn)題會(huì)逐級(jí)放大,最終會(huì)在輸出端造成嚴(yán)重影響。

在直接耦合多級(jí)放大電路的輸入級(jí)會(huì)采用差動(dòng)放大電路,可以抑制直接耦合多級(jí)放大電路的零點(diǎn)漂移。差動(dòng)放大電路就是用相同的工藝在同一塊半導(dǎo)體材料上同時(shí)制作兩個(gè)晶體管,而且封裝在同一管殼中,同時(shí)使兩管的溫度大致相同,電阻也采用精密選配使其阻值盡可能相同,這樣差動(dòng)放大電路的制作工藝和參數(shù)就滿足對(duì)稱性,在雙端輸出時(shí)可以把零點(diǎn)漂移的電壓抑制掉,因此被廣泛應(yīng)用在集成電路中作為輸入級(jí)[4]。

本文詳細(xì)分析基本差動(dòng)放大器電路結(jié)構(gòu)和特點(diǎn),在直流通路情況下對(duì)抑制零點(diǎn)漂移的工作原理進(jìn)行了分析,同時(shí)分析了共模輸入模式,主要是抗干擾和抑制零點(diǎn)漂移的能力。另外分析了差模輸入模式,主要是對(duì)差模信號(hào)起放大作用,因此差動(dòng)放大電路器結(jié)構(gòu)具有良好的性能和廣泛用途。

1 差動(dòng)放大電路分析

1.1 差動(dòng)放大電路抑制零點(diǎn)漂移原理分析

差動(dòng)放大器使用兩個(gè)特性完全相同的晶體管,組成兩半完全對(duì)稱電路,交流輸入送給兩個(gè)晶體管的基極,在兩個(gè)晶體管的集電極得到輸出信號(hào)。差動(dòng)放大器中采用雙電源供電即UCC和-UEE,一方面可以給兩個(gè)晶體管的基極提供電流IB1和IB2,另一方面可帶動(dòng)更高的射極電阻RE;T1和T2這兩個(gè)晶體管的射極通過(guò)一個(gè)阻值較小滑動(dòng)變阻器RP可以對(duì)電路進(jìn)行調(diào)零,同時(shí)接入射極電阻RE,構(gòu)成了共射極放大電路。電阻RE的阻值越大起到的抑制零點(diǎn)漂移作用也越大,接入負(fù)電源[5]用來(lái)補(bǔ)償電阻RE的直流電壓。差動(dòng)放大器電路圖如圖1所示。

圖1 差動(dòng)放大器實(shí)驗(yàn)電路圖

當(dāng)差動(dòng)放大器單端輸出時(shí),即輸出電壓UO=VC1或者UO=VC2時(shí),抑制零點(diǎn)漂移原理就和共射極放大點(diǎn)路中穩(wěn)定靜態(tài)工作點(diǎn)原理一樣。當(dāng)溫度升高時(shí),兩個(gè)晶體管的發(fā)射結(jié)電壓UBE1和UBE2基本保持不變時(shí),基極電流IB1和IB2會(huì)增大,集電極電流IC1和IC2勢(shì)必會(huì)增大,IE1和IE2也會(huì)隨之會(huì)增大,由于兩個(gè)晶體管的射極電阻RE的存在, 射極電流就會(huì)使射極電壓VE1和VE2也會(huì)隨之增大,單端輸出電壓VC1和VC2將會(huì)隨之減少產(chǎn)生波動(dòng);在兩個(gè)晶體管輸入回路中所加的電源電壓相同UCC=|-UEE|。兩個(gè)晶體管的發(fā)射結(jié)電壓UBE1和UBE2基本保持不變時(shí),兩個(gè)晶體管的基極電流IB1和IB2會(huì)隨之減小,集電極電流IC1和IC2勢(shì)必會(huì)減小,這就使整個(gè)晶體管靜態(tài)工作點(diǎn)穩(wěn)定,同時(shí)單端輸出電壓VC1和VC2將會(huì)增大,抵消了輸出波動(dòng),起到抑制零點(diǎn)漂移的作用。

當(dāng)差動(dòng)放大器雙端輸出[6]時(shí),將它的輸入端短接即輸入信號(hào)ui=0,當(dāng)溫度升高時(shí)或者其他參數(shù)發(fā)生變化時(shí),兩個(gè)晶體管的集電極電流IC1和IC2將會(huì)同時(shí)增大或減小,兩個(gè)晶體管的集電極電位VC1和VC2也會(huì)同時(shí)增大或減小,從而使輸出電壓UO=VC1-VC2=0,因此消除零點(diǎn)漂移,利用了互相補(bǔ)償來(lái)抑制零點(diǎn)漂移。

1.2 差動(dòng)放大器直流通路圖分析

當(dāng)分析差動(dòng)放大器直流通路時(shí),電路中不加入交流輸入信號(hào)即ui=0,直接把輸入信號(hào)ui的A、B兩端短接然后接地,電路中接入直流電源UCC和-UEE。這就構(gòu)成了差動(dòng)放大器的直流通路圖,其電路圖如圖2所示。

圖2 差動(dòng)放大器的直流通路圖

在直流通路圖中RP為可變電阻,連接著兩個(gè)晶體管的射極,可以認(rèn)為連接在T1管為RP1,連接在T2管為RP2,則它的靜態(tài)工作點(diǎn)可用下式計(jì)算。T1和T2這兩個(gè)晶體管的參數(shù)一直寫(xiě)出一個(gè)即可,輸入回路可根據(jù)基爾霍夫會(huì)定律寫(xiě)出:

UEE=IBRB+UBE+(1+β)IBRP1+2(1+β)IBRE

(1)

當(dāng)基極電位UEE?UBE,RB?(1+β)RE可變電阻RP1阻值和RP2阻值很小可忽略

(2)

(3)

可以看出IC和IE只受UEE和RE的控制,所以穩(wěn)定靜態(tài)工作點(diǎn)效果好。T1和T2這兩個(gè)晶體管的輸出回路中UCE、UC相同,寫(xiě)出一個(gè)即可:

UCE=(UCC+UEE)-ICRC-2IERE

(4)

集電極電位為:

UC=UCC-ICRC

(5)

電路的輸出電壓:

UO=UC1-UC2=0

(6)

可以看出基極電流IB很小,所以基極電位UB也就很小,又因?yàn)榫w管的基極接入在地端,在直流通路時(shí)基極干擾就小,所以靜態(tài)工作點(diǎn)相對(duì)自動(dòng)穩(wěn)定了,能更好地抑制零點(diǎn)漂移。

1.3 差動(dòng)放大器調(diào)零原理分析

電路中RP的阻值是可變的,調(diào)節(jié)RP的阻值就可得到不同的阻值RP1和RP2,根據(jù)公式RP=RP1+RP2,可以得到RP1增大則RP2減小,RP1減小則RP2增大,在本次試驗(yàn)中采取極值分析法,即RP1為零和RP2為零進(jìn)行對(duì)比測(cè)試。

當(dāng)RP1=0時(shí),則RP2=RP,T1管和T2管集電極電流IC1、IC2和射極電流IE1、IE2如下。

(7)

(8)

根據(jù)式(5),若IC1>IC2,可進(jìn)而得到UC1

當(dāng)RP2=0時(shí),則RP1=RP,T1管和T2管集電極電流IC1、IC2和射極電流IE1、IE2如下。

(9)

(10)

根據(jù)式(5),若IC1UC2,且電壓差值比電流差值放大了RC倍,輸出電壓UO為正值。

根據(jù)極值分析,輸出電壓UO可以通過(guò)調(diào)節(jié)RP的值,調(diào)整到某一合適的大小,從而使電路處于完全平衡狀態(tài),即得到UO=0,此時(shí)差動(dòng)放大器處于抑制零點(diǎn)漂移最佳狀態(tài)[7]。設(shè)置滑動(dòng)變阻器RP極值,在本實(shí)驗(yàn)中,通過(guò)旋轉(zhuǎn)旋鈕改變RP的阻值,得到的T1管和T2管的靜態(tài)值。

設(shè)置參數(shù)如表1所示。

表1 參數(shù)設(shè)置1

2 差動(dòng)放大器的動(dòng)態(tài)特性分析

直流電源提供工作電壓,使放大電路建立起放大狀態(tài)。同時(shí)輸入端接入了交流信號(hào)時(shí)電路就處在動(dòng)態(tài)工作狀態(tài)。

在動(dòng)態(tài)工作狀態(tài)下,交流信號(hào)接入電路中,信號(hào)接入的方式有兩種形式:一種是輸入信號(hào)的正極接入A點(diǎn)或B點(diǎn),負(fù)極接地,這是屬于單端輸入;另一種是輸入信號(hào)的正極接入A點(diǎn),負(fù)極接入B點(diǎn)或者輸入信號(hào)的正極接入B點(diǎn),負(fù)極接入A點(diǎn),這是屬于雙端輸入。信號(hào)的輸出方式也有兩種形式:一種是輸出信號(hào)正極接入T1管或者T2管的集電極,負(fù)極接地,這是屬于單端輸出,輸出電壓uO=uC1或uC2;另一種是輸出信號(hào)正極接入T1管(或T2管)的集電極,負(fù)極接T2管(或T1管)的集電極,這是屬于雙端輸出。 所以輸入和輸出組合起來(lái)共有四種接法: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。

2.1 共模電壓放大特性分析

差動(dòng)放大器的兩個(gè)輸入端A和B接在一起,接入輸入信號(hào)正極,負(fù)極接地構(gòu)成單端輸入,輸出信號(hào)由T1管和T2管集電極之間取出,為單端輸入雙端輸出[8]。輸出信號(hào)由T1管或T2管集電極之間取出,為單端輸入單端輸出。兩個(gè)輸入信號(hào)大小相同,相位相同,所以成為共模輸入形式。電路如圖3所示。

圖3 共模輸入差動(dòng)放大器電路

(11)

又由于電路不可能完全對(duì)稱,所以輸出電壓會(huì)有微弱的信號(hào),在實(shí)驗(yàn)結(jié)果中幾乎觀察不到輸出信號(hào)。所以共模輸入信號(hào)幾乎不起作用,僅說(shuō)明了差動(dòng)放大器能抑制溫度、環(huán)境引起的零點(diǎn)漂移。所以共模放大倍數(shù)AC越小,抗干擾和抑制零點(diǎn)漂移的能力就越強(qiáng)。

2.2 差模電壓放大特性分析

差動(dòng)放大器的輸入信號(hào)由一個(gè)輸入端與地之間加入,另一端接地時(shí)成為單端輸入,輸出信號(hào)由T1管和T2管集電極之間取出,為單端輸入雙端輸出;輸出信號(hào)由T1管或T2管集電極之間取出,為單端輸入單端輸出。當(dāng)差動(dòng)放大器的射極電阻RE足夠大時(shí),差模電壓放大倍數(shù)由輸出方式?jīng)Q定,與輸入的方式無(wú)關(guān),差模輸入差動(dòng)放大器的輸入端[9]采用單端輸入形式。電路如圖4所示。

圖4 差模輸入差動(dòng)放大器電路

分析差模輸入時(shí)的交流電路,首先把輸入信號(hào)分解為差模和共模分量,如下式。

(12)

(13)

圖5 差模輸入半電路的微變等效電路

根據(jù)差模輸入半電路的交流通路的雙端輸出電壓的放大倍數(shù)和單端輸出電壓的放大倍數(shù),如下式所示。

(14)

(15)

表2 參數(shù)設(shè)置2

圖6 單端及雙端輸出的波形

本次實(shí)驗(yàn)中,通過(guò)改變輸入電壓的大小,觀測(cè)到T1管集電極輸出電壓隨著輸入電壓呈倍數(shù)反相變化,T2集電極輸出電壓隨著輸入電壓呈相同倍數(shù)同相變化,輸出電壓呈雙倍數(shù)反相變化。

(16)

由此,通過(guò)等比計(jì)算法放大倍數(shù)可以看做單端出電壓和輸入電壓的一半之比:

(17)

3 結(jié)語(yǔ)

本文首先分析了差動(dòng)放大器電路的組成以及在電路中所起的作用,然后分析了直流通路中射極電阻RE和電源-UEE能提供合適的靜態(tài)工作點(diǎn),并能相對(duì)地自動(dòng)穩(wěn)定,起到抑制零點(diǎn)漂移的作用,同時(shí)研究了差動(dòng)放大器電路能有效地設(shè)置調(diào)零點(diǎn);在動(dòng)態(tài)電路中研究了共模輸入形式下具有較強(qiáng)的抗干擾能力和抑制零點(diǎn)漂移的能力;研究了差模輸入形式下,運(yùn)用等比分析法能更加簡(jiǎn)明地說(shuō)明差動(dòng)放大器多用了一半電路來(lái)保證了整個(gè)差動(dòng)放大器的放大效果,適合在直接耦合的多級(jí)放大器的輸入級(jí)。