差分式放大电路设计与工作原理

发布日期:2014-06-18 11:10,查看次数:1723


一:差分式放大电路的一般结构

1.用三端器件组成的差分式放大电路

图6.2.1是用两个特性相同的三段期间所组成的差分式放大电路,并在两器件下端公共接点e处连接电流源。两器件的输入端分别接入信号电压,两输出端分别连接两只等值的电阻。电路则由两个电源供电。由于电流具有恒流特性,并带有高阻值的动态输出电阻,因而电路具有稳定的直流偏置和很强的抑制共模信号的能力。


如6.2.1 用三端器件组成的差分式放大电路

 

 

2.差模信号和共模信号

(1)如 是BJT器件,由图6.2.1可以看到有两种电流信号,一种是从 端到 端的差模输入电流信号,另一种是从两管的 和 端流入电流源的共模输入电流信号

(2)实际上,电流信号是由输入电压信号产生的,因此差模信号和共模信号一般是用电压信号来描述的。

(3)输入电压 和 之差称为差模电压,用下式来定义:

= - 

     两输入电压的算术平均值称为共模电压,定义为:

       =

(4)用差模和共模电压表示两输入电压时,有

       =+         =-

由上面二式可知,两输入端的共模信号的大小相等,极性是相同的,而两输入端的差模电压+和-的大小相等,极性则是相反的。

(5)类似地,对于两管的差模输出电压和共模输出电压可由下两式表达:

   =-             =

式中单管的输出电压分别为

     =+            =-

(6)通常,要求设计出这样一种放大器,当它放大差模电压信号时就有较高的电压增益,而对于共模电压信号则显现出低得多的电压增益。在差模信号和共模信号同时存在的情况下,对于线性放大电路来说,可借助叠加原理来求出总的输出电压,即

=+

式中=/为差模电压增益;=/为共模电压增益。

 

二:射极耦合差分式放大电路

1、 基本电路

在图6.1.1中,如选用两只特性全同的JBT ,则可得如图6.2.2所示的射极耦合差分式放大电路。因两管射极连接在一起,并共同与一电流源相连。以便于直接传递信息而得名。电路参数对称,即==。电路由两个电源+和-供电。由于该电路有两个输入端和两个输出端 ,因而称为双端输入双端输出电路。

 

 

 

 图6.2.2 射极耦合差分式放大电路

 

2、 工作原理

(1) 静态分析

当没有输入信号电压,即==0时,由于电路完全对称,====0.7 V,这时===/2 ,==

==-+0.7 V,=-。由此可知,输入信号为零时,输出信号也为零。

(2) 动态分析

输入信号为差模信号

当在电路的两个输入端各加一个大小相等,极性相反的信号电压,即=-=/2时,一管电流增加,另一管电流则减小,所以差模输出信号电压=-≠0,即在两输出端间有信号电压输出。=-就是前面介绍过的差模信号。这种输入方式称为差模输入。

输入信号为共模信号

在差分式放大电路中,无论是温度变化,还是电源电压的波动都会引起两管集电极电流以及相应的集电极电压相同的变化,其效果相当于在两个输入端加入了共模信号。两个输出端的共模电压相同,即==。双端输出时的输出电压=-=0。

输入信号为差模信号和共模信号的叠加

当输入信号电压=+=-时,输出电压=+,         =-,在双端输出时,=-=,即双端输出差分电路只放大差模信号,而抑制共模信号。

   根据这一原理,差分式放大电路可以用来抑制温度等外界因素的变化对电路性能的影响。由于这个缘故。差分式放大电路常用来作为多级直接耦合放大器的输入级,它对共模信号有很强的抑制能力。以改善整个电路性能。

3.主要技术指标的计算

(1)差模电压增益

双端输入、双端输出的差模电压增益


   (a)

             

在图6.2.2所示的电路中,若输入为差模方式,即=-=,则因一管的电流增加,两一管的电流减小,在电路完全对称的条件下,的增加量等于的减少量,所以流过电流源的电流不变,=0,故交流通路如图6.2.3a所示。由图可知过程对称的共射电路,为便于分析刻画出对差模信号的半边小信号等效电路,如图6.2.3b所示。当从两管集电极作双端输出,未接时其差模电压增益与单管共射极放大电路的电压增益相同,即

====-

当集电极两点间接入负载电阻

=-。其中=。这是因为输入差模信号时,点的点位向相反的方向变化,一边增量为正,另一边增量为负,并且大小相等,可见负载电阻的中点是交流地典韦,所以在差分输入的半边等效电路中,负载电阻式/2。

综上分析可知,在电路完全对称、双输入、双输出的情况下,图6.2.2的电路与单边电路的电压增益相等。可见该电路是用成倍的元件以换取抑制共模信号的能力。


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