差分放大器设计

第4节 差分放大器设计[学习要求] 掌握差分放大器的主要特性参数及其测试方法；学会设计具有恒流源的差分放大器及电路的调试技术。

[重点与难点]重点：差分放大器的传输特性及差模特性。

难点：恒流源的镜像电流；输入输出信号的连接方式对性能的影响。

[理论内容]一、具有恒流源的差分放大器具有恒流源的差分放大器，应用十分广泛。

特别是在模拟集成电路中，常作为输入级或中间放大级，电路如图1所示。

其中，T 1、T 2称为差分对管，常采用双三极管如5G921或BG319等，它与电阻R Bl 、R B2、R Cl 、R C2及电位器RP 共同组成差分放大器的基本电路。

T 3、T 4与电阻R E3、R E4、R 共同组成恒流源电路，为差分对管的射极提供恒定电流。

均压电阻R 0I 1、R 2给差分放大器提供对称差模输入信号。

晶体管T 1与T 2、T 3与T 4的特性应相同，电路参数应完全对称，改变RP 可调整电路的对称性。

由于电路的这种对称性结构特点及恒流源的作用，无论是温度的变化，还是电源的波动(称之为共模信号)，对T 1、T 2两管的影响都是一样的。

因此，差分放大器能有效地抑制零点漂移。

图1具有恒流源的差分放大器1、输入输出信号的连接方式如图1所示，差分放大器的输入信号与输出信号可以有4种不同的连接方 .id V .od V 式：·双端输入—双端输出连接方式为①—A'—A ，②—B'—B ；③—C ，④—D 。

·双端输入—单端输出连接方式为①—A'—A ，②—B'—B ；③、④分别接一电阻 RL 到地。

·单端输入—双端输出连接方式为①—A ，②—B —地：③—C ，④—D 。

·单端输入—单端输出连接方式为①—A ，②—B —地：③、④分别接一电阻R L 到地。

连接方式不同，电路的特性参数有所不同。

2、静态工作点的计算静态时，差分放大器的输入端不加信号。

对于恒流源电路的电流值 .id V 04444422I I I I I I I Q C Q C QC Q C Q B R ≈≈+=+=β （1）故称为0I R I 的镜像电流，其表达式为407.0E EE R R R VV I I +−−== （2）上式表明，恒定电流主要由电源电压0I EE V −及电阻R 、4E R 决定对于差分对管T1、T2组成的对称电路，则有2021I I I Q C Q C == （3）2101121C CC C Q C CC Q C Q C R I V R I V V V −=−== （4）{}(){}mA I mV mA I mV r mA mA E be ⋅++Ω=⋅++Ω=226130026)1(3000ββ （5）可见差分放大器的静态工作点，主要由恒流源电流的大小决定0I 二、主要特性参数及其测试方法1、传输特性传输特性是指差分放大器在差模信号输入下，集电极电流随输入电压的变化规律，传输特性曲线如图2所示。

由传输特性可以看出：C i id v 当差模输入电压=0时，两管的集电极id V 图2 传输特性 电流相等，2021I I I Q C Q C ==，称Q 点为静态工作点；当增加(±25mV 以内)时，随线性增加，随线性减少，id v 1C i id v 2C i id v 021I I I C C =+的关系不变，称的这一变化范围为线性放大区；在增加到使T id v id v 1趋于饱和区，T 2趋于截止区(超过±50mV)时，的增加和的减小都逐渐缓慢，这时、随作非线性变化，称的这一变化范围为非线性区，增大射极电阻可加强电流负反馈，扩展线性区，缩小非线性区；在再继续增加(超过±100mV)，T id v 1C i 2C i 1C i 2C i id v id v id v 1饱和、T 2截止时，、不再随变化，称的这一变化范围为限幅区。

1C i 2C i id v id v 也可以通过测量T 1和T 2的集电极电压、随差模电压的变化规律来测量差模传输特性。

因为，如果1C v 2C v id v 111C CC R i V v C C −=CC V +、确定，则与1C R 1C v 1C i −的变化规律相同，而且测量电压、比测量电流、要方便得多。

测量时的接线方式如图3所示。

信号发生器输出电压为=l00mV ，频率为=lkHz 的正弦波。

设差分放大器为单端输入—双端输出接法，示波器上将显示如图4所示的传输特性曲线。

为晶体管截止时的电压，为晶体管饱和时的电压。

静态工作点Q 对应的电压为，当增加时，随线性1C V 2C V 1C I 2C I id V i f )(−c V )(+c V CQ V id v 1C v idv 图3 测量差模传输特性接线图 图4示波器上显示的差模传输特性曲线减少，随线性增加。

此传输特性可以用来设置差分放大器的静态工作点，观测电路的对称性。

2C v id v 2、差模特性如图1所示电路，当从差分放大器的两个输入端输入一对差模信号(大小相等、极性相反)时，与差分放大器4种接法所对应的差模电压增益、差模输入电阻、差模输出电阻的关系如表1所示。

VD A id R od R 表1差分放大器4种接法的差模特性*未考虑信号源内阻和s R RP ；若考虑，则。

()()RP r R R be B id β+++=121RP 上表说明，在4种连接方式中，双端输出时的差模特性完全相同，单端输出时的差模特性也完全相同，不论是双端输入还是单端输入，其输入电阻均相等。

id R 差模电压增益的测量方法是，输入差模信号为=20mV 、=500Hz 的正弦波，设差分放大器为单端输入—双端输出接法，用双踪示波器观测及(它们应是一对大小相等、极性相反的不失真正弦波)，用晶体管毫伏表或示波器分别测量、的值后，用下式计算：VD A id V i f 1C v 2C v 1C v 2C v 双端输出时的差模电压增益id C C VD V V V A 21+= （6）单端输出时的差模电压增益id C id C VD V V V V A 21== （7）如果与不相等，则说明放大器的参数不完全对称。

若与相差较大，则应重 1C V 2C V 1C V 2C V 新调整静态工作点，使电路性能尽可能对称。

差模输入电阻与差模输出电阻的测量方法与本章第一节介绍的单管放大器输入 id R od R 电阻及输出电阻的测量方法相同。

i R o R 3、共模特性当差分放大器的两个输入端输入一对共模信号(大小相等、极性相同)时，由于恒流ic v 源的作用，集电极电压、不会因变化而同时增大或减小。

如果电路参数完全对称，1C v 2C v ic v 则共模电压增益。

所以，具有恒流源的差分放大器对共模信号，如晶体管的零点漂 0≈VC A 移、电源波动、温度变化等的影响具有很强的抑制能力。

常用共模抑制比来表征差 CMR K 分放大器对共模信号的抑制能力，即VC VDCMR A A K = （8）或 dB A A K VC VD CMR lg20= （9）CMR K 愈大，说明差分放大器对共模信号的抑制力愈强，放大器的性能愈好。

共模抑制比的测量方法如下：当差模电压增益的测量完成后，将放大器的①端与②端相连接，输入=500mV ，=500Hz 的共模信号。

如果电路的对称性很好，则，示波器观测、时，其波形近似于一条水平直线。

共模电压增益，则共模抑制比CMR K VD A ic V i f 021≈=C C V V 1C v 2C v 0≈VC A ∞≈=VC VD CMR A A K如果电路的对称性不是很好，、的波形可能为一对大小相等、极性相反的正弦波(其原因是由于电路的参数不完全对称所引起的)。

但其幅值很小，用交流毫伏表测量或将示波器的“V/cm ”置于较小档时才能观测到波形。

这时的共模电压增益为1C v 2C v双端输出时 ic C C VC V V V A 21+=单端输出时ic C ic C VC V V V V A 21==放大器的共模抑制比为CMR K dB A A K VC VD CMR lg 20=虽然电路参数不完全对称，但由于<<l ，放大器的共模抑制比也能达到几十分贝，对共模信号仍具有较强的抑制能力。

因此，在要求不是很高的情况下，可以用一固定电阻代替恒流源，T VC A 1、T 2也可以采用特性相近的两只晶体管，而不一定要用对管，还可以通过调整外参数使电路尽可能对称。

图5 BG319引脚图 图6设计举例题的实验电路三、设计举例例 设计一具有恒流源的单端输入一双端输出差分放大器。

·已知条件=+12V ，=-12V ， CC V +EE V −Ω=k R L 20，=20mV .id V ·性能指标要求，≥20，>60dB 。

Ω>k R id 20VD A CMR K 解 (1)确定电路连接方式及晶体管型号由于对共模抑制比的要求较高，即要求电路的对称性要好，所以采用集成差分对管BG319(或对称性较好的双三极管3DGl30等)，其内部有4只特性完全相同的晶体管，引脚排列如图5所示。

图6为具有恒流源的单端输入一双端输出差分放大器电路，其中T 1、T 2、T 3、T 4为BG319的4只晶体管，在晶体管图示仪上测量604321====ββββ。

(2)设置静态工作点并计算元件参数差分放大器的静态工作点主要由恒流源的值决定，一般先设定。

越小，恒流源越恒定，漂移越小，放大器的输入阻抗越高。

但也不能太小，一般为几毫安。

这里取=1mA ， 0i 0I 0I 0I 由式(2)，(3)得 mA I I R 10==，mA I I I C C 5.02021===由式(5)得 {}Ω=⋅++Ω=k mA I mV r mA be 4.3226)1(3000β要求，由表1可得(忽略RP)Ω>k R id 20Ω>+=k r R R be B id 20)(21则 取Ω>k 6.6R 1B Ω==k R R B B 8.621要求>20，由表3.3.1可得 VD A 201'>+−=beB L VD r R R A β 取30=VD A 则Ω=k R L 1.5'由表1得)2///('L C L R R R =则 Ω=−⋅=k R R R R R L L L L C 4.10)2/()2/('' 取Ω==k R R C C 1021由式(4)得集电极电压V R I V V V C C CC Q C Q C 721=−== 则基极电压VV R I V V B CQ B Q B 008.0121≈===β则 V V V Q E Q E 7.021−≈=射极电阻不能太大，否则负反馈太强，放大器增益很小，一般取几十欧姆的精密电位 器，以便调整电路的对称性，现取Ω=471RP 。