IT小白

这个屌丝很懒，什么也没留下！

热门标签

灯塔-模拟电子技术 3.3

作者：IT小白 | 2024-03-22 19:47:38

踩

灯塔-模拟电子技术 3.3

3.3 直接耦合放大电路

3.3.1 零点漂移

零点漂移现象：将输入端短路，理论上只有直流，输出该为稳定的直流信号，然而用灵敏的直流表测量输出端，发现有变化缓慢的输出电压

产生原因：温漂，由温度变化所引起的半导体器件参数的变化是产生零点漂移的主要原因

抑制温度漂移的方法：加 $R_{e}$ 电阻，起负反馈作用，但会使放大倍数 $A_{u}$ ↓

3.3.2 差分放大电路（双入双出）

（1）电路的构成

分析：a 中零点如何波动，可变电源 V 就如何波动，以此抵消零点漂移的作用

作出a的镜像电路，即可实现可变电源V的效果，反向零点漂移抵消

在直流下 $R_{e}$ 的作用变为原来的两倍

问题：因电路完全对称， $u_{o}$ 两端无电位差，恒为0

解决方法：① $u_{i2}=0$ --> 零点漂移由静态引起

② $u_{i2}$ 反向

分析 e： $i_{E2}$ 实际方向与参考方向相反，故 $R_{e}$ 中无电流 --> 交流下 $R_{e}$ 消失

概念：① 共模信号： $u_{i1}=u_{i2}$ 大小相等，方向相同

零漂可等效为同向的 $u_{i1}=u_{i2}$ ， $u_{o}=0$ ，该电路对共模信号进行强烈的抑制

假设外界加入干扰，等效出同向的 $u_{i1}=u_{i2}$ ，交流通路下 $R_{e}$ 表现出两倍的作用，放大倍数 $A_{u}$ 缩小，两端干扰信号相减抵消，抑制干扰信号使静态工作点更稳定

② 差模信号： $u_{i1}=-u_{i2}$ 大小相等，方向相反

有用信号以差模形式进入， $R_{e}$ 被等效掉，电路被有效的放大

共模是指 $V_{CC}$ 提供的直流对零点漂移的抵消，差模是指小信号交流电两两抵消

（2）长尾式差分放大电路

① 共模 --> 静态

当输入信号 $u_{i1}=u_{i2}=0$ 时， $u_{o}=0$

$I_{R_{e}}=I_{EQ1}+I_{EQ2}=2I_{EQ}$

基极回路方程

$I_{BQ}R_{b}+U_{BEQ}+2I_{EQ}R_{e}=V_{EE}$

通常情况下， $R_{b}$ 阻值很小（很多情况下 $R_{b}$ 为信号源内阻），且 $I_{BQ}$ 也很小， $\therefore$ $R_{b}$ 的电压忽略；输入是0，基级电位是0， $U_{BEQ}+U_{EQ}=0$ --> 发射极 $U_{EQ}=-U_{BEQ}$ ，发射极静态电流

$I_{EQ}\approx \frac{V_{EE}-U_{BEQ}}{2R_{e}}$

合理地选择 $R_{e}$ 的阻值，并与电源 $V_{CC}$ 相配合，就可以设置合适的静态工作点

$I_{BQ}=\frac{I_{EQ}}{1+\beta }$

$U_{CEQ}\approx V_{CC}-I_{CQ}R_{c}+U_{BEQ}$

$A_{c}=\frac{u_{Oc}}{u_{Ic}}$

若电路参数理想对称，则 $A_{c}=0$

② 差模

当输入信号 $u_{i1}=-u_{i2}$ 时，化简再进行H参数等效

$A_{d}=\frac{u_{o}}{u_{id}}=\frac{-2\beta i_{b1}\cdot (R_{c}//\frac{R_{L}}{2})}{2i_{b1}\cdot (R_{b}+r_{be})}=-\frac{\beta \cdot (R_{c}//\frac{R_{L}}{2})}{R_{b}+r_{be}}$

③ 共模抑制比

$K_{CMR}=\left | \frac{A_{d}}{A_{c}} \right |$ 或 $K_{CMR}(dB)=20\lg \left | \frac{A_{d}}{A_{c}} \right |(dB)$

④ 电压传输特性

（3）其他接法

a. 双入单出

输出一端接地防止干扰

$u_{I}$ 包含共模 $u_{Ic}$ + 差模 $u_{Id}$ $u_{oc}$ 包含 $u_{oc}+u_{od}$

① 共模

直流通路等效， $u_{I}=0$ ，作 $R_{L}$ 的戴维南等效，

${V}'_{CC}=\frac{R_{L}}{R_{C}+R_{L}}\cdot V_{CC}$

等效电阻 ${R}'_{C}$ ，需先将电压源电流源置零，电压源 --> 短路，电流源 --> 断路

${R}'_{C}=R_{C}//R_{L}$

$r_{be}$ 受到静态工作点的控制，是连接静态和动态的桥梁

$r_{be}=r'_{bb}+(1+\beta )\frac{U_{T}}{I_{E}}$

在集电结反偏后，即集电极电压 > 基极电压，集电极电压对基极电流 $I_{b}$ 就几乎没有影响了

差分放大电路的另一边主要提供的是一个完整的 $R_{e}$ 电阻，从而起到抑制温漂的效果，所以交流通路等效时无需画另一边只需留下其等效的作用

$A_{Oc}=\frac{-\beta (R_{c}//R_{L})}{R_{b}+r_{be}+(1+\beta )\cdot 2R_{e}}$

$\because$ $R_{e}$ 电阻较大，Aoc≈-5% $\therefore$ 共模信号被抑制了

② 差模

$A_{Od}=\frac{u_{o}}{u_{id}}=-\frac{\beta \cdot (R_{c}//R_{L})}{2(R_{b}+r_{be})}$ ，放大倍数是共射电路的 $\frac{1}{2}$

b. 单入双出

在差模信号输入的同时，伴随着共模信号的输入

输入=共模+差模

在共模放大倍数 $A_{c}$ 不为零时，输出电压

$u_{O}=A_{c}\cdot \frac{u_{I}}{2}+A_{d}\cdot u_{I}$

若电路参数理想对称，则 $A_{c}=0$ ，即式中的第一项为0

c. 单入单出

双入单出+共模

四种接法总结

**四种接法的动态参数特点**
	双入双出	双入单出	单入双出	单入单出
$A_{c}$	0	$-\frac{\beta (R_{c}//R_{L})}{R_{b}+r_{be}+2(1+\beta )R_{e}}$	0	$-\frac{\beta (R_{c}//R_{L})}{R_{b}+r_{be}+2(1+\beta )R_{e}}$
$A_{d}$	$-\frac{\beta \cdot (R_{c}//\frac{R_{L}}{2})}{R_{b}+r_{be}}$	$-\frac{1}{2}\cdot \frac{\beta \cdot (R_{c}//R_{L})}{R_{b}+r_{be}}$	$-\frac{\beta \cdot (R_{c}//\frac{R_{L}}{2})}{R_{b}+r_{be}}$	$-\frac{1}{2}\cdot \frac{\beta \cdot (R_{c}//R_{L})}{R_{b}+r_{be}}$
$R_{i}$	$2(R_{b}+r_{be})$	$2(R_{b}+r_{be})$	$2(R_{b}+r_{be})$	$2(R_{b}+r_{be})$
$R_{o}$	$2R_{c}$	$R_{c}$	$2R_{c}$	$R_{c}$
$K_{CMR}=\left \| \frac{A_{d}}{A_{c}} \right \|$	$\infty$	$\frac{R_{b}+r_{be}+2(1+\beta )R_{e}}{2(R_{b}+r_{be})}$	$\infty$	$\frac{R_{b}+r_{be}+2(1+\beta )R_{e}}{2(R_{b}+r_{be})}$

双入+共模=单入

（4）改进型差分放大电路

若 $R_{e}$ 越大，越能有效抑制共模，同时，为保证 $U_{be}$ 导通， $V_{CC}$ 也应增大

需找到一个电阻大且有恒定电流的器件 --> 电流源

电路参数应满足 $I_{2}\gg I_{B3}$ ， $\therefore I_{1}\approx I_{2}$ ，则 $R_{2}$ 上电压为

$U_{R2}=\frac{R_{2}}{R_{1}+R_{2}}\cdot V_{EE}$

$T_{3}$ 管集电极电流

$I_{C3}\approx I_{E3}=\frac{U_{R_{2}}-U_{BE3}}{R_{3}}$

$U_{BE3}$ 变化可忽略不计， $I_{C3}$ 基本不受温度影响；没有动态信号能够作用到 $T_{3}$ 管的基极或发射极，因此 $I_{C3}$ 为恒流，发射极所接电路可以等效成一个恒流源

若想将输入电阻增大（为了更好的进入横流区）

可换成场效应管（栅极和源极是无电接触的,也就是绝缘的，所以它的输入电阻很大）

直接耦合互补输出级

要求：① 输出电阻 $R_{o}$ 小 ②最大不失真输出电压 $U_{o}$ 大

③ 输出功率进一步扩大 ④效率 $\eta$ 高

（1）基本电路

① 使用共集放大电路

输入电压 $u_{i}$ 时要先克服死区，即 $\left | u_{i} \right |>U_{on}$ ，所以在零点附近输出电压 $u_{o}$ 失真

对于交流信号来说，二极管正向接时可以等效成小电阻，反向时等效成结电容与大电阻并联

（2）消除交越失真的互补输出级

若 $I_{2}\gg I_{B}$ ，则

$U_{B1B2}\approx \frac{R_{3}+R_{4}}{R_{4}}\cdot U_{BE}$

用过选择不同的 $R_{3}$ 和 $R_{4}$ ，可调节 $U_{BE}$ 的值 --> 倍增电路（消除交越失真）

（3）准互补电路

目标：增大 $T_{1}$ 和 $T_{2}$ 管的电流放大系数，以减小前级驱动电流，常采用复合管结构

$T_{1}$ 和 $T_{2}$ 管复合而成 NPN 型管， $T_{3}$ 和 $T_{4}$ 管复合而成 PNP 型管

从输出端看， $T_{2}$ 和 $T_{4}$ 管均采用了同类型管，较容易做到特性相同

直接耦合多级放大电路

作用：减小整个电路的温漂，增大共模抑制比。

对于输出级，一般多采用OCL（互补输出级）电路，这样可以使输出电阻较小，带负载能力增强，而且最大不失真输出电压幅值可接近电源电压。为了进一步增强放大能力，常用共射放大电路作为中间级，这样就可以得到高电压放大倍数

在直接耦合多级放大电路中，为了避免各级放大电路输出端静态电位逐级升高或逐级降低现象的发生，都会采用 NPN 和 PNP 型混合使用的方法，以保证输入电压为零时输出电压为零。

交流等效电路：

3.3.3 集成运放电路

（1）集成运放电路方框图

1、输入级

是一个双端输入的高性能差分放大电路。

要求：输入电阻高，差模放大倍数大，抑制共模信号的能力强，静态电流小。

2、中间级

实现整个放大电路电压放大的主放大器，多采用共射（或共源）放大电路；

为了提高电压放大倍数，经常采用复合管作放大管，以恒流源（取代 $R_{c}$ ）作集电极负载。

3、输出级

特点：输出电压线性范围宽、输出电阻小（即带负载能力强）、非线性失真小等；

集成运放的输出级多采用互补输出电路。

4、偏置电路

用于设置集成运放各级放大电路的静态工作点。

与分立元件不同，集成运放采用电流源电路为各级提供合适的集电极（或发射极、漏极）静态工作电流，从而确定了合适的静态工作点。

（2）电压传输特性

集成运放是一个双端输入、单端输出：同相输入端、反相输入端、输出 $u_{O}$

优点：高差模放大倍数、高输入电阻、低输出电阻、能较好地抑制温漂的差分放大电路

电压传输特性曲线： $u_{O}=f(u_{P}-u_{N})$

$U_{ce}=V_{cc}-I_{c}R_{c}$ ，所以 $u_{O}$ 一定高不过 $V_{cc}$

由图(b)可知，集成运放有线性放大区域（称为线性区）和饱和区域（称为非线性区）两部分

在线性区，曲线的斜率为电压放大倍数；在非线性区，输出电压只有两种可能的情况， $+U_{OM}$ 或 $-U_{OM}$

该电压放大倍数为差模开环放大倍数，记作 $A_{od}$ ，当集成运放工作在线性区时

$u_{O}=A_{od}(u_{P}-u_{N})$

放大倍数太大以至于 $i_{b}$ 变化非常非常非常小，就导致 $U_{be}> U_{ce}$ 饱和了；另一种理解，放大倍数太大以至于一点点小信号的放大就达到了 $V_{cc}$ 能提供的最大能量值，不能提供更大的能量了

（3）电流源电路

选择电流源的原因：提供大电阻（静态工作点时）；恒流不会对直流源有太大负担

$R_{c}$ 电阻大是为了增大放大倍数， $R_{e}$ 电阻大是为了抑制共模，抗干扰能力强

① 基本电流源电路

a. 镜像电流源

$T_{0}$ 和 $T_{1}$ 是两只特性完全相同的管子，因为 $U_{be0}=U_{be1}$ ，所以 $I_{B0}=I_{B1}=I_{B}$ ，电流放大倍数 $\beta _{0}=\beta _{1}=\beta$ ，故 $I_{C0}=I_{C1}=I_{C}$

$I_{R}=\frac{V_{cc}-U_{ce}}{R}=2I_{B}+I_{C}=\frac{\beta +2}{\beta }\cdot I_{C}$

当 $\beta \gg 2$ 时， $I_{R}\approx I_{C}$

镜像电流源具有一定的温度补偿作用：

在电源电压 $V_{cc}$ 一定的情况下，若要求 $I_{C1}$ 较大，则 $I_{R}$ 势必增大， $R$ 的功耗也就增大

b. 比例电流源（大电流）

$U_{BE0}+I_{E0}R_{e0}=U_{BE1}+I_{E1}R_{e1}$

当 $I_{E0}$ 和 $I_{E1}$ 变化很大时， $U_{BE0}$ 和 $U_{BE1}$ 变化很小，故 $U_{BE0}\approx U_{BE1}$

$I_{E0}R_{e0}\approx I_{E1}R_{e1}\rightarrow I_{C0}R_{e0}\approx I_{C1}R_{e1}$

$I_{R}=I_{C0}+I_{B0}+I_{B1}$

实现了 $I_{R}$ 对 $I_{C}$ 的控制

$I_{C1}= \frac{R_{E0}}{R_{E1}}\cdot I_{C0}$

当放大倍数 $\beta$ 很大时， $I_{C0}\approx I_{R}$

c. 微电流源（小电流）

声明：本文内容由网友自发贡献，不代表【wpsshop博客】立场，版权归原作者所有，本站不承担相应法律责任。如您发现有侵权的内容，请联系我们。转载请注明出处：https://www.wpsshop.cn/w/IT小白/article/detail/290515

灯塔-模拟电子技术 3.3

3.3 直接耦合放大电路

3.3.1 零点漂移

3.3.2 差分放大电路（双入双出）

（1）电路的构成

（2）长尾式差分放大电路

① 共模 --> 静态

② 差模

③ 共模抑制比

④ 电压传输特性

（3）其他接法

a. 双入单出

① 共模

② 差模

b. 单入双出

c. 单入单出

四种接法总结

（4） 改进型差分放大电路

直接耦合互补输出级

（1）基本电路

（2）消除交越失真的互补输出级

（3）准互补电路

直接耦合多级放大电路

3.3.3 集成运放电路

（1）集成运放电路方框图

（2）电压传输特性

（3）电流源电路

① 基本电流源电路

a. 镜像电流源

b. 比例电流源（大电流）

c. 微电流源（小电流）

（4）改进型差分放大电路