贾 哲,潘 婧,朱建华,胡 轶,闫娟枝,陈丫丫

(太原学院 材料与化学工程系,山西 太原 030032)

0 引言

差动放大器[1]作为一种基本放大电路,属于模拟电子电路中一种重要电路类型。目前广泛使用的集成电路运算放大器就是在硅片上把晶体管和电阻组合起来,最终制成一个完整的直接耦合[2]多级放大电路。直接耦合多级放大电路存在零点漂移问题,在实际电路中,使用时温度的变化,每个电阻、晶体管参数的变化及电源电压的波动会使输出电压发生变化,也就是容易产生零点漂移问题。零点漂移问题[3]会随着时间缓慢进行,对直接耦合多级放大电路来讲,输入级的零点漂移问题会逐级放大,最终会在输出端造成严重影响。

在直接耦合多级放大电路的输入级会采用差动放大电路,可以抑制直接耦合多级放大电路的零点漂移。差动放大电路就是用相同的工艺在同一块半导体材料上同时制作两个晶体管,而且封装在同一管壳中,同时使两管的温度大致相同,电阻也采用精密选配使其阻值尽可能相同,这样差动放大电路的制作工艺和参数就满足对称性,在双端输出时可以把零点漂移的电压抑制掉,因此被广泛应用在集成电路中作为输入级[4]。

本文详细分析基本差动放大器电路结构和特点,在直流通路情况下对抑制零点漂移的工作原理进行了分析,同时分析了共模输入模式,主要是抗干扰和抑制零点漂移的能力。另外分析了差模输入模式,主要是对差模信号起放大作用,因此差动放大电路器结构具有良好的性能和广泛用途。

1 差动放大电路分析

1.1 差动放大电路抑制零点漂移原理分析

差动放大器使用两个特性完全相同的晶体管,组成两半完全对称电路,交流输入送给两个晶体管的基极,在两个晶体管的集电极得到输出信号。差动放大器中采用双电源供电即UCC和-UEE,一方面可以给两个晶体管的基极提供电流IB1和IB2,另一方面可带动更高的射极电阻RE;T1和T2这两个晶体管的射极通过一个阻值较小滑动变阻器RP可以对电路进行调零,同时接入射极电阻RE,构成了共射极放大电路。电阻RE的阻值越大起到的抑制零点漂移作用也越大,接入负电源[5]用来补偿电阻RE的直流电压。差动放大器电路图如图1所示。

图1 差动放大器实验电路图

当差动放大器单端输出时,即输出电压UO=VC1或者UO=VC2时,抑制零点漂移原理就和共射极放大点路中稳定静态工作点原理一样。当温度升高时,两个晶体管的发射结电压UBE1和UBE2基本保持不变时,基极电流IB1和IB2会增大,集电极电流IC1和IC2势必会增大,IE1和IE2也会随之会增大,由于两个晶体管的射极电阻RE的存在, 射极电流就会使射极电压VE1和VE2也会随之增大,单端输出电压VC1和VC2将会随之减少产生波动;在两个晶体管输入回路中所加的电源电压相同UCC=|-UEE|。两个晶体管的发射结电压UBE1和UBE2基本保持不变时,两个晶体管的基极电流IB1和IB2会随之减小,集电极电流IC1和IC2势必会减小,这就使整个晶体管静态工作点稳定,同时单端输出电压VC1和VC2将会增大,抵消了输出波动,起到抑制零点漂移的作用。

当差动放大器双端输出[6]时,将它的输入端短接即输入信号ui=0,当温度升高时或者其他参数发生变化时,两个晶体管的集电极电流IC1和IC2将会同时增大或减小,两个晶体管的集电极电位VC1和VC2也会同时增大或减小,从而使输出电压UO=VC1-VC2=0,因此消除零点漂移,利用了互相补偿来抑制零点漂移。

1.2 差动放大器直流通路图分析

当分析差动放大器直流通路时,电路中不加入交流输入信号即ui=0,直接把输入信号ui的A、B两端短接然后接地,电路中接入直流电源UCC和-UEE。这就构成了差动放大器的直流通路图,其电路图如图2所示。

图2 差动放大器的直流通路图

在直流通路图中RP为可变电阻,连接着两个晶体管的射极,可以认为连接在T1管为RP1,连接在T2管为RP2,则它的静态工作点可用下式计算。T1和T2这两个晶体管的参数一直写出一个即可,输入回路可根据基尔霍夫会定律写出:

UEE=IBRB+UBE+(1+β)IBRP1+2(1+β)IBRE

(1)

当基极电位UEE≫UBE,RB≪(1+β)RE可变电阻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,所以稳定静态工作点效果好。T1和T2这两个晶体管的输出回路中UCE、UC相同,写出一个即可:

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

(4)

集电极电位为:

UC=UCC-ICRC

(5)

电路的输出电压:

UO=UC1-UC2=0

(6)

可以看出基极电流IB很小,所以基极电位UB也就很小,又因为晶体管的基极接入在地端,在直流通路时基极干扰就小,所以静态工作点相对自动稳定了,能更好地抑制零点漂移。

1.3 差动放大器调零原理分析

电路中RP的阻值是可变的,调节RP的阻值就可得到不同的阻值RP1和RP2,根据公式RP=RP1+RP2,可以得到RP1增大则RP2减小,RP1减小则RP2增大,在本次试验中采取极值分析法,即RP1为零和RP2为零进行对比测试。

当RP1=0时,则RP2=RP,T1管和T2管集电极电流IC1、IC2和射极电流IE1、IE2如下。

(7)

(8)

根据式(5),若IC1>IC2,可进而得到UC1

当RP2=0时,则RP1=RP,T1管和T2管集电极电流IC1、IC2和射极电流IE1、IE2如下。

(9)

(10)

根据式(5),若IC1UC2,且电压差值比电流差值放大了RC倍,输出电压UO为正值。

根据极值分析,输出电压UO可以通过调节RP的值,调整到某一合适的大小,从而使电路处于完全平衡状态,即得到UO=0,此时差动放大器处于抑制零点漂移最佳状态[7]。设置滑动变阻器RP极值,在本实验中,通过旋转旋钮改变RP的阻值,得到的T1管和T2管的静态值。

设置参数如表1所示。

表1 参数设置1

2 差动放大器的动态特性分析

直流电源提供工作电压,使放大电路建立起放大状态。同时输入端接入了交流信号时电路就处在动态工作状态。

在动态工作状态下,交流信号接入电路中,信号接入的方式有两种形式:一种是输入信号的正极接入A点或B点,负极接地,这是属于单端输入;另一种是输入信号的正极接入A点,负极接入B点或者输入信号的正极接入B点,负极接入A点,这是属于双端输入。信号的输出方式也有两种形式:一种是输出信号正极接入T1管或者T2管的集电极,负极接地,这是属于单端输出,输出电压uO=uC1或uC2;另一种是输出信号正极接入T1管(或T2管)的集电极,负极接T2管(或T1管)的集电极,这是属于双端输出。 所以输入和输出组合起来共有四种接法:双端输入双端输出、双端输入单端输出、单端输入双端输出、单端输入单端输出。

2.1 共模电压放大特性分析

差动放大器的两个输入端A和B接在一起,接入输入信号正极,负极接地构成单端输入,输出信号由T1管和T2管集电极之间取出,为单端输入双端输出[8]。输出信号由T1管或T2管集电极之间取出,为单端输入单端输出。两个输入信号大小相同,相位相同,所以成为共模输入形式。电路如图3所示。

图3 共模输入差动放大器电路

(11)

又由于电路不可能完全对称,所以输出电压会有微弱的信号,在实验结果中几乎观察不到输出信号。所以共模输入信号几乎不起作用,仅说明了差动放大器能抑制温度、环境引起的零点漂移。所以共模放大倍数AC越小,抗干扰和抑制零点漂移的能力就越强。

2.2 差模电压放大特性分析

差动放大器的输入信号由一个输入端与地之间加入,另一端接地时成为单端输入,输出信号由T1管和T2管集电极之间取出,为单端输入双端输出;输出信号由T1管或T2管集电极之间取出,为单端输入单端输出。当差动放大器的射极电阻RE足够大时,差模电压放大倍数由输出方式决定,与输入的方式无关,差模输入差动放大器的输入端[9]采用单端输入形式。电路如图4所示。

图4 差模输入差动放大器电路

分析差模输入时的交流电路,首先把输入信号分解为差模和共模分量,如下式。

(12)

(13)

图5 差模输入半电路的微变等效电路

根据差模输入半电路的交流通路的双端输出电压的放大倍数和单端输出电压的放大倍数,如下式所示。

(14)

(15)

表2 参数设置2

图6 单端及双端输出的波形

本次实验中,通过改变输入电压的大小,观测到T1管集电极输出电压随着输入电压呈倍数反相变化,T2集电极输出电压随着输入电压呈相同倍数同相变化,输出电压呈双倍数反相变化。

(16)

由此,通过等比计算法放大倍数可以看做单端出电压和输入电压的一半之比:

(17)

3 结语

本文首先分析了差动放大器电路的组成以及在电路中所起的作用,然后分析了直流通路中射极电阻RE和电源-UEE能提供合适的静态工作点,并能相对地自动稳定,起到抑制零点漂移的作用,同时研究了差动放大器电路能有效地设置调零点;在动态电路中研究了共模输入形式下具有较强的抗干扰能力和抑制零点漂移的能力;研究了差模输入形式下,运用等比分析法能更加简明地说明差动放大器多用了一半电路来保证了整个差动放大器的放大效果,适合在直接耦合的多级放大器的输入级。