我要这差分放大电路有何用?

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摘要:

今天先把进度停下来,查点资料,想一想为什么要引入差分放大电路这个东西,或者说是我们怎么一步一步从普通的晶体管放大电路转换到差分放大电路的。也算是理顺一下自己的学习思路,不至于越学越迷糊。

从上一周开始,模电的学习迈进了差分放大电路的大门。模电本来就是一门我没怎么听懂的课程,连续学习几节课后,眼看着差分放大电路快要讲完了,笔记也做了不少,但总感觉没理解其中的道理。

所以今天先把进度停下来,查点资料,想一想为什么要引入差分放大电路这个东西,或者说是我们怎么一步一步从普通的晶体管放大电路转换到差分放大电路的。也算是理顺一下自己的学习思路,不至于越学越迷糊。

从普通的放大电路说起

在第二章设计普通的晶体管放大电路时,以共射放大为例,我们遇到了一个问题:静态工作点Q不稳定,导致交流信号无输入时,输出端出现“零点漂移”现象。

“在温度变化、三极管老化、电源电压波动等外部因素的影响下,将引起静态工作点的变动,严重时将使放大电路不能正常工作,其中影响最大的是温度的变化。”

我们把上述温度引起的零点漂移称为“温漂”,既然它的影响最大,那么我们接下来的工作主要聚焦于“如何抑制温漂”好了。

我要这差分放大电路有何用?

对于稳定工作点的技术,可以从元件、环境、电路改进方面入手,比如采取恒温措施、选择温度性能好的元件等,但是这里我们主要是介绍引入RE电阻进行负反馈调节的方法(因为我主要想说差分放大电路)。

这里就必须要搞明白温度变化是如何影响Q的。Q的变化主要得因于温度变化引起了IC的变化,其实这归根结底是因为温度变化对ICBO、UBE、β产生了影响,结果如下图。(具体是如何影响的,那就涉及晶体管原理了)

我要这差分放大电路有何用?

说到这里,其实我们的目标就已经很明确了,那就是尽量抑制温度变化引起的IC变化,从而保证静态工作点Q的稳定。

好了,RE可以出来了!

我要这差分放大电路有何用?

如上图,在晶体管的发射极加一个电阻RE,当IC变大时,RE上的压降也会变大,也就提高了发射极电位UE,由于分压偏置,基极电位UB几乎不变,所以UBE会大幅度下降,从而使IB下降,那么IC=βIB也自然会下降。如此一来,由于RE的负反馈调节作用,本来的IC变化又被拉回来了。

由此看来,RE的阻值仿佛越大越好,因为RE越大其对IC的负反馈调节越强,即抑制变化的作用越明显。但是,RE存在也造成了UCE的减小,那么在放大小信号的过程中,电路的动态范围会因此变窄(非线性失真);再者,RE如果太大,那么功耗也是一个不得不考虑的问题了。所以,RE的阻值应该适当选取。

静态情况下舒服了,那么动态呢?

以上讨论的是在静态分析过程中如何维持Q点稳定,方法是我们引进了发射极电阻RE。但是在动态分析过程中,RE暴露出了致命性的缺点,它会使得整个电路的放大性能降低(放大倍数减小)。

我要这差分放大电路有何用?

有问题总会有解决方法(这是个哲学问题,有时间拿出来单独说说!)。解决这个问题的方法是,我们给RE并联了一个旁路电容CE,这样在动态分析画出交流通路时,我们神奇的发现,RE被CE短路掉了,动态下电路又回到了原始的样子。

如此,既在静态下引入RE稳定了工作点,又不会因为RE的存在导致动态性能下降,真是可谓XXXX(想了几分钟没想出个合适的词,用“牛逼”又显得不太严谨)。

轮到多级放大电路了

多级放大电路同样也存在Q点不稳定导致的零点漂移现象,而且这里的零点漂移更致命了,因为后级还会把前级的漂移继续放大,这样下去那还了得?

多级放大电路中最常见的当属直接耦合的方式了。

当然了,问题也总会在我们猝不及防的时候出现(这也是个哲学问题,有时间一并探讨)。因为多级放大电路的集成化要求高,这里如果引入大个头的旁路电容CE来解决RE存在的缺点,显然不是一个聪明的选择;二来即使引入RE也还会存在Q点的微小波动,但是在多级放大电路中这种微小的波动也会被不断地放大。

到这里,我们再提出一个想法来消除零点漂移。试想,如果我们在输出端加一个电源,要求这个电源产生和原电路零点波动相同的电压,那么用原来的输出和此电源作差之后的结果作为输出,不就只保留了放大之后的小信号了嘛。

我要这差分放大电路有何用?

问题来了,这种电源怎么找呢?我们干脆也用一个相同的晶体管吧,与原来的晶体管呈镜像关系,毕竟相同的环境下零点就算是漂移也会漂得一个样,那么两个输出作差总会把漂移消除掉吧。我们给这样一种电路取个高大上的名字,就叫差分放大电路吧。

我要这差分放大电路有何用?

但是这样两个管子本身的零漂并没有得到抑制,两侧在大信号范围内作到完全抵消很困难。那就再加上RE抑制一下呗,这里原理和单管放大时一样。

(这里略去引入负电源-VE的过程,只抄一段笔记吧!)

负电源的作用:
(1)补偿Re上的直流压降,保证信号动态工作范围。
(2)保证差分管导通,可以输出正负两个方向的信号。
(3)为Ia1、Ia提供偏置电流。

很明显又绕回来了,本来就是为了不引进CE而放弃了RE,但是这里又加进来了RE。仔细观察,神奇的事情出现了,动态下在两侧输入共模信号时,iRE=2iE,RE的负反馈作用出现了双倍的效果,降低了共模输入下放大倍数;而两侧差模输入时,由于iE1=-iE2,RE上不会有电流经过,当然也不会有压降了,那肯定也没有负反馈作用了。

我要这差分放大电路有何用?

很明显,在这个电路中:1.抑制了零点漂移;2.抑制了共模信号;3.放大了差模信号;4.提高了电路共模抑制比。

对于差分放大电路的引入过程,到这里也算是挺清楚了。至于差分放大电路的接法和进一步改进,那都是后话了。

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  1. 不叫小周
    不叫小周 Lv 1

    差分放大电路——一种具有神奇特性电路!

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