差分放大器设计

1二、设计课题具有恒流源单端输入—单端输出差分放大器设计5.3差分放大器设计一、学习要求三、具有恒流源的差分放大器组成及特点四、主要特性参数及其测试方法五、设计举例六、实验要求2010-1-262二、设计课题具有恒流源的单端输入—单端输出差分放大器设计性能指标要求Rid＞10k，AVD＞15，KCMR＞50dB。已知条件VCC=+12V，VEE=–12V，RL=20k，Vid=20mV(有效值)，3DG100或90183.3差分放大器设计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其调试技术。一、学习要求2010-1-263三、具有恒流源的差分放大器组成及特点输入端输出端在模拟集成电路中，差分放大器常作为输入级或中间放大级。T3、T4是特性相同的晶体管，与电阻RE3、RE4、R共同组成恒流源电路，为差分对管的射极提供恒定电流I0RP可调整电路的对称性T1、T2称为差分对管，T1与T2特性应相同，常用双三极管如5G921或BG319等，它与RB1、RB2、RC1、RC2及RP共同组成差分放大器的基本电路2010-1-264电路特点1、电路的结构对称，有恒流源的作用，电路静态工作点稳定。3、电路的下限频率低。适用于放大变化速率低的小信号。2、抑制零点漂移的能力强。无论是温度的变化，还是电源的波动(称之为共模信号)，对T1、T2两管的影响都是一样的。2010-1-2651.输入－输出信号的连接方式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—单端输出注意：连接方式不同，电路特性参数有所不同。2010-1-266双端输入—双端输出RL加在3、4端R1、R2是均压电阻，给差分放大器提供对称差模输入信号Vid两端均不接地2010-1-267双端输入—单端输出均压电阻R1、R2给差分放大器提供对称差模输入信号Vid两端均不接地两个输出端应接相同的负载两个输出端应接相同的负载2010-1-268•单端输入—双端输出RL应接在3、4两个输出端信号源的一端和差分放大器的一个输入端均接地2010-1-269•单端输入—单端输出两个输出端应接相同的负载信号源的一端和差分放大器的一个输入端均应接地两个输出端应接相同的负载2010-1-26102.静态工作点的计算输入端不加信号恒流源电路的参考电流IR恒定电流I0静态工作点主要由恒流源电流I0的大小决定。恒定电流I0主要由电源电压–VEE及电阻R、RE4决定。2010-1-2611四、主要特性参数及其测试方法1.传输特性2.差模特性3.共模特性2010-1-26121.传输特性传输特性是指差分放大器输入差模电压vid时，集电极电流iC随输入电压vid的变化规律。I0vid=0时，IC1=IC2=I0/2，称Q点为静态工作点；vid增加(±25mV以内)时，iC1随vid线性增加，iC2则线性减少，IC1+IC2=I0的关系不变；非线性区限幅区线性放大区vid增加(超过±50mV)时，iC1增加和iC2减小都逐渐变缓，iC1、iC2随vid作非线性变化。vid再增加(超过±100mV)，iC1、iC2不再随vid变化2010-1-26131.传输特性传输特性是指差分放大器输入差模电压vid时，集电极电流iC随输入电压vid的变化规律。线性放大区扩宽加入射极电阻RP可增强电流负反馈，扩展线性区,当RP＝100，vid在±50mV内是线性区2010-1-2614在实际应用中是通过测量T1和T2的集电极电压vC1、vC2随差模电压vid的变化规律来测量差模传输特性。因为vC1=VCC–iC1RC1，如果+VCC、RC1确定，则vC1与–iC1的变化规律相同，而且测量电压vC1、vC2比测量电流iC1、iC2要方便得多。测量传输特性的方法测量差模传输特性接线图示波器上显示的差模传输特性曲线vc1=Vcc-ic1*Rc12010-1-2615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AVD、差模输入电阻Rid、差模输出电阻Rod的关系如表所示。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双端输入、单端输入，输入电阻Rid是相同的2.差模特性2010-1-2616差模电压增益AVD的测量方法设差分放大器为单端输入—双端输出接法输入差模信号为fi=500Hz、Vid=20mV（有效值)正弦波，用双踪示波器测量vC1及vC2(它们应是一对大小相等、极性相反的不失真正弦波)，用示波器或晶体管毫伏表分别测量VC1、VC2双端输出时的差模电压增益：idC2idC1VDVVVVAidC2C1VDVVVA单端输出时的差模电压增益：若VC1与VC2不等，则说明放大器的参数不完全对称。若VC1与VC2相差较大，需重新调整Q点，使电路能尽可能对称。2010-1-2617Rid与Rod的测量方法差模输入电阻Rid与差模输出电阻Rod的测量方法与单管放大器输入电阻Ri及输出电阻Ro的测量方法相同。被测放大电路被测放大电路RLRoSRs+–+–VSViVsVsRsRRi+–+–+–Ii+–VoLVoRVVVRVVVIVRisiisiiiid/LoLoLoodRVVVR2010-1-26183.共模特性VCVDCMRAAKdBlg20VCVDCMRAAK常用共模抑制比KCMR来表征差分放大器对共模信号的抑制能力，即KCMR愈大，说明放大器抑制共模信号能力愈强，放大器的性能愈好。当差分放大器两输入端输入共模信号(大小相等、极性相同)vic时，由于恒流源的作用，集电极电压vC1、vC2不会因vic变化而同时增大或减小。如果电路参数完全对称，则共模电压增益AVc0。故具有恒流源的差分放大器对共模信号，如晶体管的零点漂移、电源波动、温度变化等的影响具有很强的抑制能力。2010-1-2619共模抑制比KCMR的测量方法先测量放大器的差模电压增益AVD,再测量共模增益AVC。将放大器的①端与②端相连接输入Vic=500mV，fi=500Hz的共模信号。示波器观测vC1、vC2VCVDCMRAAK若电路的对称性很好，则VC1=VC20，示波器观测vC1、vC2时，其波形近似于一条水平直线。共模电压增益AVC0，则共模抑制比2010-1-2620共模抑制比KCMR的测量方法若电路对称性不是很好，vC1、vC2的波形可能为一对大小相等、极性相反的正弦波。但其幅值很小，将示波器V/cm”置于较小档时才能观测到波形。icC2C1VCVVVA双端输出时：先测量放大器的差模电压增益AVD,再测量共模增益AVC。单端输出时：icC2icC1VCVVVVA电路的共模抑制比：dBlg20VCVD1CMRAAK2010-1-2621五、设计举例例设计有恒流源的单端输入—双端输出差分放大器。已知条件+VCC=+12V，–VEE=–12V，RL=20k，Vid=20mV。性能指标Rid＞20k，AVD≥20，KCMR＞60dB。根据要求KCMR＞60dB，即要求电路的对称性要好，应采用集成差分对管BG319（BG319内部有4只特性完全相同的管子）或挑选三极管性能参数较一致的3DG130、3DG100等。根据题目要求，采用具有恒流源的单端输入—双端输出差分放大电路。(1)确定电路连接方式及晶体管型号2010-1-2622具有恒流源的单端输入—双端输出差分放大器T1、T2、T3、T4为BG319的4只晶体管，1=2=3=4=60(2)设置静态工作点并计算元件参数●Q点主要由恒流源i0值决定，一般先设定I0。●I0越小，恒流源越恒定，漂移越小，放大器的输入阻抗越高。●但不能太小，一般为几毫安。取I0=1mA。＋－①RB16.8kRC110k＋12V＋VCCRC210kRL20kRB26.8kT1T2i0②T3T4RP210k5.1kRE42kRE32k－VEE－12VBG319Vid2010-1-2623具有恒流源的单端输入—双端输出差分放大器(2)设置静态工作点并计算元件参数＋－①RB16.8kRC110k＋12V＋VCCRC210kRL20kRB26.8kT1T2i0②T3T4RP210k5.1kRE42kRE32k－VEE－12VBG319VidIR=I0=1mA，IC1=IC2=I0/2=0.5mAK4.3mA2/I26mV)1(300mA0berRid=2(RB1+rbe)＞20k则RB1＞6.6k要求Rid＞20k取RB1=RB2=6.8k2010-1-2624＋－①RB16.8kRC110k＋12V＋VCCRC210kRL20kRB26.8kT1T2i0②T3T4RP210k5.1kRE42kRE32k－VEE－12VBG319Vid具有恒流源的单端输入—双端输出差分放大器)2///(LLCRRRkR1.5L则(2)设置静态工作点并计算元件参数要求AVD＞2020beB1LVDrRRA取AVD=30k4.10)2/()2/(LLLLCRRRRR取RC1=RC2=10k2010-1-2625具有恒流源的单端输入—双端输出差分放大器(2)设置静态工作点并计算元件参数计算T1、T2静态工作点：集电极：VC1Q=VC2Q=VCC–ICRC=7V基极：VB1Q=VB2Q=(Ic/)RB1=0.08V0V则VE1Q=VE2Q–0.7V＋－①RB16.8kRC110k＋12V＋VCCRC210kRL20kRB26.8kT1T2i0②T3T4RP210k5.1kRE42kRE32k－VEE－12VBG319Vid2010-1-2626具有恒流源的单端输入—双端输出差分放大器(2)设置静态工作点并计算元件参数＋－①RB16.8kRC110k＋12V＋VCCRC210kRL20kRB26.8kT1T2i0②T3T4RP210k5.1kRE42kRE32k－VEE－12VBG319Vid计算恒流源电路参数：EEE0RV7.0RRVIIR+RE=11.3k取RE3=RE4=2k，则R=9.3k，为方便调整I0，R用5.1k电阻与10k电位器RP2串联。T3、T4静态工作电压VB3=VB4=-IR*R=-9.3VVE3=VE4=VB3–0.7=-10V2010-1-2627＋－①RB16.8kRC110k＋12V＋VCCRC210kRL20kRB26.8kT1T2RP147i0②T3T4RP210k5.1kRE42kRE32k－VEE－12VBG319Vid具有恒流源的单端输入—双端输出差分放大器(2)设置静态工作点并计算元件参数为了方便调整电路的对称性，在T1、T2两管的射极接入一阻值较小的电位器RP1。2010-1-2628①RB16.8kRC110k＋12V＋VCCRC210kRL20kRB26.8kT1T2RP147i0②T3T4RP210k5.1kRE42kRE32k－VEE－12VBG319(3)静态工作点的调整方法调整RP1，使其满足VC1Q=VC2Q并测量T1、T2基极和发射极对地电压（VB1Q、VE1Q、VB2Q、VE2Q）VCE1Q=VC1Q-VE1Q,VCE2Q=VC2Q-VE2Q应使两管均工作在放大状态测试条件：输入端①、②接地用电压表测量T1、T2的集电极对地电压VC1Q、VC2Q用电压表测量T3、T4射极电压，并调节RP2使I0的值为1mA,则VE3=VE4≈-VEE+IR*RE3=-10V。2010-1-2629测量差模传输特性曲线差模输入信号vid=20mV调节RP1、RP2使传输特性曲线尽可能对称如果晶体管的特性不太一致，改变RP1、RP2仍然不能使传输特性曲线对称，则可适当调整电路外参数，如RC1或RC2