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有关差动放大器实验的几个问题解析.doc 15页
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学士学位论文
有关差动放大器实验的几个问题
学生姓名：
电子信息科学与技术
指导教师：
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差动放大器的主要性能指标都有那些，差动放大器都有那些优点，差动放大器为什么能较好的抑制零点漂移，差动放大器的工作原理是什么，本文将对差动放大器的这些问题进行浅析和探讨。
论述差动放大电路实验中的几种测试方法的利弊,并提出有关改善实验效果的措施。
差分放大器在电子线路中有着广泛的应用,在模拟电子技术的教学中是重要内容之一。提出了差分放大器除了在直耦放大器中克服零点漂移外,其设置的目地是可以对2个输入端的差进行放大,同时对在非对称下情况如何减少失调电压及共模电压的范围做了详细的介绍,这些对于教学和电路设计及电路的合理应用却是非常重要的。
差分放大器在“模拟电子技术”课程的教学过程中是不可缺少的重要内容,在实际电子线路中有广泛的应用。在公开出版的教材和参考资料中重点提出差分放大器的应用是为了克服零点漂移,而对于差分放大器设置的目的、如何减少非对称下失调电压则很少涉及。本文就这方面的应用和在教学过程中应注意的几个问题做了讨论。
关键词:平衡输出;不平衡输出;零点漂移;差模增益;共模增益;共模抑制比。
1.差动放大器的工作原理 5
2.差动放大器的主要性能、优点 6
2.1差动放大器优点 6
2.2共模放大倍数 6
2.3共模抑制比KCMR 7
3.差动放大器的作用 7
4.差动放大器实验 7
4.1差动放大器实验目的 7
4.2 差动放大器的实验原理 7
4.2.1、静态工作点的估算 8
4.2.2 差模电压放大倍数和共模电压放大倍数 8
共模抑制比CMRR 9
4.3 差动放大器实验设备与器件 9
4.4 差动放大器的实验内容及实验步骤 9
4.4.1静态工作点 9
4.4.2 测量差模电压放大倍数 11
4.5 差动放大器实验注意事项 13
4.6差动放大器实验总结 13
参考文献 14
差动放大器又叫差分放大器或差值放大器。差动放大器电路是由特性相同的两个放大管（称差动对管）及其他元件组成的电路结构对称的放大电路，利用对称性来实现电路的相互补偿，减少零点漂移。
差动放大电路是模拟电路基本单元电路之一,是集成运算放大器的主要组成部分,是直接耦合放大电路的最佳电路形式。在实际检测,自控系统等得到广泛应用。因此,差动放大器在整个模拟电路教学中占有很重要的地位。
差动放大电路,具有高度对称性,在放大差模信号时,能较好地抑制共模信号,有较高的共模抑制比,解决了直接耦合放大器中,既要放大有用信号,又要抑制温度等引起的零点漂移的问题。为使初学者更好地理解和掌握差动放大电路的特点,成功地做好差动放大电路实验,显得特别重要。
现行高校非电子专业,模拟电路实验多采用现场的“模拟电路实验箱”,差动放大电路实验都已做成固定电路。实验教材中,采取的做法是:用直流小信号作为输入信号,用直流电压表测量输入、输出电压,计算增益及共模抑制比,或用低频交流信号作为输入信号,用毫伏表、示波器观测交流输出电压及波形。
1.差动放大器的工作原理
差动放大器的基本电路
运算放大器均是采用直接耦合的方式，我们知道直接耦合式放大电路的各级的Q点是相互影响的，由于各级的放大作用，第一级的微弱变化，会使输出产生很大的变化。当输入短路时（由于一些原因使输入级的Q点发生微弱变化象：温度），输出将随时间缓慢变化，这样就形成了零点漂移。
差动放大器又叫差分放大器，在直接耦合放大电路中它是抑制零点漂移的最有效的电路。差动管是一种完全对称的晶体管，它由两个元件参数相同的基本共射放大电路组成。电路具有两个输入端，两个输出端。信号分别从两管的基级和射级间输入，从两管的集电级之间输出。输出信号是随着两端输入信号之差变动的，所以叫差动放大器。
在差动放大电路中，无论是电源电压波动或温度变化都会使两管的集电极电流和集电极电位发生相同的变化，相当于在两输入端加入共模信号。由于电路完全对称，使得共模输出为零，共模电压放大倍数AC=0，从而抑制了零点漂移。电路放大的只是差模信号。差动放大电路在零输入时具有零输出；静态时，温度有变化依然保持零输出，即消除了零点漂移。电路对共模输
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深入了解差动放大器
　　简介本文引用地址：
　　经典的四电阻(Differential amplifier，差分放大器)似乎很简单，但其在电路中的性能不佳。本文从实际生产设计出发，讨论了分立式电阻、滤波、交流共模抑制和高噪声增益的不足之处。
　　大学里的电子学课程说明了理想的应用，包括反相和同相放大器，然后将它们进行组合，构建。图1所示的经典四电阻非常有用，教科书和讲座40多年来一直在介绍该器件。
　　图1.经典差动放大器
　　该放大器的为：
　　若R1 = R3且R2 = R4，则公式1简化为：
　　这种简化可以在教科书中看到，但现实中无法这样做，因为电阻永远不可能完全相等。此外，基本电路在其他方面的改变可产生意想不到的行为。下列示例虽经过简化以显示出问题的本质，但来源于实际的应用问题。
　　差动放大器的一项重要功能是抑制两路输入的共模信号。如图1所示，假设V2为5 V，V1为3 V，则4V为共模输入。V2比共模电压高1 V，而V1低1 V.二者之差为2 V，因此R2/R1的&理想&增益施加于2 V.如果电阻非理想，则共模电压的一部分将被差动放大器放大，并作为V1和V2之间的有效电压差出现在VOUT，无法与真实信号相区别。差动放大器抑制这一部分电压的能力称为共模抑制(CMR)。该参数可以表示为比率的形式(CMRR)，也可以转换为分贝(dB)。
　　在1991年的一篇文章中，Ram&n Pall&s-Areny和John Webster指出，假定为理想，则共模抑制可以表示为：
　　其中，Ad为差动放大器的增益，t为电阻容差。因此，在单位增益和1%电阻情况下，CMRR等于50 V/V(或约为34 dB);在0.1%电阻情况下，CMRR等于500 V/V(或约为54 dB)&&甚至假定运算放大器为理想器件，具有无限的共模抑制能力。若运算放大器的共模抑制能力足够高，则总CMRR受限于电阻匹配。某些低成本运算放大器具有60 dB至70 dB的最小CMRR，使计算更为复杂。
　　低容差电阻
　　第一个次优设计如图2所示。该设计为采用OP291的低端电流检测应用。R1至R4为分立式0.5%电阻。由Pall&s-Areny文章中的公式可知，最佳CMR为64 dB.幸运的是，共模电压离接地很近，因此CMR并非该应用中主要误差源。具有1%容差的电流检测电阻会产生1%误差，但该初始容差可以校准或调整。然而，由于工作范围超过80&C，因此必须考虑电阻的温度系数。
　　图2.具有高噪声增益的低端检测
　　针对极低的分流电阻值，应使用4引脚开尔文检测电阻。采用高精度0.1&O电阻，并以几十分之一英寸的PCB走线直接连接该电阻很容易增加10 m&O，导致10%以上的误差。但误差会更大，因为PCB上的铜走线温度系数超过3000 ppm.
　　分流电阻值必须仔细选择。数值更高则产生更大的信号。这是好事，但功耗(I2R)也会随之增加，可能高达数瓦。采用较小的数值(m&O级别)，则线路和PCB走线的寄生电阻可能会导致较大的误差。通常使用开尔文检测来降低这些误差。可以使用一个特殊的四端电阻(比如Ohmite LVK系列)，或者对PCB布局进行优化以使用标准电阻。若数值极小，可以使用PCB走线，但这样不会很精确。
　　商用四端电阻(比如Ohmite或Vishay的产品)可能需要数美元或更昂贵，才能提供0.1%容差和极低温度系数。进行完整的误差预算分析可以显示如何在成本增加最少的情况下改善精度。
　　有关无电流流过检测电阻却具有较大失调(31mV)的问题，是&轨到轨&运算放大器无法一路摆动到负电源轨(接地)引起的。术语&轨到轨&具有误导性：输出将会靠近电源轨&&比经典发射极跟随器的输出级要近得多&&但永远不会真正到达电源轨。轨到轨运算放大器具有最小输出电压VOL，数值等于VCE(SAT)或RDS(ON)&ILOAD，。若失调电压等于1.25 mV，噪声增益等于30，则输出等于：1.25 mV&30 =&37.5 mV(由于存在VOS，加上VOL导致的35 mV)。根据VOS极性不同，无负载电流的情况下输出可能高达72.5 mV.若VOS最大值为30&V，且VOL最大值为8 mV，则现代零漂移放大器(如AD8539)可将总误差降低至主要由检测电阻所导致的水平。
　　另一个低端检测应用
　　另一个示例如图3所示。该示例具有较低的噪声增益，但它使用3 mV失调、10-&V/&C失调漂移和79 dB CMR的低精度四通道运算放大器。在0 A至3.6 A范围内，要求达到&5 mA精度。若采用&0.5%检测电阻，则要求的&0.14%精度便无法实现。若使用100 m&O电阻，则&5 mA电流可产生&500&V压降。不幸的是，运算放大器随温度变化的失调电压要比测量值大十倍。哪怕VOS调整为零，50&C的温度变化就会耗尽全部误差预算。若噪声增益为13，则VOS的任何变化都将扩大13倍。为了改善性能，应使用零漂移运算放大器(比如AD8638、ADA4051或ADA4528)、薄膜电阻阵列以及精度更高的检测电阻。
　　图3.低端检测，示例2
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请教关于差动放大器增益的问题
作者：lqjie　栏目：
请教关于差动放大器增益的问题搞数字设计快三年了，现在迫不得已开始学习模拟设计。遇到一个令人困惑的问题：在书上注有差分电路的小信号增益与偏值电流Iss的平方根成反比，但是在HSPICE仿真中发现其成正比，为什么呢？请高人指点！谢谢！
作者： chargepump 于
11:14:00 发布：
书上是对的，你仿真有问题&
作者： asunmad 于
12:17:00 发布：
你的电路跟书上的电路是不是完全相同？&
作者： lylnk 于
13:29:00 发布：
实际电路有很多非理想效应的是不是使用电阻负载了？差分对增益GmRout。Gm和电流平方根成正比，电流镜有源电阻和差分对输出电阻和电流成反比。乘起来就和电流平方根成反比了。如果你使用电阻负载，只有Gm和差分对输出电阻随电流变化，而且差分对输出电阻对输出电阻不起决定因素，那么可以认为只有Gm变化。所以就电流平方根成正比了。 * - 本贴最后修改时间： 13:33:00 修改者：lylnk
作者： lqjie 于
8:29:00 发布：
再次请教电路图和书上的是一样的，只是W/L不同。我在仿真时，在两个输入端分别加入幅值相同，相位相反的正弦波。并且将输出端连接到P管的栅端或者输出端什么也不接，两种结果都显示输出电压和偏值电流的平方根成正比。大虾们帮诊断一下！谢谢！或者给偶留个EMAIL联系。lqjie_
作者： asunmad 于
10:45:00 发布：
宽长比怎么改了？&
作者： lylnk 于
11:21:00 发布：
最好上图各个MOS管都工作在饱和区吗？
讨论内容：
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