差动放大器的基本概念

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差动放大器的基本概念

2016-11-02 作者: xuzhiping 浏览: 3229 次

摘要: 差动放大器 差动放大器将两个对称放大器件接在一起,理想情况下,输出信号u0只与一对输入信号uI1、uI2的差值有关的放大单元,又称差动放大器。 差动放大器的组成 差动放大器由两部分组成,其中幅度和极性都相同的部分称为共模信号,记作uk(包括直流部分UIc和交...

差动放大器

差动放大器将两个对称放大器件接在一起,理想情况下,输出信号u0只与一对输入信号uI1、uI2的差值有关的放大单元,又称差动放大器。

差动放大器的组成

差动放大器由两部分组成,其中幅度和极性都相同的部分称为共模信号,记作uk(包括直流部分UIc和交流部分uic);幅度相同极性相反的部分称为差模信号,记作UId(包括直流部分UId和交流部分uid)。在电路左右侧元器件参数完全对称的情况下,对应于uIc的输出为零,而对应于UId的输出将为单管时的两倍,体现了有差别才动作的特点。实际上,元器件参数和外界的影响不能保证完全对称,共模输入也产生一定的输出。共模信号作用下的交流分量u0c和uic之比Auc,称为共模电压放大倍数;差模信号作用下的输出交流分量u0d与输入交流分量uid之比记作Aud,称为差模电压放大倍数;Aud与Auc的绝对值之比称为共模抑制比(KCME)。一个优质差动放大器的共模抑制比可达一百万倍(120dB)以上。

差动放大单元对共模信号有抑制作用,使温度变化、电源电压波动以及外界干扰这类共模信号输出很小,得到广泛应用。例如集成运算放大器的输入级以及示波器中垂直、水平放大器的输出级等。

经典差动放大器

传递函数:

\(V_{OUT}=( \frac {R4}{R3+R4} ) \times ( \frac {R1+R2}{R1} ) \times V2 - \frac {R2}{R1} V1 \)

若R1=R3且R2=R4,则公式简化为:

\(V_{OUT}=( \frac {R2}{R1} ) (V2-V1)\)

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。

CMRR

差动放大器的一项重要功能是抑制两路输出的共模信号。如上图所示,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)。

运算放大器为理想运算放大器,共模抑制可以表示为:

\(CMRR≈ \frac {Ad+1}{4t} \)

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。

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