单元十五差动放大器.docx
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单元十五差动放大器
單元十五差動放大器
壹實習內容
實習15-1:
測CMRR值
一.相關原理
共模信號(Common-modesignal),是指差動放大器的兩個輸入端輸入相同的輸入信號。
在我們周遭環境中常遇見的雜訊都屬於共模信號,因為差動放大器的兩輸入端如同小天線,當它工作在有電磁干擾的場合時,兩輸入端同時接收到不希望有的相同雜訊干擾。
由於差動放大器兩個輸入端所產生的輸出電壓相位相反,以致當共模信號輸入時,輸出端的電壓互相抵消,而消除了雜訊。
而差動放大器的共模拒斥比(Common-ModeRejectionRatio,CMRR),它的定義是差動電壓增益Avd與共模電壓增益ACM之比。
即為:
(15-1)
若Avd=1000,ACM=-0.1,則CMRR=10000。
而一般CMRR皆用dB值來表示,它們的關係如下:
CMRR'=20logCMRR
若CMRR=10000,則CMRR'=20log10000=80dB,對於差動放大器而言,CMRR值愈大愈好,表示其對雜訊之排拒能力愈強,不容易受干擾。
二.實習步驟
(1)按圖15-1接妥電路。
(2)調信號產生器的輸出為1kHz的正弦波,作為輸入信號Vi,而信號產生器的輸出振幅,由0V慢慢往上調,使VO1達到最大不失真正弦波形為止。
(3)用示波器測V1﹑V2﹑VO1﹑VO2和VO波形,畫於表15-1內,並計算其增益值。
(4)將圖15-1中的A點接線移至B點,使A與B重疊,則V1=V2=Vc=Vi。
(5)用示波器測Vc﹑VO1﹑VO2和VO波形,畫於表15-2內,並計算其增益值。
圖15-1差動放大器電路
三.結果數據
表15-1差動輸入訊號時放大器各點波形
V1
V2
VO1
VO2
VO
電
壓
波
形
增
益
(Vd=V1-V2)
(Vd=V1-V2)
(Vd=V1-V2)
表15-2共模輸入訊號時放大器各點波形
VC
VO1
VO2
VO
電
壓
波
形
增
益
C
M
R
R
實習15-2:
雙端輸入單端輸出
一.相關原理
如圖15-2所示,訊號由V1﹑V2兩端同時加入,輸出由VO1或VO2取出,因此輸出與輸入之間的關係為
我們可利用重疊原理,先將一輸入端接地,求出輸出訊號與另一輸入訊號之間的關係,若V2先接地,則根據單端輸入單端輸出的原理,可得
再將V1接地,訊號由V2輸入,則
若V1﹑V2同時輸入,在輸出端可以得到合成訊號,其電壓值為
電路之差動增益定義為:
(15-2)
假使輸入信號V1與V2為大小相等,相位相差180°之電壓,則訊號從
或
取出,其增益將較單一輸入,單一輸出之增益高一倍,亦即
VO1=-2AV(V1=-V2=V)
VO2=2AV
假使輸入訊號V1與V2之電壓大小相等且相位相同,則訊號由
或
取出,在放大器完全對稱的情況下,其電壓值幾乎為零,亦即
VO1=VO2≒0
電路共模訊號VCM=(V1+V2)/2,電路之共模增益定義為ACM=VO/VCM,故
(15-3)
因此在V1
V2的情況下,輸出與輸入之關係為
VO=AdVd+ACMVCM(15-4)
其中Vd=V1-V2,VCM=(V1+V2)/2
在電路為完全對稱的情況下:
Ad=A,ACM=0。
一般來說,差動放大器的CMRR值都很大,在完全對稱的情況下,其值為無限大。
二.實習步驟
(1)如圖15-3接妥電路。
(2)若V2端接地,V1輸入頻率為1kHz之正弦波,輸入振幅如表15-3所示,以示波器觀測V1﹑VO2之波形及其相位關係,並繪其結果波形於表15-3中。
(3)若V1端接地,V2輸入頻率為1kHz之正弦波,輸入振幅如表15-4所示,以示波器觀測V2﹑VO2之波形及其相位關係,並繪其結果波形於表15-4中。
(4)以示波器觀測VO2對VO1之電壓波形,並繪於表15-4中。
(5)若V1及V2同時接上相同的正弦波訊號如表15-5所示,以示波器觀測VO2之電壓波形,並繪其結果於表15-5中。
圖15-2差動放大器電路圖15-3差動放大器實驗電路
三.結果數據
表15-3V2接地時之輸出入波形
V1之峰值電壓
0.1V
0.2V
0.3V
V1之波形
VO2之波形
表15-4V1接地時之輸出入波形
V2之峰值電壓
0.1V
0.2V
0.3V
V2之波形
VO2之波形
VO2對VO1之波形
表15-5共模輸入時之輸出波形
V1及V2峰值電壓
0.1V
0.2V
0.3V
VO2之波形
實習15-3:
雙端輸入雙端輸出
一.相關原理
在圖15-2中,若訊號取VO1及VO2端之差動輸出,其電壓值為
VO=VO1-VO2或VO2-VO1
根據雙端輸入,單端輸出所分析,可以得到
VO=(-AV1+AV2)-(AV1-AV2)
=-2AV1+2AV2
=2A(V2-V1)
或VO=(AV1-AV2)-(-AV1+AV2)
=2AV1-2AV2
=2A(V1-V2)(15-5)
視VO1及VO2端何者為正而定。
假使兩輸入端訊號大小相等,相位差180°(V1=-V2=V),則輸出為VO=-4AV或4AV。
此放大增益為單端輸入單端輸出增益(A)的五倍大。
假使兩輸入端訊號大小相等,相位相同(V1=V2),則輸出將變為
VO=0
綜合實習15-2與上述分析,可以歸納出各種輸入與輸出訊號間,因連接位置不同所造成增益大小差異之關係,如表15-6所列。
表15-6差動放大器輸出入訊號與增益關係
型態
輸入
輸出
增益
關係
單端輸入
單端輸出
Vi
Vo
A
Vo=AVi
單端輸入
差動輸出
Vi
Vod
2A
Vod=2AVi
差動輸入
單端輸出
Vd
Vo
A
Vo=AVd
=2AVi
差動輸入
差動輸出
Vd
Vod
2A
Vod=2AVd
=4AVi
二.實習步驟
(1)如圖15-4接妥線路。
(2)若V2端接地,V1輸入頻率為1KHz之正弦波,其輸入振幅如表15-7所示,以示波器觀測V1﹑VO1及VO2三者之波形及相位關係,並繪其結果於表15-7中。
(3)以示波器觀測VO1對VO2之電壓波形,並繪於表15-7中(在觀測時,須注意示波器之接地線)。
(4)若V1端接地,V2輸入頻率為1KHz之正弦波,輸入振幅如表15-8所示,以示波器觀測V2﹑VO1及VO2三者之波形及其相位關係,並繪其結果於表15-8中。
(5)以示波器觀測VO2對VO1之電壓波形並繪於表15-8中。
(6)若V1及V2同時接上相同的信號如表15-9所示,以示波器觀測VO1及VO2之電壓波形,並繪其結果於表15-9中。
(7)將V1或V2反相,使V1與V2之訊號成為頻率相同、相位相反之波形,其輸入振幅如表15-10所示,以示波器觀測VO1及VO2之電壓波形,並繪其結果於表15-10中。
(8)比較表15-7至15-10之實驗結果,對照表15-6,兩者是否相同?
圖15-4差動放大器實驗電路
三.結果數據
表15-7V2接地時之輸出入波形
V1之峰值電壓
0.1V
0.2V
0.3V
V1之波形
VO1之波形
VO2之波形
VO1對VO2之波形
表15-8V1接地時之輸出入波形
V2之峰值電壓
0.1V
0.2V
0.3V
V2之波形
VO1之波形
VO2之波形
VO2對VO1之波形
表15-9共模輸入時之輸出波形
V1及V2峰值電壓
0.1V
0.2V
0.3V
V1與V2之波形
VO1之波形
VO2之波形
VO2對VO1之波形
表15-10差動輸入時之輸出波形
V1及V2峰值電壓
0.1V
0.2V
0.3V
VO1之波形
VO2之波形
VO2對VO1之波形
實習15-4:
電流鏡電路測試
一.相關原理
基本電流鏡(Currentmirror)電路如圖15-5所示,由Q1和Q2兩個匹配的電晶體所組成,它們的基極與射極都連接在一起。
電流鏡以一定電流源
作為輸入,而輸出電流則取自Q2之集極。
由Q2集極所供給的電路必須使Q2一直保持在主動模式操作中(讓Q2的集極電壓高於基極電壓)。
只要Q2保持動作,那麼此電流鏡的操作就與-VEE電壓值無關。
電流鏡之電流增益可由Q1、Q2兩電晶體之射極電流相等(因為兩電晶體之基射順偏電壓相同,VBE1=VBE2=VBE,可得IE1=IE2=IE),而推得:
(15-6)
當β>>1時,增益約近於1。
但即使我們忽略了有限β值的影響而假設Q1﹑Q2為完全匹配,也只有在Q2的集極電壓與基極電壓相等時,電流IO才會等於IREF。
當集極電壓VO增加,IO也就隨之增加,又因Q2操作於定電壓VBE(由IREF所決定),IO將視VO而定,而VO則由Q2之rO決定,換言之,圖15-5中電流鏡的輸出電阻等於Q2的rO,rO通常在100k級。
電流鏡通常使用為IC中之電流源,以提供整體一致之穩定偏壓電流,為了改善BJT電流鏡之特性:
(1)IO對β之相依性,
(2)輸出阻抗rO過小,故有較複雜之改良式電流鏡電路,如
1.圖15-6為基極電流補償之電流鏡,雖然其輸出電阻仍為rO不變,但其電流增益將變成
(15-7)
2.圖15-7之威爾森(Wilson)電流鏡可以同時完成基極電流補償與增加輸出阻抗之目的,其電流增益與(15-7)式相同,但其輸出阻抗幾乎為βrO/2,比原先之值大了β/2倍。
3.圖15-8之威德勒(Widlar)電流鏡可以利用RE電阻來控制電流源,其電流關係式為
(15-8)
輸出電阻之大幅提升為威德勒電流鏡特點,其輸出電阻為
RO=RE’+(1+gmRE’)rO≒(1+gmRE’)rO(15-9)
其中RE’=RE//rπ,輸出阻抗比原先之值大了1+gm(RE//rπ)倍以上。
圖15-5基本的BJT電流鏡圖15-6具有基極電流補償的電流鏡
圖15-7威爾森電流鏡圖15-8威德勒電流鏡
二.實習步驟
(1)依單元八之方法測電晶體的β或hfe值,選取二個β或hfe值相近的電晶體。
(2)按圖15-9接妥電路。
(3)調可變電阻VR50k,使電阻值分別與表15-11內所列者相同。
(4)用三用電表測I1與I2,分別記錄於表15-11內。
(5)觀測I1與I2是否相等?
若不相等,其電流增益為多少?
與理論值相差多少?
圖15-9BJT電流鏡實驗電路
三.結果數據
表15-11電流鏡輸出入電流值
VR
10k
15k
20k
25k
30k
35k
I1
I2
I2/I1
誤差%
貳問題討論
1.差動放大器名稱之由來為何?
其功能與普通放大器有何不同?
2.某一差動放大器之差動電壓增益為2000,而共模增益為0.2,求共模拒斥比,並以dB值表示之。
3.串級放大器之輸入級放大器對於共模拒斥比非常在意,為什麼?
試以音響之放大器為例,說明共模拒斥比之物理意義與其重要性。
4.差動放大器之兩個電晶體或電阻若不匹配,將產生何影響?
試以數學式表示如何消除之?
5.實習15-2與15-3中,若要觀測
與
之波形與輸入端波形之間的相對位置,試問應如何測試?
6.試推導出圖15-5之基本電流鏡其輸出阻抗與電流增益(15-6)式。
7.試推導出圖15-6之基極電流補償電流鏡,其輸出阻抗與電流增益(15-7)式。
8.試推導出圖15-7之威爾森電流鏡,其輸出阻抗與電流增益(15-7)式。
9.試推導出圖15-8之威德勒電流鏡,其輸出阻抗(15-9)式與電流增益(15-8)式。
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- 单元 十五 差动 放大器
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