0、小叙闲言
有一个两相四线的步进电机，需测量其A、B两相的电流大小，电机线圈的电阻为0.6Ω，电感为2.2mH。打算在A、B相各串接一个0.1Ω的采样电阻，然后通过放大电路，送到单片机采样（STM32，12位AD采样），放大的电压值是最大应为3v。电路如下。我在这里讨论其中的采样放大电路。很多东西平时在书本上学到烂熟，但真正在实战时，还是碰到了不少问题。纸上得来终觉浅，绝知此事要躬行。因此，在这里总结一下，供自己学习之用，或许也可给大家一点点帮助。
图1 步进电机系统结构图
这里暂时不讨论放大电路的工作原理，直接使用放大器的虚短（短路）和虚断（断路）性质来分析这一类电路，之所以在前面加个虚字，是因为放大器的两端并不是真正的短路或断路。如下图所示，虚短：UP=UN，虚断：IP=0; IN=0。无论放大器接在何种电路中，这两个式子都是成立的。
图2 放大器性质
1.1、电压跟随器
电压跟随，听名字应该就能想到，它的作用就是输出电压Uo应该是随着输入电压Ui变化而变化的（Uo=Ui），如下图所示，由上面讲到的虚短性质，很容易得到Ui=Up=Un=Uo。有人会疑问，直接把Ui接到Uo，岂不是更加方便，要这个做什么。这个就要看电路需求而定了。电压跟随器的作用一般是起到隔离的作用，输入的电流太大的话，也不影响到输出的电流。
图3 电压跟随器电路图
1.2、电压放大电路
说了这么多，也没有看到放大器起到放大的作用，那么它是如下做到放大的电压作用的呢，且看下面这个电路。
图4 电压放大电路
从图4可以看到电路将输入电压放大了-3倍，这个负号来源，在图4中的公式推导已经说得很明白了。充分利用虚短和虚断的性质，加上外接电路，可以实现放大电压的功能（当然也可以缩小电压）。这个电路有一个小小的问题，就是它放大电压后有一个负号，平时我们要的都是输出电压与输入电压同符号，那么如何做到输出电压与同向呢，其实也很容易，且看下面电路图5。它的放大倍数也很好计算，元器件没有比上面多。但是这里又引是入一个新的问题，从下图4的公式推导中，可以明显看到，Uo/Ui>1，那么在我们需要将电压值缩小的场合，这个电路将不再适用。
图5 电压同向放大电路
那么如何做到同向的任一放大倍数的电路呢，也并不难，又请看下方图6电路。电路中多了两个电阻，成本并不会增加多少。由图6中推导的公式，如果R1+R2=R3+R4，那么放大倍数Uo/Ui=R4/R1,这个电阻阻值大小是完全可以做到任意选择的。在实际电路的设计过程中，通常令R1=R3，R2=R4,这样可以使R1+R2=R3+R4成立，同时也能够很清晰地记住这个电路的放大倍数即为：Uo/Ui=R2/R1。
图6 电压同向任一放大倍数电路
2、差分放大电路
上面讲到的所有放大电路都有一个明显的特点，就是它们只是放大某一个电势点，另一个电势点是默认接地的。而有时我们需要放大电压的两端电势没有一个接地的，那么这个时候，上述所有放大电路将不再适用。我文章一开头提到的采样步进电机电流，就是这种情况，这个时候就是差分放大电路登场的时间了。
图7 差分放大电路
在使用差分放大电路时，有一点需要特别地注意，不仅|k*(U1-U2)|<15（最好是小于13V左右，取得比较好的效果），而且Un与Up应该也要小于15v，否则放大不会工作在线性区，导致电路非正常工作。
心得总结
关于放大电路的更加深刻的工作原理，比如虚短虚断的性质是如何来的，还没有去更加深入的研究（虽然在本科期间学习过，但现在还是忘了），另外当图4中的放大器负输入端接地，而正输入端接输入电压，无法得到想要的放大效果，也就是放大器的正负输入端倒底有何区别，还没有很明白，是后要学习的内容。
博主毕业于自动化专业，熟悉C/C++/C#语言，算不上精通这些语言，平时也一直向网上各位大牛学习。业余使用Winform/WPF/QT开发一些上位机程序。对单片机，嵌入式开发也有较浓厚兴趣。意向从事图像处理，模式识别与智能系统方向。我的邮箱：endless@https://www.doczj.com/doc/531062993.html,，非常欢迎各位来交流学习。在博客园分享平时的一些学习笔记，希望能与网上各位同学交流，一来可以提升自己，二来或许可以给各位正在学习的同学提供一点点帮助。
典型差分放大电路 1、典型差分放大电路的静态分析 （1）电路组成 （2）静态工作点的计算 静态时：v s1=v s2=0， 电路完全对称，所以有 I B Rs1+U BE +2I E Re=V EE 又∵ I E =（1+β）I B ∴ I B1=I B2=I B = 通常Rs<<(1+β)Re ，U BE =0.7V （硅管）: I B1=I B2=I B = 因： I C1=I C2=I C =βI B 故： U CE1=U CE2=V CC －I C Rc 静态工作电流取决于V EE 和Re 。同时，在输入信号为零时，输出信号电压也为零（u o= Vc1－VC2=0），即该差放电路有零输入——零输出。 2、差分放大电路的动态分析 ()e s BE EE R 12R U V β++-
（1）差模信号输入时的动态分析 如果两个输入端的信号大小相等、极性相反，即 v s1=- v s2= 或 v s1- v s2= u id u id 称为差模输入信号。 在输入为差模方式时，若一个三极管的集电极电流增大时，则另一个三极管的集电极电流一定减小。在电路理想对称的条件下，有：i c1=- i c2。 Re 上的电流为： i E =i E1+i E2=（I E1+ i e1）+（I E2+ i e2 ） 电路对称时，有I E1= I E2= I E 、i e1=- i e2，使流过Re 上的电流i E =2I E 不变，则发射极的电位也保持不变。差模信号的交流通路如图: 差模信号下不同工作方式的讨论: ① 双端输入—双端输出放大倍数： 当输入信号从两个三极管的基极间加入、输出电压从两个三极管的集电极之间输出时，称之为双端输入—双端输出,其差模电压 be s c s1o1s2s1o2o1id o ud r R R 22u u A +-==--== βv v v v v v
苏州市职业大学实验报告姓名：学号：班级：
二、选好元器后，将所有元器件连接绘制成仿真电路（见图 1） R3 6.8k Q 三、仿真分析 1.静态工作点分析 1）调零。信号源先不接入回路中，将输入端对地短接，用万用表测量两个输出 节点，调节三极管的射极电位，使万用表的示数相同，即调整电路使左右完 全对称。测量电路及结果如图2所示 2）静态工作点调试。零点调好以后，可以用万用表测量 Q1、Q2管各电极电位, 结果如图 3 所示，测得 I B 1 15 A , I C 1 1.089mA , U CE 5.303V 。 2.测量差模放大倍数 将函数信号发生器XFG1的“ +”端接放大电路的R1输入端，“一”端接R2输入 端，COM 端接地。调节信号频率为1kHz ,输入电压10mV 调入双踪示波器，分别 接输入输出，如图4所示，观祭波形变化，示波器观祭到的差分放大电路输入、 输出波形如图5所示 R4 6.8k Q R1 ■ 酉 2 ?R6 >510 Q <3 ------- Q1 R8 12k Q 12 V 双端输入、 100Q Key=A 丄V2 -— 12 V 11 R5 5.1k 10 双端输出的长尾式差分放大电路 8 Q ■ 4 Q2 2N3903 R2 AAAr-| 2k Q 7 50% Rp1
4.607 V H-、4 -Q *: LR3 S : : ?6+BkQ : a ）： >R4 ：>G.?kn ............ R& '''' ---------- VA ---------- it：：12W5：：: 1 F ■! ■ I R1 .,,斗，- VA- :7W. . \ ■1 2M39G 3 :R2 ： : 2K1： 2N39G3 -” R6 5100 : ::5C% :10QQ ::Key=A 丄V2「::二12W TV '' 图2差分放大器电路调零
差分放大电路 一. 实验目的: 1． 掌握差分放大电路的基本概念； 2． 了解零漂差生的原理与抑制零漂的方法； 3． 掌握差分放大电路的基本测试方法。 二. 实验原理: 1. 由运放构成的高阻抗差分放大电路 图为高输入阻抗差分放大器,应用十分广泛.从仪器测量放大器,到特种测量放大器,几乎都能见到其踪迹。 从图中可以看到A1、A2两个同相运放电路构成输入级，在与差分放大器A3串联组成三运放差分防大电路。电路中有关电阻保持严格对称,具有以下几个优点: (1)A1和A2提高了差模信号与共模信号之比,即提高了信噪比; (2)在保证有关电阻严格对称的条件下,各电阻阻值的误差对该电路的共模抑制比K CMRR 没有影响; (3)电路对共模信号几乎没有放大作用,共模电压增益接近零。 因为电路中R1=R2、 R3=R4、 R5=R6 ，故可导出两级差模总增益为： 3 5P 1p i2i1o vd R R R 2R R u u u A ???? ??+-=-= 通常，第一级增益要尽量高，第二级增益一般为1~2倍，这里第一级选择100倍，第二级为1倍。则取R3=R4=R5=R6=10K Ω,要求匹配性好，一般用金属膜精密电阻，阻值可在10K Ω~几百K Ω间选择。则 A vd =(R P +2R 1)/R P 先定R P ，通常在1K Ω~10K Ω内，这里取R P ＝1K Ω，则可由上式求得R 1=99R P /2=49.5K Ω 取标称值51K Ω。通常R S1和R S2不要超过R P /2，这里选R S1＝ R S2＝510，用于保护运放输入级。 A1和A2应选用低温飘、高K CMRR 的运放，性能一致性要好。 三. 实验内容 1． 搭接电路 2． 静态调试
差分放大电路 （1）对共模信号的抑制作用 差分放大电路如图所示。 特点：左右电路完全对称。 原理：温度变化时，两集电极电流增量相等，即C2C1I I ?=?，使集电极电压变化量相等，CQ2CQ1V V ?=?，则输出电压变化量0C2C1O =?-?=?V V V ，电路有效地抑制了零点漂移。若电源电压升高时，仍有0C2C1O =?-?=?V V V ，因此，该电路能有效抑制零漂。 共模信号：大小相等，极性相同的输入信号称为共模信号。 共模输入：输入共模信号的输入方式称为共模输入。 （2）对差模信号的放大作用 基本差分放大电路如图。 差模信号：大小相等，极性相反的信号称为差模信号。 差模输入：输入差模信号的输入方式称为差模输入。 在图中， I 2I 1I 2 1 v v v = -=， 放大器双端输出电压 差分放大电路的电压放大倍数为 可见它的放大倍数与单级放大电路相同。 （3）共模抑制比 共模抑制比CMR K ：差模放大倍数d v A 与共模放大倍数c v A 的比值称为共模抑制比。 缺点：第一，要做到电路完全对称是十分困难的。第二，若需要单端输出，输出端的零点漂移仍能存在，因而该电路抑制零漂的优点就荡然无存了。 改进电路如图（b ）所示。在两管发射极接入稳流电阻e R 。使其即有高的差模放大 倍数，又保持了对共模信号或零漂强抑制能力的优点。 在实际电路中，一般都采用正负两个电源供电，如图所示（c ）所示。 差分放大电路 一. 实验目的: 1． 掌握差分放大电路的基本概念； 2． 了解零漂差生的原理与抑制零漂的方法； 3． 掌握差分放大电路的基本测试方法。 二. 实验原理: 1. 由运放构成的高阻抗差分放大电路 图为高输入阻抗差分放大器,应用十分广泛.从仪器测量放大器,到特种测量放大器,几乎都能见到其踪迹。
差动放大器实验报告 以下是为大家整理的差动放大器实验报告的相关范文，本文关键词为差动,放大器,实验,报告,篇一,实验,差动,放大器,南昌大学，您可以从右上方搜索框检索更多相关文章，如果您觉得有用，请继续关注我们并推荐给您的好友，您可以在工作报告中查看更多范文。 篇一：实验五差动放大器 南昌大学实验报告 实验五差动放大器 一、实验目的 1、加深对差动放大器性能及特点的理解 2、学习差动放大器主要性能指标的测试方法 二、实验原理 下图是差动放大器的基本结构。它由两个元件参数相同的基本共射放大电路组成。当开关K拨向左边时，构成典型的差动放大器。调零电位器Rp用来调节T1、T2管的静态工作点，使得输入信号ui＝0时，双端输出电压uo＝0。Re为两管共用的发射极电阻，它对差模信号无负反馈作用，因而不影响差模电压放大倍数，但对共模信号有较
强的负反馈作用，故可以有效地抑制零漂，稳定静态工作点。 图5-1差动放大器实验电路 1、静态工作点的估算典型电路Ic1=Ic2=1/2Ie恒流源电路Ic1=Ic2=1/2Ic3 2、差模电压放大倍数和共模电压放大倍数 双端输出:Re＝∞，Rp在中心位置时， Ad? 单端输出 △uoβRc ?? △ui Rb?rbe??β)Rp 2 Ad1? △uc11?Ad △ui2 Ad2? △uc21 ??Ad △ui2 当输入共模信号时，若为单端输出，则有 △uc1?βRcR
Ac1?Ac2????c △uiR?r?(1?β)(1R?2R)2Re bbepe 3、共模抑制比cmRR2 为了表征差动放大器对有用信号（差模信号）的放大作用和对共模信号的抑制能力，通常用一个综合指标来衡量，即共模抑制比AA cmRR?d或cmRR?20Logd?db? AcAc 三、实验设备与器材 1、函数信号发生器 2、示波器 3、交流毫伏表 4、万用表 5、实验箱 6、差动放大器集成块 四、实验内容 1、典型差动放大器性能测试 按图5-1连接实验电路，开关K拨向左边构成典型差动放大器。 1)测量静态工作点2)①调节放大器零点 信号源不接入。将放大器输入端A、b与地短接，接通±12V直流电源，用直流电压表测量输出电压uo，调节调零电位器Rp，使uo＝0。调节要仔细，力求准确。 ②测量静态工作点 零点调好以后，用直流电压表测量T1、T2管各电极电位及射极电阻Re两端电压uRe，记入表5－1。
Differens Amplifier 差分放大电路 一. 实验目的： 1. 掌握差分放大电路的基本概念； 2. 了解零漂差生的原理与抑制零漂的方法； 3. 掌握差分放大电路的基本测试方法。 二. 实验原理： 1. 由运放构成的高阻抗差分放大电路 图为高输入阻抗差分放大器，应用十分广泛.从仪器测量放大器，到特种测量放大器，几乎都 能见到其踪迹。 nz R4 R2 R T V I R1//R2 = R3//R4 For mini mum offset error due to input bias current TL/H/7057-3
从图中可以看到 A1、A2两个同相运放电路构成输入级， 在与差分放大器 A3串联组成三运放差分 防大电路。电路中有关电阻保持严格对称 ，具有以下几个优点： (1) A1和A2提高了差模信号与共模信号之比 ，即提高了信噪 比； (2) 在保证有关电阻严格对称的条件下 ，各电阻阻 值的误差对该电路的共模抑制比 K CMRR 没有 影响； (3) 电路对共模信号几乎没有放大作用 ，共模电压增益接近零。 因为电路中 R1=R2、R3=R4、R5=R6，故可导岀两级差模总增益为： 通常，第一级增益要尽量高，第二级增益一般为 1~2倍，这里第一级选择 100倍，第二级为1 倍。则取 R3=R4=R5=R6=10Q ,要求匹配性好，一般用金属膜精密电阻，阻值可在 10KQ ?几百K Q 间选择。贝9 Ad =(R p +2Ri)/R P 先定 通常在1KQ ?10KQ 内，这里取 R== 1KQ ，则可由上式求得 R 1=99R/2=49.5K Q 取标称值51KQ 。通常R S 1和R S 2不要超过F P /2，这里选Rs 1= R S 2= 510，用于保护运放输入级。 A1和A2应选用低温飘、高 K CMR 的运放，性能一致性要好。 三. 实验内容 1. 搭接电路 2. 静态调试 vd U o U il U i2 R p 2R I R 5 R P R 3 A1
全差分运算放大器设计 岳生生（200403020126） 一、设计指标 以上华0.6um CMOS 工艺设计一个全差分运算放大器，设计指标如下： ?直流增益：>80dB ?单位增益带宽：>50MHz ?负载电容：＝5pF ?相位裕量：>60度 ?增益裕量：>12dB ?差分压摆率：>200V/us ?共模电压：2.5V (VDD=5V) ?差分输入摆幅：>±4V 二、运放结构选择
运算放大器的结构重要有三种：（a ）简单两级运放，two-stage 。如图2所示；（b ）折叠共源共栅，folded-cascode 。如图3所示；（c ）共源共栅，telescopic 。如图1的前级所示。本次设计的运算放大器的设计指标要求差分输出幅度为±4V ，即输出端的所有NMOS 管的,DSAT N V 之和小于0.5V ，输出端的所有PMOS 管的,DSAT P V 之和也必须小于0.5V 。对于单级的折叠共源共栅和直接共源共栅两种结构，都比较难达到该 要求，因此我们采用两级运算放大器结构。另外，简单的两级运放的直流增益比较小，因此我们采用共源共栅的输入级结构。考虑到折叠共源共栅输入级结构的功耗比较大，故我们选择直接共源共栅的输入级，最后选择如图1所示的运放结构。两级运算放大器设计必须保证运放的稳定性，我们用Miller 补偿或Cascode 补偿技术来进行零极点补偿。 三、性能指标分析 1、 差分直流增益 (Adm>80db) 该运算放大器存在两级：（1）、Cascode 级增大直流增益（M1-M8）;（2）、共源放大器（M9-M12） 第一级增益 1 3 5 11 1357 113 51 3 57 5 3 ()m m m o o o o o m m m m o o o o m m g g g g g g G A R r r r r g g r r r r =-=-=-+ 第二级增益 9 2 2 9112 9 9 11 ()m o o o m m o o g g G A R r r g g =-=-=- + 整个运算放大器的增益： 4 1 3 5 9 1 2 1 3 5 7 5 3 9 11 (80)10m m m m overall o o o o m m o o dB g g g g A A A g g g g r r r r = = ≥++ 2、 差分压摆率 （>200V/us ） 转换速率（slew rate ）是大信号输入时，电流输出的最大驱动能力。 定义转换速率SR ：
运放差分放大电路原理 知识介绍 文件管理序列号：[K8UY-K9IO69-O6M243-OL889-F88688]
差分放大电路 （1）对共模信号的抑制作用 差分放大电路如图所示。 特点：左右电路完全对称。 原理：温度变化时，两集电极电流增量相等，即C2C1I I ?=?，使集电极电压变化量相等，CQ2CQ1V V ?=?，则输出电压变化量 0C2C1O =?-?=?V V V ，电路有效地抑制了零点漂移。若电源电压升高时，仍有0C2C1O =?-?=?V V V ，因此，该电路能有效抑制零漂。 共模信号：大小相等，极性相同的输入信号称为共模信号。 共模输入：输入共模信号的输入方式称为共模输入。 （2）对差模信号的放大作用 基本差分放大电路如图。 差模信号：大小相等，极性相反的信号称为差模信号。 差模输入：输入差模信号的输入方式称为差模输入。 在图中， I 2I 1I 2 1 v v v = -=， 放大器双端输出电压 o v ??I v I v I v C2C1)2 1(2 1v A v A v A v v =--=- 差分放大电路的电压放大倍数为 可见它的放大倍数与单级放大电路相同。 （3）共模抑制比 共模抑制比CMR K ：差模放大倍数d v A 与共模放大倍数c v A 的比值称为共模抑制比。
缺点：第一，要做到电路完全对称是十分困难的。第二，若需要单端输出，输出端的零点漂移仍能存在，因而该电路抑制零漂的优点就荡然无存了。 改进电路如图（b）所示。在两管发射极接入稳流电阻 R。使其即有高的 e 差模放大 倍数，又保持了对共模信号或零漂强抑制能力的优点。 在实际电路中，一般都采用正负两个电源供电，如图所示（c）所示。 差分放大电路 一. 实验目的: 1．掌握差分放大电路的基本概念； 2．了解零漂差生的原理与抑制零漂的方法； 3．掌握差分放大电路的基本测试方法。 二. 实验原理: 1.由运放构成的高阻抗差分放大电路 图为高输入阻抗差分放大器,应用十分广泛.从仪器测量放大器,到特种测量放大器,几乎都能见到其踪迹。 从图中可以看到A1、A2两个同相运放电路构成输入级，在与差分放大器A3串联组成三运放差分防大电路。电路中有关电阻保持严格对称,具有以下几个优点:
实验四 两级放大电路 一、实验目的 l 、掌握如何合理设置静态工作点。 2、学会放大器频率特性测试方法。 3、了解放大器的失真及消除方法。 二、实验原理 1、对于二极放大电路，习惯上规定第一级是从信号源到第二个晶体管BG2的基极，第二级是从第二个晶体管的基极到负载，这样两极放大器的电压总增益Av 为： 2V 1V 1 i 1 O 2i 2O 1i 2O ,i 2O S 2O V A A V V V V V V V V V V A ?=?==== 式中电压均为有效值，且2i 1O V V =，由此可见，两级放大器电压总增益是单级电压增益的乘积，由结论可推广到多级放大器。 当忽略信号源内阻R S 和偏流电阻R b 的影响，放大器的中频电压增益为： 1be 2 be 1C 1be 1L 11i 1O S 1O 1V r r //R 1 r R V V V V A β-='β-=== 2 be L 2C 2 2be 2L 21O 2O 1i 2O 2V r R //R r R V V V V A β-='β-=== 2 be L 2C 2 1be 2be 1C 12V 1V V r R //R r r //R A A A β?β=?= 必须要注意的是A V1、A V2都是考虑了下一级输入电阻（或负载）的影响，所以第一级的输出电压即为第二级的输入电压，而不是第一级的开路输出电压，当第一级增益已计入下级输入电阻的影响后，在计算第二级增益时，就不必再考虑前级的输出阻抗，否则计算就重复了。 2、在两极放大器中β和I E 的提高，必须全面考虑，是前后级相互影响的关系。 3、对两级电路参数相同的放大器其单级通频带相同，而总的通频带将变窄。 ) dB (A log 20G 式中G G G V u o 2u o 1u uo =+= 三、实验仪器 l 、双踪示波器。 2、数字万用表。 3、信号发生器。 4、毫伏表 5、分立元件放大电路模块 四、实验内容 1、实验电路见图4-1
电流镜负载的差分放大器设计 摘要 在对单极放大器与差动放大器的电路中，电流源起一个大电阻的作用，但不消耗过多的电压余度。而且，工作在饱和区的MOS器件可以当作一个电流源。 在模拟电路中，电流源的设计是基于对基准电流的“复制”，前提是已经存在一个精确的电流源可以利用。但是，这一方法可能引起一个无休止的循环。一个相对比较复杂的电路被用来产生一个稳定的基准电流，这个基准电流再被复制，从而得到系统中很多电流源。而电流镜的作用就是精确地复制电流而不受工艺和温度的影响。在典型的电流镜中差动对的尾电流源通过一个NMOS镜像来偏置，负载电流源通过一个PMOS镜像来偏置。电流镜中的所有晶体管通常都采用相同的栅长，以减小由于边缘扩散所产生的误差。而且，短沟器件的阈值电压对沟道长度有一定的依赖性。因此，电流值之比只能通过调节晶体管的宽度来实现。而本题就是利用这一原理来实现的。
一、设计目标（题目） (3) 二、相关背景知识 (4) 1、单个MOSTFET的主要参数包括： (4) 三、设计过程 (5) 1、电路结构 (5) 2、主要电路参数的手工推导 (6) 3、参数验证（手工推导） (7) 四、电路仿真 (7) 1、NMOS特性仿真及参数推导 (7) 2、PMOS特性仿真及参数推导 (10) 3、最小共模输入电压仿真 (12) 4、电流镜负载的差分放大器特性仿真及参数推导 (14) 五、性能指标对比 (18) 六、心得 (18)
一、设计目标（题目） 电流镜负载的差分放大器 设计一款差分放大器，要求满足性能指标： ● 负载电容pF C L 1= ● V VDD 5= ● 对管的m 取4的倍数 ● 低频开环增益>100 ● GBW(增益带宽积)>30MHz ● 输入共模范围>3V ● 功耗、面积尽量小 参考电路图如下图所示 设计步骤： 1、仿真单个MOS 的特性，得到某W/L 下的MOS 管的小信号输出电阻和跨导。 2、根据上述仿真得到的器件特性，推导上述电路中的器件参数。 3、手工推导上述尺寸下的差分级放大器的直流工作点、小信号增益、带宽、输入共模范围。
差动放大电路的分析与综合（计算与设计）实验报告 1、实验时间 10月31日(周五)17:50-21:00 2、实验地点 实验楼902 3、实验目的 1. 熟悉差动放大器的工作原理(熟练掌握差动放大器的静态、动态分析方法) 2. 加深对差动放大器性能及特点的理解 3. 学习差动放大电路静态工作点的测量 4. 学习差动放大器主要性能指标的测试方法 5. 熟悉恒流源的恒流特性 6. 通过对典型差动放大器的分析，锻炼根据实际要求独立设计基本电路的能力 7. 练习使用电路仿真软件，辅助分析设计实际应用电路 8. 培养实际工作中分析问题、解决问题的能力 4、实验仪器 数字示波器、数字万用表、模拟实验板、三极管、电容电阻若干、连接线 5、电路原理 1. 基本差动放大器 图是差动放大器的基本结构。它由两个元件参数相同的基本共射放大电路组成。 部分模拟图如下 1.直流分析数据 2.直流分析仿真数据 3.交流分析数据 4.交流分析仿真数据 具有平衡电位器的 差动放大器 图是差动放大器的结 构。它由两个元件参数相 近的基本共射放大电路组 成。 1.直流分析数据 2.直流分析仿真数据
3.交流分析数据 4.交流分析仿真数据 具有恒流源的差动放大器 图2-3是差动放大器的结构。它由两个元件参数相近的基本共射放大电路组成。 1.直流分析数据 2.直流分析仿真数据 3.交流分析数据 4.交流分析仿真数据 图3.1 差动放大器实验电路 当开关K 拨向右边时，构成具有恒流源的差动放大器。晶体管 T 3 与电阻3E R 共同组成镜象恒流源电路 , 为差动放大器提供恒定电流E I 。用晶体管恒流源代替发射极电阻 E R ，可以进一步提高差动 放大器抑制共模信号的能 力。 1、差动电路的输入输 出方式 根据输入信号和输出信号的不同方式可以有四种连接方式,即 : (l) 双端输入 -双端输出，将差模信号加在1s V 、2s V 两端 , 输出取自1o V 、2o V 两端。 (2) 双端输入 -单端输出，将差模信号加在1s V 、2s V 两端 , 输出取自1o V 或2o V 到地。 (3) 单端输入一双端输出，将差模信号加在1s V 上,2s V 接地 ( 或1s V 接地而信号加在2s V 上 ), 输出取自1o V 、2o V 两端。 (4) 单端输入 -单端输出 将差模信号加在1s V 上,2s V 接地 ( 或1s V 接地而信号加在2s V 上 ), 输出取自1o V 或2o V 到地。
加法器及差分放大器项目实验报告 一、项目内容和要求 （一）、加法器 1、任务目的： （1）掌握运算放大器线性电路的设计方法； （2）理解运算放大器的工作原理； （3）掌握应用仿真软件对运算放大器进行仿真分析的方法。 2、任务内容： 2.1 设计一个反相加法器电路，技术指标如下： （1）电路指标 运算关系:)25(21i i O U U U +-=。 输入阻抗Ω≥Ω≥K R K R i i 5,521。 （2）设计条件 电源电压Ec=±5V ； 负载阻抗Ω=K R L 1.5 （3）测试项目 A ：输入信号V U V U i i 5.0,5.021±=±=，测试4种组合下的输出电压； B ：输入信号V KHz U V U i i 1.0,1,5.021为正弦波±=信号，测试两种输入组合情况下的输出电 压波形。 C ：输入信号V U i 01=，改变2i U 的幅度，测量该加法器的动态范围。 D ：输入信号V U i 01=，V U i 1,2为正弦波，改变正弦波的频率，从1kHz 逐渐增加，步长为 2kHz ，测量该加法器的幅频特性。 2.2 设计一个同相加法器电路，技术指标如下： （1）电路指标 运算关系：21i i O U U U +=。 （2）设计条件 电源电压Ec=±5V ； 负载阻抗Ω=K R L 1.5 （3）测试项目 A ：输入信号V U V U i i 1,121±=±=，测试4种组合下的输出电压； B ：输入信号V KHz U V U i i 1,1,121为正弦波±=信号，测试两种输入组合情况下的输出电压 波形。 （二）、差分放大器 1、任务目的： （1）掌握运算放大器线性电路的设计方法； （2）理解运算放大器的工作原理； （3）掌握应用仿真软件对运算放大器进行仿真分析的方法。 2、任务内容 2.1 设计一个基本运放差分放大器电路，技术指标如下： （1）电路指标 运算关系:)(521i i O U U U --=。 输入阻抗Ω≥Ω≥K R K R i i 5,521。 （2）设计条件
全差分运算放大器设计 岳生生（0126） 一、设计指标 以上华CMOS 工艺设计一个全差分运算放大器，设计指标如下： 直流增益：>80dB 单位增益带宽：>50MHz 负载电容：＝5pF 相位裕量：>60度 增益裕量：>12dB 差分压摆率：>200V/us 共模电压：(VDD=5V) 差分输入摆幅：>±4V 运放结构选择
运算放大器的结构重要有三种：（a ）简单两级运放，two-stage 。如图2所示；（b ）折叠共源共栅，folded-cascode 。如图3所示；（c ）共源共栅，telescopic 。如图1的前级所示。本次设计的运算放大器的设计指标要求差分输出幅度为±4V ，即输出端的所有NMOS 管的 ,DSAT N V 之和小于，输出端的所有PMOS 管的 ,DSAT P V 之和也必须小于。对于单 级的折叠共源共栅和直接共源共栅两种结构，都比较难达到该要求，因此我们采用两级运算放大器结构。另外，简单的两级运放的直流增益比较小，因此我们采用共源共栅的输入级结构。考虑到折叠共源共栅输入级结构的功耗比较大，故我们选择直接共源共栅的输入级，最后选择如图1所示的运放结构。两级运算放大器设计必须保证运放的稳定性，我们用Miller 补偿或Cascode 补偿技术来进行零极点补偿。 性能指标分析 差分直流增益 (Adm>80db) 该运算放大器存在两级：（1）、Cascode 级增大直流增益（M1-M8）;（2）、共源放大器（M9-M12） 第一级增益 1 3 5 1 1 1 3 5 7 1 1 3 5 1 3 5 7 5 3 ()m m m o o o o o m m m m o o o o m m g g g g g g G A R r r r r g g r r r r =-=-=- +P 第二级增益9 2 2 9 11 2 9 9 11 ()m o o o m m o o g g G A R r r g g =-=-=-+P 整个运算放大器的增益： 4 1 3 5 9 1 2 1 3 5 7 5 3 9 11 (80)10m m m m overall o o o o m m o o dB g g g g A A A g g g g r r r r == ≥++ 差分压摆率 （>200V/us ） 转换速率（slew rate ）是大信号输入时，电流输出的最大驱动能力。 定义转换速率SR ： 1）、输入级： max 1max |2| Cc out DS C C d SR dt I v I C C = = = 单位增益带宽1m u C g C ω= ，可以得到 1m C u g C ω =
实验三差分放大电路 一、实验目的 1、加深对差动放大器性能及特点的理解 2、学习差动放大器主要性能指标的测试方法 二、实验原理 图3－1是差动放大器的基本结构。它由两个元件参数相同的基本共射放 大电路组成。当开关K拨向左边时，构成典型的差动放大器。调零电位器R P 用来调节T 1、T 2 管的静态工作点，使得输入信号U i ＝0时，双端输出电压U O ＝0。 R E 为两管共用的发射极电阻，它对差模信号无负反馈作用，因而不影响差模电压放大倍数，但对共模信号有较强的负反馈作用，故可以有效地抑制零漂，稳定静态工作点。 图3－1 差动放大器实验电路
当开关K 拨向右边时，构成具有恒流源的差动放大器。 它用晶体管恒流源代替发射极电阻R E ，可以进一步提高差动放大器抑制共模信号的能力。 1、静态工作点的估算 典型电路 E BE EE E R U U I -≈ （认为U B1＝U B2≈0） E C2C1I 2 1 I I == 恒流源电路 E3 BE EE CC 2 1 2 E3C3R U )U (U R R R I I -++≈≈ C3C1C1I 2 1 I I == 2、差模电压放大倍数和共模电压放大倍数 当差动放大器的射极电阻R E 足够大，或采用恒流源电路时，差模电压放大倍数A d 由输出端方式决定，而与输入方式无关。 双端输出: R E ＝∞，R P 在中心位置时， P be B C i O d β)R (12 r R βR △U △U A +++- == 单端输出 d i C1d1A 21 △U △U A == d i C2d2A 2 1 △U △U A -==
运放差分放大电路原理 知识介绍精编 Document number：WTT-LKK-GBB-08921-EIGG-22986
差分放大电路 （1）对共模信号的抑制作用 差分放大电路如图所示。 特点：左右电路完全对称。 原理：温度变化时，两集电极电流增量相等，即 C2C1I I ?=?，使集电极电压变化量相等，CQ2CQ1V V ?=?，则输出电压变化量0C2C1O =?-?=?V V V ，电路有效地抑制了零点漂移。若电源电压升高时，仍有0C2C1O =?-?=?V V V ，因此，该电路能有效抑制零漂。 共模信号：大小相等，极性相同的输入信号称为共模信号。 共模输入：输入共模信号的输入方式称为共模输入。 （2）对差模信号的放大作用 基本差分放大电路如图。 差模信号：大小相等，极性相反的信号称为差模信号。 差模输入：输入差模信号的输入方式称为差模输入。 在图中， I 2I 1I 2 1 v v v = -=，
= -=C21C v v I 2 1 v A v 放大器双端输出电压 o v I v I v I v C2C1)2 1(2 1v A v A v A v v =--=- 差分放大电路的电压放大倍数为 be c I I I O v d r R A v v A v v A V v β-==== 可见它的放大倍数与单级放大电路相同。 （3）共模抑制比 共模抑制比CMR K ：差模放大倍数d v A 与共模放大倍数c v A 的比值称为共模抑制比。 c d CMR v v A A K = 缺点：第一，要做到电路完全对称是十分困难的。第二，若需要单端输出，输出端的零点漂移仍能存在，因而该电路抑制零漂的优点就荡然无存了。 改进电路如图（b ）所示。在两管发射极接入稳流电阻e R 。使其即有高的差模放大 倍数，又保持了对共模信号或零漂强抑制能力的优点。 在实际电路中，一般都采用正负两个电源供电，如图所示（c ）所示。
设计课题 设计一个具有恒流偏置的单端输入-单端输出差分放大器。 学校：延安大学
一： 已知条件 正负电源电压V V V V EE cc 12,12-=-+=+；负载Ω=k R L 20；输入差 模信号mV V id 20=。 二：性能指标要求 差模输入电阻Ω>k R id 10；差模电压增益15≥vd A ；共模抑制 比dB K CMR 50>。 三：方案设计及论证 方案一：
方案二
方案论证： 在放大电路中，任何元件参数的变化，都将产生输出电压的漂移，由温度变化所引起的半导体参数的变化是产生零点漂移的主要原因。采用特性相同的管子使它们产生的温漂相互抵消，故构成差分放大电路。差分放大电路的基本性能是放大差模信号，抑制共模信号好，采用恒流源代替稳流电阻，从而尽可能的提高共模抑制比。 论证方案一：用电阻R6来抑制温漂 ?优点：R6 越大抑制温漂的能力越强； ?缺点：<1>在集成电路中难以制作大电阻； <2> R6的增大也会导致Vee的增大（实际中Vee不
可能随意变化） 论证方案二 优点：（1）引入恒流源来代替R6,理想的恒流源内阻趋于无穷，直流压降不会太高，符合实际情况； （2）电路中恒流源部分增加了两个电位器，其中47R的用来调整电路对称性，10K的用来控制Ic的大小，从而调节静态工作点。 通过分析最终选择方案二。 四：实验工作原理及元器件参数确定 ?静态分析：当输入信号为0时， ?I EQ≈(Vee-U BEQ)/2Re ?I BQ= I EQ /(1+β) ?U CEQ=U CQ-U EQ≈Vcc-I CQ Rc+U BEQ 动态分析 ?已知：R1=R4,R2=R3
方案三差分放大电路 【项目目标】 知识目标 掌握场效应管的类型、场效应的电压控制作用及共源极放大电路的分析与应用。 能力目标 具有识别场效应管的能力，具有共源极放大的分析能力。
将J8、J9与 J6、J7之间分别加一毫安表，J10、J11连接与J12 改变电位器RP6.将测量的结果记录如下： A1间的电流 A2间的电流 知识点导入 镜像电流源的基本特性。 知识点讲解 基本镜像电流源电路如图所示。 T 1、T 2参数完全相同（即β1=β2，I CEO1=I CEO2）。 原理：因为V BE1=V BE2，所以I C1=I C2 β C1 C1B C1REF 2 2I I I I I +=+= I REF ——基准电流：C2REF C1/21I I I =+=β 推出，当β>>2 时，I C2= I C1≈ I REF ()6060B1 Rp R U U Rp R V BE CC ++--=+-= ≈6 CC Rp R V + 优点： （1）I C2≈I REF ，即I C2不仅由I REF 确定，且总与I REF 相等。 （2）T 1对T 2具有温度补偿作用，I C2温度稳定性能好（设温度增大，使I C2增大，则I C1增大，而I REF 一定，因此I B 减少，所以I C2减少）。 缺点： （1）I REF （即I C2）受电源变化的影响大，故要求电源十分稳定。 （2）适用于较大工作电流（mA 数量级）的场合。若要I C2下降，则R 就必须增大，这在集成电路中因制作大阻值电阻需要占用较大的硅片面积。 （3）交流等效电阻R o 不够大，恒流特性不理想。 （4）I C2与I REF 的镜像精度决定于β。当β较小时，I C2与I REF 的差别不能忽略。 巩固训练：将电路图中的值按照电位的阻值代入进行计算？看测量结果与理论之间的误差？ 电路测试2 将J8、J9与 J6、J7之间分别加一毫安表，改变电位器RP6.将测量的结果A1间的电流 图3.1.4 基本镜像电流源电路
差分放大器的工作原理 差分放大器也叫差动放大器是一种将两个输入端电压的差以一固定增益放大的电子放大器，有时简称为“差放”。差分放大器通常被用作功率放大器（简称“功放”）和发射极耦合逻辑电路 (ECL, Emitter Coupled Logic) 的输入级。 如果Q1 Q2的特性很相似，则V a,V b将同样变化。例如，V a变化+1V，V b也变化+1V，因为输出电压VOUT=V a-V b=0V,即V a的 变化与V b的变化相互抵消。这就是差动放大器可以作直流信号放大的原因。若差放的两个输入为，则它的输出V out为： 其中Ad是差模增益 (differential-mode gain)，Ac是共模增益 (common-mode gain)。 因此为了提高信/噪比，应提高差动放大倍数，降低共模放大倍数。二者之比称做共模仰制比（CMRR, common-mode rejection ratio）。共模放大倍数AC可用下式求出： A c=2R l/2R e 通常以差模增益和共模增益的比值共模抑制比 (CMRR, common-mode rejection ratio) 衡量差分放大器消除共模信号的能力： 由上式可知，当共模增益Ac→0时，CMRR→∞。Re越大，Ac就越低，因此共模抑制比也就越大。因此对于完全对称的差分放大器来说，其Ac = 0，故输出电压可以表示为： 所谓共模放大倍数，就是V a，V b输入相同信号时的放大倍数。如果共模放大倍数为0，则输入噪声对输出没有影响。 要减小共模放大倍数，加大R E就行通常使用内阻大的恒流电路来带替R E
差分放大器是普通的单端输入放大器的一种推广，只要将差放的一个输入端接地，即可得到单端输入的放大器。很多系统在差分放大器的一个输入端输入反馈信号，另一个输入端输入反馈信号，从而实现负反馈。常用于电机或者伺服电机控制，稳压电源，测量仪器以及信号放大。在离散电子学中，实现差分放大器的一个常用手段是差动放大，见于多数运算放大器集成电路中的差分电路。 单端输出的差动放大电路 (不平衡输出) 称为单端Single ended或不平衡输出Unbalance Output。 单端较差动输出之幅度小一倍，使用单端输出时，共模讯号不能被抑制，因Vi1与Vi2同时增加，VC1与VC2则减少，而且VC1=VC2，但Vo =VC2，并非于零(产生零点漂移)。 但是加大RE阻值可以增大负回输而抑制输出，并且抑制共模讯号，因Vi1=Vi2时， Ii1及Ii2也同时增加，IE亦上升而令VE升高，这对Q1和Q2产生负回输， 令Q1和Q2之增益减少，即Vo减少。 当差动讯号输入时，Vi1 = -Vi2，IC1增加而IC2减少，总电流IE = IC1 + IC2便不变， 因此VE也不变，加大RE电阻值之电路会将差动讯号放大，不会对Q1及Q2产生负回输 及抑制。 。 b)减低功率消耗(相对纯电阻来说)。 c)提高差动放大之输出电压。 d)提高共模抑制比CMRR。 即差动输入，则IC1升而IC2下降(并且，ΔIC1 = ΔIC2) 因电流镜像原理，IC4 = IC1 故此，Io = IC4 IC2 = IC1 IC2 (ΔIo = 2ΔIC1或2ΔIC2) 这说明了输出电流是IC1和IC2的相差，即将输出变为具有双端差动输出性能的单端输出 (故对共模讯号之抑制有改善因双端差动输出才能产生消除共模讯号作用)。
《IC课程设计》报告 电流镜负载的差分放大器设计 摘要 在对单极放大器与差动放大器的电路中，电流源起一个大电阻的作用，但不消耗过多的电压余度。而且，工作在包河区的MOS器件可以当作一个电流源。 在模拟电路中，电流源的设计是基于对基准电流的“复制”，前提是已经存在一个精确的电流源可以利用。但是，这一方法可能引起一个无休止的循环。一个相对比较复杂的电路被用来产生一个稳定的基准电流，这个基准电流再被复制，从而得到系统中很多电流源。而电流镜的作用就是精确地复制电流而不收工艺和温度的影响。在典型的电流镜中差动对的尾电流源通过一个NMOS镜像来偏置，负载电流源通过一个PMOS镜像来偏置。电流镜中的所有晶体管通常都采用相同的栅长，以减小由于边缘扩散所产生的误差。而且，短沟器件的阈值电压对沟道长度有一定的依赖性。因此，电流值之比只能通过调节晶体管的宽度来实现。而本题就是利用这一原理来实现的。 目录 1设计目标 (1) 2相关背景知识 (2) 3设计过程 (6) 3.1 电路结构设计 (6) 3.2 主要电路参数的手工推导 (6) 3.3 参数验证（手工推导） (7) 4 电路仿真 (9) 4.1 用于仿真的电路图 (9) NMOS： (9) PMOS (9) 整体电路图 (10) 4.2 仿真网表（注意加上注释） (10) 4.3 仿真波形 (13) 5 讨论 (17) 6 收获和建议 (17) 参考文献 (19)
1设计目标 设计一个电流镜负载的差分放大器，参考电路图如下：
2相关背景知识 据题目所述，电流镜负载的差分放大器的制作为0.35um CMOS 工艺，要求在5v 的电源电压下，负载电容为2pF 时，增益带宽积大于25MHz ，低频开环增益大于100，同时功耗和面积越小表示性能越优。 我们首先根据0.35um CMOS 工艺大致确定单个CMOS 的性能，即在一定值的W/L 下确定MOS 管在小信号模型中的等效输出电阻和栅跨导，然后记下得到的参数并将其带入到整体电路中计算，推导电流镜负载的差分放大器电路中的器件参数，例如，小信号模型的增益、带宽、功耗等，再分析是否满足题目中的各项指标的要求。若不满足，则依据摘要理所说的，调节晶体管的宽度，然后用调整后的参数进行仿真、验证，直到符合要求为止。 相关背景知识： 1. 差分式放大器 差分式放大器是由两个各项参数都相同的三端器件（包括BJT 、FET ）所组成的差分式放大电路，并在两器件下端公共接点处连接一电流源。差分式又分为差模和共模信号：输入电压Vid 为Vi1和Vi2的差成为共模电压；另外，若输入电压Vic 为VI1和Vi2的算术平方根，则称为共模电压。当输入电压是共模形式时，，即在两个输入端各加入相同的信号电压，在差分放大电路中，无论是温度变化，还是电源波动引起的变化，其效果相当于在两个输入端加入了共模信号，两输出端输出的共模电压相同，故双端输出时输出电压为零；当输入电压是差模形式时，即在电路的两个输入端各加一个大小相等、极性相反的信号电压，一管电流将增加，另一管电流则减小，所以在两输出端间有信号电压输出。而差分放大器正是利用共模输入的特点来克服噪声信号和零点漂移的。此题要求用双端差模信号输入，单端输出，相应的计算公式如下： 1. 差模输入电压：12 id i i v v v =- 2. 共模输入电压：() 122 i i ic v v v += 3. 差模输出电压：12 od o o v v v =- 4. 共模输出电压：12 2 o o oc v v v += 5. 双端输入——单端输出的差模电压增益： 2(2|| v d m d s d s A g r r = 6. 双端输入——单端输出的等效栅跨导：