全对称双输入双输出放大器的制作方法

本实用新型涉及一种全对称双输入双输出放大器，特别是采用互补双输出全对称结构的全对称双输入双输出放大器，属于放大电路、电子电路。
背景技术：
：放大器在电子电路、信号变换与处理、波形发生器等领域有着非常广泛的应用，一般的运算放大器由于其非常大的电压或电流放大倍数因而可以配置成深负反馈或深正反馈电路，从而使得整个反馈电路具有非常优良的品质。常用的运算放大器有两个输入端与一个输出端，由于内部结构基本对称，因此具有较强的零点漂移抑制能力。放大器除了需要抑制自身的零点漂移外还常常在使用中需要抑制外来的共模信号，并且在模拟信号差分传输电路中实现单个信号与一对互补的两个差动信号之间的相互转换，但由于运算放大器只有一个输出信号，构建单个信号与一对两个差动信号的转换电路比较复杂，使用不便，效果不是很理想。技术实现要素：本实用新型所要解决的技术问题是：1、结构上全对称的放大电路，有两个输入端与两个信号互补的输出端；2、便于构建一般的放大电路，同时也便于构建单信号与互补差动信号的转换电路。本实用新型提供了一种全对称双输入双输出放大器。本实用新型所要解决的技术问题是通过下述技术方案实现的。一种全对称双输入双输出放大器，有同相输入端和反相输入端两个输入端与同相输出端和反相输出端两个输出端；全对称双输入双输出放大器主要由一个对称的差分放大电路、两个相同的高倍放大电路、两个相同的功率放大电路组成，差分放大电路的两个输入端也是全对称双输入双输出放大器的两个输入端，差分放大电路的两个输出端各自连接一个高倍放大电路的输入端，两个高倍放大电路的输出端各自连接一个功率放大电路的输入端，两个功率放大电路的输出端也是全对称双输入双输出放大器的两个输出端。高倍放大电路采用同相放大电路或反相放大电路，差分放大电路的两个输入端同相输入端和反相输入端也是全对称双输入双输出放大器的两个同名输入端，全对称双输入双输出放大器的两个输出端与同相输入端信号相位同相的为同相输出端、与反相输入端信号相位同相 的为反相输出端。高倍放大电路采用同相放大电路的全对称双输入双输出放大器的框图如图1所示，高倍放大电路采用反相放大电路的全对称双输入双输出放大器的框图如图2所示。差分放大电路由两个参数相同的三极管、一个公共恒流源或公共发射极电阻、两个阻值相等的集电极负载电阻组成，两个三极管的基极即为差分放大电路的两个输入端，两个三极管的发射极连接在一起再接公共恒流源或公共发射极电阻的一端，公共恒流源或公共发射极电阻的另一端接直流电源的一极，两个三极管的集电极连接集电极负载电阻的一端，集电极负载电阻的另一端接直流电源的另一极，两个三极管的集电极也是差分放大电路的两个输出端。高倍放大电路由单级共射放大电路或多级共射放大电路级联构成，每一级共射放大电路由一个三极管、一个发射极电阻、一个恒流源或集电极负载电阻组成；三极管的基极即为共射放大电路的输入端，三极管的发射极连接发射极电阻的一端，发射极电阻的另一端接直流电源的一极，三极管的集电极连接恒流源或集电极负载电阻的一端，恒流源或集电极负载电阻的另一端接直流电源的另一极，三极管的集电极也是共射放大电路的输出端，单级共射放大电路的输入端与输出端也是高倍放大电路的输入端与输出端，多级共射放大电路的首级共射放大电路的输入端也是高倍放大电路的输入端，多级共射放大电路的末级共射放大电路的输出端也是高倍放大电路的输出端。功率放大电路采用互补对称形式，一种形式由两个参数相似极性互补的三极管、两个阻值相等的发射极电阻、两个相同的恒压源组成，两个三极管的基极各自通过一个恒压源连接在一起，两个恒压源的公共端作为功率放大电路的输入端，两个三极管的发射极各自通过一个发射极电阻连接在一起，两个发射极电阻的公共端作为功率放大电路的输出端，两个三极管的集电极分别接直流电源的两极。功率放大电路采用互补对称形式，另一种形式由两个参数相似极性互补的三极管、两个阻值相等的发射极电阻、两个参数相同的二极管和两个阻值相等的限流电阻组成，两个三极管的基极各自通过一个二极管连接在一起，两个二极管的公共端作为功率放大电路的输入端，两个三极管的基极各自再同时通过一个限流电阻分别接直流电源的两极，两个三极管的发射极各自通过一个发射极电阻连接在一起，两个发射极电阻的公共端作为功率放大电路的输出端，两个三极管的集电极分别接直流电源的两极；两个二极管也可以采用稳压管或由两个二极管顺向串联构成的二极管串联电路。三极管也可以采用场效应管，场效应管的源极对应三极管的发射极、场效应管的栅极对 应三极管的基极、场效应管的漏极对应三极管的集电极。由于全对称双输入双输出放大器采用了全对称结构，因此全对称双输入双输出放大器具有非常强的零点漂移抑制能力。同时第一级放大电路采用差分放大电路形式，特别当差分放大电路的公共发射极采用公共恒流源偏置时由于其等效动态电阻非常大，因而具有非常强的共模信号抑制能力。还有由于全对称双输入双输出放大器具有两个信号互补的输出端，因而无论是构建一般的放大电路还是构建单信号与差动互补信号的转换电路实现模拟信号的差分方式传输，对提高模拟信号远程传输的抗干扰能力都提供了很大的便利。除此之外，全对称双输入双输出放大器还可以应用于开关电路、数字脉冲电路，由于全对称双输入双输出放大器具有两个信号互补的输出端使其在连接时灵活多变，并且由于两个输出脉冲信号在时间上具有极好的同步性，因而可以用于对延迟要求很高的时钟电路，使得放大电路的适用范围大大拓宽。全对称双输入双输出放大器是结构全对称的双输入互补双输出放大电路，同时具有很强的零点漂移抑制能力和共模信号抑制能力，还具有结构简单、成本低廉、使用方便等特点，在信号变换与处理、信号发生、开关电路、数字脉冲电路、时钟电路等电子电路应用中有着广泛的实用价值。附图说明图1由同相高倍放大电路构成的全对称双输入双输出放大器框图。图2由反相高倍放大电路构成的全对称双输入双输出放大器框图。图3由两级共射放大电路构成同相高倍放大电路的高质全对称双输入双输出放大器。图4由三级共射放大电路构成反相高倍放大电路的高质全对称双输入双输出放大器。图5由两级共射放大电路构成同相高倍放大电路的典型全对称双输入双输出放大器。图6由三级共射放大电路构成反相高倍放大电路的典型全对称双输入双输出放大器。图7由两级共射放大电路构成同相高倍放大电路的简易全对称双输入双输出放大器。图8由三级共射放大电路构成反相高倍放大电路的简易全对称双输入双输出放大器。图9差分放大电路至静态直流通路的演变过程。图10动态信号源激励的分解过程。图11差分放大电路分解为两种动态模式的叠加。图12差分放大电路至动态共模信号通路的演变过程。图13差分放大电路至动态差模信号通路的演变过程。具体实施方式下面结合附图对本实用新型进行详细描述。实施例一种全对称双输入双输出放大器，有两个输入端与两个输出端，由差分放大电路、高倍放大电路、功率放大电路组成，差分放大电路的输入端也是全对称双输入双输出放大器的输入端，差分放大电路的输出端连接高倍放大电路的输入端，高倍放大电路的输出端连接功率放大电路的输入端，功率放大电路的输出端也是全对称双输入双输出放大器的输出端。全对称双输入双输出放大器有恒定电源偏置、电阻偏置、或恒定电源与电阻混合偏置三种偏置电路形式，恒定电源偏置电路比较复杂但具有很高的性能，电阻偏置电路比较简单但性能一般，恒定电源与电阻混合偏置则具有较高的性能与相对简单的电路。恒定电源有两种类型：恒压源与恒流源。恒压源采用二极管、稳压管、二极管串联电路、三极管恒压电路等实现，恒流源可以用耗尽型场效应管、结型场效应管、镜像电流源或稳压管与三极管构成的恒流源实现。采用恒定电源偏置电路的高质全对称双输入双输出放大器如图3、图4所示，采用恒定电源与电阻混合偏置电路的典型全对称双输入双输出放大器如图5、图6所示，采用电阻偏置电路的简易全对称双输入双输出放大器如图7、图8所示。高倍放大电路由多级共射放大电路级联构成，由于级数的不同，高倍放大电路分为单级放大电路、二级放大电路、三级放大电路、四级或四级以上的放大电路。由二级共射放大电路构成同相高倍放大电路的全对称双输入双输出放大器如图3、图5、图7所示，由三级共射放大电路构成反相高倍放大电路的全对称双输入双输出放大器如图4、图6、图8所示。结构复杂度与性能较为均衡的典型全对称双输入双输出放大器采用恒定电源与电阻混合偏置电路，如图5、图6所示，第一级差分放大电路的两个NPN型三极管的基极作为全对称双输入双输出放大器的两个输入端，两个NPN型三极管的发射极相连，公共端通过恒流源接直流电源的一极，恒流源采用结型场效应管栅极与源极短接实现，两个NPN型三极管的集电极分别通过集电极负载电阻接直流电源的另一极，同时两个NPN型三极管的集电极分别输出信号至高倍放大电路，需要高阻输入时两个NPN型三极管也可以采用MOSFET或JFET代替。典型全对称双输入双输出放大器的高倍放大电路采用电阻偏置的共射放大电路，邻级共射放大电路的三极管采用NPN型、PNP型交叉使用的方式，避免静态直流工作点偏离零电位过大导致最大不失真输出电压的减小。三极管的基极作为共射放大电路的输入端，三极管的发射极通过发射极电阻接直流电源的一极，三极管的集电极通过集电极负载电阻接直流电源 的另一极，三极管的集电极也是共射放大电路的输出端。高倍放大电路的最后一级共射放大电路因需要驱动功率放大电路，因而其三极管集电极负载电阻通常采用恒流源代替，从而使共射放大电路获得较大的正负双向驱动能力。典型全对称双输入双输出放大器的功率放大电路采用互补对称功率放大电路形式，由两个参数相似极性互补的三极管、两个阻值相等的发射极电阻、两个相同的恒压源组成，恒压源由两个阻值相等的限流电阻和四个相同的二极管构成，四个二极管分为两组，每组两个二极管顺向串联，两组二极管电路再顺向串联，两端分别通过限流电阻接直流电源的两极，两组二极管电路的公共端作为功率放大电路的输入端，二极管电路与限流电阻的两个公共端则分别接两个三极管的基极，两个三极管的集电极分别接直流电源的两极，两个三极管的发射极通过发射极电阻相连，两个发射极电阻的公共端作为功率放大电路的输出端，功率放大电路的两个三极管接成射极输出器电路形式。其中的二极管也常将三极管的集电极与基极短接实现，功率较大时两个三极管可采用GTR或IGBT。全对称双输入双输出放大器性能的关键在于第一级差分放大电路，全对称双输入双输出放大器中差分放大电路的负载可等效为一个与集电极负载电阻RC1或RC2并联的电阻，并合并为一个集电极负载电阻R’C1或R’C2，构成了一个等效差分放大电路。差分放大电路的原理分析主要包括静态分析和动态分析两项内容。差分放大电路有两个自然输入电压ui1、ui2，这两个电压信号也是动态电压信号。差分放大电路有两个自然输出电压uO1、uO2分包含别直流信号分量UO1、UO2与动态信号分量uo1、uo2，由于电路对称故两个直流电压分量相等，即：UO1＝UO2＝UO，其关系为：uO1=UO1+uo1=UO+uo1uO2=UO2+uo2=UO+uo2]]>差分放大电路的静态分析：将自然输入电压的信号源对地短路得到静态直流通路，公共发射极电阻RE可以一分为二，变成两个两倍阻值2RE电阻的并联，由于电路对称，并联连接的横向导线电流为零，该导线可视为开路，整个电路可分为两个独立的电路进行分析，差分放大电路至静态直流通路的演变过程如图9所示。由于电路对称，设：R′C1＝R′C2＝RC，差分放大电路的静态直流工作点为：IE=VEE-VBE2REIB=IE1+βIC=βIBUCE=VCC+VBE-RCIC]]>差分放大电路的输出电压直流分量即集电极电位为：UO＝VC＝VCC-RCIC三极管的动态输入电阻为：rRE≈200(Ω)+26(mV)IB(mA)]]>三极管的动态输入电阻这个参数是由静态直流工作点计算得到的动态参数，是静态分析与动态分析之间的桥梁，从而建立了动态与静态之间的联系。差分放大电路的动态分析又包含动态共模信号分析和动态差模信号分析两项内容。差分放大电路有两个自然输入电压ui1、ui2动态信号，由此可以得到共模输入电压uic与差模输入电压uid两个信号：uic=ui1+ui22uid=ui1-ui22]]>两个自然输入电压ui1、ui2也可以用共模输入电压uic和差模输入电压uid来表示：ui1=uic+uidui2=uic-uid]]>差分放大电路的两个自然输入电压可视为由共模输入电压与差模输入电压叠加而成。差分放大电路还有两个自然输出电压uo1、uo2动态信号，由此可以得到共模输出电压uoc与差模输出电压uod两个信号：uoc=uo1+uo22uod=uo1-uo22]]>两个动态输出电压信号uo1、uo2也可以用共模输出电压uoc和差模输出电压uod来表示：uo1=uoc+uoduo2=uoc-uod]]>差分放大电路的两个动态输出电压可视为由共模输出电压与差模输出电压叠加而成。差分放大电路的两个信号源激励可分解为共模电压与差模电压的叠加，电压信号源激励的分解过程如图10所示，差分放大电路分解为两种动态模式的叠加如图11所示。两个自然输入电压信号ui1、ui2可用共模输入电压uic与差模输入电压uid两个信号表示，根据叠加原理，可以将差分放大电路的在共模输入电压uic或差模输入电压uid的单独作用下电路分别测算输出共模输出电压uoc或差模输出电压uod，再经过转换从而得到差分放大电路的两个动态输出电压信号uo1、uo2。差分放大电路的动态共模信号分析：将直流电源对地短路、将差模电压信号源电压置零得到差分放大电路的动态共模信号通路，两个共模电压信号源可以合为一个电压相等的共动电压信号源，公共发射极电阻可以一分为二，变成两个两倍阻值2RE电阻的并联，由于电路对称，并联连接的横向导线电流为零，该导线可视为开路，整个电路则可分解为两个独立的电路进行分析，差分放大电路至动态共模信号通路的演变过程如图12所示。共动电压源是由两个共模电压源并联合并而成，因此共动输入电压uiC与共模输入电压uic相等，即：uiC＝uic。同理，共动输出电压uoC与共模输出电压uoc也相等，即：uoC＝uoc。差分放大电路的共模动态参数：共模放大倍数Auc、共动输入电阻riC、共模输入电阻ric、共动输出电阻roC、共模输出电阻roc。Auc=uoCuiC=uocuic=uo1+uo2ui1+ui2=uo1ui1=uo2ui2=-βRCrBE+2(1+β)REriC=uiCiiC=rBE2+(1+β)RE,ric=uiciic=rBE+2(1+β)REroC=uoCioC=RC2,roc=uocioc=RC]]>由于公共发射极电阻RE的存在，共模放大倍数Auc较小。共动电压源是由两个共模电压源并联合并而成，由于差分放大电路对称，两个共模电压源中的电流相等，因此，共动输入电流iiC是共模输入电流iic的二倍iiC＝2iic、共动输出电流ioC也是共模输出电流ioc的二倍ioC＝2ioc。共动电压与共模电压相等、共动电流是共模电流的二倍，则共动输入电阻riC是共模输入电阻ric的二分之一riC＝ric/2，共动输出电阻roC是共模输出电阻roc的二分之一roC＝roc/2，即：共动电阻是共模电阻的二分之一。差分放大电路的动态差模信号分析：将直流电源对地短路、将共模电压信号源电压置零得到差分放大电路的动态差模信号通路，由于电路对称，两个差模电压信号源的公共端对地 电流为零，两个差模电压信号源视为串联并可以合为一个电压为其两倍的差动电压信号源，由于在差动电压信号源电压变化时公共发射极电阻RE的电流不变，故公共发射极电阻RE的电压也不变，因此，动态分析时公共发射极电阻RE可视为短路，由此整个电路可分解为两个独立的电路进行分析，差分放大电路至动态差模信号通路的演变过程如图13所示。差动电压源是由两个差模电压源串联合并而成，因此，差动输入电压uiD为两个自然输入电压ui1、ui2之差，也是差模输入电压uid的二倍，即：uiD＝2uid。同理，差动输出电压uoD为两个动态输出电压uo1、uo2之差，也是差模输出电压uod的二倍，即：uoD＝2uod。差分放大电路的差模动态参数：差模放大倍数Aud、差动输入电阻riD、差模输入电阻rid、差动输出电阻roD、差模输出电阻rod。Aud=uoDuiD=uoduid=uo1-uo2ui1-ui2=uo1ui1=uo2ui2=-βRCrBEriD=uiDiiD=2rBE,rid=uidiid=rBEroD=uoDioD=2RC,rod=uodiod=RC]]>由于没有公共发射极电阻RE，差模放大倍数Aud较大。由于差分放大电路对称，两个差模电压信号源的电流大小相等方向相反，差动电压信号源是由两个对称差模电压源的串联合并而成，因此，差动输入电流iiD与差模输入电流iid相等iiD＝iid、差动输出电流ioD与差模输出电流iod相等ioD＝iod。差动电压是差模电压的二倍、差动电流与差模电流相等，则差动输入电阻riD是差模输入电阻rid的二倍riD＝2rid，差动输出电阻roD是差模输出电阻rod的二倍roD＝2rod，即：差动电阻是差模电阻的二倍。差分放大电路的自然输出电压通过共模放大倍数与差模放大倍数与自然输入电压关联。差分放大电路的共模输出电压信号和差模输出电压信号为：uoc=Aucuic=Aucui1+ui22uod=Auduid=Audui1-ui22]]>差分放大电路的动态输出电压由共模输出电压和差模输出电压叠加而成：uo1=uoc+uod=Aucuic+Auduid=Auc+Aud2ui1+Auc-Aud2ui2uo2=uoc-uod=Aucuic-Auduid=Auc-Aud2ui1+Auc+Aud2ui2]]>差分放大电路的自然输出电压是由静态直流电压与动态输出电压叠加得到：uO1=UO+uoc+uod=(VCC-RCIC)+Auc+Aud2ui1+Auc-Aud2ui2uO2=UO+uoc-uod=(VCC-RCIC)+Auc-Aud2ui1+Auc+Aud2ui2]]>差分放大电路的共模抑制比为：KCMR=|AudAuc|=βRCrBEβRCrBE+2(1+β)RE=1+2(1+β)RErBE]]>共模抑制比为差模放大倍数与共模放大倍数之比，反映了差分放大电路对于共模信号的抑制能力，是差分放大电路的重要参数。通常β＞＞1、RE＞＞rBE，则KCMR＞＞1，差分放大电路具有很高的共模抑制比，从而使得全对称双输入双输出放大器具有良好的性能。当差分放大电路的公共发射极电阻RE采用公共恒流源代替时，由于其动态电阻极大，故差分放大电路的共模放大倍数Auc趋于0，则共模输出电压uoc也趋于0。差分放大电路的动态输出电压信号则为：uo1=uoc+uod=Aucuic+Auduid=+Audui1-ui22uo2=uoc-uod=Aucuic-Auduid=-Audui1-ui22]]>差分放大电路的自然输出电压信号则为：uO1=UO+uoc+uod=(VCC-RCIC)+Audui1-ui22uO2=UO+uoc-uod=(VCC-RCIC)-Audui1-ui22]]>此时，差分放大电路的共模抑制比KCMR趋于无穷大，两个自然输出电压均不含共模分量，采用公共恒流源的差分放大电路的全对称双输入双输出放大器具有非常优良的性能。当前第1页1 2 3