全對稱雙輸入雙輸出放大器的制作方法

本實用新型涉及一種全對稱雙輸入雙輸出放大器，特別是采用互補雙輸出全對稱結構的全對稱雙輸入雙輸出放大器，屬于放大電路、電子電路。
背景技術：
：放大器在電子電路、信號變換與處理、波形發生器等領域有著非常廣泛的應用，一般的運算放大器由于其非常大的電壓或電流放大倍數因而可以配置成深負反饋或深正反饋電路，從而使得整個反饋電路具有非常優良的品質。常用的運算放大器有兩個輸入端與一個輸出端，由于內部結構基本對稱，因此具有較強的零點漂移抑制能力。放大器除了需要抑制自身的零點漂移外還常常在使用中需要抑制外來的共模信號，并且在模擬信號差分傳輸電路中實現單個信號與一對互補的兩個差動信號之間的相互轉換，但由于運算放大器只有一個輸出信號，構建單個信號與一對兩個差動信號的轉換電路比較復雜，使用不便，效果不是很理想。技術實現要素：本實用新型所要解決的技術問題是：1、結構上全對稱的放大電路，有兩個輸入端與兩個信號互補的輸出端；2、便于構建一般的放大電路，同時也便于構建單信號與互補差動信號的轉換電路。本實用新型提供了一種全對稱雙輸入雙輸出放大器。本實用新型所要解決的技術問題是通過下述技術方案實現的。一種全對稱雙輸入雙輸出放大器，有同相輸入端和反相輸入端兩個輸入端與同相輸出端和反相輸出端兩個輸出端；全對稱雙輸入雙輸出放大器主要由一個對稱的差分放大電路、兩個相同的高倍放大電路、兩個相同的功率放大電路組成，差分放大電路的兩個輸入端也是全對稱雙輸入雙輸出放大器的兩個輸入端，差分放大電路的兩個輸出端各自連接一個高倍放大電路的輸入端，兩個高倍放大電路的輸出端各自連接一個功率放大電路的輸入端，兩個功率放大電路的輸出端也是全對稱雙輸入雙輸出放大器的兩個輸出端。高倍放大電路采用同相放大電路或反相放大電路，差分放大電路的兩個輸入端同相輸入端和反相輸入端也是全對稱雙輸入雙輸出放大器的兩個同名輸入端，全對稱雙輸入雙輸出放大器的兩個輸出端與同相輸入端信號相位同相的為同相輸出端、與反相輸入端信號相位同相 的為反相輸出端。高倍放大電路采用同相放大電路的全對稱雙輸入雙輸出放大器的框圖如圖1所示，高倍放大電路采用反相放大電路的全對稱雙輸入雙輸出放大器的框圖如圖2所示。差分放大電路由兩個參數相同的三極管、一個公共恒流源或公共發射極電阻、兩個阻值相等的集電極負載電阻組成，兩個三極管的基極即為差分放大電路的兩個輸入端，兩個三極管的發射極連接在一起再接公共恒流源或公共發射極電阻的一端，公共恒流源或公共發射極電阻的另一端接直流電源的一極，兩個三極管的集電極連接集電極負載電阻的一端，集電極負載電阻的另一端接直流電源的另一極，兩個三極管的集電極也是差分放大電路的兩個輸出端。高倍放大電路由單級共射放大電路或多級共射放大電路級聯構成，每一級共射放大電路由一個三極管、一個發射極電阻、一個恒流源或集電極負載電阻組成；三極管的基極即為共射放大電路的輸入端，三極管的發射極連接發射極電阻的一端，發射極電阻的另一端接直流電源的一極，三極管的集電極連接恒流源或集電極負載電阻的一端，恒流源或集電極負載電阻的另一端接直流電源的另一極，三極管的集電極也是共射放大電路的輸出端，單級共射放大電路的輸入端與輸出端也是高倍放大電路的輸入端與輸出端，多級共射放大電路的首級共射放大電路的輸入端也是高倍放大電路的輸入端，多級共射放大電路的末級共射放大電路的輸出端也是高倍放大電路的輸出端。功率放大電路采用互補對稱形式，一種形式由兩個參數相似極性互補的三極管、兩個阻值相等的發射極電阻、兩個相同的恒壓源組成，兩個三極管的基極各自通過一個恒壓源連接在一起，兩個恒壓源的公共端作為功率放大電路的輸入端，兩個三極管的發射極各自通過一個發射極電阻連接在一起，兩個發射極電阻的公共端作為功率放大電路的輸出端，兩個三極管的集電極分別接直流電源的兩極。功率放大電路采用互補對稱形式，另一種形式由兩個參數相似極性互補的三極管、兩個阻值相等的發射極電阻、兩個參數相同的二極管和兩個阻值相等的限流電阻組成，兩個三極管的基極各自通過一個二極管連接在一起，兩個二極管的公共端作為功率放大電路的輸入端，兩個三極管的基極各自再同時通過一個限流電阻分別接直流電源的兩極，兩個三極管的發射極各自通過一個發射極電阻連接在一起，兩個發射極電阻的公共端作為功率放大電路的輸出端，兩個三極管的集電極分別接直流電源的兩極；兩個二極管也可以采用穩壓管或由兩個二極管順向串聯構成的二極管串聯電路。三極管也可以采用場效應管，場效應管的源極對應三極管的發射極、場效應管的柵極對 應三極管的基極、場效應管的漏極對應三極管的集電極。由于全對稱雙輸入雙輸出放大器采用了全對稱結構，因此全對稱雙輸入雙輸出放大器具有非常強的零點漂移抑制能力。同時第一級放大電路采用差分放大電路形式，特別當差分放大電路的公共發射極采用公共恒流源偏置時由于其等效動態電阻非常大，因而具有非常強的共模信號抑制能力。還有由于全對稱雙輸入雙輸出放大器具有兩個信號互補的輸出端，因而無論是構建一般的放大電路還是構建單信號與差動互補信號的轉換電路實現模擬信號的差分方式傳輸，對提高模擬信號遠程傳輸的抗干擾能力都提供了很大的便利。除此之外，全對稱雙輸入雙輸出放大器還可以應用于開關電路、數字脈沖電路，由于全對稱雙輸入雙輸出放大器具有兩個信號互補的輸出端使其在連接時靈活多變，并且由于兩個輸出脈沖信號在時間上具有極好的同步性，因而可以用于對延遲要求很高的時鐘電路，使得放大電路的適用范圍大大拓寬。全對稱雙輸入雙輸出放大器是結構全對稱的雙輸入互補雙輸出放大電路，同時具有很強的零點漂移抑制能力和共模信號抑制能力，還具有結構簡單、成本低廉、使用方便等特點，在信號變換與處理、信號發生、開關電路、數字脈沖電路、時鐘電路等電子電路應用中有著廣泛的實用價值。附圖說明圖1由同相高倍放大電路構成的全對稱雙輸入雙輸出放大器框圖。圖2由反相高倍放大電路構成的全對稱雙輸入雙輸出放大器框圖。圖3由兩級共射放大電路構成同相高倍放大電路的高質全對稱雙輸入雙輸出放大器。圖4由三級共射放大電路構成反相高倍放大電路的高質全對稱雙輸入雙輸出放大器。圖5由兩級共射放大電路構成同相高倍放大電路的典型全對稱雙輸入雙輸出放大器。圖6由三級共射放大電路構成反相高倍放大電路的典型全對稱雙輸入雙輸出放大器。圖7由兩級共射放大電路構成同相高倍放大電路的簡易全對稱雙輸入雙輸出放大器。圖8由三級共射放大電路構成反相高倍放大電路的簡易全對稱雙輸入雙輸出放大器。圖9差分放大電路至靜態直流通路的演變過程。圖10動態信號源激勵的分解過程。圖11差分放大電路分解為兩種動態模式的疊加。圖12差分放大電路至動態共模信號通路的演變過程。圖13差分放大電路至動態差模信號通路的演變過程。具體實施方式下面結合附圖對本實用新型進行詳細描述。實施例一種全對稱雙輸入雙輸出放大器，有兩個輸入端與兩個輸出端，由差分放大電路、高倍放大電路、功率放大電路組成，差分放大電路的輸入端也是全對稱雙輸入雙輸出放大器的輸入端，差分放大電路的輸出端連接高倍放大電路的輸入端，高倍放大電路的輸出端連接功率放大電路的輸入端，功率放大電路的輸出端也是全對稱雙輸入雙輸出放大器的輸出端。全對稱雙輸入雙輸出放大器有恒定電源偏置、電阻偏置、或恒定電源與電阻混合偏置三種偏置電路形式，恒定電源偏置電路比較復雜但具有很高的性能，電阻偏置電路比較簡單但性能一般，恒定電源與電阻混合偏置則具有較高的性能與相對簡單的電路。恒定電源有兩種類型：恒壓源與恒流源。恒壓源采用二極管、穩壓管、二極管串聯電路、三極管恒壓電路等實現，恒流源可以用耗盡型場效應管、結型場效應管、鏡像電流源或穩壓管與三極管構成的恒流源實現。采用恒定電源偏置電路的高質全對稱雙輸入雙輸出放大器如圖3、圖4所示，采用恒定電源與電阻混合偏置電路的典型全對稱雙輸入雙輸出放大器如圖5、圖6所示，采用電阻偏置電路的簡易全對稱雙輸入雙輸出放大器如圖7、圖8所示。高倍放大電路由多級共射放大電路級聯構成，由于級數的不同，高倍放大電路分為單級放大電路、二級放大電路、三級放大電路、四級或四級以上的放大電路。由二級共射放大電路構成同相高倍放大電路的全對稱雙輸入雙輸出放大器如圖3、圖5、圖7所示，由三級共射放大電路構成反相高倍放大電路的全對稱雙輸入雙輸出放大器如圖4、圖6、圖8所示。結構復雜度與性能較為均衡的典型全對稱雙輸入雙輸出放大器采用恒定電源與電阻混合偏置電路，如圖5、圖6所示，第一級差分放大電路的兩個NPN型三極管的基極作為全對稱雙輸入雙輸出放大器的兩個輸入端，兩個NPN型三極管的發射極相連，公共端通過恒流源接直流電源的一極，恒流源采用結型場效應管柵極與源極短接實現，兩個NPN型三極管的集電極分別通過集電極負載電阻接直流電源的另一極，同時兩個NPN型三極管的集電極分別輸出信號至高倍放大電路，需要高阻輸入時兩個NPN型三極管也可以采用MOSFET或JFET代替。典型全對稱雙輸入雙輸出放大器的高倍放大電路采用電阻偏置的共射放大電路，鄰級共射放大電路的三極管采用NPN型、PNP型交叉使用的方式，避免靜態直流工作點偏離零電位過大導致最大不失真輸出電壓的減小。三極管的基極作為共射放大電路的輸入端，三極管的發射極通過發射極電阻接直流電源的一極，三極管的集電極通過集電極負載電阻接直流電源 的另一極，三極管的集電極也是共射放大電路的輸出端。高倍放大電路的最后一級共射放大電路因需要驅動功率放大電路，因而其三極管集電極負載電阻通常采用恒流源代替，從而使共射放大電路獲得較大的正負雙向驅動能力。典型全對稱雙輸入雙輸出放大器的功率放大電路采用互補對稱功率放大電路形式，由兩個參數相似極性互補的三極管、兩個阻值相等的發射極電阻、兩個相同的恒壓源組成，恒壓源由兩個阻值相等的限流電阻和四個相同的二極管構成，四個二極管分為兩組，每組兩個二極管順向串聯，兩組二極管電路再順向串聯，兩端分別通過限流電阻接直流電源的兩極，兩組二極管電路的公共端作為功率放大電路的輸入端，二極管電路與限流電阻的兩個公共端則分別接兩個三極管的基極，兩個三極管的集電極分別接直流電源的兩極，兩個三極管的發射極通過發射極電阻相連，兩個發射極電阻的公共端作為功率放大電路的輸出端，功率放大電路的兩個三極管接成射極輸出器電路形式。其中的二極管也常將三極管的集電極與基極短接實現，功率較大時兩個三極管可采用GTR或IGBT。全對稱雙輸入雙輸出放大器性能的關鍵在于第一級差分放大電路，全對稱雙輸入雙輸出放大器中差分放大電路的負載可等效為一個與集電極負載電阻RC1或RC2并聯的電阻，并合并為一個集電極負載電阻R’C1或R’C2，構成了一個等效差分放大電路。差分放大電路的原理分析主要包括靜態分析和動態分析兩項內容。差分放大電路有兩個自然輸入電壓ui1、ui2，這兩個電壓信號也是動態電壓信號。差分放大電路有兩個自然輸出電壓uO1、uO2分包含別直流信號分量UO1、UO2與動態信號分量uo1、uo2，由于電路對稱故兩個直流電壓分量相等，即：UO1＝UO2＝UO，其關系為：uO1=UO1+uo1=UO+uo1uO2=UO2+uo2=UO+uo2]]>差分放大電路的靜態分析：將自然輸入電壓的信號源對地短路得到靜態直流通路，公共發射極電阻RE可以一分為二，變成兩個兩倍阻值2RE電阻的并聯，由于電路對稱，并聯連接的橫向導線電流為零，該導線可視為開路，整個電路可分為兩個獨立的電路進行分析，差分放大電路至靜態直流通路的演變過程如圖9所示。由于電路對稱，設：R′C1＝R′C2＝RC，差分放大電路的靜態直流工作點為：IE=VEE-VBE2REIB=IE1+βIC=βIBUCE=VCC+VBE-RCIC]]>差分放大電路的輸出電壓直流分量即集電極電位為：UO＝VC＝VCC-RCIC三極管的動態輸入電阻為：rRE≈200(Ω)+26(mV)IB(mA)]]>三極管的動態輸入電阻這個參數是由靜態直流工作點計算得到的動態參數，是靜態分析與動態分析之間的橋梁，從而建立了動態與靜態之間的聯系。差分放大電路的動態分析又包含動態共模信號分析和動態差模信號分析兩項內容。差分放大電路有兩個自然輸入電壓ui1、ui2動態信號，由此可以得到共模輸入電壓uic與差模輸入電壓uid兩個信號：uic=ui1+ui22uid=ui1-ui22]]>兩個自然輸入電壓ui1、ui2也可以用共模輸入電壓uic和差模輸入電壓uid來表示：ui1=uic+uidui2=uic-uid]]>差分放大電路的兩個自然輸入電壓可視為由共模輸入電壓與差模輸入電壓疊加而成。差分放大電路還有兩個自然輸出電壓uo1、uo2動態信號，由此可以得到共模輸出電壓uoc與差模輸出電壓uod兩個信號：uoc=uo1+uo22uod=uo1-uo22]]>兩個動態輸出電壓信號uo1、uo2也可以用共模輸出電壓uoc和差模輸出電壓uod來表示：uo1=uoc+uoduo2=uoc-uod]]>差分放大電路的兩個動態輸出電壓可視為由共模輸出電壓與差模輸出電壓疊加而成。差分放大電路的兩個信號源激勵可分解為共模電壓與差模電壓的疊加，電壓信號源激勵的分解過程如圖10所示，差分放大電路分解為兩種動態模式的疊加如圖11所示。兩個自然輸入電壓信號ui1、ui2可用共模輸入電壓uic與差模輸入電壓uid兩個信號表示，根據疊加原理，可以將差分放大電路的在共模輸入電壓uic或差模輸入電壓uid的單獨作用下電路分別測算輸出共模輸出電壓uoc或差模輸出電壓uod，再經過轉換從而得到差分放大電路的兩個動態輸出電壓信號uo1、uo2。差分放大電路的動態共模信號分析：將直流電源對地短路、將差模電壓信號源電壓置零得到差分放大電路的動態共模信號通路，兩個共模電壓信號源可以合為一個電壓相等的共動電壓信號源，公共發射極電阻可以一分為二，變成兩個兩倍阻值2RE電阻的并聯，由于電路對稱，并聯連接的橫向導線電流為零，該導線可視為開路，整個電路則可分解為兩個獨立的電路進行分析，差分放大電路至動態共模信號通路的演變過程如圖12所示。共動電壓源是由兩個共模電壓源并聯合并而成，因此共動輸入電壓uiC與共模輸入電壓uic相等，即：uiC＝uic。同理，共動輸出電壓uoC與共模輸出電壓uoc也相等，即：uoC＝uoc。差分放大電路的共模動態參數：共模放大倍數Auc、共動輸入電阻riC、共模輸入電阻ric、共動輸出電阻roC、共模輸出電阻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]]>由于公共發射極電阻RE的存在，共模放大倍數Auc較小。共動電壓源是由兩個共模電壓源并聯合并而成，由于差分放大電路對稱，兩個共模電壓源中的電流相等，因此，共動輸入電流iiC是共模輸入電流iic的二倍iiC＝2iic、共動輸出電流ioC也是共模輸出電流ioc的二倍ioC＝2ioc。共動電壓與共模電壓相等、共動電流是共模電流的二倍，則共動輸入電阻riC是共模輸入電阻ric的二分之一riC＝ric/2，共動輸出電阻roC是共模輸出電阻roc的二分之一roC＝roc/2，即：共動電阻是共模電阻的二分之一。差分放大電路的動態差模信號分析：將直流電源對地短路、將共模電壓信號源電壓置零得到差分放大電路的動態差模信號通路，由于電路對稱，兩個差模電壓信號源的公共端對地 電流為零，兩個差模電壓信號源視為串聯并可以合為一個電壓為其兩倍的差動電壓信號源，由于在差動電壓信號源電壓變化時公共發射極電阻RE的電流不變，故公共發射極電阻RE的電壓也不變，因此，動態分析時公共發射極電阻RE可視為短路，由此整個電路可分解為兩個獨立的電路進行分析，差分放大電路至動態差模信號通路的演變過程如圖13所示。差動電壓源是由兩個差模電壓源串聯合并而成，因此，差動輸入電壓uiD為兩個自然輸入電壓ui1、ui2之差，也是差模輸入電壓uid的二倍，即：uiD＝2uid。同理，差動輸出電壓uoD為兩個動態輸出電壓uo1、uo2之差，也是差模輸出電壓uod的二倍，即：uoD＝2uod。差分放大電路的差模動態參數：差模放大倍數Aud、差動輸入電阻riD、差模輸入電阻rid、差動輸出電阻roD、差模輸出電阻rod。Aud=uoDuiD=uoduid=uo1-uo2ui1-ui2=uo1ui1=uo2ui2=-βRCrBEriD=uiDiiD=2rBE,rid=uidiid=rBEroD=uoDioD=2RC,rod=uodiod=RC]]>由于沒有公共發射極電阻RE，差模放大倍數Aud較大。由于差分放大電路對稱，兩個差模電壓信號源的電流大小相等方向相反，差動電壓信號源是由兩個對稱差模電壓源的串聯合并而成，因此，差動輸入電流iiD與差模輸入電流iid相等iiD＝iid、差動輸出電流ioD與差模輸出電流iod相等ioD＝iod。差動電壓是差模電壓的二倍、差動電流與差模電流相等，則差動輸入電阻riD是差模輸入電阻rid的二倍riD＝2rid，差動輸出電阻roD是差模輸出電阻rod的二倍roD＝2rod，即：差動電阻是差模電阻的二倍。差分放大電路的自然輸出電壓通過共模放大倍數與差模放大倍數與自然輸入電壓關聯。差分放大電路的共模輸出電壓信號和差模輸出電壓信號為：uoc=Aucuic=Aucui1+ui22uod=Auduid=Audui1-ui22]]>差分放大電路的動態輸出電壓由共模輸出電壓和差模輸出電壓疊加而成：uo1=uoc+uod=Aucuic+Auduid=Auc+Aud2ui1+Auc-Aud2ui2uo2=uoc-uod=Aucuic-Auduid=Auc-Aud2ui1+Auc+Aud2ui2]]>差分放大電路的自然輸出電壓是由靜態直流電壓與動態輸出電壓疊加得到：uO1=UO+uoc+uod=(VCC-RCIC)+Auc+Aud2ui1+Auc-Aud2ui2uO2=UO+uoc-uod=(VCC-RCIC)+Auc-Aud2ui1+Auc+Aud2ui2]]>差分放大電路的共模抑制比為：KCMR=|AudAuc|=βRCrBEβRCrBE+2(1+β)RE=1+2(1+β)RErBE]]>共模抑制比為差模放大倍數與共模放大倍數之比，反映了差分放大電路對于共模信號的抑制能力，是差分放大電路的重要參數。通常β＞＞1、RE＞＞rBE，則KCMR＞＞1，差分放大電路具有很高的共模抑制比，從而使得全對稱雙輸入雙輸出放大器具有良好的性能。當差分放大電路的公共發射極電阻RE采用公共恒流源代替時，由于其動態電阻極大，故差分放大電路的共模放大倍數Auc趨于0，則共模輸出電壓uoc也趨于0。差分放大電路的動態輸出電壓信號則為：uo1=uoc+uod=Aucuic+Auduid=+Audui1-ui22uo2=uoc-uod=Aucuic-Auduid=-Audui1-ui22]]>差分放大電路的自然輸出電壓信號則為：uO1=UO+uoc+uod=(VCC-RCIC)+Audui1-ui22uO2=UO+uoc-uod=(VCC-RCIC)-Audui1-ui22]]>此時，差分放大電路的共模抑制比KCMR趨于無窮大，兩個自然輸出電壓均不含共模分量，采用公共恒流源的差分放大電路的全對稱雙輸入雙輸出放大器具有非常優良的性能。當前第1頁1 2 3