第12章-6差分放大電路

1、第第1212章章 放大放大電路電路的建模與分析的建模與分析2 21. 1. 集成運放概述集成運放概述2. 2. 集成運放中的電流源集成運放中的電流源3. 3. 差分放大電路分析差分放大電路分析4. 4. 集成運放電路形式集成運放電路形式5. 5. 集成運放的主要性能指標集成運放的主要性能指標12.6-1 12.6-1 集成運放概述 集成運算放大器是非常重要的一種線性集成電路，它的應(yīng)用十分廣泛。它用在模擬信號的運算、放大、檢測、變換、處理、信號產(chǎn)生等等。 集成運算放大器是通過半導(dǎo)體集成工藝制成的一種高增益直接耦合式多級放大器。uA741通用高增益運算通用放大器通用高增益運算通用放大器 一、集成運

2、放的典型結(jié)構(gòu)運放的典型電路通常有三級放大電路組成運放輸入級：差分放大（差動放大器）電路 該級要求有低溫漂，高共模抑制比 和高輸入電阻特性。中間放大級：通常采用CE(CS)放大電路 運算放大器的增益主要由這一級承擔，所以這一級要有很高的電壓增益。輸出級采用互補對稱式射極跟隨器結(jié)構(gòu) 輸出級要求能驅(qū)動較大的負載，有一定的輸出電流和輸出電壓，因此，對該級要求具有低輸出電阻。二、集成運放的主要特點1高增益、高輸入電阻、低輸出電阻的多級直接耦合線性放大器;2采用微電流源作為偏置電路以降低功耗，放大電路負載采用有源負載以提高電壓增益。3在理想條件下，集成運算放大器可以看成一個電壓控制電壓源（一般工程分析）。

3、（a a）理想運放）理想運放 （b b）實際運放）實際運放反相輸入反相輸入: : 輸出信號與該端輸入信號反相位；輸出信號與該端輸入信號反相位；同相輸入同相輸入: : 輸出信號與該端輸入信號同相位；輸出信號與該端輸入信號同相位；三、集成運放的電路符號在低頻小信號的條件下運算放大器可用下面電路等效低頻小信號模型RidRod0Aod在理想條件下有：12.6-2 12.6-2 集成運放中的電流源一、基本鏡像電流源T1、T2兩管的參數(shù)和特性完全一致，兩管的參數(shù)和特性完全一致，電流放大倍數(shù)均為電流放大倍數(shù)均為。電阻電阻RREF用來確定參考電流的用來確定參考電流的IREF大小大小 CCBEREFREFVVI

4、RT1管工作在臨界飽和狀態(tài)。而管工作在臨界飽和狀態(tài)。而T2管工管工作在放大狀態(tài)。作在放大狀態(tài)。ILIC2IC1IREF -2IBIREF。輸出電流輸出電流IL與負載與負載RL無關(guān)，與無關(guān)，與IREF存存在近似的在近似的“鏡像鏡像”關(guān)系，電路稱為關(guān)系，電路稱為鏡鏡像電流源像電流源（恒流源電路）。（恒流源電路）。 EBBBIIII1121ECCCIIII121EBCREFIIII1221111212/CRLEREFEFIIIII 當三極管的當三極管的50時，基本鏡像電流源輸出電流時，基本鏡像電流源輸出電流IL與參考與參考電流電流IREF的誤差的誤差5%。電流電流IL與參考電流與參考電流IREF的關(guān)

5、系計算的關(guān)系計算當當50時，輸出電流時，輸出電流IL與參考電流與參考電流IREF的相對的相對誤差小于誤差小于0.1%二、跟隨型鏡像電流源電路減少輸出電流減少輸出電流I IL L與參考電流與參考電流I IREFREF的相對誤差的相對誤差23222BLCBIIII13322(1)REFCBLBLIIIIII鏡像電流源用作負載（電阻）鏡像電流源用作負載（電阻）2CceRr等效電阻大等效電阻大集成電路易實現(xiàn)！集成電路易實現(xiàn)！三、多路電流源電路當參考電流IREF確定后，在各支路串入不同的射不同的射極電阻極電阻，可得到不同的輸出電流。333222111eEBEeEBEeEBEeEBERIVRIVRIVRI

6、V332211eEeEeEeERIRIRIRI332211eCeCeCeREFRIRIRIRI差分放大器為克服直接耦合放大器的零點漂移而推出。是集成運算放大器十分重要的一級。12.6-3 12.6-3 差分（動）放大電路差分（動）放大電路一、 差分放大電路的基本形式和工作原理電路由二個參數(shù)和特性完全對稱的晶體三極管組成，電路的其它元件也對稱。T1、T2都是共射放大器，發(fā)射極連接在一起后經(jīng)電阻接到負電源。電路由二組對稱電源供電。 1. 1. 差分放大電路一般有兩個輸入端：差分放大電路一般有兩個輸入端： 雙端輸入雙端輸入從兩輸入端同時加信號。從兩輸入端同時加信號。 單端輸入單端輸入僅從一個輸入端僅

7、從一個輸入端對地對地加信號。加信號。 2. 2. 差差分分放大電路可放大電路可以有兩個輸出端。以有兩個輸出端。 雙端輸出雙端輸出從從C1 和和C2輸出。輸出。 單端輸出單端輸出從從C1或或C2 對地輸出對地輸出。幾個基本概念幾個基本概念-+-_-o2Ru+RT+RbTCC1R+EEueb2oVRccV+i2uui1uo13.3.差模信號與共模信號差模信號與共模信號idi1i2=uuu差模信號：差模信號：)(21=i2i1icuuu 共模信號：共模信號：idodud=uuA差模電壓增益：差模電壓增益：icocuc=uuA共模電壓增益：共模電壓增益：ucudCMR=AAK共模抑制比共模抑制比-+-

8、_-o2Ru+RT+RbTCC1R+EEueb2oVRccV+i2uui1uo1總輸出電壓：總輸出電壓：icucidudocodo=uAuAuuu i1=5.01uVi2=4.99Vu差模電壓增益：差模電壓增益：odudid=100uAu共模電壓增益：共模電壓增益：ocucic=0.01uAuidi1i20.02=Vuuu差模電壓差模電壓:共模電壓：共模電壓：ici1i21=()52uuuV輸入信號可分解為一對共模信號和一對差模信號后分別計算輸入信號可分解為一對共模信號和一對差模信號后分別計算總輸出電壓：總輸出電壓：oodocudiducic=2.05uuuA uA uV差分放大器對反映變化部

9、分的差模信號能實現(xiàn)再放大，而對反映環(huán)境條件或外界干擾的公共信號（即共模信號）加以限止或抑制。1. 克服零點漂移；克服零點漂移；2. 零輸入零輸出；零輸入零輸出；3. 抑制共模信號；抑制共模信號；4. 放大差模信號。放大差模信號。差分放大器特點：差分放大器特點：1 1、直流分析、直流分析輸入信號為零，二個基極接地。因電路參數(shù)是對稱的，所以：120OQO QO QVVV0.7EBEVVV ()0.7V22EEEEECEeeVVVIIRR CCCIII21EEEIII21EEEIIII221ReCCQCCQoQoRIVVV21 由于電路結(jié)構(gòu)對稱，元件參數(shù)和特性相同，因而溫度變化時VC1Q、VC2Q始

10、終相等，使VOQ0，從而有效地抑制了溫漂和零點漂移抑制了溫漂和零點漂移。若Rc1Rc2，則ICQ和VCQ是否相等？（1）對差模信號的放大能力端和端的信號為大小相等，而極性相反。122IdIIvvv 0ICv差模差模信號分別加在信號分別加在端和端和端的方端的方式稱式稱雙端輸入方式。雙端輸入方式。2 2、動態(tài)分析、動態(tài)分析單端差模信號：單端差模信號：共模共模信號信號：差模信號時的交流通路差模信號時的交流通路差模信號時的交流通路差模信號時的交流通路EI不變不變差模信號低頻小信號等效電路與放大系數(shù)計算差模信號低頻小信號等效電路與放大系數(shù)計算221IdIIvvvbeIdbeIBBrvrvII2121低頻

11、小信號等效電路低頻小信號等效電路1112OCcBccbI dcvi Ri RRvr 2222OCcBccbI dcvi Ri RRvr 12O dO dOI dcbcvvRrvv 放大系數(shù)放大系數(shù)（雙端輸入雙端輸出方式）（雙端輸入雙端輸出方式）I dOcbcvvRr 共模信號時的交流通路共模信號時的交流通路由于共模信號相位相同，有：由于共模信號相位相同，有：12CCii1212ECCCiiii（2）對共模信號的放大能力IcIIvvv21共模信號放大系數(shù)計算共模信號放大系數(shù)計算共模信號共模信號由于電路左右完全對稱，取單邊計算由于電路左右完全對稱，取單邊計算單邊電路為共射帶單邊電路為共射帶 電路。

12、電路。eRebeIcBBRrvII)1 (221ebeIcccCOcORrvRRivv)1 (211021OOOCOvvvv0OcvcIcvAv放大系數(shù)：放大系數(shù)：Avc在一定程度上反映差分放大在一定程度上反映差分放大電路抑制共模干擾和溫漂的能電路抑制共模干擾和溫漂的能力，力， Avc越小，則抑制溫漂能力越強。定義為差模電壓放大倍數(shù)與共模定義為差模電壓放大倍數(shù)與共模電壓放大倍數(shù)之比的絕對值。電壓放大倍數(shù)之比的絕對值。vdCMRvcAKA用分貝表示：用分貝表示：(dB) lg20vcvdCMRAAK共模抑制比共模抑制比KCMR差分放大電路的動態(tài)參數(shù)差分放大電路的動態(tài)參數(shù)： 差分放大系數(shù)：差分放大

13、系數(shù)：Ad 輸入電阻：輸入電阻：Ri 輸出電阻：輸出電阻： Ro 共模放大系數(shù)共模放大系數(shù) ：Ac 共模抑制比：共模抑制比：KCMR 根據(jù)信號源和負載的接地情況，差分放大電路有四種根據(jù)信號源和負載的接地情況，差分放大電路有四種接法：接法：雙端輸入雙端輸出雙端輸入雙端輸出、雙端輸入單端輸出雙端輸入單端輸出、單端輸單端輸入雙端輸出入雙端輸出、單端輸入單端輸出單端輸入單端輸出。1. 1. 雙端輸入雙端輸出雙端輸入雙端輸出：I dOddcbcRrAvv 差模放大系數(shù)：差模放大系數(shù)：差模輸入電阻：差模輸入電阻：2beiRr差模輸出電阻：差模輸出電阻：2CoRR共模放大系數(shù)共模放大系數(shù) ：0OcvcIcv

14、Av12(1)IccObeeRvrRv2. 2. 雙端輸入單端輸出：雙端輸入單端輸出：差模信號作用下的分析差模信號作用下的分析cLdbbe ()12oiuuRRARribbe2()RRrocRRbebLcd)( 21rRRRAebebLcc)1 (2)( RrRRRAbebebebCMR)1 (2rRRrRK2. 2. 雙端輸入單端輸出：雙端輸入單端輸出：共模信號作用下的分析共模信號作用下的分析有共模信號輸出！有共模信號輸出！3.3.單端輸入雙端輸出單端輸入雙端輸出 輸入信號分解為差模信號和共模信號輸入信號分解為差模信號和共模信號beLcd)2/(rRRRAbu 0uc A beid2rRRb

15、 co2 RR 單端輸入時的電壓放大倍數(shù)與差模輸入單端輸入時的電壓放大倍數(shù)與差模輸入（雙端輸入）時的電壓放大倍數(shù)近似相同。（雙端輸入）時的電壓放大倍數(shù)近似相同。cLdbe/2ubRRARr beid2rRRb coRR cLce()2RRAR 4. 4. 單端輸入單端輸出單端輸入單端輸出 為提高共模抑制比，增大為提高共模抑制比，增大ebecIcOcvcRrRvvA)1 (211引入恒流源概念！eR實際電流源偏置電路實際電流源偏置電路33331oecebeRRrrR【例【例1】 已知某差分放大電路的兩個輸入端端和端分別加入vI1=5.01V、vI2=4.99V，的信號電壓，其電路的差模電壓增益A

16、vd -80，共模電壓增益為Avc -0.01，試求vO？電路的差模信號為：兩端輸入信號之差V02. 0V99. 4V01. 521IIdIvvv電路的共模信號為：兩端輸入信號之平均值V0 . 52V99. 4V01. 5221IIcIvvvV65. 1V05. 0V6 . 1V0 . 5)01. 0(V02. 080IcvcIdvdOvAvAv差分放大器的輸出電壓有：【例2】差分放大電路如圖所示，已知=80，rbe=2k。求該電路的差模電壓放大倍數(shù)Avd、差模輸入電阻Ri和輸出電阻Ro。注意：電阻注意：電阻 串入射極回路，串入射極回路，放大倍數(shù)計算相當于有放大倍數(shù)計算相當于有 電阻電阻的共射

17、放大電路。的共射放大電路。eReR22(1)80 566.128(11 0.2205)OdvdIdBcB becbeeCcB beeCeBvAvi Ri riRrRRi Ri ri R kRrivRebeIdIdid1 .12)05. 0812(2)1 (20210LIdOoROvcvRiRk【例3】 電路如圖所示，已知電路如圖所示，已知=80=80，rbb=100=100，Rw在中間位在中間位置，置，RL=50k, 求：1.,;2.,;3.CQOQvdidoCMRIVARRK4.若vI1=16mV，vI2=10mV，求vO1。雙入單出雙入單出解：解：(1)靜態(tài)分析：220wBQbBEEQEQ

18、eEERIRVIIRV 120.750.1257810.1mA212EEBECQEQbweVVIIRRRV5 . 3251 . 0V12505050)/(LcCQCCLcLOQRRIVRRRV(2) 求Avd、Ri和Ro；(1)26100810.121.2kTbebbEQVrrI80(50/50)29.22(521.281 0.1)(/)12(1)/2OdcLvdIdbbewvRRAvRrR 雙入單出雙入單出(1)/22 (521.281 0.1)68. 26 kidbbewRRrRk 50coRR雙入單出雙入單出(3) 求共模抑制比KCMR；216. 00.1)572(812 .215258

19、0)22/)(1 ()/(ewbebLcIcOcvcRRrRRRvvA42.6dB)( 135216. 02 .29即vcvdCMRAAK雙入單出雙入單出(4)若vI1=16mV，vI2=10mV，則mV621IIIdvvvmV13221IIIcvvv29.2 6mV( 0.216) 13mV-178mVOvdIdvcIcvAvAv注意相位！注意相位！若把若把 接在接在 端端,輸出電壓輸出電壓?LR2T（1）T1、T2差分放大電路，差分放大電路，T3為為CC放大電路，放大電路，T4電流源。電流源。 （2）4123502015050/150.71.57 mA37.5251BEEVVIRRR79.

20、 01CImA 【例4】在圖示電路中，三極管的在圖示電路中，三極管的 均為均為50，VBE=0.7 V, rbe=2 k 。（1）分析電路中各三極管電路的作用和功能。）分析電路中各三極管電路的作用和功能。（2）當）當VI=0時，輸出靜態(tài)電壓時，輸出靜態(tài)電壓VO=0，求出求出IC1、IB3和和Rc的值。的值。（3）求差模增益、和的表達式。）求差模增益、和的表達式。（4）求差模輸入電阻）求差模輸入電阻Ri的表達式。的表達式。52/103VIE1 . 03BI4 .101 . 079. 07 . 010cR mAmAk7 .78)21(2)5 .102/10(50)/211211bebicIOvrR

21、RRvvA(（3）5 .102)1(32ebeiRrRk (CC)995. 0)1()1(73722RrRvvAbeIOv3 .7821vvvAAA6)(21bebirRR（4）k 通用型集成運放的具體電路多種多樣，但通用型集成運放的具體電路多種多樣，但其輸入級電路的組成原理基本相似，均以差分其輸入級電路的組成原理基本相似，均以差分放大電路為基礎(chǔ)，通常采用放大電路為基礎(chǔ)，通常采用雙端輸入、單端輸雙端輸入、單端輸出方式出方式，并由電流源提供偏置電流及作為有源，并由電流源提供偏置電流及作為有源負載，從而可以達到有效地抑制共模信號、放負載，從而可以達到有效地抑制共模信號、放大差模信號的目的。大差模信

22、號的目的。12.6-4 集成運放集成運放輸入級輸入級、中間級中間級、輸出級輸出級電路形式電路形式1. 輸入級輸入級1 1）. . 場效應(yīng)管差分放大電路場效應(yīng)管差分放大電路 FET FET差分放大電路差分放大電路差模輸入電阻很高差模輸入電阻很高，減小了輸入，減小了輸入偏置電流的不對稱性。偏置電流的不對稱性。1122mgsLOdvdmLIdgsgv RvAg RvvIdidIdvRi Ro=2Rd 2 2）、）、FETFETBJTBJT混合型差分放大電路混合型差分放大電路 定性分析定性分析:56CCii 鏡像電流鏡像電流12DDii 差分放大差分放大026252122DCDCDDDiiiiiiii

23、 輸出電流倍增輸出電流倍增輸出電流倍增輸出電流倍增,單端輸出達到雙端輸出的效果單端輸出達到雙端輸出的效果. 運放中間級是運放電壓增益的主要承擔者運放中間級是運放電壓增益的主要承擔者主要任務(wù)是提主要任務(wù)是提高電壓增益，所以，常用高電壓增益，所以，常用共射共射或共源放大電路。從電壓增益或共源放大電路。從電壓增益表達式可知，提高電壓增益的主要途經(jīng)如下：表達式可知，提高電壓增益的主要途經(jīng)如下：(/)cLvbeRRAr Rc代之以恒流源恒流源； 采用縱向三極管或達林頓復(fù)合管復(fù)合管，提高； 增加一級CC電路(射極跟隨器射極跟隨器)進行阻抗變換。2、集成運放中間級的電路形式、集成運放中間級的電路形式11(1

24、)omdsRg R r恒流源恒流源+ +射極跟隨器射極跟隨器T1、R1構(gòu)成恒流源電路，其內(nèi)阻為 而T2是射極跟隨器，T3是準共射放大電路，R3加了點負反饋以提高電路的工作穩(wěn)定性。集成運放中間級的電路形式介紹集成運放中間級的電路形式介紹3222)1 (bebeirrR233132)/(iiceceIOvRRrrvvA恒流源恒流源+ +復(fù)合管復(fù)合管集成運放中間級的電路形式介紹集成運放中間級的電路形式介紹CE電路電路3、運放輸出級、運放輸出級互補對稱輸出電路互補對稱輸出電路 集成運放的輸出要求集成運放的輸出要求 輸出電阻小，輸出電阻小， 最大不失真輸出電壓盡可能大，最大不失真輸出電壓盡可能大， 輸出

25、級的輸入電阻又必須大，輸出級的輸入電阻又必須大，T1T21 1）運放輸出級的基本電路）運放輸出級的基本電路由兩只參數(shù)和特性完全對稱的PNP和NPN管組成互補對稱電路。靜態(tài)靜態(tài)(vi=0)時，T、T管均截止，UO0；T1T2在輸入正弦信號時：在輸入正弦信號時：當輸入信號正半周(vi0)時，T T管導(dǎo)通，管導(dǎo)通，T T管截止管截止，流過負載電阻RL的電流路經(jīng)為：VCCT1RL地當輸入信號負半周(vi0)時，T T1 1管截止，管截止，T T2 2管管導(dǎo)通導(dǎo)通，電流路經(jīng)將為 地RLT2-VCC在一個信號周期內(nèi)，流過負在一個信號周期內(nèi)，流過負載的電流正好也是一個信號載的電流正好也是一個信號周期。周期。

26、2）互補對稱放大電路的最大輸出電壓T1T2由于互補對稱電路在一周內(nèi)二只晶體管輪流導(dǎo)電，并盡量工作在極限狀態(tài)，即截止和飽和導(dǎo)電兩個極限狀態(tài)，所以在輸出特性上畫出兩管的工作時的負載線如圖。最大輸出電壓為VCCVCES。當電源電壓為15V時，最大不失真輸出電壓幅度一般為(1214)V。輸入電阻較高輸入電阻較高LbeiRrR)1 (T1T23）乙類放大電路的交越失真問題在輸入信號小于三極管的開啟電壓時，T與T管均截止，產(chǎn)生交越失真。甲類電路3甲乙類互補對稱輸出電路靜態(tài)T1、T2處于微導(dǎo)通微導(dǎo)通狀態(tài)，VOQ0。當輸入正弦波時，由于二極管的動態(tài)電阻很小動態(tài)電阻很小，所以vb1vb2vi。 利用二極管提供靜

27、態(tài)偏置，使輸入信為零時，兩只管子不完全截止。甲乙類電路：利用恒壓電路提供靜態(tài)偏置32113CEBEVRRRVBECEVRRV)1 (123選擇合適的選擇合適的R1、R2阻值，使阻值，使VCE3 1.4V。乙類功率放大器：導(dǎo)通角為=，或靜態(tài)時管子截止；，或靜態(tài)時管子截止；甲類功率放大器：導(dǎo)通角甲乙類功率放大器：導(dǎo)通角介于介于和和22之間，靜之間，靜態(tài)時，晶體管微弱導(dǎo)電；態(tài)時，晶體管微弱導(dǎo)電；T1T2功率放大器分類：功率放大器分類：為=22，晶體管在整個周期內(nèi)都導(dǎo)電，靜，晶體管在整個周期內(nèi)都導(dǎo)電，靜態(tài)時，晶體管也完全導(dǎo)電；態(tài)時，晶體管也完全導(dǎo)電；一、集成運放的電壓傳輸特性和三項基本參數(shù)一、集成運放

28、的電壓傳輸特性和三項基本參數(shù)集成運放線性放大區(qū)線性放大區(qū)所對應(yīng)的輸入信號范圍很小范圍很小。* *2.3.5 2.3.5 集成運放的主要性能指標集成運放的主要性能指標（1）開環(huán)差模電壓放大倍數(shù)AodIdNPIdIdidivvivR如CF741的Rid1M，高阻型運放的Rid 可達104M以上。NPOIdOodvvvvvAAod一般為104106(即80120dB)。在手冊中Aod常以V/mV作單位，如100V/mV即為105。（2）差模輸入電阻Rid（3）輸出電阻Ro集成運放的R。通常為100至至1k之間。二、集成運放的失調(diào)參數(shù)二、集成運放的失調(diào)參數(shù) 集成運放在vId=0時的輸出電壓稱作輸出失調(diào)電壓輸出失調(diào)電壓，記作VOO。（1）輸入失調(diào)電壓）輸入失調(diào)電壓VIO為了使輸出電壓回到零，需在輸入端加上反向補償電壓，該補償電壓稱為輸入失調(diào)電壓。odOOIOAVV（2 2）輸入失調(diào)電壓漂移）輸入失調(diào)電壓漂移d dV VIOIO/d/dT T輸入失調(diào)電壓的溫度系數(shù)，反映輸入失調(diào)電壓隨溫度而變化的程度。（3）輸入失調(diào)電流 IIO反映集成運放輸入端輸輸入端輸入電流的不平衡入電流的不平衡程度。（4 4）輸入失調(diào)電流溫漂）輸入失調(diào)電流溫漂dIIO/dT反映輸入失調(diào)電流IIO隨溫度而變化的程度。三、集成運放的共模參數(shù)（1）