模擬電子技術(shù)第4章課件

第4章集成運(yùn)算放大器4.1差分放大電路4.1.1基本差分放大電路1、靜態(tài)分析及抑制零漂的工作原理（1）電路的組成基本差分放大電路如圖4.1.1所示。電路由典型的工作點(diǎn)穩(wěn)定的共射放大電路演變而來，是由兩個(gè)電路參數(shù)和三極管特性完全對稱的單管共射放大電路組合而成，具有兩個(gè)輸入端和兩個(gè)輸出端，在理想情況下，電路完全對稱，即電路左、右兩邊元件特性和參數(shù)完全一致，且在外界條件變化時(shí)仍能保持一致。第4章集成運(yùn)算放大器4.1.1基本差分放大電路1電路采用VCC、VEE雙電源供電。RC為集電極電阻，用以將兩個(gè)三極管的電流變化量轉(zhuǎn)變?yōu)橄鄳?yīng)的電壓變化量。Re為兩個(gè)三極管的發(fā)射極公共電阻，用以抑制零點(diǎn)漂移，并決定兩個(gè)三極管的靜態(tài)工作點(diǎn)電流。RL是電路的負(fù)載。電路中，輸入信號(hào)vI1、vI2從兩個(gè)三極管的基極加入、輸出信號(hào)vO從兩個(gè)三極管的集電極之間取出，稱為雙端輸入、雙端輸出方式?；蛘哒f，雙端輸入、雙端輸出方式的輸入端與輸出端均沒有接“地”點(diǎn)。（2）差模信號(hào)當(dāng)兩個(gè)輸入端上所加的信號(hào)大小相等、極性相反時(shí)，稱為差模輸入信號(hào)，用vId表示，這種輸入方式稱為差模輸入方式，即vI1＝－vI2，vId＝vI1－vI2。電路采用VCC、VEE雙電源供電。RC為集電極電阻，用以將兩2（3）共模信號(hào)當(dāng)兩個(gè)輸入端上所加的信號(hào)大小相等、極性相同時(shí)，稱為共模輸入信號(hào)，用vIc表示，這種輸入方式稱為共模輸入方式，即（4）零點(diǎn)漂移（簡稱零漂）是指：放大電路輸入信號(hào)為零時(shí)，輸出信號(hào)不為零的現(xiàn)象。由于溫度變化所引起的三極管參數(shù)的變化（三極管是溫度參數(shù)的敏感元件）是產(chǎn)生零點(diǎn)漂移現(xiàn)象的主要原因，由此而產(chǎn)生的零點(diǎn)漂移也稱之為溫度漂移（簡稱溫漂）。（5）靜態(tài)分析及抑制零點(diǎn)漂移的工作原理當(dāng)輸入信號(hào)vI1＝vI2＝0，即輸入信號(hào)為零、靜態(tài)時(shí)，由于兩管的特性相同、元件參數(shù)對稱，流經(jīng)Re的電流為兩個(gè)三極管發(fā)射極電流的和，所以可見，靜態(tài)時(shí)，電路的輸出電壓為零。

（3）共模信號(hào)3當(dāng)環(huán)境溫度發(fā)生變化或電源電壓出現(xiàn)波動(dòng)時(shí)，將引起三極管參數(shù)的變化。但，由于兩管特性相同，電路對稱，由溫度變化或電源電壓波動(dòng)變化引起的兩個(gè)三極管參數(shù)的變化量是相同的，△iC1＝△iC2，△vC1＝△vC2，所以輸出電壓變化量為△vO＝△vC1－△vC2＝0。上述分析說明，差分放大電路利用電路的對稱特性對兩管產(chǎn)生的同向漂移具有很強(qiáng)的抑制作用，即差分放大電路對溫漂等零點(diǎn)漂移現(xiàn)象具有很強(qiáng)的抑制作用。這是差分放大電路的突出優(yōu)點(diǎn)。2、雙端輸入時(shí)的動(dòng)態(tài)分析（1）對差模信號(hào)的放大作用雙端輸入、雙端輸出若在圖4.1.1所示電路中加上差模信號(hào)，由于電路對稱，集電極電流ic1的增加量和ic2的減小量相同，即△iC1＝－△iC2，△iE1＝－△iE2，△iE＝△iE1＋△iE2＝0，，故Re上不存在差模信號(hào)，Re對于差模信號(hào)來說相當(dāng)于短路，即對差模信號(hào)而言，E點(diǎn)相當(dāng)于接當(dāng)環(huán)境溫度發(fā)生變化或電源電壓出現(xiàn)波動(dòng)時(shí)，將引起三極管參數(shù)的變4“地”端。所以，電路加上差模信號(hào)時(shí)，有

表明，差分放大電路雙端輸出時(shí)的差模電壓放大倍數(shù)Avd等于單管放大電路的差模電壓放大倍數(shù)?！暗亍倍恕Ｋ?，電路加上差模信號(hào)時(shí)，有5【案例分析4.1.1】在圖4.1.1所示電路中，已知三極管β1＝β2＝50，rbe≈2kΩ，Re＝2kΩ，Rc＝10kΩ，RL＝20kΩ。求：差模輸入電阻、差模輸出電阻和差模電壓放大倍數(shù)。分析、求解：由于整個(gè)差分放大電路雙端輸出時(shí)的差模放大倍數(shù)Avd等于單管放大電路的電壓放大倍數(shù)，故可通過單管，對稱的一半電路（簡稱半邊電路）的微變等效電路求出Avd。在差模輸入時(shí)，兩管集電極電流變化量大小相等、方向相反，負(fù)載RL的中點(diǎn)電位是不隨信號(hào)變化的零電位，即中點(diǎn)可等效看作交流地，于是有差模信號(hào)的交流通路，如圖4.1.2（a）所示。因?yàn)榘脒呺娐返呢?fù)載為RL/2，于是有半邊電路的差模交流小信號(hào)微變等效電路如圖4.1.2（b）所示?！景咐治?.1.1】在圖4.1.1所示電路中，已知三極管β6（a）（b）圖4.1.2圖4.1.1電路的差模等效電路（a）差模信號(hào)交流通路（b）差模半邊電路微變等效電路（a）（b）圖4.1.2圖4.1.1電路的差模等效電路7從圖4.1.2（a）中可以看出，從電路的兩個(gè)輸入端看進(jìn)去的等效電阻，即電路的差模輸入電阻Rid為Rid＝2rbe （4.1.5）此處，Rid≈2×2kΩ＝4kΩ從電路的兩個(gè)輸出端看進(jìn)去的等效電阻，即電路的差模輸出電阻Rod為Rod＝2Rc （4.1.6）此處，Rod＝2×10kΩ＝20kΩ從圖4.1.1（b）中可以看出雙端輸出時(shí)的差模電壓放大倍數(shù)Avd為（4.1.7）從圖4.1.2（a）中可以看出，從電路的兩個(gè)輸入端看進(jìn)去的等8雙端輸入、單端輸出此時(shí)，在圖4.1.1所示電路中，T1或T2的集電極接負(fù)載RL對地輸出，差模電壓放大倍數(shù)是指單端輸出電壓vOd1（或vOd2）與差模輸入電壓vId之比，即相對于輸出端vc1而言，vI1稱為反相輸入端，vI2稱為同相輸入端。電路的差模輸入電阻Rid與雙端輸出電路一樣，沒有變，仍為Rid＝2rbe。電路的差模輸出電阻Rod為Rod＝Rc，是雙端輸出電路差模輸出電阻的一半。

（4.1.8a）

（4.1.8b）

雙端輸入、單端輸出（4.1.8a）（4.1.8b）9（2）對共模信號(hào)的抑制作用在實(shí)際情況下，加到差分放大電路兩輸入端的信號(hào)電壓往往是合成信號(hào)，它們既不是完全的差模信號(hào)，也不是完全的共模信號(hào)，而是可以分解為一對數(shù)值相等、極性相同的共模信號(hào)和一對數(shù)值相等、極性相反的差模信號(hào)之和，即vI1＝vIc＋vId/2，vI2＝vIc－vId/2其中vIc＝（vI1＋vI2）/2，vId＝vI1－vI2 （4.1.9）實(shí)際上，共模輸入時(shí)，差分放大電路對共模信號(hào)的抑制，不但利用了電路中兩半電路參數(shù)對稱性所起的補(bǔ)償作用，而且還利用了發(fā)射極電阻Re對共模信號(hào)的負(fù)反饋?zhàn)饔茫种屏嗣恐蝗龢O管集電極電流的變化，從而抑制了集電極電位的變化。（2）對共模信號(hào)的抑制作用10從圖4.1.1所示電路中可以看出，當(dāng)共模信號(hào)作用于電路，且△vIc為正時(shí)，電路中三極管各極電流、電壓的變化方向如下：因?yàn)椤鱲E＝△iE·2Re，所以對于每邊三極管而言，發(fā)射極等效電阻為2Re。顯然，Re阻值愈大，負(fù)反饋?zhàn)饔糜鷱?qiáng)，電路對共模信號(hào)的抑制作用愈強(qiáng)。但Re的取值不宜過大，因?yàn)橛墒剑?.1.1）可知，它受電源電壓VEE的限制。

從圖4.1.1所示電路中可以看出，當(dāng)共模信號(hào)作用于電路，且△11【案例分析4.1.2】在圖4.1.1所示電路中，若電路參數(shù)同案例分析4.1.1，且輸入信號(hào)vI1＝5.25V，vI2＝5V，試求：該電路的差模輸入信號(hào)，共模輸入信號(hào)；雙端輸出和單端輸出時(shí)的共模電壓增益，共模輸入電阻和共模輸出電阻。分析、求解：由vI1≠vI2，可知，電路輸入信號(hào)中既有差模信號(hào)的成分，又有共模信號(hào)的成分，由式（4.1.9），有vId＝vI1－vI2＝（5.25－5）V＝0.25VvIc＝（vI1＋vI2）/2＝（5.25＋5）×1/2V＝5.125V上述分析同時(shí)表明，實(shí)際中用儀表可檢測vI1、vI2和vId，但用儀表不能直接檢測vIc。在圖4.4.1所示電路中加入共模信號(hào)，此時(shí)在共模信號(hào)的作用下，由于電路對稱，差分放大電路兩管集電極電位總是相等的，因此，雙端輸出時(shí)，負(fù)載電阻RL中的共模信號(hào)電流為零，RL可視為開路；而兩管集電極電流的變化總是大小相等、方向相同的，因此，Re上的共模信號(hào)壓降ve≈2ic1Re＝ic1·2Re，從電壓等效的觀點(diǎn)，可以認(rèn)為每個(gè)三極管的發(fā)射極回路中串接了一個(gè)2Re的電阻。

【案例分析4.1.2】在圖4.1.1所示電路中，若電路參數(shù)同12雙端輸入、雙端輸出此時(shí)有雙端輸入、雙端輸出的共模信號(hào)交流通路，如圖4.1.3（a）所示；半邊電路的共模微變等效電路，如圖4.1.3（b）所示。共模電壓放大倍數(shù)是指共模輸出電壓vOc與共模輸入電壓vIc之比。由圖4.1.3（a）中可以看出，雙端輸出時(shí)共模電壓放大倍數(shù)Avc為(a)(b)圖4.1.3圖4.1.1電路的共模等效電路（a）共模信號(hào)交流通路（b）共模半邊電路微變等效電路雙端輸入、雙端輸出(a)(b)圖4.1.3圖4.1.113（4.1.10）

由于電路完全對稱，vOc1＝vOc2，故Avc＝0。溫度變化或電壓波動(dòng)引起兩管集電極電流的變化，可以等效地視為在輸入端加入共模信號(hào)的結(jié)果。差分放大電路對共模信號(hào)的抑制作用，其實(shí)質(zhì)就是用一管集電極電流的變化去補(bǔ)償另一管集電極電流的變化。從圖4.1.3（a）所示電路的兩輸入端看進(jìn)去的共模輸入電阻為兩個(gè)半邊等效電路輸入電阻的并聯(lián)值，即Ric＝［rbe＋（1＋β）·2Re］/2 （4.1.11）此處，Ric＝［2＋（1＋50）×2×2］/2kΩ＝103kΩ通常，Re在幾千歐以上，故共模輸入電阻比差模輸入電阻大得多。從兩個(gè)輸出端看進(jìn)去的共模輸出電阻為從任一輸出端看進(jìn)去電阻的兩倍，即Roc≈2Rc （4.1.12）此處Roc≈2×10kΩ＝20kΩ

（4.1.10）由于電路完全對稱，vOc1＝vOc2，故A14雙端輸入、單端輸出此時(shí)，在圖4.1.1所示電路中，RL不能視為開路，RL是接在一管的集電極與“地”之間。其共模電壓放大倍數(shù)為

由于（1＋β）·2Re＞＞rbe，上式可簡化為（4.1.13）

（4.1.14）

在實(shí)際電路中，一般2Re＞RL'，故Avc1＜1。即差分放大電路對共模信號(hào)沒有放大作用，且Re越大，Avc1越小，電路對共模信號(hào)的抑制能力越強(qiáng)。顯然，共模單端輸出方式對共模信號(hào)的抑制能力要比雙端輸出方式的小。雙端輸入、單端輸出（4.1.13）（4.1.14）在15電路的共模輸入電阻Ric與雙端輸出電路一樣，仍為Ric＝［rbe＋（1＋β）·2Re］/2。電路的共模輸出電阻Roc為Roc＝Rc，是雙端輸出電路共模輸出電阻的一半。（3）共模抑制比KCMR共模抑制比是用來衡量差分放大電路對差模信號(hào)的放大能力和對共模信號(hào)的抑制能力的一個(gè)指標(biāo)參數(shù)，它定義為差模電壓放大倍數(shù)Avd與共模電壓放大倍數(shù)Avc之比的絕對值，用KCMR表示，即（4.1.15）

此值越大，說明差分放大電路放大差模信號(hào)的能力和抑制零點(diǎn)漂移的能力越強(qiáng)，放大電路的性能越好，一般差分放大電路的KCMR＝103~106。電路的共模輸入電阻Ric與雙端輸出電路一樣，仍為Ric＝［r16在電路完全對稱時(shí)，若采用雙端輸出方式，由于Avc≈0，其KCMR趨于無限大；若采用單端輸出方式，依式（4.1.8）和式（4.1.14）可得由上式可見，為了提高電路對共模信號(hào)的抑制能力，須選用阻值較大的Re，因此，常用直流電阻小，交流電阻大的電流源電路來替代Re。（4.1.16）在電路完全對稱時(shí)，若采用雙端輸出方式，由于Avc≈0，其KC174.1.2差分放大電路的單端輸入方式1、單端輸入方式差分放大電路按輸入、輸出方式不同可組成4種典型電路。除了上節(jié)分析的雙端輸入、雙端輸出方式和雙端輸入、單端輸出方式外，實(shí)際應(yīng)用中，有時(shí)要求放大電路的輸入端有一端接地（如vId＝vI1，vI2＝0），如圖4.1.4所示，稱為單端輸入方式。2、單端輸入方式的差模特性在圖4.1.4所示電路中，Re通常滿足Re＞＞re（發(fā)射結(jié)電阻）的條件，這樣就可以近似地認(rèn)為，輸入信號(hào)電壓vId均分在兩管的輸入回路上（將Re支路看成開路），如圖4.1.5所示。此時(shí)，vbe1≈vId/2，vbe2≈－vId/2，即單端輸入時(shí)，電路的工作狀態(tài)與雙端輸入時(shí)近似一致。如Re足夠大，則電路由單端輸入、雙端輸出時(shí)，其差模電壓放大倍數(shù)與式（4.1.7）一致，即4.1.2差分放大電路的單端輸入方式18電路由單端輸出時(shí)，其差模電壓放大倍數(shù)與式（4.1.8）近似一致，即其他指標(biāo)也與雙端輸入電路近似一致。圖4.1.4單端輸入差分放大電路圖4.1.5單端輸入差分放大電路差模的交流通路電路由單端輸出時(shí)，其差模電壓放大倍數(shù)與式（4.1.8）近似一194.1.3帶恒流源的改進(jìn)型差分放大電路如前所述，增大差分放大電路發(fā)射極電阻Re的阻值，能夠有效地抑制每一邊電路的溫漂，提高共模抑制比，這一點(diǎn)對于單端輸出方式尤為重要?？梢栽O(shè)想，若Re為無限大，根據(jù)式（4.1.14）和式（4.1.15），有Avc→0，KCMR→∞。但由于VEE和差分管耐壓特性的限制，Re不能取值過大。若采用直流電阻小、交流電阻大，具備恒流源特性的工作點(diǎn)穩(wěn)定的共射放大電路來等效代替發(fā)射極電阻Re，則既能適用于較低的電源電壓，又可提高電路的共模抑制比。

如圖4.1.6所示，當(dāng)三極管工作在放大區(qū)時(shí)，對于確定的基極電流（亦即確定的發(fā)射結(jié)電壓）而言，集電極電流具有近似的恒流特性，即當(dāng)集電極電壓有一個(gè)較大的變化量△vce時(shí)，集電極電流ic4.1.3帶恒流源的改進(jìn)型差分放大電路如圖4.1.6所示，20圖4.1.6放大電路的恒流特性集電極電流ic基本不變，△iC很小。此時(shí)，三極管c、e之間的交流等效電阻數(shù)值很大，而直流電阻很小(）。因此，在集成運(yùn)放電路中廣泛地采用這種由工作在放大區(qū)內(nèi)的三極管構(gòu)成的恒流源電路來代替差分電路中的發(fā)射極電阻Re和集電極電阻Rc。

圖4.1.6放大電路的恒流特性集電極電流ic基本不變，△21帶恒流源的改進(jìn)型差分放大電路，如圖4.1.7（a）所示，其簡化電路如圖4.1.7（b）所示。在圖4.1.7（a）所示電路中，IC3由T3管提供，其值可通過調(diào)節(jié)T3管的基極靜態(tài)偏置電流IB3來確定，而差分放大電路所需的發(fā)射極電阻Re就是T3管呈現(xiàn)的輸出交流電阻rce3，顯然其數(shù)值是很大的。實(shí)踐證明，與基本差分放大電路比較，KCMR可提高1~2個(gè)數(shù)量級(jí)。在圖4.1.7（a）所示電路中，設(shè)vBE3＝VD，則

由于恒流源不影響差模輸入時(shí)差分放大電路的工作狀態(tài)，因此其差模電壓放大倍數(shù)、輸入電阻、輸出電阻的分析、計(jì)算和前面所述相同，不再重復(fù)。帶恒流源的改進(jìn)型差分放大電路，如圖4.1.7（a）所示，其簡22圖4.1.7帶恒流源的差分放大電路（a）帶恒流源的差分放大電路（b）電路的簡化表示【案例分析4.1.3】具有調(diào)零電位器的差分放大電路及電路參數(shù)如圖4.1.8所示，三極管的β＝50，VBE（on）＝0.7V，rbb＇＝200Ω，試求：（1）電路的靜態(tài)工作點(diǎn)，IC1、IC2和VC1、VC2；（2）差模電壓放大倍數(shù)、輸入電阻、輸出電阻；圖4.1.7帶恒流源的差分放大電路【案例分析4.1.3】具23（4）當(dāng)vI1＝5mV、vI2＝1mV時(shí)，在第3問條件下的單端輸出總電壓vO1。分析、求解：（1）由于實(shí)際電路兩邊參數(shù)不可能完全對稱，常用調(diào)零電位器RP來消除由于電路不對稱而引起的零漂現(xiàn)象。在分析、求解電路時(shí)，可假定RP的動(dòng)觸點(diǎn)置于中間位置。靜態(tài)時(shí)，VC1＝VC2，負(fù)載RL中的電流為零，可認(rèn)為RL開路。由此，有直流通路如圖4.1.9所示。由圖4.1.9可得VC1＝VC2＝VCC－ICRC≈（6－0.856×3）V＝3.432V（4）當(dāng)vI1＝5mV、vI2＝1mV時(shí)，在第3問條件下的單24（2）差模放大，雙端輸出時(shí)，有

≈2×5.27kΩ＝10.54kΩ

Rod＝2Rc＝2×3＝6kΩ（3）單端輸出時(shí)，有

（2）差模放大，雙端輸出時(shí)，有≈2×5.27kΩ＝10.525Ro1＝Rc1＝3kΩ（4）單端輸出時(shí)，輸出總電壓為VId＝vI1－vI2＝（5－1）mV＝4mVVIc＝（vI1＋vI2）/2＝［（5＋1）/2］mV＝3mVVO1＝vIdAvd1＋vIcAvc1≈［4×（－9.5）＋3×（－0.32）］mV＝－38.96mVRo1＝Rc1＝3kΩ26圖4.1.8差分電路圖4.1.9直流通路4.2集成運(yùn)算放大器4.2.1集成運(yùn)算放大器簡介集成運(yùn)算放大器（通常簡稱運(yùn)放）是一種十分理想的集成放大器件。在模擬集成電路中應(yīng)用最廣，已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了數(shù)學(xué)運(yùn)算的范疇，幾乎涉及模擬信號(hào)處理的各個(gè)領(lǐng)域，應(yīng)用十分廣泛。1、集成運(yùn)算放大器的基本組成圖4.1.8差分電路圖4.1.9直流通路4.2集成運(yùn)算27圖4.2.1集成運(yùn)算放大器內(nèi)部組成框圖集成運(yùn)算放大器從本質(zhì)上看就是一種高性能的直接耦合放大電路，其內(nèi)部組成通常包含四個(gè)基本部分，即差分輸入級(jí)、中間電壓放大級(jí)、功率放大輸出級(jí)和偏置電路，如圖4.2.1所示。圖4.2.1集成運(yùn)算放大器內(nèi)部組成框圖現(xiàn)以圖4.2.2所示的簡化的通用型集成運(yùn)算放大器741的內(nèi)部電路為例來介紹集成運(yùn)算放大器的組成及工作原理。（1）輸入級(jí)輸入級(jí)是由T1~T6組成的雙端輸入、單端輸出的差分放大電路。為了

圖4.2.1集成運(yùn)算放大器內(nèi)部組成框圖圖4.2.1集成運(yùn)28減小零點(diǎn)漂移和抑制共模干擾信號(hào)，運(yùn)算放大器的輸入級(jí)一般都采用具有恒流源的差分放大電路，故又稱差動(dòng)輸入級(jí)。（2）中間級(jí)中間電壓放大級(jí)由T16、T17組成。T16為共集電極電路，T17為共發(fā)射極放大電路。T17的集電極負(fù)載為由T13B構(gòu)成的有源負(fù)載，其交流電阻很大，故本級(jí)可以獲得很高的電壓增益，同時(shí)也具有較高的輸入電阻。運(yùn)算放大器的總的電壓增益主要是由中間級(jí)提供的，一般都采用帶有恒流源負(fù)載的復(fù)合管結(jié)構(gòu)形式的共射放大電路，以具有較高的輸入電阻和較大的電壓放大倍數(shù)，其電壓放大倍數(shù)可達(dá)幾千倍以上，故又稱中間電壓放大級(jí)。（3）輸出級(jí)本級(jí)是由T14和T20組成的工作在甲乙類放大狀態(tài)的互補(bǔ)對稱的功率放大電路。為具有較大的電壓輸出幅度、較高的輸出功率與較低的輸出電阻，運(yùn)算放大器的輸出級(jí)一般都采用準(zhǔn)互補(bǔ)功率放大電路或射極輸出器電路。為了限制通過輸出管的電流，保證三極管安全工作，實(shí)際電路中一般都加有保護(hù)電路。

減小零點(diǎn)漂移和抑制共模干擾信號(hào)，運(yùn)算放大器的輸入級(jí)一般都采用29（4）偏置電路741型集成運(yùn)算放大器由24個(gè)三極管、10個(gè)電阻和一個(gè)電容器組成。為降低功耗、限制溫升，741采用了微電流源電路作為偏置電路為各級(jí)電路提供合適的靜態(tài)工作電流。運(yùn)算放大器的偏置電路一般都是由各種類型的恒流源電路構(gòu)成。圖4.2.2741集成運(yùn)算放大器的簡化電路（4）偏置電路圖4.2.2741集成運(yùn)算放大器的簡化電路303、集成運(yùn)算放大器的電路符號(hào)目前，集成運(yùn)放常用的封裝方式有雙列直插式塑料封裝和圓形金屬封裝兩種。通用型集成運(yùn)放741的外形和引腳分布如圖4.2.3所示。圖4.2.3集成運(yùn)放741外形、引腳圖（a）外形圖片（b）外形圖（c）引腳分布圖（d）連接示意圖（b）（d）（c）（a）3、集成運(yùn)算放大器的電路符號(hào)圖4.2.3集成運(yùn)放741外形31集成運(yùn)算放大器的電路符號(hào)如圖4.2.4所示，圖中“”表示信號(hào)的傳輸方向，“∞”表示為理想條件。由于集成運(yùn)放的輸入級(jí)通常由差分放大電路組成，因此一般具有兩個(gè)輸入端。兩個(gè)輸入端中，N稱為反相輸入端，用符號(hào)“－”表示，對應(yīng)的輸入電壓用“vN”或“v－”表示，表明輸入信號(hào)若由此端加入，由它產(chǎn)生的輸出信號(hào)與該輸入信號(hào)反相，故稱反相端；P稱為同相輸入端，用符號(hào)“＋”表示，對應(yīng)的輸入電壓用“vP”或“v＋”表示，表明輸入信號(hào)若由此端加入，由它產(chǎn)生的輸出信號(hào)與該輸入信號(hào)同相，故稱同相端。輸出電壓用“vo”表示。大多數(shù)集成運(yùn)算放大器需要正、負(fù)對稱的兩個(gè)直流電源供電，正電源用“＋VCC”表示，負(fù)電源用“－VEE”表示。電路符號(hào)中一般并不標(biāo)出，采用默認(rèn)處理。運(yùn)算放大器的參考地就是兩個(gè)電源的公共地端。集成運(yùn)算放大器的電路符號(hào)如圖4.2.4所示，圖中“”表示32圖4.2.4集成運(yùn)算放大器的電路符號(hào)（a）國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的符號(hào)（b）現(xiàn)階段國際普遍使用的符號(hào)4.2.2集成運(yùn)算放大器的主要技術(shù)指標(biāo)為了描述集成運(yùn)放的性能，提出了許多項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)，現(xiàn)將常用的幾項(xiàng)主要技術(shù)指標(biāo)介紹如下：1、電源電壓范圍允許施加于集成運(yùn)放電源端子的最大直流電源＋VCC和－VEE的電壓范圍。2、開環(huán)差模電壓放大倍數(shù)（增益）Aod在標(biāo)稱電源電壓及規(guī)定負(fù)載下，運(yùn)放在無反饋情況下工作在線性區(qū)時(shí)的直流差模增益。

Aod定義為輸出電壓變化量與輸入差模電壓變圖4.2.4集成運(yùn)算放大器的電路符號(hào)4.2.2集成運(yùn)算放33化量之比。它是決定運(yùn)放精度的重要指標(biāo)，通常用分貝（dB）表示，即（4.2.1）

Aod是頻率的函數(shù)，但通常給出的是直流開環(huán)增益。理想情況下希望Aod為無限大，實(shí)際運(yùn)放Aod一般為105左右，即100dB左右，高質(zhì)量的集成運(yùn)放Aod可達(dá)140dB以上。3、輸入失調(diào)電壓VIO一個(gè)理想的集成運(yùn)放，當(dāng)輸入電壓為零時(shí)，輸出電壓也應(yīng)為零。實(shí)際使用中，由于制造工藝等原因，集成運(yùn)放的差動(dòng)輸入級(jí)不可能完全對稱，通常在輸入電壓為零時(shí)，存在一定的輸出電壓，將其折算到輸入端就是輸入失調(diào)電壓，它在數(shù)值上等于為了使集成運(yùn)放的輸出電壓為零，在輸入端加入的直流補(bǔ)償電壓。若運(yùn)放工作在線性區(qū)，輸入失調(diào)電壓VIO為化量之比。它是決定運(yùn)放精度的重要指標(biāo)，通常用分貝（dB）表示34（4.2.2）VIO愈小，表明電路參數(shù)的對稱性愈好。一般運(yùn)放的VIO值為1~10mV，高質(zhì)量的運(yùn)放VIO值在1mV以下。4、輸入失調(diào)電流IIO一個(gè)理想的集成運(yùn)放兩輸入端的靜態(tài)電流應(yīng)該完全相等。實(shí)際上，當(dāng)集成運(yùn)放的輸出電壓為零時(shí)，兩輸入端的電流不相等，這個(gè)靜態(tài)電流之差就是輸入失調(diào)電流IIO，即IIO＝｜IB1－IB2｜ （4.2.3）IIO反映輸入級(jí)差放管輸入電流的不對稱程度，其值愈小愈好，一般運(yùn)放為幾十到一百納安，高質(zhì)量的運(yùn)放IIO小于1nA。5、溫度漂移放大器的溫度漂移是指輸入失調(diào)電壓和輸入失調(diào)電流隨溫度漂移的大小。（4.2.2）VIO愈小，表明電路參數(shù)的對稱性愈好。一般運(yùn)35（1）輸入失調(diào)電壓溫漂dVIO/dT這是指在規(guī)定溫度范圍內(nèi)VIO的溫度系數(shù)，dVIO/dT亦稱為輸入失調(diào)電壓的溫度漂移，是衡量運(yùn)放的重要指標(biāo)，其值愈小，表明運(yùn)放的溫漂愈小。一般運(yùn)放為10~20μV/℃，高質(zhì)量的運(yùn)放dVIO/dT值小于0.5μV/℃。這個(gè)指標(biāo)往往比失調(diào)電壓更為重要，因?yàn)閐VIO/dT不能用外接調(diào)零電阻的方法補(bǔ)償。（2）輸入失調(diào)電流溫漂dIIO/dT這是指在規(guī)定溫度范圍內(nèi)IIO的溫度系數(shù)，也是對放大器失調(diào)電流溫度漂移的量度。同樣不能用外接調(diào)零裝置來補(bǔ)償。一般運(yùn)放dIIO/dT為幾nA/℃，高質(zhì)量的運(yùn)放dIIO/dT值小于幾十pA/℃。6、共模抑制比KCMR共模抑制比等于差模電壓放大倍數(shù)與共模電壓放大倍數(shù)之比的絕對值，常用分貝（dB）表示，即（1）輸入失調(diào)電壓溫漂dVIO/dT36（4.2.4）

這個(gè)指標(biāo)用以衡量集成運(yùn)放抑制溫漂的能力。多數(shù)集成運(yùn)放的KCMR在80dB以上，高質(zhì)量的運(yùn)放KCMR可達(dá)160dB。7、差模輸入電阻ridrid是集成運(yùn)放對輸入差模信號(hào)的輸入電阻，即兩輸入端之間的電阻。Rid愈大，集成運(yùn)放從信號(hào)源索取的電流愈小。一般的集成運(yùn)放rid大于幾兆歐，以場效應(yīng)管作為輸入級(jí)的集成運(yùn)放，rid可達(dá)106MΩ。8、輸出電阻ro在開環(huán)條件下，運(yùn)算放大器輸出端等效為電壓源時(shí)的動(dòng)態(tài)內(nèi)阻稱為運(yùn)算放大器的輸出電阻，記為ro。ro的理想值為零，實(shí)際值一般為100Ω~1kΩ。9、開環(huán)帶寬BW（fH）和單位增益帶寬BWG（fT）開環(huán)帶寬BW又稱－3dB帶寬，是指運(yùn)算放大器在正弦小信號(hào)激勵(lì)下，

開環(huán)差模電壓增益值下降3dB時(shí)所對應(yīng)的輸入信號(hào)頻率fH。一（4.2.4）這個(gè)指標(biāo)用以衡量集成運(yùn)放抑制溫漂的能力。多數(shù)37般集成運(yùn)放的fH值較低，只有幾赫茲至幾千赫茲。BWG是指集成運(yùn)放在開環(huán)差模電壓增益下降到0dB時(shí)所對應(yīng)的輸入信號(hào)頻率fT，此時(shí)開環(huán)差模電壓放大倍數(shù)等于1。BWG用以衡量集成運(yùn)放的一項(xiàng)重要品質(zhì)因數(shù)――增益帶寬積的大小。10、最大差模輸入電壓VIdmax最大差模輸入電壓VIdmax指的是集成運(yùn)放正常工作時(shí)，反相和同相輸入端之間所能施加的最大差模電壓值。超過這個(gè)電壓值，運(yùn)放輸入級(jí)某一側(cè)的三極管將出現(xiàn)發(fā)射結(jié)反向擊穿，而使運(yùn)放的性能顯著惡化，甚至可能造成永久性損壞。利用平面工藝制成的NPN管的發(fā)射極反向擊穿電壓約為±5V左右，而橫向三極管可達(dá)±30V以上。例如F007集成運(yùn)放，它的差動(dòng)輸入級(jí)由NPN和PNP組合管組成，利用PNP管的高基射極反向擊穿電壓，大大擴(kuò)展了最大差模輸入電壓。11、最大共模輸入電壓VIcmax最大共模輸入電壓VIcmax是指輸入級(jí)能正常放大差模信號(hào)情況下允許輸入的最大共模信號(hào)值，若超過此值，則運(yùn)放不能對差模信號(hào)進(jìn)行放大。因此，實(shí)際應(yīng)用中，要特別注意輸入信號(hào)中共模信號(hào)的大般集成運(yùn)放的fH值較低，只有幾赫茲至幾千赫茲。38小。12、轉(zhuǎn)換速率SR轉(zhuǎn)換速率是指放大器在閉環(huán)狀態(tài)下，輸入大信號(hào)（例如階躍信號(hào)或突變信號(hào)）時(shí)，放大器輸出電壓對時(shí)間的最大變化速率，即（4.2.5）SR是衡量集成運(yùn)放在大信號(hào)作用時(shí)的適應(yīng)能力和工作速度的指標(biāo)參數(shù)，常用每微秒輸出電壓變化多少伏來表示。當(dāng)輸入信號(hào)變化斜率的絕對值小于SR時(shí)，輸出電壓才能按線性規(guī)律變化。信號(hào)幅值愈大、頻率愈高，要求集成運(yùn)放的SR值也就愈大。3、輸入偏置電流IIBIIB是輸入級(jí)差放管的基極（柵極）偏置電流的平均值，即IIB＝（IB1＋I(xiàn)B2）1/2 （4.2.6）IIB愈小，信號(hào)源內(nèi)阻對集成運(yùn)放靜態(tài)工作點(diǎn)的影響也就愈小。而通常IIB愈小，往往IIO也愈小。小。（4.2.5）SR是衡量集成運(yùn)放在大信號(hào)作用時(shí)的適應(yīng)能39集成運(yùn)放的其它技術(shù)指標(biāo)還有電源電壓抑制比KSVR、電源電流IW、耗散功率Pco、最大輸出電壓VOmax、全功率帶寬BWP、非線性失真、等效輸入噪聲電壓en或等效輸入噪聲電流in等。在近似分析時(shí)，常把集成運(yùn)放的指標(biāo)參數(shù)理想化，即認(rèn)為Aod、KCMR、rid、fH等參數(shù)值為無限大，而ro、VIO、dVIO/dT、IIO、dIIO/dT和IIB等參數(shù)值為零。表4.2.1列出了通用型集成運(yùn)放LM741的主要技術(shù)指標(biāo)的典型值，以建立通用型集成運(yùn)放主要技術(shù)指標(biāo)數(shù)值范圍的概念。集成運(yùn)放的其它技術(shù)指標(biāo)還有電源電壓抑制比KSVR、電源電流I4080~550nAIIB1~1.2MHzBWG＜85mW功耗PCO±18VVIdmax0.5V/μsSR70~90dBKCMR7HzBW75ΩRo15ΜV/℃dVIO/dT0.3~2MΩRid20~200nAIIO96~106dBAod1~5mVVIO±5~±22VVCC(VEE)數(shù)值范圍單位參數(shù)數(shù)值范圍單位參數(shù)表4.2.1集成運(yùn)放LM741的主要技術(shù)指標(biāo)80~550nAIIB1~1.2MHzBWG＜85mW功耗P41本章小結(jié)1、差分放大電路又稱差動(dòng)放大器，是集成運(yùn)算放大器中重要的基本單元電路，2、基本差分放大電路由兩個(gè)單管共射極放大電路組合而成，具有兩個(gè)輸入端和兩個(gè)輸出端，在理想情況下，電路完全對稱，即電路左右兩邊元件特性和參數(shù)完全一致，且在外界條件變化時(shí)仍能保持一致。3、理想的差分放大器只放大兩輸入端的差模信號(hào)，抑制兩輸入端的共模信號(hào)。為提高共模抑制比，實(shí)際差分放大器電路多采用恒流源偏置。4、差分放大電路常見的連接有雙端輸入雙端輸出、雙端輸入單端輸出、單端輸入雙端輸出、單端輸入單端輸出。雙端輸出方式對共模信號(hào)的抑制能力要比單端輸出方式強(qiáng)。其具體性能比較如表4.1.1所示。5、集成運(yùn)算放大器的電路組成和結(jié)構(gòu)基本相同，通常由輸入級(jí)、中間級(jí)、輸出級(jí)和偏置電路等四個(gè)部分組成。本章小結(jié)426、集成運(yùn)算放大器的主要技術(shù)參數(shù)有：電源電壓范圍、輸入失調(diào)電壓VIO、輸入偏置電流IIB和輸入失調(diào)電流IIO、溫度漂移、最大差模輸入電壓VIdmax、最大共模輸入電壓VIcmax、轉(zhuǎn)換速率SR、開環(huán)差模電壓放大倍數(shù)（增益）Aod、開環(huán)帶寬BW和單位增益帶寬BWG、差模輸入電阻rid和共模抑制比KCMR等。6、集成運(yùn)算放大器的主要技術(shù)參數(shù)有：電源電壓范圍、輸入失調(diào)電43，非常小，連接方式1雙端輸出單端輸出雙端輸入單端輸入雙端輸入單端輸入典型電路差模電壓放大倍數(shù)共模放大倍數(shù)及共模抑制比非常大式中Re為電流源內(nèi)阻，非常大差模輸入電阻Rid≈2rbe共模輸入電阻Ric＝［rbe＋（1＋β）·2Re］/2輸出電阻Ro≈2RcRo≈Rc用途適用于輸入、輸出都不需接地的場合適用于將單端輸入轉(zhuǎn)換為雙端輸出的場合適用于將雙端輸入轉(zhuǎn)換為單端輸出的場合適用于輸入、輸出電路中需要有公共接地的場合表4.1.1差分放大電路四種連接方式及其性能比較，非常小，連接方式1雙端輸出單端輸出雙端輸入單端輸入雙端輸44第4章集成運(yùn)算放大器4.1差分放大電路4.1.1基本差分放大電路1、靜態(tài)分析及抑制零漂的工作原理（1）電路的組成基本差分放大電路如圖4.1.1所示。電路由典型的工作點(diǎn)穩(wěn)定的共射放大電路演變而來，是由兩個(gè)電路參數(shù)和三極管特性完全對稱的單管共射放大電路組合而成，具有兩個(gè)輸入端和兩個(gè)輸出端，在理想情況下，電路完全對稱，即電路左、右兩邊元件特性和參數(shù)完全一致，且在外界條件變化時(shí)仍能保持一致。第4章集成運(yùn)算放大器4.1.1基本差分放大電路45電路采用VCC、VEE雙電源供電。RC為集電極電阻，用以將兩個(gè)三極管的電流變化量轉(zhuǎn)變?yōu)橄鄳?yīng)的電壓變化量。Re為兩個(gè)三極管的發(fā)射極公共電阻，用以抑制零點(diǎn)漂移，并決定兩個(gè)三極管的靜態(tài)工作點(diǎn)電流。RL是電路的負(fù)載。電路中，輸入信號(hào)vI1、vI2從兩個(gè)三極管的基極加入、輸出信號(hào)vO從兩個(gè)三極管的集電極之間取出，稱為雙端輸入、雙端輸出方式?；蛘哒f，雙端輸入、雙端輸出方式的輸入端與輸出端均沒有接“地”點(diǎn)。（2）差模信號(hào)當(dāng)兩個(gè)輸入端上所加的信號(hào)大小相等、極性相反時(shí)，稱為差模輸入信號(hào)，用vId表示，這種輸入方式稱為差模輸入方式，即vI1＝－vI2，vId＝vI1－vI2。電路采用VCC、VEE雙電源供電。RC為集電極電阻，用以將兩46（3）共模信號(hào)當(dāng)兩個(gè)輸入端上所加的信號(hào)大小相等、極性相同時(shí)，稱為共模輸入信號(hào)，用vIc表示，這種輸入方式稱為共模輸入方式，即（4）零點(diǎn)漂移（簡稱零漂）是指：放大電路輸入信號(hào)為零時(shí)，輸出信號(hào)不為零的現(xiàn)象。由于溫度變化所引起的三極管參數(shù)的變化（三極管是溫度參數(shù)的敏感元件）是產(chǎn)生零點(diǎn)漂移現(xiàn)象的主要原因，由此而產(chǎn)生的零點(diǎn)漂移也稱之為溫度漂移（簡稱溫漂）。（5）靜態(tài)分析及抑制零點(diǎn)漂移的工作原理當(dāng)輸入信號(hào)vI1＝vI2＝0，即輸入信號(hào)為零、靜態(tài)時(shí)，由于兩管的特性相同、元件參數(shù)對稱，流經(jīng)Re的電流為兩個(gè)三極管發(fā)射極電流的和，所以可見，靜態(tài)時(shí)，電路的輸出電壓為零。

（3）共模信號(hào)47當(dāng)環(huán)境溫度發(fā)生變化或電源電壓出現(xiàn)波動(dòng)時(shí)，將引起三極管參數(shù)的變化。但，由于兩管特性相同，電路對稱，由溫度變化或電源電壓波動(dòng)變化引起的兩個(gè)三極管參數(shù)的變化量是相同的，△iC1＝△iC2，△vC1＝△vC2，所以輸出電壓變化量為△vO＝△vC1－△vC2＝0。上述分析說明，差分放大電路利用電路的對稱特性對兩管產(chǎn)生的同向漂移具有很強(qiáng)的抑制作用，即差分放大電路對溫漂等零點(diǎn)漂移現(xiàn)象具有很強(qiáng)的抑制作用。這是差分放大電路的突出優(yōu)點(diǎn)。2、雙端輸入時(shí)的動(dòng)態(tài)分析（1）對差模信號(hào)的放大作用雙端輸入、雙端輸出若在圖4.1.1所示電路中加上差模信號(hào)，由于電路對稱，集電極電流ic1的增加量和ic2的減小量相同，即△iC1＝－△iC2，△iE1＝－△iE2，△iE＝△iE1＋△iE2＝0，，故Re上不存在差模信號(hào)，Re對于差模信號(hào)來說相當(dāng)于短路，即對差模信號(hào)而言，E點(diǎn)相當(dāng)于接當(dāng)環(huán)境溫度發(fā)生變化或電源電壓出現(xiàn)波動(dòng)時(shí)，將引起三極管參數(shù)的變48“地”端。所以，電路加上差模信號(hào)時(shí)，有

表明，差分放大電路雙端輸出時(shí)的差模電壓放大倍數(shù)Avd等于單管放大電路的差模電壓放大倍數(shù)?！暗亍倍恕Ｋ?，電路加上差模信號(hào)時(shí)，有49【案例分析4.1.1】在圖4.1.1所示電路中，已知三極管β1＝β2＝50，rbe≈2kΩ，Re＝2kΩ，Rc＝10kΩ，RL＝20kΩ。求：差模輸入電阻、差模輸出電阻和差模電壓放大倍數(shù)。分析、求解：由于整個(gè)差分放大電路雙端輸出時(shí)的差模放大倍數(shù)Avd等于單管放大電路的電壓放大倍數(shù)，故可通過單管，對稱的一半電路（簡稱半邊電路）的微變等效電路求出Avd。在差模輸入時(shí)，兩管集電極電流變化量大小相等、方向相反，負(fù)載RL的中點(diǎn)電位是不隨信號(hào)變化的零電位，即中點(diǎn)可等效看作交流地，于是有差模信號(hào)的交流通路，如圖4.1.2（a）所示。因?yàn)榘脒呺娐返呢?fù)載為RL/2，于是有半邊電路的差模交流小信號(hào)微變等效電路如圖4.1.2（b）所示。【案例分析4.1.1】在圖4.1.1所示電路中，已知三極管β50（a）（b）圖4.1.2圖4.1.1電路的差模等效電路（a）差模信號(hào)交流通路（b）差模半邊電路微變等效電路（a）（b）圖4.1.2圖4.1.1電路的差模等效電路51從圖4.1.2（a）中可以看出，從電路的兩個(gè)輸入端看進(jìn)去的等效電阻，即電路的差模輸入電阻Rid為Rid＝2rbe （4.1.5）此處，Rid≈2×2kΩ＝4kΩ從電路的兩個(gè)輸出端看進(jìn)去的等效電阻，即電路的差模輸出電阻Rod為Rod＝2Rc （4.1.6）此處，Rod＝2×10kΩ＝20kΩ從圖4.1.1（b）中可以看出雙端輸出時(shí)的差模電壓放大倍數(shù)Avd為（4.1.7）從圖4.1.2（a）中可以看出，從電路的兩個(gè)輸入端看進(jìn)去的等52雙端輸入、單端輸出此時(shí)，在圖4.1.1所示電路中，T1或T2的集電極接負(fù)載RL對地輸出，差模電壓放大倍數(shù)是指單端輸出電壓vOd1（或vOd2）與差模輸入電壓vId之比，即相對于輸出端vc1而言，vI1稱為反相輸入端，vI2稱為同相輸入端。電路的差模輸入電阻Rid與雙端輸出電路一樣，沒有變，仍為Rid＝2rbe。電路的差模輸出電阻Rod為Rod＝Rc，是雙端輸出電路差模輸出電阻的一半。

（4.1.8a）

（4.1.8b）

雙端輸入、單端輸出（4.1.8a）（4.1.8b）53（2）對共模信號(hào)的抑制作用在實(shí)際情況下，加到差分放大電路兩輸入端的信號(hào)電壓往往是合成信號(hào)，它們既不是完全的差模信號(hào)，也不是完全的共模信號(hào)，而是可以分解為一對數(shù)值相等、極性相同的共模信號(hào)和一對數(shù)值相等、極性相反的差模信號(hào)之和，即vI1＝vIc＋vId/2，vI2＝vIc－vId/2其中vIc＝（vI1＋vI2）/2，vId＝vI1－vI2 （4.1.9）實(shí)際上，共模輸入時(shí)，差分放大電路對共模信號(hào)的抑制，不但利用了電路中兩半電路參數(shù)對稱性所起的補(bǔ)償作用，而且還利用了發(fā)射極電阻Re對共模信號(hào)的負(fù)反饋?zhàn)饔?，抑制了每只三極管集電極電流的變化，從而抑制了集電極電位的變化。（2）對共模信號(hào)的抑制作用54從圖4.1.1所示電路中可以看出，當(dāng)共模信號(hào)作用于電路，且△vIc為正時(shí)，電路中三極管各極電流、電壓的變化方向如下：因?yàn)椤鱲E＝△iE·2Re，所以對于每邊三極管而言，發(fā)射極等效電阻為2Re。顯然，Re阻值愈大，負(fù)反饋?zhàn)饔糜鷱?qiáng)，電路對共模信號(hào)的抑制作用愈強(qiáng)。但Re的取值不宜過大，因?yàn)橛墒剑?.1.1）可知，它受電源電壓VEE的限制。

從圖4.1.1所示電路中可以看出，當(dāng)共模信號(hào)作用于電路，且△55【案例分析4.1.2】在圖4.1.1所示電路中，若電路參數(shù)同案例分析4.1.1，且輸入信號(hào)vI1＝5.25V，vI2＝5V，試求：該電路的差模輸入信號(hào)，共模輸入信號(hào)；雙端輸出和單端輸出時(shí)的共模電壓增益，共模輸入電阻和共模輸出電阻。分析、求解：由vI1≠vI2，可知，電路輸入信號(hào)中既有差模信號(hào)的成分，又有共模信號(hào)的成分，由式（4.1.9），有vId＝vI1－vI2＝（5.25－5）V＝0.25VvIc＝（vI1＋vI2）/2＝（5.25＋5）×1/2V＝5.125V上述分析同時(shí)表明，實(shí)際中用儀表可檢測vI1、vI2和vId，但用儀表不能直接檢測vIc。在圖4.4.1所示電路中加入共模信號(hào)，此時(shí)在共模信號(hào)的作用下，由于電路對稱，差分放大電路兩管集電極電位總是相等的，因此，雙端輸出時(shí)，負(fù)載電阻RL中的共模信號(hào)電流為零，RL可視為開路；而兩管集電極電流的變化總是大小相等、方向相同的，因此，Re上的共模信號(hào)壓降ve≈2ic1Re＝ic1·2Re，從電壓等效的觀點(diǎn)，可以認(rèn)為每個(gè)三極管的發(fā)射極回路中串接了一個(gè)2Re的電阻。

【案例分析4.1.2】在圖4.1.1所示電路中，若電路參數(shù)同56雙端輸入、雙端輸出此時(shí)有雙端輸入、雙端輸出的共模信號(hào)交流通路，如圖4.1.3（a）所示；半邊電路的共模微變等效電路，如圖4.1.3（b）所示。共模電壓放大倍數(shù)是指共模輸出電壓vOc與共模輸入電壓vIc之比。由圖4.1.3（a）中可以看出，雙端輸出時(shí)共模電壓放大倍數(shù)Avc為(a)(b)圖4.1.3圖4.1.1電路的共模等效電路（a）共模信號(hào)交流通路（b）共模半邊電路微變等效電路雙端輸入、雙端輸出(a)(b)圖4.1.3圖4.1.157（4.1.10）

由于電路完全對稱，vOc1＝vOc2，故Avc＝0。溫度變化或電壓波動(dòng)引起兩管集電極電流的變化，可以等效地視為在輸入端加入共模信號(hào)的結(jié)果。差分放大電路對共模信號(hào)的抑制作用，其實(shí)質(zhì)就是用一管集電極電流的變化去補(bǔ)償另一管集電極電流的變化。從圖4.1.3（a）所示電路的兩輸入端看進(jìn)去的共模輸入電阻為兩個(gè)半邊等效電路輸入電阻的并聯(lián)值，即Ric＝［rbe＋（1＋β）·2Re］/2 （4.1.11）此處，Ric＝［2＋（1＋50）×2×2］/2kΩ＝103kΩ通常，Re在幾千歐以上，故共模輸入電阻比差模輸入電阻大得多。從兩個(gè)輸出端看進(jìn)去的共模輸出電阻為從任一輸出端看進(jìn)去電阻的兩倍，即Roc≈2Rc （4.1.12）此處Roc≈2×10kΩ＝20kΩ

（4.1.10）由于電路完全對稱，vOc1＝vOc2，故A58雙端輸入、單端輸出此時(shí)，在圖4.1.1所示電路中，RL不能視為開路，RL是接在一管的集電極與“地”之間。其共模電壓放大倍數(shù)為

由于（1＋β）·2Re＞＞rbe，上式可簡化為（4.1.13）

（4.1.14）

在實(shí)際電路中，一般2Re＞RL'，故Avc1＜1。即差分放大電路對共模信號(hào)沒有放大作用，且Re越大，Avc1越小，電路對共模信號(hào)的抑制能力越強(qiáng)。顯然，共模單端輸出方式對共模信號(hào)的抑制能力要比雙端輸出方式的小。雙端輸入、單端輸出（4.1.13）（4.1.14）在59電路的共模輸入電阻Ric與雙端輸出電路一樣，仍為Ric＝［rbe＋（1＋β）·2Re］/2。電路的共模輸出電阻Roc為Roc＝Rc，是雙端輸出電路共模輸出電阻的一半。（3）共模抑制比KCMR共模抑制比是用來衡量差分放大電路對差模信號(hào)的放大能力和對共模信號(hào)的抑制能力的一個(gè)指標(biāo)參數(shù)，它定義為差模電壓放大倍數(shù)Avd與共模電壓放大倍數(shù)Avc之比的絕對值，用KCMR表示，即（4.1.15）

此值越大，說明差分放大電路放大差模信號(hào)的能力和抑制零點(diǎn)漂移的能力越強(qiáng)，放大電路的性能越好，一般差分放大電路的KCMR＝103~106。電路的共模輸入電阻Ric與雙端輸出電路一樣，仍為Ric＝［r60在電路完全對稱時(shí)，若采用雙端輸出方式，由于Avc≈0，其KCMR趨于無限大；若采用單端輸出方式，依式（4.1.8）和式（4.1.14）可得由上式可見，為了提高電路對共模信號(hào)的抑制能力，須選用阻值較大的Re，因此，常用直流電阻小，交流電阻大的電流源電路來替代Re。（4.1.16）在電路完全對稱時(shí)，若采用雙端輸出方式，由于Avc≈0，其KC614.1.2差分放大電路的單端輸入方式1、單端輸入方式差分放大電路按輸入、輸出方式不同可組成4種典型電路。除了上節(jié)分析的雙端輸入、雙端輸出方式和雙端輸入、單端輸出方式外，實(shí)際應(yīng)用中，有時(shí)要求放大電路的輸入端有一端接地（如vId＝vI1，vI2＝0），如圖4.1.4所示，稱為單端輸入方式。2、單端輸入方式的差模特性在圖4.1.4所示電路中，Re通常滿足Re＞＞re（發(fā)射結(jié)電阻）的條件，這樣就可以近似地認(rèn)為，輸入信號(hào)電壓vId均分在兩管的輸入回路上（將Re支路看成開路），如圖4.1.5所示。此時(shí)，vbe1≈vId/2，vbe2≈－vId/2，即單端輸入時(shí)，電路的工作狀態(tài)與雙端輸入時(shí)近似一致。如Re足夠大，則電路由單端輸入、雙端輸出時(shí)，其差模電壓放大倍數(shù)與式（4.1.7）一致，即4.1.2差分放大電路的單端輸入方式62電路由單端輸出時(shí)，其差模電壓放大倍數(shù)與式（4.1.8）近似一致，即其他指標(biāo)也與雙端輸入電路近似一致。圖4.1.4單端輸入差分放大電路圖4.1.5單端輸入差分放大電路差模的交流通路電路由單端輸出時(shí)，其差模電壓放大倍數(shù)與式（4.1.8）近似一634.1.3帶恒流源的改進(jìn)型差分放大電路如前所述，增大差分放大電路發(fā)射極電阻Re的阻值，能夠有效地抑制每一邊電路的溫漂，提高共模抑制比，這一點(diǎn)對于單端輸出方式尤為重要。可以設(shè)想，若Re為無限大，根據(jù)式（4.1.14）和式（4.1.15），有Avc→0，KCMR→∞。但由于VEE和差分管耐壓特性的限制，Re不能取值過大。若采用直流電阻小、交流電阻大，具備恒流源特性的工作點(diǎn)穩(wěn)定的共射放大電路來等效代替發(fā)射極電阻Re，則既能適用于較低的電源電壓，又可提高電路的共模抑制比。

如圖4.1.6所示，當(dāng)三極管工作在放大區(qū)時(shí)，對于確定的基極電流（亦即確定的發(fā)射結(jié)電壓）而言，集電極電流具有近似的恒流特性，即當(dāng)集電極電壓有一個(gè)較大的變化量△vce時(shí)，集電極電流ic4.1.3帶恒流源的改進(jìn)型差分放大電路如圖4.1.6所示，64圖4.1.6放大電路的恒流特性集電極電流ic基本不變，△iC很小。此時(shí)，三極管c、e之間的交流等效電阻數(shù)值很大，而直流電阻很小(）。因此，在集成運(yùn)放電路中廣泛地采用這種由工作在放大區(qū)內(nèi)的三極管構(gòu)成的恒流源電路來代替差分電路中的發(fā)射極電阻Re和集電極電阻Rc。

圖4.1.6放大電路的恒流特性集電極電流ic基本不變，△65帶恒流源的改進(jìn)型差分放大電路，如圖4.1.7（a）所示，其簡化電路如圖4.1.7（b）所示。在圖4.1.7（a）所示電路中，IC3由T3管提供，其值可通過調(diào)節(jié)T3管的基極靜態(tài)偏置電流IB3來確定，而差分放大電路所需的發(fā)射極電阻Re就是T3管呈現(xiàn)的輸出交流電阻rce3，顯然其數(shù)值是很大的。實(shí)踐證明，與基本差分放大電路比較，KCMR可提高1~2個(gè)數(shù)量級(jí)。在圖4.1.7（a）所示電路中，設(shè)vBE3＝VD，則

由于恒流源不影響差模輸入時(shí)差分放大電路的工作狀態(tài)，因此其差模電壓放大倍數(shù)、輸入電阻、輸出電阻的分析、計(jì)算和前面所述相同，不再重復(fù)。帶恒流源的改進(jìn)型差分放大電路，如圖4.1.7（a）所示，其簡66圖4.1.7帶恒流源的差分放大電路（a）帶恒流源的差分放大電路（b）電路的簡化表示【案例分析4.1.3】具有調(diào)零電位器的差分放大電路及電路參數(shù)如圖4.1.8所示，三極管的β＝50，VBE（on）＝0.7V，rbb＇＝200Ω，試求：（1）電路的靜態(tài)工作點(diǎn)，IC1、IC2和VC1、VC2；（2）差模電壓放大倍數(shù)、輸入電阻、輸出電阻；圖4.1.7帶恒流源的差分放大電路【案例分析4.1.3】具67（4）當(dāng)vI1＝5mV、vI2＝1mV時(shí)，在第3問條件下的單端輸出總電壓vO1。分析、求解：（1）由于實(shí)際電路兩邊參數(shù)不可能完全對稱，常用調(diào)零電位器RP來消除由于電路不對稱而引起的零漂現(xiàn)象。在分析、求解電路時(shí)，可假定RP的動(dòng)觸點(diǎn)置于中間位置。靜態(tài)時(shí)，VC1＝VC2，負(fù)載RL中的電流為零，可認(rèn)為RL開路。由此，有直流通路如圖4.1.9所示。由圖4.1.9可得VC1＝VC2＝VCC－ICRC≈（6－0.856×3）V＝3.432V（4）當(dāng)vI1＝5mV、vI2＝1mV時(shí)，在第3問條件下的單68（2）差模放大，雙端輸出時(shí)，有

≈2×5.27kΩ＝10.54kΩ

Rod＝2Rc＝2×3＝6kΩ（3）單端輸出時(shí)，有

（2）差模放大，雙端輸出時(shí)，有≈2×5.27kΩ＝10.569Ro1＝Rc1＝3kΩ（4）單端輸出時(shí)，輸出總電壓為VId＝vI1－vI2＝（5－1）mV＝4mVVIc＝（vI1＋vI2）/2＝［（5＋1）/2］mV＝3mVVO1＝vIdAvd1＋vIcAvc1≈［4×（－9.5）＋3×（－0.32）］mV＝－38.96mVRo1＝Rc1＝3kΩ70圖4.1.8差分電路圖4.1.9直流通路4.2集成運(yùn)算放大器4.2.1集成運(yùn)算放大器簡介集成運(yùn)算放大器（通常簡稱運(yùn)放）是一種十分理想的集成放大器件。在模擬集成電路中應(yīng)用最廣，已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了數(shù)學(xué)運(yùn)算的范疇，幾乎涉及模擬信號(hào)處理的各個(gè)領(lǐng)域，應(yīng)用十分廣泛。1、集成運(yùn)算放大器的基本組成圖4.1.8差分電路圖4.1.9直流通路4.2集成運(yùn)算71圖4.2.1集成運(yùn)算放大器內(nèi)部組成框圖集成運(yùn)算放大器從本質(zhì)上看就是一種高性能的直接耦合放大電路，其內(nèi)部組成通常包含四個(gè)基本部分，即差分輸入級(jí)、中間電壓放大級(jí)、功率放大輸出級(jí)和偏置電路，如圖4.2.1所示。圖4.2.1集成運(yùn)算放大器內(nèi)部組成框圖現(xiàn)以圖4.2.2所示的簡化的通用型集成運(yùn)算放大器741的內(nèi)部電路為例來介紹集成運(yùn)算放大器的組成及工作原理。（1）輸入級(jí)輸入級(jí)是由T1~T6組成的雙端輸入、單端輸出的差分放大電路。為了

圖4.2.1集成運(yùn)算放大器內(nèi)部組成框圖圖4.2.1集成運(yùn)72減小零點(diǎn)漂移和抑制共模干擾信號(hào)，運(yùn)算放大器的輸入級(jí)一般都采用具有恒流源的差分放大電路，故又稱差動(dòng)輸入級(jí)。（2）中間級(jí)中間電壓放大級(jí)由T16、T17組成。T16為共集電極電路，T17為共發(fā)射極放大電路。T17的集電極負(fù)載為由T13B構(gòu)成的有源負(fù)載，其交流電阻很大，故本級(jí)可以獲得很高的電壓增益，同時(shí)也具有較高的輸入電阻。運(yùn)算放大器的總的電壓增益主要是由中間級(jí)提供的，一般都采用帶有恒流源負(fù)載的復(fù)合管結(jié)構(gòu)形式的共射放大電路，以具有較高的輸入電阻和較大的電壓放大倍數(shù)，其電壓放大倍數(shù)可達(dá)幾千倍以上，故又稱中間電壓放大級(jí)。（3）輸出級(jí)本級(jí)是由T14和T20組成的工作在甲乙類放大狀態(tài)的互補(bǔ)對稱的功率放大電路。為具有較大的電壓輸出幅度、較高的輸出功率與較低的輸出電阻，運(yùn)算放大器的輸出級(jí)一般都采用準(zhǔn)互補(bǔ)功率放大電路或射極輸出器電路。為了限制通過輸出管的電流，保證三極管安全工作，實(shí)際電路中一般都加有保護(hù)電路。

減小零點(diǎn)漂移和抑制共模干擾信號(hào)，運(yùn)算放大器的輸入級(jí)一般都采用73（4）偏置電路741型集成運(yùn)算放大器由24個(gè)三極管、10個(gè)電阻和一個(gè)電容器組成。為降低功耗、限制溫升，741采用了微電流源電路作為偏置電路為各級(jí)電路提供合適的靜態(tài)工作電流。運(yùn)算放大器的偏置電路一般都是由各種類型的恒流源電路構(gòu)成。圖4.2.2741集成運(yùn)算放大器的簡化電路（4）偏置電路圖4.2.2741集成運(yùn)算放大器的簡化電路743、集成運(yùn)算放大器的電路符號(hào)目前，集成運(yùn)放常用的封裝方式有雙列直插式塑料封裝和圓形金屬封裝兩種。通用型集成運(yùn)放741的外形和引腳分布如圖4.2.3所示。圖4.2.3集成運(yùn)放741外形、引腳圖（a）外形圖片（b）外形圖（c）引腳分布圖（d）連接示意圖（b）（d）（c）（a）3、集成運(yùn)算放大器的電路符號(hào)圖4.2.3集成運(yùn)放741外形75集成運(yùn)算放大器的電路符號(hào)如圖4.2.4所示，圖中“”表示信號(hào)的傳輸方向，“∞”表示為理想條件。由于集成運(yùn)放的輸入級(jí)通常由差分放大電路組成，因此一般具有兩個(gè)輸入端。兩個(gè)輸入端中，N稱為反相輸入端，用符號(hào)“－”表示，對應(yīng)的輸入電壓用“vN”或“v－”表示，表明輸入信號(hào)若由此端加入，由它產(chǎn)生的輸出信號(hào)與該輸入信號(hào)反相，故稱反相端；P稱為同相輸入端，用符號(hào)“＋”表示，對應(yīng)的輸入電壓用“vP”或“v＋”表示，表明輸入信號(hào)若由此端加入，由它產(chǎn)生的輸出信號(hào)與該輸入信號(hào)同相，故稱同相端。輸出電壓用“vo”表示。大多數(shù)集成運(yùn)算放大器需要正、負(fù)對稱的兩個(gè)直流電源供電，正電源用“＋VCC”表示，負(fù)電源用“－VEE”表示。電路符號(hào)中一般并不標(biāo)出，采用默認(rèn)處理。運(yùn)算放大器的參考地就是兩個(gè)電源的公共地端。集成運(yùn)算放大器的電路符號(hào)如圖4.2.4所示，圖中“”表示76圖4.2.4集成運(yùn)算放大器的電路符號(hào)（a）國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的符號(hào)（b）現(xiàn)階段國際普遍使用的符號(hào)4.2.2集成運(yùn)算放大器的主要技術(shù)指標(biāo)為了描述集成運(yùn)放的性能，提出了許多項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)，現(xiàn)將常用的幾項(xiàng)主要技術(shù)指標(biāo)介紹如下：1、電源電壓范圍允許施加于集成運(yùn)放電源端子的最大直流電源＋VCC和－VEE的電壓范圍。2、開環(huán)差模電壓放大倍數(shù)（增益）Aod在標(biāo)稱電源電壓及規(guī)定負(fù)載下，運(yùn)放在無反饋情況下工作在線性區(qū)時(shí)的直流差模增益。

Aod定義為輸出電壓變化量與輸入差模電壓變圖4.2.4集成運(yùn)算放大器的電路符號(hào)4.2.2集成運(yùn)算放77化量之比。它是決定運(yùn)放精度的重要指標(biāo)，通常用分貝（dB）表示，即（4.2.1）

Aod是頻率的函數(shù)，但通常給出的是直流開環(huán)增益。理想情況下希望Aod為無限大，實(shí)際運(yùn)放Aod一般為105左右，即100dB左右，高質(zhì)量的集成運(yùn)放Aod可達(dá)140dB以上。3、輸入失調(diào)電壓VIO一個(gè)理想的集成運(yùn)放，當(dāng)輸入電壓為零時(shí)，輸出電壓也應(yīng)為零。實(shí)際使用中，由于制造工藝等原因，集成運(yùn)放的差動(dòng)輸入級(jí)不可能完全對稱，通常在輸入電壓為零時(shí)，存在一定的輸出電壓，將其折算到輸入端就是輸入失調(diào)電壓，它在數(shù)值上等于為了使集成運(yùn)放的輸出電壓為零，在輸入端加入的直流補(bǔ)償電壓。若運(yùn)放工作在線性區(qū)，輸入失調(diào)電壓VIO為化量之比。它是決定運(yùn)放精度的重要指標(biāo)，通常用分貝（dB）表示78（4.2.2）VIO愈小，表明電路參數(shù)的對稱性愈好。一般運(yùn)放的VIO值為1~10mV，高質(zhì)量的運(yùn)放VIO值在1mV以下。4、輸入失調(diào)電流IIO一個(gè)理想的集成運(yùn)放兩輸入端的靜態(tài)電流應(yīng)該完全相等。實(shí)際上，當(dāng)集成運(yùn)放的輸出電壓為零時(shí)，兩輸入端的電流不相等，這個(gè)靜態(tài)電流之差就是輸入失調(diào)電流IIO，即IIO＝｜IB1－IB2｜ （4.2.3）IIO反映輸入級(jí)差放管輸入電流的不對稱程度，其值愈小愈好，一般運(yùn)放為幾十到一百納安，高質(zhì)量的運(yùn)放IIO小于1nA。5、溫度漂移放大器的溫度漂移是指輸入失調(diào)電壓和輸入失調(diào)電流隨溫度漂移的大小。（4.2.2）VIO愈小，表明電路參數(shù)的對稱性愈好。一般運(yùn)79（1）輸入失調(diào)電壓溫漂dVIO/dT這是指在規(guī)定溫度范圍內(nèi)VIO的溫度系數(shù)，dVIO/dT亦稱為輸入失調(diào)電壓的溫度漂移，是衡量運(yùn)放的重要指標(biāo)，其值愈小，表明運(yùn)放的溫漂愈小。一般運(yùn)放為10~20μV/℃，高質(zhì)量的運(yùn)放dVIO/dT值小于0.5μV/℃。這個(gè)指標(biāo)往往比失調(diào)電壓更為重要，因?yàn)閐VIO/dT不能用外接調(diào)零電阻的方法補(bǔ)償。（2）輸入失調(diào)電流溫漂dIIO/dT這是指在規(guī)定溫度范圍內(nèi)IIO的溫度系數(shù)，也是對放大器失調(diào)電流溫度漂移的量度。同樣不能用外接調(diào)零裝置來補(bǔ)償。一般運(yùn)放dIIO/dT為幾nA/℃，高質(zhì)量的運(yùn)放dIIO/dT值小于幾十pA/℃。6、共模抑制比KCMR共模抑制比等于差模電壓放大倍數(shù)與共模電壓放大倍數(shù)之比的絕對值，常用分貝（dB）表示，即（1）輸入失調(diào)電壓溫漂dVIO/dT80（4.2.4）

這個(gè)指標(biāo)用以衡量集成運(yùn)放抑制溫漂的能力。多數(shù)集成運(yùn)放的KCMR在80dB以上，高質(zhì)量的運(yùn)放KCMR可達(dá)160dB。7、差模輸入電阻ridrid是集成運(yùn)放對輸入差模信號(hào)的輸入電阻，即兩輸入端之間的電阻。Rid愈大，集成運(yùn)放從信號(hào)源索取的電流愈小。一般的集成運(yùn)放rid大于幾兆歐，以場效應(yīng)管作為輸入級(jí)的集成運(yùn)放，rid可達(dá)106MΩ。8、輸出電阻ro