差动放大电路.ppt

1 电子技术 模拟电路部分 第三章集成运算放大电路 差动放大器 2 主要内容 1概述 2差动放大电路的基本形式 3射极耦合差动放大电路 4具有恒流源差动放大电路 集成运算放大电路概述 集成电路 是一种将 管 和 路 紧密结合的器件 它以半导体单晶硅为芯片 采用专门的制造工艺 把晶体管 场效应管 二极管 电阻和电容等元件及它们之间的连线所组成的完整电路制作在一起 使之具有特定的功能 集成运算放大电路 最初用于各种模拟信号的运算 如比例 求和 求差 积分 微分等 上 故被称为集成运算放大电路 简称集成运放 集成运放的电路结构特点 一 因为硅片上不能制作大电容 所以集成运放均采用直接耦合方式 二 因为相邻元件具有良好的对称性 而且受环境温度和干扰等影响后的变化也相同 所以集成运放中大量采用各种差分放大电路 作输入级 和恒流源电路 作偏置电路或有源负载 三 因为制作不同形式的集成电路 只是所用掩模不同 增加元器件并不增加制造工序 所以集成运放允许采用复杂的电路形式 以达到提高各方面性能的目的 四 因为硅片上不宜制作高阻值电阻 所以在集成运放中常用有源元件 晶体管或场效应管 取代电阻 五 集成晶体管和场效应管因制作工艺不同 性能上有较大差异 所以在集成运放中常采用复合形式 以得到各方面性能俱佳的效果 输入级 输入电阻高 静态电流小 共模抑制比高 常采用差动放大电路 中间级 采用有源负载的共发射极电路 增益大 偏置电路 为各级设置合适的静态工作点 镜像电流源 微电流源 输出级 线性范围宽 输出电阻小 即带负载能力强 非线性失真小等 常用互补共集放大电路构成 集成运放的组成及其各部分的作用 6 在实践中 通常采用多级放大电路对信号进行放大 多级放大电路各级间的连接方式 耦合方式 有三种 阻容耦合 直接耦合 变压器耦合 7 阻容耦合 阻容耦合的优点 由于前后级是通过电容相连的 所以各级的静态工作点是相互独立的 不互相影响 这给放大电路的分析 设计和调试带来了很大的方便 阻容耦合的缺点 不适用传送缓慢变化的信号 更不能传送直流信号 另外 大容量的电容在集成电路中难以制造 所以 阻容耦合在线性集成电路中无法采用 8 直接耦合 为了避免电容对缓慢信号带来的不良影响 去掉耦合电容 将前级输出直接连到下一级 我们称之为直接耦合 直接耦合的缺点 适用传送缓慢变化的信号 直接耦合的缺点 前后级Q点相互影响 零点漂移 9 变压器耦合 通过变压器 把初级的交流信号传送到次级 而直流电压和电流通不过变压器 变压器耦合主要用于功率放大电路 优点 实现交流的传送而直流不能通过 而且可变换电压和实现阻抗匹配 缺点 体积大 重量大 频率特性差 10 直接耦合电路的特殊问题 增加R2 RE2 用于设置合适的Q点 问题1 前后级Q点相互影响 2 差动放大电路的基本形式 11 问题2 零点漂移 前一级的温漂将作为后一级的输入信号 使得当ui等于零时 uo不等于零 有时会将信号淹没 12 一 结构 特点 结构对称 2 基本差动放大电路 共模信号输入电压 差模信号 是指在两个输入端加幅度相等 极性相反的信号 共模信号 是指在两个输入端加幅度相等 极性相同的信号 共模信号与差模信号 差模信号输入电压 14 二 抑制零漂的原理 uo UC1 UC2 0 uo UC1 uC1 UC2 uC2 0 当ui1 ui2 0时 当温度变化时 15 三 差模电压放大倍数Aud 差模输入信号 ui1 ui2 1 2 Uid 大小相等 极性相反 很大 1 因ui1 ui2 uo1 uo2 uo uo1 uo2 2uo1 差模电压放大倍数 差模输入电压 Uid Ui1 Ui2 16 四 共模电压放大倍数AuC 共模输入信号 ui1 ui2 uiC 大小相等 极性相同 理想情况 ui1 ui2 uC1 uC2 uo 0 共模电压放大倍数 很小 1 但因两侧不完全对称 uo 0 17 五 任意输入的信号 ui1 ui2 都可分解成差模分量和共模分量 注意 ui1 uiC uid ui2 uiC uid 例 ui1 20mV ui2 10mV 则 uid 5mV uic 15mV 差模分量 共模分量 3 射极耦合差动放大电路 18 基本差动放大电路靠电路的对称性 在电路的两管集电极c1 c2间输出 将温度的影响抵消 这种输出我们称为双端输出 而实际电路中每一个管子并没有任何措施消除零漂 所以 基本差动电路存在如下问题 由于电路难于绝对对称 所以输出仍然存在零漂 由于每一个管子没有采取消除零漂的措施 所以当温度变化范围十分大时 有可能差动放大管进入截止或饱和 使放大电路失去放大能力 在实际工作中 常常需要对地输出 即从c1或c2对地输出 单端输出 而这时的零漂与单管放大电路一样 仍然十分严重 对此 我们提出射极耦合差动放大电路 19 一 结构 由于电路不可能绝对对称 为了使左右平衡 可设置调零电位器 3射极耦合差动放大电路 特点 加入射极电阻RE 加入负电源 UEE 采用正负双电源供电 20 双电源的作用 1 使信号变化幅度加大 2 IB1 IB2由负电源 UEE提供 UCE UCC UEE IC RC 2RE 射极电阻RE的作用 射极电阻RE的作用 T C 1 直流负反馈 稳定静态工作点 射极电阻RE的作用 2 RE对共模信号有抑制作用 原理同上 即由于RE的负反馈作用 使IE基本不变 3 RE对差模信号相当于短路 ui1 ui2 设ui1 ui2 ib1 ib2 ie1 ie2 ie1 ie2 IE不变 结论 IE具有恒流特性 用恒流源代替RE 可使电路进一步改善 23 IC1 IC2 IC IB UCE UCC UEE IC RC 2RE 24 三 动态分析 1 差模 differentialmode 电压放大倍数 25 26 三 共模抑制比 CMR 的定义 例 Aud 200Auc 0 1KCMR 20lg 200 0 1 66dB CMRR CommonModeRejectionRatio KCMR KCMR dB 分贝 27 28 恒流源差动放大电路 29 30 恒流源 T 放大区 恒流源差动放大电路 恒流源差动放大电路 32 静态分析 33 34 2020 3 13 35 可编辑 36 1 恒流源相当于阻值很大的电阻 2 恒流源不影响差模放大倍数 3 恒流源影响共模放大倍数 使共模放大倍数减小 从而增加共模抑制比 理想的恒流源相当于阻值为无穷的电阻 所以共模抑制比是无穷 恒流源的作用 补充 电压增益 37 38 39 41 42 43 44 上面两图为 单端输入 双端输出 右图为 单端输入 单端输出 四种差动放大电路比较 输入电阻输入 单端或双端 双端输出输入 单端或双端 单端输出单端输入 46 47 48 四种差分放大电路比较 输入电阻双端输出单端输出单端输入 单端输出 至下一级 双端输出双端输入 如单端输出 此RC2可去消 3 2 5差放电路的几种接法 接法类型 单端输入 双端输入 单端输出 双端输出 51 补充 电流源 52 53 54 集成电路运算放大器中的电流源 一 电流源电路的特点 这是输出电流恒定的电路 它具有很高的输出电阻 1 BJT FET工作在放大状态时 其输出电流都是具有恒流特性的受控电流源 由它们都可构成电流源电路 2 在模拟集成电路中 常用的电流源电路有 镜象电流源 精密电流源 微电流源 多路电流源等3 电流源电路一般都加有电流负反馈 4 电流源电路一般都利用PN结的温度特性 对电流源电路进行温度补偿 以减小温度对电流的影响 电流源概述 电流源概述 集成电路电流源 一 镜象电流源 镜象电流源 其中 基准电流是稳定的 故输出电流也是稳定的 作为有源负载的应用 58 59 二 微电流源 微电流源电路 接入Re2电阻得到一个比基准电流小许多倍的微电流源 适用微功耗的集成电路和集成放大器的前置级中 微电流源 IC2远小于IREF 当R取几k 时 IREF为mA量级 而IC2可降至 A量级的微电流源 且IC2的稳定性也比IREF的稳定性好 61 三 比例式电流源 在镜象电流源电路的基础上 增加两个发射极电阻 使两个发射极电阻中的电流成一定的比例关系 即可构成比例电流源 比例式电流源 63 五 多路电流源 通