差动放大器与

4 1 第四章差动放大器与集成运算放大器 第四章 多级放大电路和集成运算放大器 4 2 第四章多级放大电路和集成运算放大器 4 1多级放大器 4 2放大电路的频率响应 4 3直接耦合放大电路及其零点漂移问题 4 4差动放大电路 4 5集成电路的基本知识 4 6集成运算放大器的基本知识 4 3 耦合方式 直接耦合 阻容耦合 变压器耦合 光电耦合 4 1多级放大器 耦合 即信号的传送 多级放大电路对耦合电路要求 1 静态 保证各级Q点设置 2 动态 传送信号 要求 波形不失真 减少压降损失 4 4 设 1 2 50 rbe1 2 9k rbe2 1 7k 4 1 1多级放大器的组成 4 5 关键 考虑级间影响 1 静态 Q点同单级 2 动态性能 方法 ri2 RL1 4 1 2多级放大电路的分析 4 6 考虑级间影响 1 4 7 微变等效电路 4 8 1 ri R1 rbe1 1 RL1 其中 RL1 RE1 ri2 RE1 R2 R3 rbe1 RE1 RL1 RE1 ri2 27 1 7 1 7k ri 1000 2 9 51 1 7 82k 2 ro RC2 10k 4 9 3 中频电压放大倍数 其中 4 10 4 11 多级阻容耦合放大器的特点 1 由于电容的隔直作用 各级放大器的静态工作点相互独立 分别估算 2 前一级的输出电压是后一级的输入电压 3 后一级的输入电阻是前一级的交流负载电阻 4 总电压放大倍数 各级放大倍数的乘积 5 总输入电阻ri即为第一级的输入电阻ri1 6 总输出电阻即为最后一级的输出电阻 由上述特点可知 射极输出器接在多级放大电路的首级可提高输入电阻 接在末级可减小输出电阻 接在中间级可起匹配作用 从而改善放大电路的性能 4 12 例1 放大电路由下面两个放大电路组成 已知EC 15V R1 100k R2 33k RE1 2 5k RC 5k 1 60 RB 570k RE2 5 6k 2 100 RS 20k RL 5k 4 13 求直接采用放大电路一的放大倍数Au和Aus 若信号经放大电路一放大后 再经射极输出器输出 求放大倍数Au ri和ro 若信号经射极输出器后 再经放大后放大电路一输出 求放大倍数Aus 4 14 ri R1 R2 rbe 1 52k 1 由于RS大 而ri小 致使放大倍数降低 2 放大倍数与负载的大小有关 例 RL 5k 时 Au 93 RL 1k 时 Au 31 求直接采用放大电路一的放大倍数Au和Aus rbe1 1 62k rbe2 2 36k 4 15 2 若信号经放大电路一放大后 再经射极输出器输出 求放大倍数Au ri和ro 4 16 4 17 讨论 带负载能力 2 输出不接射极输出器时的带负载能力 RL 5k 时 Au 93RL 1k 时 Au 31 即 当RL由5k 变为1k 时 放大倍数降低到原来的92 3 放大倍数降低到原来的30 RL 5k 时 Au1 185 Au2 0 99 ri2 173k RL 1k 时 Au1 174 Au2 0 97 ri2 76k 1 输出接射极输出器时的带负载能力 可见输出级接射极输出器后 可稳定放大倍数Au 4 18 3 若信号经射极输出器后 再经放大后放大电路一输出 求放大倍数Aus Au2 93ri2 1 52k Au1 0 98ri 101k 4 19 输入不接射极输出器时 可见输入级接射极输出器后 由于从信号源取的信号增加 从而可提高整个放大电路的放大倍数Aus 4 20 思考题 若首级接射极输出器 中间级接共射放大电路 末级接射极输出器 射极输出器和共射放大电路的参数同前 求该三级放大电路的放大倍数Au Aus ri和ro 1 100 2 60 3 100 4 21 1 100 2 60 3 100 rbe1 2 36k rbe2 1 62k rbe3 2 36k 4 22 4 23 4 24 RL 5k 时 ri2 173k Au2 185 Au3 0 99 RL 1k 时 ri2 76k Au2 174 Au3 0 97 4 25 RL 5k 时 ri2 173k Au2 185 Au3 0 99 RL 1k 时 ri2 76k Au2 174 Au3 0 97 RS 20k RL 5k 时 RL 1k 时 4 26 例2 设gm 3mA V 50 rbe 1 7k 求 总电压放大倍数 输入电阻 输出电阻 4 27 1 估算各级静态工作点 略 2 动态分析 微变等效电路 首先计算第二级的输入电阻 ri2 R3 R4 rbe 82 43 1 7 1 7k 4 28 第二步 计算各级电压放大倍数 4 29 第三步 计算输入电阻 输出电阻 ri R1 R2 3 1 0 75M ro RC 10k 4 30 第四步 计算总电压放大倍数 Au Au1Au2 4 4 147 647 4 31 稍差 再改 4 2 4 32 阻容耦合电路的频率特性 耦合电容造成 三极管结电容造成 采用直接耦合的方式可放大缓慢变化的信号 扩大通频带 下面将要介绍的差动放大器即采用直接耦合方式 阻容耦合电路缺点 不能放大直流信号 4 33 4 3直接耦合放大电路及其零点漂移问题 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 4 3 1直接耦合电路存在的问题 4 34 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 4 35 一 结构 特点 结构对称 4 4 1差动放大电路基本概念及基本电路 ui1 ui2 4 4差动放大器 4 36 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 UCC 4 37 三 共模电压放大倍数AC UCC 共模输入信号 ui1 ui2 uC 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 4 38 四 差模电压放大倍数Ad 差模输入信号 ui1 ui2 ud 大小相等 极性相反 很大 1 设uC1 UC1 uC1 uC2 UC2 uC2 因ui1 ui2 uC1 uC2 uo uC1 uC2 uC1 uC2 2 uC1 差模电压放大倍数 UCC 4 39 五 共模抑制比 CMRR 的定义 例 Ad 200Ac 0 1KCMRR 20lg 200 0 1 66dB CMRR CommonModeRejectionRatio KCMRR KCMRR dB 分贝 4 40 一 结构 为了使左右平衡 可设置调零电位器 4 4 3双电源供电的差动放大电路 特点 加入射极电阻RE 加入负电源 UEE 采用正负双电源供电 4 41 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 4 42 二 静态分析 温度T IC IE 2IC UE UBE IB IC 1 RE的作用 设ui1 ui2 0 RE具有强负反馈作用 抑制温度漂移 稳定静态工作点 4 43 IC1 IC2 IC IB UC1 UC2 UCC IC RC UE1 UE2 IB RB UBE UCE1 UCE2 UC1 UE1 4 44 三 动态分析 1 输入信号分类 1 差模 differentialmode 输入 ui1 ui2 ud 2 共模 commonmode 输入 ui1 ui2 uC 差模电压放大倍数 共模电压放大倍数 4 45 结论 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 uC ud ui2 uC ud 例 ui1 20mV ui2 10mV 则 ud 5mV uc 15mV 差模分量 共模分量 4 46 一 差模输入 均压器 4 47 RE对差模信号作用 ui1 ui2 ib1 ic1 ib2 ic2 ic1 ic2 iRE ie1 ie2 0 uRE 0 RE对差模信号不起作用 4 48 差模信号通路 T1单边微变等效电路 4 49 1 放大倍数 单边差模放大倍数 4 50 若差动电路带负载RL 接在C1与C2之间 对于差动信号而言 RL中点电位为0 所以放大倍数 即 总的差动电压放大倍数为 差模电压放大倍数 4 51 ro 2RC ro 输入电阻 输出电阻 2 输入输出电阻 思考题 电路去掉RB能正常工作吗 RB的作用是什么 4 52 二 共模输入 RE对共模信号有抑制作用 原理静态分析 即由于RE的负反馈作用 使IE基本不变 uC ic1 ic2 iRE uRE 4 53 共模信号通路 4 54 T1单边微变等效电路 4 55 AC 0 问题 负载影响共模放大倍数吗 不影响 4 56 4 4 4恒流源式差放电路 电路结构 4 57 rce3 1M 恒流源 T3 放大区 静态分析 主要分析T3管 VB3 VE3 IE3 IC3 4 58 电路改进 加入温度补偿三极管T4 BC短接 相当于二极管 温度 IE3 温度 UBE4 UB3 IE3 结论 T4稳定IE3 IE3 UBE4 Q变化 4 59 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 4 60 4 4 5差放电路的其他接法 双端输入双端输出 Ad Ad1 双端输入单端输出 4 61 单端输出 对Ad而言 双端输入与单端输入效果是一样的 ud 0 5ui uc 0 ud 0 5ui uc 0 5ui 4 62 集成电路 将整个电路的各个元件做在同一个半导体基片上 集成电路的优点 工作稳定 使用方便 体积小 重量轻 功耗小 集成电路的分类 模拟集成电路 数字集成电路 小 中 大 超大规模集成电路 4 5集成运放的内部结构及特点 4 63 集成电路内部结构的特点 1 电路元件制作在一个芯片上 元件参数偏差方向一致 温度均一性好 2 电阻元件由硅半导体构成 范围在几十到20千欧 精度低 高阻值电阻用三极管有源元件代替或外接 3 几十pF以下的小电容用PN结的结电容构成 大电容要外接 4 二极管一般用三极管的发射结构成 4 64 UEE UCC u uo u 反相输入端 同相输入端 原理框图 输入级 中间级 输出级 与uo反相 与uo同相 4 65 对输入级的要求 尽量减小零点漂移 尽量提高KCMRR 输入阻抗ri尽可能大 对中间级的要求 足够大的电压放大倍数 对输出级的要求 主要提高带负载能力 给出足够的输出电流io 即输出阻抗ro小 1 采用四级以上的多级放大器 输入级和第二级一般采用差动放大器 2 输入级常采用复合三极管或场效应管 以减小输入电流 增加输入电阻 3 输出级采用互补对称式射极跟随器 以进行功率放大 提高带负载的能力 4 66 IC IC1 IC2 1IB 2 1 1 IB 1 2 1 1 IB 为减小IB 提高输入电阻 T1 T2采用复合三极管 IC IB 1 2 1 1 1 2 4 67 第4级 互补对称射极跟随器 第3级 单管放大器 集成运放内部结构 举例 极性判断 4 68 ri大 几十k 几百k 运放的特点 KCMRR很大 ro小 几十 几百 Ao很大 104 107 运放符号 国际符号 国内符号 4 69 一 开环差模电压放大倍数Aod 无外加反馈回路的差模放大倍数 一般在105 107之间 理想运放的Aod为 二