第3章差动放大电路与集成运算放大器

1、差动放大电路与差动放大电路与集成运算放大器集成运算放大器集成运算放大器的特点及其基本组成集成运算放大器的特点及其基本组成1. 电子技术发展历程电子技术发展历程第第1代：代：1904年年 电真空器件（如真空三极管）电真空器件（如真空三极管）第第2代：代：1948年年 半导体器件（如半导体三极管）半导体器件（如半导体三极管）第第3代：代：1959年年 集成电路集成电路第第4代：代：1974年年 超大规模集成电路超大规模集成电路2. 集成电路的分类集成电路的分类 按功能分：数字集成电路和模拟集成电路按功能分：数字集成电路和模拟集成电路模拟集成电路按类型分：模拟集成电路按类型分：集成运算放大器集成运算

2、放大器集成功率放大器集成功率放大器集成高频放大器集成高频放大器集成中频放大器集成中频放大器集成比较器集成比较器集成乘法器集成乘法器集成稳压器集成稳压器集成数模和模数转换器集成数模和模数转换器DIP14SOP143. 模拟集成电路的特点模拟集成电路的特点1) ) 直接耦合：直接耦合： 采用差分电路形式，元件相对误差小；采用差分电路形式，元件相对误差小；2) ) 大电阻大电阻用恒流源代替，大电容外接；用恒流源代替，大电容外接；3) ) 二极管用三极管代替二极管用三极管代替( (B、C 极接在一起极接在一起) )；4) ) 高增益、高输入电阻、低输出电阻。高增益、高输入电阻、低输出电阻。 4. 组成

3、方框图组成方框图输入级：输入级：差分电路，大大减少温漂。差分电路，大大减少温漂。中间级：中间级：采用采用有源负载的共发射极电路，增益大。有源负载的共发射极电路，增益大。输出级：输出级： OCL 电路，电路，带负载能力强带负载能力强偏置电路偏置电路：镜像电流源，微电流源。镜像电流源，微电流源。输入级输入级偏置电路偏置电路中间级中间级输出级输出级+ uo uid集成运算放大器的特点及其基本组成集成运算放大器的特点及其基本组成3.1.2 差分放大电路的工作原理差分放大电路的工作原理3.1.3 具有电流源差分放大电路具有电流源差分放大电路3.1.4 差分放大电路的输入输出形式差分放大电路的输入输出形式

4、3.1.1 零点漂移的概念零点漂移的概念3.1.1 零点漂移的概念零点漂移的概念 当放大器的输入电压当放大器的输入电压 ui = 0 时，其输出电压时，其输出电压uO往往不为往往不为常数，常数，称这种现象为放大器的零点漂移。称这种现象为放大器的零点漂移。tu0o 多级直接耦合放大器的放大倍数很高；输入级由于管子多级直接耦合放大器的放大倍数很高；输入级由于管子特性、参数随温度变化等因素引起输出电压很大的变化。从特性、参数随温度变化等因素引起输出电压很大的变化。从而导致整个放大器无法正常工作。而导致整个放大器无法正常工作。二、出现零点漂移的原因二、出现零点漂移的原因一、零点漂移现象一、零点漂移现象

5、（1）各级放大器都会出现漂移电压。）各级放大器都会出现漂移电压。（2）减小零漂必须着重解决第一级的零漂电压。）减小零漂必须着重解决第一级的零漂电压。（3）放大倍数越高，输出零漂越严重。）放大倍数越高，输出零漂越严重。（4）在阻容耦合放大电路中，漂移信号都降在耦合电容上，）在阻容耦合放大电路中，漂移信号都降在耦合电容上，不会传递到下一级而被进一步放大，因此零漂不严重。不会传递到下一级而被进一步放大，因此零漂不严重。（1）选用稳定性较好的硅三极管作放大管。）选用稳定性较好的硅三极管作放大管。（2）采用直流负反馈以稳定工作点，减小零漂。）采用直流负反馈以稳定工作点，减小零漂。（3）利用热敏元件，补偿

6、放大管受温度影响所引起的零漂。）利用热敏元件，补偿放大管受温度影响所引起的零漂。（4）采用差动放大器（又称差分放大器）采用差动放大器（又称差分放大器）四、抑制零漂的措施四、抑制零漂的措施三、多级放大电路中的零点漂移情况三、多级放大电路中的零点漂移情况 直接耦合零漂的严重性：直接耦合零漂的严重性：淹没信号。淹没信号。A1 = 20A2 = 20A3 = 20 U = 0. 02 V U = 0.42 V U = 8.42 V( (Differential Amplifier) )3.1.2 差分放大电路的工作原理差分放大电路的工作原理 特点：特点： a. 两个输入端，两个输入端， 两个输出端；两

7、个输出端； b. 元件参数对称；元件参数对称； c. 双电源供电；双电源供电； d. ui1 = ui2 时，时，uo = 0能有效地克服零点漂移能有效地克服零点漂移一、电路组成及特点一、电路组成及特点V1VCCV2VEERCRCREEui1ui2uo二、电路抑制零点漂移的原理二、电路抑制零点漂移的原理V1VCCV2VEERCRCREEui1ui2uo直流通路直流通路V1+VCCV2VEERCRCREEuoVEEICQ1ICQ2IEEIEQ1IEQ2UCQ1UCQ2VEE = UBEQ + IEEREEIEE = (VEE UBEQ) / REEICQ1 = ICQ2 IE1= IE2 = (

8、VEE UBEQ) / 2REEUCQ1 = VCC ICQ1RCUCQ2 = VCC ICQ2RCUo = UCQ1 UCQ2 = 0三、电路分析三、电路分析(一一). 静态分析静态分析差模信号交流通路差模信号交流通路(二二)、动态分析、动态分析uc1=Auui1 uc2=Auui2V1+VCCV2RCRCREEuoui1 ui2uc1uc2uo=uc1 uc2 = Auui1 Auui2 =Au(ui1 ui2)差模信号和差模输入差模信号和差模输入 若若ui1、ui2大小相同、极性相反大小相同、极性相反，即，即ui1= -ui2，称为差模，称为差模信号，记为信号，记为uid。 其中其中ui

9、d=ui1ui2 输入信号是差模信号的输入方式称差模输入。输入信号是差模信号的输入方式称差模输入。 差模输出差模输出uod=Au (ui1ui2)=Au uid 表明表明差分放大电路可放大差模信号差分放大电路可放大差模信号共模信号和共模输入共模信号和共模输入 若若ui1、ui2大小和极性都相同大小和极性都相同，即，即ui1=ui2=uic，称为共模称为共模信号，记为信号，记为uic。其中。其中uic=（ui1+ui2）/2 输入信号是共模信号的输入方式称共模输入。输入信号是共模信号的输入方式称共模输入。 共模输出共模输出uoc=Au (ui1ui2)=0 表明表明差分放大电路可抑制共模信号差分

10、放大电路可抑制共模信号四、差模信号与共模信号四、差模信号与共模信号 实际情况下，输入信号实际情况下，输入信号ui1、ui2是任意的，可利用是任意的，可利用uid、uic表示。表示。 由于由于 uid=ui1ui2 所以所以 ui1=uid/2+uic uic=(ui1+ui2)/2 ui2= uid/2+uic 故故uo=Auduid+Aucuic=uod+uoc四、差模信号与共模信号四、差模信号与共模信号差模信号差模信号ui1 = ui2差模输入电压差模输入电压uid = ui1 ui2= 2ui1 = ui2差模信号交流通路差模信号交流通路ic1ic2使得：使得：ic1 = ic2uo1

11、= uo2差模输出电压差模输出电压uod = uC1 uC2= uo1 ( uo2) = 2uo1idodduuAu beCd1rRAu 差模电压放大倍数差模电压放大倍数带带 RL 时时RLbeLdrRAu LCL21/RRR Rid = 2rbe差模输入电阻差模输入电阻差模输出电阻差模输出电阻Rod = 2RC大小相同大小相同 极性相反极性相反ui1V1+VCCV2RCRCuodui2uo1uo2ui1V1+VCCV2VEERCRCREEuodui2uC1uC2i1o122uu 五、差模特性分析五、差模特性分析例例 1 已知：已知： = 80，r bb = 200 ，UBEQ = 0.6 V

12、，试求：，试求：( (1) )静态工作点；静态工作点； ( (2) )差模电压放大倍数差模电压放大倍数 Aud，差模输入电阻差模输入电阻 Rid，输出电阻输出电阻Rod。 解解 ( (1) ) ICQ1 = ICQ2 (VEE UBEQ) / 2REE= (12 0.6) / 2 20= 0.285 (mA)UCQ1= UCQ2 = VCC ICQ1RC=12 0.285 10= 9.15 (V)( (2) )( 4897285. 0268120026)1(200EQbe Ir beLd rRAu LCL21/RRR = 10 / 10 = 5 (k )7 .5259. 7580 Rid =

13、2rbe= 2 7.59 = 15.2 (k )Rod = 2RC= 20 (k )ui1V1+12VV212VRCRCREEuodui210 k 10 k 20 k 20 k 共模输入共模输入ui1 = ui2共模输出电压共模输出电压uic = ui1 = ui2使得：使得：ie1 = ie2IEQ1 + ie1IEQ2 + ie2ue = 2ie1REE2REE2REE共模输入电压共模输入电压uoc = uC1 uC2= 00icocc uuAu共模抑制比共模抑制比cdCMRuuAAK 用对数表示：用对数表示：cdCMRlg20)dB(uuAAK 大小相同大小相同极性相同极性相同共模信号交

14、流通路共模信号交流通路ui1V1+VCCV2VEERCRCREEuocui2uC1uC2V1V2RCRCuocui2uC1uC2六、共模特性分析六、共模特性分析在在理想理想情况下，情况下，KCMR= ，集成电路，集成电路一般一般为为 120 140 dBuod = Auduid( (2) ) 若若 Aud = 50、 Auc = 0.05求求输出电压输出电压 uo，及，及 KCMR1.01 V0.99 V 解解 可将任意输入信号分解为可将任意输入信号分解为共模信号和差模信号之和共模信号和差模信号之和( (1) )ui1 = 1.01 = 1.00 + 0.01 (V)ui2 = 0.99 =

15、1.00 0.01 (V)( (1) )求求差模输入电压差模输入电压 uid 、共模输入电压、共模输入电压 uic例例 2ui1V1+VCCV2VEERCRCREEuoui2uC1uC2uid = u i1 u i2uic = (ui1+ ui2 ) / 2= 1.01 0.99 = 0.02 (V)= 1 (V)id21i1 iuuuc id21ici2uuu ( (2) )= 50 0.02= 1 (V)uoc = Aucuic= 0.05 1= 0.05 (V)uo = Auduid + Aucuic= 1.05 (V)cdCMRlg20)dB(uuAAK 05. 050lg20 = 6

16、0 (dB)差模信号差模信号共模信号共模信号3.1.3 差分放大电路的输入、输出形式差分放大电路的输入、输出形式T1+ VCCT2 VEERc1Rc2Reui1ui2uouidRLT1+ VCCT2 VEERc1Rc2Reui1ui2uouidRLT1+ VCCT2 VEERc1Rc2Reui = ui1ui2= 0uoRLT1+ VCCT2 VEERc1Rc2Reui = ui1ui2= 0uoRL双端输入，双端输出双端输入，双端输出双端输入，单端输出双端输入，单端输出单端输入，双端输出单端输入，双端输出单端输入，单端输出单端输入，单端输出（二）双端输入，单端输出（二）双端输入，单端输出T1

17、+ VCCT2 VEERc1Rc2Reui1ui2uouidRLidod1uuAu becd12 21rRAu 带带 RL ：beLd12 rRAu LcL/ RRR （一）双端输入，双端输出时差模电压、共模放大倍数（一）双端输入，双端输出时差模电压、共模放大倍数1、差模电压放大倍数、差模电压放大倍数差模输入电阻：差模输入电阻：Rid = 2rbe差模输出电阻：差模输出电阻：Ro = 2Rc（二）双端输入，单端输出（二）双端输入，单端输出差模输入电阻差模输入电阻Rid = 2rbe差模输出电阻差模输出电阻Ro = RcT1T2Rc1Rc22Reuocuic2ReRLicocc1uuAu LcL

18、/ RRR c1d1CMRuuAAK beLd12 rRAu bee rR 2、共模电压放大倍数、共模电压放大倍数单端输出共模交流通路单端输出共模交流通路共模输入电阻共模输入电阻2)1(212ebebicicRriuR 1. 单端输出单端输出beLCd/21rRRAu beid2rR cdCMRuuAAK 输出为双端输出的一半输出为双端输出的一半较双端输出小较双端输出小CoRR 即即 ui1 = ui ， ui2 = 0i21i21i1uuu i21i21i2uuu ii2i1iduuuu i21i2i121ic)(uuuu 参数计算与双端输入相同参数计算与双端输入相同2. 单端输入单端输入

19、为双端输入的特例为双端输入的特例+VCCuIV1V2RCuoRCVEEI0iC1iC2RL（三）单端输入，单端输出（三）单端输入，单端输出（四）单端输入，双端输出（略）（四）单端输入，双端输出（略）差动放大在四种不同输入、输出形式下的主要性能参数差动放大在四种不同输入、输出形式下的主要性能参数例例 3 能调零的差分电路，能调零的差分电路， = 50 ， UBE1 = UBE2 = 0.7V ，求求“Q”，Aud、 Ri、 Ro，T1单端输出时求单端输出时求Aud、KCMR、 Ro。解：解：T1+ VCCT2 VEE( 6V)RcRcReui1ui2RL3 k3 k6 k1 k1 k3 k(+6

20、V)RbRb100 Rp1. 求求“Q”直流通路直流通路IB1+ VCC VEE( 6V)RcRcReRL3 k3 k6 k1 k1 k3 k(+6V)RbRb50 50 IE1IC1)25 . 0)(1(ePbBE1CCB2B1RRRUVII mA)(017. 0)1205. 0)(501(17 . 06 mA)(85. 050017. 0C2C1 IIV)(45. 3385. 06cCCCC2C1 RIVUUrbe = 300 +26 mV / IB2. 求求Aud、 Ri、 Ro= 300 + 26 mV / 0.017mA= 1.86 k 05. 05186. 113/350 5 .

21、0)1(/0.5 PbebLcd RrRRRAu 4 . 1 k(82.105 . 0)1( 2PbebidRrRR k(62coRR+ VCC VEERcRcReui1ui2RL3 k3 k6 k1 k1 k3 kRbRb50 50 0.5RP0.5RP交流通路交流通路3. 单端输出单端输出 Aud、 KCMR、 Ro+ VCC VEERcRc0.5RPui1ui2RL3 k3 k6 k1 k1 k3 kRbRb50 0.5RP05. 05186. 116/35021 5 . 0)1(/ 21PbebLcd RrRRRAu 3 . 9 )605. 0(5186. 116/350 )25 . 0)(1(/ ePbebLcc RRrRRRAu 32. 0 cdCMRuuAAK 2932. 03 . 9 一、电流源电路一、电流源电路减少共模放大倍数的思路：减少共模放大倍数的思路： 增大增大 REE用恒流源代替用恒流源代替 REE特点：特点：直流电阻为有限值直流电阻为有限值动态电阻很大动态电阻很大