【《清华大学--电子技术》课件】「唐庆玉」第7讲差动放大器及集成运算放大器

1、海南风光11.2 差动放大器差动放大器第第11章章 基本放大电路基本放大电路12.1 概述概述12.2 集成运放的开环和闭环集成运放的开环和闭环第第12章集成运算放大器章集成运算放大器 清华大学电机系电工学教研室清华大学电机系电工学教研室 唐庆玉唐庆玉 编编11.2 11.2 差动放大电路差动放大电路11.2.1直接耦合放大电路直接耦合放大电路11.2.2 基本型差动放大器基本型差动放大器11.2.3 双电源长尾式差动放大器双电源长尾式差动放大器11.2.4 恒流源式差动放大器恒流源式差动放大器11.2.5 差动电路的几种接法差动电路的几种接法 第第11章章 基本放大电路基本放大电路11.2.

2、1直接耦合电路直接耦合电路因为电容的隔直作用以及低频时容抗加大，所以阻因为电容的隔直作用以及低频时容抗加大，所以阻容耦合只适用于放大频率较高的交流信号。容耦合只适用于放大频率较高的交流信号。对于直流信号和低频信号，阻容耦合已不适用，必对于直流信号和低频信号，阻容耦合已不适用，必须采用直接耦合方式。须采用直接耦合方式。R1+ECRCC1C2TRLuiuoR2能够放大直流信号（包括慢变信号和低频信号）的能够放大直流信号（包括慢变信号和低频信号）的放大器称为直流放大器。放大器称为直流放大器。建立静态工作点建立静态工作点+UCCuoRC2T21.前后级前后级Q点相互影响。（须增加点相互影响。（须增加R

3、E2）问题问题:uiRC1R1T1R2RE22. .零点漂移零点漂移: :前一级的温漂将作为后一级的输前一级的温漂将作为后一级的输入信号，被一级级放大，导致后级饱和或截入信号，被一级级放大，导致后级饱和或截止。（止。（须增加两级之间的直流负反馈）须增加两级之间的直流负反馈）直接耦合放大器的级联直接耦合放大器的级联1.结构结构: 对称性结构对称性结构11.2.2基本型差动放大器基本型差动放大器+UCCRCR1T2RB uoRCR1T1RB ui2ui1uo= uC1 - uC2 uC1uC22.优点：抑制温漂优点：抑制温漂 原理如下原理如下:uo= uC1 - uC2 = 0uo= (uC1 +

4、 uC1 ) - (uC2 + uC2 ) = 0当当ui1 = ui2 = 0 时，时，当温度变化时：当温度变化时：对称性对称性uC1 = uC2 uC1 = uC2+UCCRCR1T2RB uoRCR1T1RB ui2ui1uC1uC23.共模电压放大倍数共模电压放大倍数ACuo= uC1 - uC2 +UCCRCR1T2RB uoRCR1T1RB ui2ui1uC1uC2 当当ui1 = ui2（大小相等，极性相同），（大小相等，极性相同），共模输入信号共模输入信号 设设ui1 ， ui2 ，使，使uC1 ， uC2 。因。因ui1 = ui2， uC1 = uC2 uo= 0 (理想化

5、理想化)。但因两侧不完全对称，。但因两侧不完全对称， uo 0共模电压放大倍数共模电压放大倍数 AC=uoui1（很小，（很小，1)设设ui1 ,ui2 , 使使uC1 ,uC2 。设。设uC1 =uC1 - uC1 , uC2 =uC2 + uC2 。因因ui1 = -ui2， uC1 = uC2 uo= uC1 - uC2=- uC1- uC2 =- 2 uC1 差模电压放大倍数差模电压放大倍数 Ad=uoui1 -ui2=uo2ui1 5.共模抑制比共模抑制比(CMRR)的定义的定义CMRR=20 log db(分贝分贝) ACAd例例: Ad=-200 Ac=0.1 CMRR=20 l

6、og (-200)/0.1 =66 dbCMRR Common Mode Rejection Ratio 1.结构结构:11.2.3 双电源长尾式差放双电源长尾式差放特点：特点：加入射极电阻加入射极电阻R RE E加入负电源加入负电源- U- UEE EE ，采用正负双电源供电，采用正负双电源供电+UCC(+15V)RCR1T2RB uoRCR1T1RB ui2ui1uo= uC1 - uC2 uC1uC2-UEE （-15V）REui1uo+UCC（+15V）RCT1RCui2T2-UEE （-15V）RE2.双电源长尾式差放中双电源长尾式差放中双电源双电源和和射极电阻射极电阻RE的作用的作

7、用双电源的作用：双电源的作用： （1）使信号变化幅度加大。）使信号变化幅度加大。 （2）IB1、IB2由负电源由负电源-UEE提供，可以取消提供，可以取消R1和和RB四个电阻，且使基极的直流静态电位四个电阻，且使基极的直流静态电位=0双电源长尾式差放中双电源和射极电阻双电源长尾式差放中双电源和射极电阻RE的作用的作用射极电阻射极电阻RE的作用：的作用：T C IC1 IC2 IE =IE1+IE2UE =IERE+（-UEE）UBE1 、UBE2 IB1 、IB2 IC1 IC2 uo+UCCRCT1RCT2-UEERE（1）直流负反馈，稳定静态工作点）直流负反馈，稳定静态工作点射极电阻射极电

8、阻RE的作用：的作用：（2） RE对共模信号有抑制作用（原理同上，即由对共模信号有抑制作用（原理同上，即由于于RE的负反馈作用，使的负反馈作用，使IE基本不变）基本不变）（3） RE对差模信号相当于开路对差模信号相当于开路ui1uo+UCC（+15V）RCT1RCui2T2-UEE （-15V）REIEui1 =- ui2 ，设设ui1 ,ui2 ib1 ,ib2 ie1 ,ie2 ie1 = - ie2 IE不变不变 结论：结论：IE具有恒具有恒流特性流特性用恒流源代用恒流源代替替RE ，可使，可使电路进一步电路进一步改善改善放大倍数放大倍数(1)共模信号输入共模信号输入 ui1 = ui2

9、共模电压放大倍数共模电压放大倍数 AC=uoui1(2)差模信号输入差模信号输入ui1 =- ui2ui1uo+UCC（+15V）RCT1RCui2T2-UEE （-15V）REuo= uC1 - uC2差模电压放大倍数差模电压放大倍数 Ad=uoui1 -ui2= RCrbe 放大倍数放大倍数ui1uo+UCC（+15V）RCT1RCui2T2-UEE （-15V）REuo= uC1 - uC2(3) 如果如果ui1 ui2ud差模分量差模分量:2ui1 - ui2=共模分量共模分量:uC2ui1 + ui2=ui1 = uC + udui2 = uC - ud 叠加叠加分解分解uC + u

10、duC - ud结论结论:当两输当两输入端有任意输入端有任意输入时入时,相当于共相当于共模输入和差模模输入和差模输入共存输入共存放大倍数放大倍数ui1uo+UCC（+15V）RCT1RCui2T2-UEE （-15V）REuo= uC1 - uC2uC + uduC - ud只考虑共模输入时只考虑共模输入时: uoC= ACuC只考虑差模输入时只考虑差模输入时: uod= Ad(2ud)总输出总输出: uo= uoC + uod = ACuC + Ad(2ud) Ad(2ud) = Ad(2 )= Ad (ui1 - ui2)2ui1 - ui2ud2ui1 - ui2=uC2ui1 + ui

11、2=ui1uo+UCC（+15V）RCT1RCui2T2-UEE （-15V）REuo= uC1 - uC2总输出总输出: uo= Ad (ui1 - ui2)反相输入端u-同相输入端u_+放大倍数放大倍数单端输入单端输入: 当当 ui2=0时时, 双端输入双端输入uo= Ad ui111.2.4 恒流源式差放电路恒流源式差放电路电路结构电路结构:R2T3R1R3-UEEIC3+UCCui2uoERCT1RCT2ui1电路特点：电路特点：IC3具有恒流特性具有恒流特性抑制温漂的原理抑制温漂的原理T C IC1 IC2 IC1+IC2 =IC3 =IE3 UBE3 =UB3-UE3R2T3R1R

12、3-UEEIC3+UCCui2uoERCT1RCT2ui1IE3R2R1+R2（UCC-UEE）+（-UEE）UB3=认为稳定认为稳定UE3 =IE3R3-UEEIC3 结论：结论：IC3保持恒流，对共模保持恒流，对共模信号抑制，对差模信号相当信号抑制，对差模信号相当于短路于短路加入温度补偿三极管加入温度补偿三极管T4（BC短接，相当于二极管）短接，相当于二极管）R2T3R1R3-UEEIC3+UCCui2uoEB2RCT1RCT2ui1IE3IE4T C IE3 IE4 (UCC+UEE- UBE4)/ (R1+R2) 恒定恒定T C UBE4 iBuBET C IE4恒定恒定UBE4减小减

13、小T4 UBE4 UB3 IE3 结论结论:T4稳定稳定IE3恒流源相当于阻值很大的电阻。恒流源相当于阻值很大的电阻。恒流源不影响差模放大倍数。恒流源不影响差模放大倍数。恒流源使共模放大倍数减小，从而增恒流源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加共模抑制比。理想的恒流源相当于阻值为无穷大的电阻，所以共模抑制阻值为无穷大的电阻，所以共模抑制比无穷大。比无穷大。恒流源的作用恒流源的作用R2T3R1R3-UEE+UCCui2ERC1T1RC1T2ui1T4T1T2RC2RC2RE2单端输出单端输出 , 至下一级至下一级双端输出双端输出双端输入双端输入如单端输出如单端输出,此此R

14、C2可去消可去消11.2.5 差放电路的几种接法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。接法类型：单端输入，双端输入。单端输出，双端输出。第第12章章 集成运算放大器集成运算放大器12.1 12.1 概述概述12.2 12.2 集成运放的开环和闭环集成运放的开环和闭环12.1 集成运算放大器概述集成运算放大器概述结构结构（1）采用四级以上的多级放大器，输入级和第二级）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。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。输入电流，

15、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）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。率放大，提高带负载的能力。IC=IC1+ IC2 = 1 IB + 2(1+ 1 ) IB = 1 + 2(1+ 1 ) IBR2T3R1R3-UEE+UCCui2uoERCT1RCT2ui1T4为减小为减小IB, 提高输入电阻提高输入电阻,T1、T2采用复合三极管采用复合三极管 = IC / IB = 1 + 2(1+ 1 ) 1 2 ICIBIE 1 2 IC1IC2IB2IE2T5T6RC3RE2RLRC4RE3T7T9T8T4R2R1T3R3RC1T1RC2T

16、2-+RE4RE5T11T10+UCC-UEE集成运放内部结构（举例）集成运放内部结构（举例）第第1级：差动放大器级：差动放大器第第2级：差动放大器级：差动放大器第第3级：单管放大器级：单管放大器第第4级：互补对级：互补对称射极跟随器称射极跟随器极性判断极性判断uu+ uo集成运算放大器符号集成运算放大器符号 反相输入端反相输入端 u同相输入端同相输入端 u+ 输出端输出端 uo美国符号：美国符号：国内符号：国内符号：集成运算放大器的技术指标集成运算放大器的技术指标(1) (1) 开环差模电压放大倍数开环差模电压放大倍数( (开环增益开环增益) )大大 A Ao o(A(Ad d)=u)=uo

17、 o/(u/(u+ +-u-u- -)=10)=105 5-10-107 7倍倍; ;(2) (2) 共模抑制比高共模抑制比高 CMRR=100dbCMRR=100db以上以上; ;(3) (3) 输入电阻大输入电阻大 r ri i1M1M , , 有的可达有的可达100100M M 以上以上; ;(4) (4) 输出电阻小输出电阻小 r ro o = =几几 - -几十几十 理想运放：理想运放：5.1 5.1 集成运算放大器的分析方法集成运算放大器的分析方法理想化理想化Ao = CMRR= ri = ro = 0uo =Ao (u+ u) Ao u+ u 0u+ uuo uu+ ib-ib+ u+ =u ib-= ib+ =0 ri ib- 0 ib+ 0集成运算放大器的分析方法集成运算放大器的分析方法输出电压变化范围输