模拟电子技术模电之差分放大电路电流源课件

第三章多级放大电路§3.1多级放大电路的耦合方式§3.2多级放大电路的动态分析§3.3差分放大电路§3.4互补输出级§3.5直接耦合多级放大电路读图2021/10/10星期日1§3.1多级放大电路的耦合方式一、直接耦合二、阻容耦合三、变压器耦合2021/10/10星期日2一、直接耦合既是第一级的集电极电阻，又是第二级的基极电阻

能够放大变化缓慢的信号，便于集成化，Q点相互影响，存在零点漂移现象。

当输入信号为零时，前级由温度变化所引起的电流、电位的变化会逐级放大。第二级第一级直接连接输入为零，输出产生变化的现象称为零点漂移求解Q点时应按各回路列多元一次方程，然后解方程组。2021/10/10星期日3NPN型管和PNP型管混合使用

在用NPN型管组成N级共射放大电路，由于UCQi＞UBQi，所以UCQi＞UCQ(i-1）（i=1～N），以致于后级集电极电位接近电源电压，Q点不合适。UCQ1

（UBQ2）

＞UBQ1UCQ2＜

UCQ1

UCQ1

（UBQ2）

＞UBQ1UCQ2＞

UCQ1

2021/10/10星期日4二、阻容耦合

Q点相互独立。不能放大变化缓慢的信号，低频特性差，不能集成化。共射电路共集电路有零点漂移吗？

利用电容连接信号源与放大电路、放大电路的前后级、放大电路与负载，为阻容耦合。2021/10/10星期日5

可能是实际的负载，也可能是下级放大电路三、变压器耦合

理想变压器情况下，负载上获得的功率等于原边消耗的功率。从变压器原边看到的等效电阻2021/10/10星期日6§3.2多级放大电路的动态分析二、分析举例一、动态参数分析2021/10/10星期日7一、动态参数分析1.电压放大倍数2.输入电阻3.输出电阻

对电压放大电路的要求：Ri大，Ro小，Au的数值大，最大不失真输出电压大。2021/10/10星期日8二、分析举例2021/10/10星期日9讨论一

失真分析：由NPN型管组成的两级共射放大电路共射放大电路共射放大电路饱和失真？截止失真？

首先确定在哪一级出现了失真，再判断是什么失真。

比较Uom1和Uim2，则可判断在输入信号逐渐增大时哪一级首先出现失真。

在前级均未出现失真的情况下，多级放大电路的最大不失真电压等于输出级的最大不失真电压。2021/10/10星期日10清华大学华成英hchya@讨论二：放大电路的选用1.按下列要求组成两级放大电路：①Ri＝1～2kΩ，Au

的数值≥3000；②Ri≥10MΩ，Au的数值≥300；③Ri＝100～200kΩ，Au的数值≥150；④Ri≥10MΩ，Au的数值≥10，Ro≤100Ω。①共射、共射；②共源、共射；③共集、共射；④共源、共集。2.若测得三个单管放大电路的输入电阻、输出电阻和空载电压放大倍数，则如何求解它们连接后的三级放大电路的电压放大倍数？注意级联时两级的相互影响！2021/10/10星期日11第四章集成运算放大电路§4.1概述§4.2集成运放中的电流源§4.3集成运放的电路分析及其性能指标2021/10/10星期日12§4.1

概述一、集成运放的特点二、集成运放电路的组成三、集成运放的电压传输特性

2021/10/10星期日13一、集成运放的特点（1）直接耦合方式，充分利用管子性能良好的一致性采用差分放大电路和电流源电路。（2）用复杂电路实现高性能的放大电路，因为电路的复杂化并不带来工艺的复杂性。（3）用有源元件替代无源元件，如用晶体管取代难于制作的大电阻。（4）采用复合管。

集成运算放大电路，简称集成运放，是一个高性能的直接耦合多级放大电路。因首先用于信号的运算，故而得名。2021/10/10星期日14二、集成运放电路的组成两个输入端一个输出端

若将集成运放看成为一个“黑盒子”，则可等效为一个双端输入、单端输出的差分放大电路。2021/10/10星期日15集成运放电路四个组成部分的作用输入级：前置级，多采用差分放大电路。要求Ri大，Ad大，

Ac小，输入端耐压高。中间级：主放大级，多采用共射放大电路。要求有足够的放大能力。输出级：功率级，多采用准互补输出级。要求Ro小，最大不失真输出电压尽可能大。偏置电路：为各级放大电路设置合适的静态工作点。采用电流源电路。几代产品中输入级的变化最大！2021/10/10星期日16三、集成运放的电压传输特性

由于Aod高达几十万倍，所以集成运放工作在线性区时的最大输入电压(uP－uN)的数值仅为几十～一百多微伏。在线性区：uO＝Aod(uP－uN)

Aod是开环差模放大倍数。非线性区

(uP－uN)的数值大于一定值时，集成运放的输出不是＋UOM

,

就是－UOM，即集成运放工作在非线性区。uO=f(uP-uN)2021/10/10星期日17§4.2

集成运放中的电流源一、镜像电流源二、微电流源三、多路电流源四、有源负载2021/10/10星期日186.1.1BJT电流源电路1.镜像电流源T1、T2的参数全同即β1＝β2，ICEO1＝ICEO2

当BJT的β较大时，基极电流IB可以忽略

Io＝IC2≈基准电流IREF＝

代表符号Ic2是基准电流的镜像2021/10/10星期日196.1.1BJT电流源电路1.镜像电流源动态电阻（小信号）一般ro在几百千欧以上，且一定范围内保持稳定T1对T2有温度补偿但IREF受电源及R影响镜像电流源适合工作电流较大场合，如果要减小Ic2要求R值很大输出特性曲线2021/10/10星期日206.1.1BJT电流源电路2.微电流源由于很小，所以IC2也很小，适用于较小工作电流，不同于镜像电流源。同时IC2受IREF影响小。ro≈rce2（1＋）（参考射极偏置共射放大电路的输出电阻）输出恒定2021/10/10星期日21A1和A3分别是T1和T3的相对结面积动态输出电阻ro远比微电流源的动态输出电阻高，有利于抑制差分放大电路的共模信号6.1.1BJT电流源电路3.高输出阻抗电流源共模信号是作用在差分放大器或仪表放大器同相、反相输入端的相同信号。例如，平衡线对中引入到两个平衡端的噪声电压。另外一个例子是加在平衡线上的直流电压(例如：由于信号源与接收器之间的地电位差而产生的直流电平)。对于理想的差分放大器，可以完全消除共模信号输出，这是由于差分输入(同相和反相)抵消掉了相同的输入成分。衡量这一特性的参数称为共模抑制比或CMRR。2021/10/10星期日226.1.1BJT电流源电路4.组合电流源一个基准电流获得多个电流源T1、R1和T4支路产生基准电流IREFT1和T2、T4和T5构成镜像电流源T1和T3，T4和T6构成了微电流源2021/10/10星期日23四、有源负载

①哪只管子为放大管？②其集电结静态电流约为多少？③静态时UIQ为多少？④为什么要考虑

h22?1.用于共射放大电路2021/10/10星期日242.用于差分放大电路①电路的输入、输出方式？②如何设置静态电流？③静态时iO约为多少？④动态时ΔiO约为多少？

使单端输出电路的差模放大倍数近似等于双端输出时的差模放大倍数。静态：动态：2021/10/10星期日252021/10/10星期日26§3.3差分放大电路一、零点漂移现象及其产生的原因二、长尾式差分放大电路的组成三、长尾式差分放大电路的分析四、差分放大电路的四种接法五、具有恒流源的差分放大电路六、差分放大电路的改进2021/10/10星期日27一、零点漂移现象及其产生的原因1.什么是零点漂移现象：ΔuI＝0，ΔuO≠0的现象。产生原因：温度变化，直流电源波动，元器件老化。其中晶体管的特性对温度敏感是主要原因，故也称零漂为温漂。克服温漂的方法：引入直流负反馈，温度补偿。典型电路：差分放大电路2021/10/10星期日286.2.1差分式放大电路的一般结构1.用三端器件组成的差分式放大电路电流信号由输入电压信号产生->用电压信号描述差模和共模信号2021/10/10星期日296.2.1差分式放大电路的一般结构2.有关概念差模信号共模信号差模电压增益共模电压增益总输出电压其中——差模信号产生的输出——共模信号产生的输出共模抑制比反映抑制零漂能力的指标2021/10/10星期日306.2.1差分式放大电路的一般结构2.有关概念根据有共模信号相当于两个输入端信号中相同的部分差模信号相当于两个输入端信号中不同的部分两输入端中的共模信号大小相等，相位相同；差模信号大小相等，相位相反。2021/10/10星期日316.2.2射极耦合差分式放大电路1.电路组成及工作原理射极连接在一起双端输入双端输出2021/10/10星期日326.2.2射极耦合差分式放大电路1.电路组成及工作原理静态（没有输入）2021/10/10星期日33动态仅输入差模信号，大小相等，相位相反。大小相等，信号被放大。相位相反。1.电路组成及工作原理2021/10/10星期日34动态仅输入共模信号，同时输入差模和共模，仅差模信号被放大。1.电路组成及工作原理2021/10/10星期日352.抑制零点漂移原理温度变化和电源电压波动，都将使集电极电流产生变化。且变化趋势是相同的，其效果相当于在两个输入端加入了共模信号。2021/10/10星期日36这一过程类似于分压式射极偏置电路的温度稳定过程。所以，即使电路处于单端输出方式时，仍有较强的抑制零漂能力。2.抑制零点漂移原理差分式放大电路对共模信号有很强抑制作用2021/10/10星期日373.主要指标计算（1）差模情况接入负载时以双倍的元器件换取抑制零漂的能力<A>双入、双出2021/10/10星期日383.主要指标计算（1）差模情况<B>双入、单出接入负载时2021/10/10星期日393.主要指标计算（1）差模情况<C>单端输入等效于双端输入指标计算与双端输入相同。2021/10/10星期日403.主要指标计算（2）共模情况<A>双端输出共模信号的输入使两管集电极电压有相同的变化。所以共模增益2021/10/10星期日41<B>单端输出抑制零漂能力增强3.主要指标计算（2）共模情况2021/10/10星期日42（3）共模抑制比双端输出，理想情况单端输出抑制零漂能力越强单端输出时的总输出电压（4）频率响应高频响应与共射电路相同，低频可放大直流信号。2021/10/10星期日43三、长尾式差分放大电路的分析

1.

Q点：晶体管输入回路方程：通常，Rb较小，且IBQ很小，故选合适的VEE和Re就可得合适的Q2021/10/10星期日44差模信号作用时的动态分析差模放大倍数2021/10/10星期日454.动态参数：Ad、Ri、Ro、Ac、KCMR

共模抑制比KCMR：综合考察差分放大电路放大差模信号的能力和抑制共模信号的能力。

在实际应用时，信号源需要有“接地”点，以避免干扰；或负载需要有“接地”点，以安全工作。

根据信号源和负载的接地情况，差分放大电路有四种接法：双端输入双端输出、双端输入单端输出、单端输入双端输出、单端输入单端输出。2021/10/10星期日46四、差分放大电路的四种接法

由于输入回路没有变化，所以IEQ、IBQ、ICQ与双端输出时一样。但是UCEQ1≠UCEQ2。1.双端输入单端输出：Q点分析2021/10/10星期日471.双端输入单端输出：差模信号作用下的分析2021/10/10星期日481.双端输入单端输出：共模信号作用下的分析2021/10/10星期日491.双端输入单端输出：问题讨论2021/10/10星期日502.单端输入双端输出共模输入电压差模输入电压

输入差模信号的同时总是伴随着共模信号输入：2021/10/10星期日512.单端输入双端输出测试:差模输出共模输出2021/10/10星期日523.四种接法的比较：电路参数理想对称条件下输入方式：Ri均为2(Rb+rbe)；双端输入时无共模信号输入，单端输入时有共模信号输入。输出方式：Q点、Ad、Ac、KCMR、Ro均与之有关。2021/10/10星期日53五、具有恒流源的差分放大电路

Re越大，每一边的漂移越小，共模负反馈越强，单端输出时的Ac越小，KCMR越大，差分放大电路的性能越好。但为使静态电流不变，Re越大，VEE越大，以至于Re太大就不合理了。

需在低电源条件下，设置合适的IEQ，并得到得到趋于无穷大的Re。解决方法：采用电流源取代Re！2021/10/10星期日54具有恒流源差分放大电路的组成等效电阻为无穷大近似为恒流2021/10/10星期日55例(4)当输出接一个12k

负载时的差模电压增益.解：求:(1)静态2021/10/10星期日56(2)电压增益2021/10/10星期日57(3)差分电路的共模增益共模输入电压不计共模输出电压时2021/10/10星期日58(4)2021/10/10星期日594.带有源负载的射极耦合差分式放大电路T1,T2差分放大管T5,T6电流源该电路为双入单出

T3,T4镜像电流源作为T1,T2的有源负载2021/10/10星期日604.带有源负载的射极耦合差分式放大电路静态IE6

IREFIO

＝IE5动态2021/10/10星期日614.带有源负载的射极耦合差分式放大电路差模电压增益（负载开路）

单端输出的电压增益接近于双端输出的电压增益2021/10/10星期日624.带有源负载的射极耦合差分式放大电路差模输入电阻Rid＝2rbe输出电阻2021/10/10星期日634.带有源负载的射极耦合差分式放大电路共模输入电阻

Ric＝rbe＋2(1＋β)ro52021/10/10星期日646.3差分式放大电路的传输特性根据iC1=iE1，iC2=iE2vBE1=vi1=vid/2vBE2=vi2=-vid/2

又

vO1＝VCC－iC1Rc1vO2＝VCC－iC2Rc2可得传输特性曲线

vO1，vO2＝f（vid）2021/10/10星期日65vO1，vO2＝f（vid）的传输特性曲线end2021/10/10星期日666.4集成电路运算放大器6.4.2集成运算放大器7412021/10/10星期日676.4.2集成运算放大器741原理电路2021/10/10星期日686.4.2集成运算放大器741简化电路end2021/10/10星期日69§4.3

集成运放的电路分析及其性能指标二、读图举例三、集成运放的性能指标一、读图方法2021/10/10星期日70一、读图方法（1）了解用途：了解要分析的电路的应用场合、用途和技术指标。（2）化整为零：将整个电路图分为各自具有一定功能的基本电路。（3）分析功能：定性分析每一部分电路的基本功能和性能。（4）统观整体：电路相互连接关系以及连接后电路实现的功能和性能。（5）定量计算：必要时可估算或利用计算机计算电路的主要参数。已知电路图，分析其原理和功能、性能。2021/10/10星期日71二、举例：F007——通用型集成运放

对于集成运放电路，应首先找出偏置电路，然后根据信号流通顺序，将其分为输入级、中间级和输出级电路。2021/10/10星期日72

若在集成运放电路中能够估算出某一支路的电流，则这个电流往往是偏置电路中的基准电流。找出偏置电路2021/10/10星期日73双端输入、单端输出差分放大电路以复合管为放大管、恒流源作负载的共射放大电路用UBE倍增电路消除交越失真的准互补输出级三级放大电路简化电路

分解电路2021/10/10星期日74输入级的分析

T3、T4为横向PNP型管，输入端耐压高。共集形式，输入电阻大，允许的共模输入电压幅值大。共基形式频带宽。共集-共基形式Q点的稳定：T（℃）↑→IC1↑IC2↑→IC8↑IC9与IC8为镜像关系→IC9↑，因IC10不变→

IB3↓IB4↓→IC3↓IC4↓→IC1↓IC2↓

T1和T2从基极输入、射极输出T3和T4从射极输入、集电极输出2021/10/10星期日75输入级的分析T7的作用：抑制共模信号

T5、T6分别是T3、T4的有源负载，而T4又是T6的有源负载，增大电压放大倍数。作用？+++++++_放大差模信号+___特点：输入电阻大、差模放大倍数大、共模放大倍数小、输入端耐压高，并完成电平转换（即对“地”输出）。2021/10/10星期日76中间级的分析

中间级是主放大器，它所采取的一切措施都是为了增大放大倍数。

F007的中间级是以复合管为放大管、采用有源负载的共射放大电路。由于等效的集电极电阻趋于无穷大，故动态电流几乎全部流入输出级。中间级输出级2021/10/10星期日77输出级的分析D1和D2起过流保护作用，未过流时，两只二极管均截止。iO增大到一定程度，D1导通，为T14基极分流，从而保护了T14。准互补输出级，UBE倍增电路消除交越失真。中间级输出级电流采样电阻特点：输出电阻小最大不失真输出电压高2021/10/10星期日78判断同相输入端和反相输入端

输入电阻大、差模增益大、输出电阻小、共模抑制能力强、允许的共模输入电压高、输入端耐压高等。2021/10/10星期日79三、集成运放的主要性能指标

指标参数F007典型值理想值开环差模增益Aod106dB∞差模输入电阻rid2MΩ