电子技术 模拟电路部分 第四章 差动放大器与 集成运算放大器

第四章 差动放大器与 集成运算放大器 §4.1 差动放大电路 §4.2 集成运放的内部结构及特点 §4.3 集成运放的主要性能指标

§4.1 差动放大电路 4.1.1 直接耦合电路的特殊问题 问题 1 :前后级Q点相互影响。 +UCC R1 RC1 RC2 R2 T1 uo RC2 T2 ui RC1 R1 T1 R2 RE2 问题 1 :前后级Q点相互影响。 增加R2 、RE2 : 用于设置合适的Q点。

问题 2 :零点漂移。 ui RC1 R1 T1 +UCC uo RC2 T2 R2 RE2 有时会将信号淹没 t 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。

4.1.2 基本型差动放大器 一、结构 uo RC R1 T1 RB T2 ui1 ui2 特点：结构对称。

二、 抑制零漂的原理 +UCC 当 ui1 = ui2 =0 时： uo= UC1 - UC2 = 0 当温度变化时： RC R1 T1 RB T2 ui2 当 ui1 = ui2 =0 时： uo= UC1 - UC2 = 0 当温度变化时： uo= (UC1 + uC1 ) - (UC2 + uC2 ) = 0

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） uo ui1 RC R1 T1 RB T2 ui2 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 但因两侧不完全对称， uo 0 共模电压放大倍数： （很小，<1)

四、差模电压放大倍数Ad +UCC 差模输入信号： ui1 =- ui2 =ud （大小相等，极性相反） uo ui1 RC R1 T1 RB T2 ui2 +UCC 差模输入信号： ui1 =- ui2 =ud （大小相等，极性相反） 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： (很大，>1)

五、共模抑制比(CMRR)的定义 CMRR — Common Mode Rejection Ratio KCMRR = KCMRR (dB) = (分贝) 例: Ad=-200 Ac=0.1 KCMRR=20 lg  (-200)/0.1 =66 dB

4.1.3 双电源长尾式差放 一、结构 特点：加入射极电阻RE ；加入负电源 -UEE ，采用正负双电源供电。 uo ui1 +UCC RC T1 RB T2 ui2 RE –UEE 特点：加入射极电阻RE ；加入负电源 -UEE ，采用正负双电源供电。 为了使左右平衡，可设置调零电位器:

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。 +UCC RC uo RB T1 T2 ui1 RE –UEE 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。

二、 静态分析 设ui1 = ui2 = 0 UBE 1. RE的作用 —— 抑制温度漂移，稳定静态工作点。 UE IC IE = 2IC uo ui1 +UCC RC T1 RB T2 ui2 RE –UEE 二、 静态分析 1. RE的作用 —— 抑制温度漂移，稳定静态工作点。 设ui1 = ui2 = 0 UE IC IE = 2IC 温度T 自动稳定 IC IB UBE RE 具有强负反馈作用

IC1= IC2= IC= IB UE1= UE2 =－IB×RB－UBE UC1= UC2= UCC－IC×RC uo ui1 +UCC RC T1 RB T2 ui2 RE –UEE 2. Q点的计算 直流通路 IB IC1 IC2 IE IC1= IC2= IC= IB UE1= UE2 =－IB×RB－UBE UC1= UC2= UCC－IC×RC UCE1= UCE2 = UC1－UE1

三、 动态分析 ui1 = -ui2= ud ui1 = ui2 = uC 1. 输入信号分类 (1)差模(differential mode)输入 差模电压 放大倍数: ui1 = -ui2= ud (2)共模( common mode) 输入 共模电压 放大倍数: ui1 = ui2 = uC

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。 差模分量: 共模分量: 注意：ui1 = uC + ud ；ui2 = uC - ud 例: ui1 = 20 mV , ui2 = 10 mV 则：ud = 5mV , uc = 15mV

R uo ui +UCC RC T1 RB T2 RE –UEE (一) 差模输入 均压器

RE 对差模信号作用 ib1 , ic1 ic1 = - ic2 ui1 iRE = ie1+ ie2 = 0 ui2 ib2 , ic2 uRE = 0 RE对差模信号不起作用 R uo ui +UCC RC T1 RB T2 RE –UEE ib2 ib1 ic2 ic1 iRE

差模信号通路 R uo ui1 RC T1 RB T2 ib2 ib1 ic2 ic1 ui2 uod1 uod2 E uod1 RB B1 rbe1 ib1 T1单边微变等效电路

1. 放大倍数 单边差模放大倍数: uod1 RB B1 E C1 RC ib1 ui1 rbe1 ib1

R uod ui1 RC T1 RB T2 ib2 ib1 ic2 ic1 ui2 uod1 uod2 E 差模电压放大倍数: 即：总的差动电压放大倍数为： 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：

ro 2. 输入输出电阻 ri ri R uo ui1 +UCC RC T1 RB T2 ib2 ib1 ic2 ic1 ui2 uod1 E ri ri 输入电阻： 输出电阻： ro = 2RC 思考题：电路去掉RB能正常工作吗？ RB的作用是什么？

(二) 共模输入 ic2 ic1 uoc1 uoc2 uC iRE uC  ic1 、 ic2  iRE 、 uRE  +UCC RC T1 RB T2 RE –UEE uC uoc2 uoc1 ic1 ic2 iRE uRE (二) 共模输入 uC  ic1 、 ic2  iRE 、 uRE  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） 。

共模信号通路: uoc RC T1 RB T2 2RE uc1 uoc2 uoc1 ic1 ic2 uc2

T1单边微变等效电路 RC RB 2RE ic1 uc1 uc2 ib1 ib1 ie1 rbe1

AC  0 KCMRR  问题：负载影响共模放大倍数吗？ 不影响！

4.1.4 恒流源式差放电路 电路结构: IC3 R uo ui1 RC T1 RB T2 ib2 ib1 ic2 ic1 ui2 E 4.1.4 恒流源式差放电路 电路结构: R uo ui1 RC T1 RB T2 ib2 ib1 ic2 ic1 ui2 E +UCC R2 T3 R1 R3 -UEE IC3

T3 :放大区 恒流源 rce3  1M 静态分析：主要分析T3管。 VB3VE3 IE3 IC3 iC IB3 Q IC3 uo ui1 RC T1 RB T2 ib2 ib1 ic2 ic1 ui2 E +UCC IC3 R2 T3 R1 R3 -UEE T3 :放大区 uCE IB3 iC UCE3 IC3 Q UCE3 恒流源 静态分析：主要分析T3管。 rce3  1M VB3VE3 IE3 IC3

电路改进：加入温度补偿三极管T4（BC短接，相当于二极管） R uo ui1 RC T1 RB T2 ib2 ib1 ic2 ic1 ui2 E +UCC IC3 R2 T3 R1 R3 -UEE 电路改进：加入温度补偿三极管T4（BC短接，相当于二极管） IE3  温度 UBE4  T4 UBE4  UB3  IE4 IE3  温度  IE3  Q变化 结论：T4稳定IE3 。

恒流源的作用 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。

4.1.5 差放电路的几种接法 双端 单端 双端 单端 Ad = Ad1 双端输入双端输出： 双端输入单端输出： +UCC RC uo ui1 +UCC ui2 uo C1 B1 C2 E B2 RC T1 RB T2 IC3 -UEE 输入端 接法 双端 单端 输出端 接法 双端 单端 双端输入双端输出： Ad = Ad1 双端输入单端输出：

双端输出： Ad = Ad1 单端输出： 对Ad而言，双端输入与单端输入效果是一样的。 ui1 +UCC ui2 uo C1 B1 C2 E RC T1 RB T2 IC3 -UEE ib2 ib1 双端输入： ui1 = -ui2 =0.5ui ud = 0.5ui , uc = 0 单端输入： ui1 =-ui ，ui2 = 0 ud = 0.5ui , uc = 0.5ui 单端输出： 双端输出： Ad = Ad1

§4.2 集成运放的内部结构及特点 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： 集成电路的分类：   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；  

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。

T4 T3 T5 u– T1 T2 u+ IS 原理框图： +UCC uo UEE 与uo反相 反相 输入端 同相 输入端 输入级 输出级 中间级 输出级 UEE 与uo同相

集成运放的结构 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。 集成运放的结构 （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。

为减小IB， 提高输入电阻，T1、T2采用复合三极管 IC IB IE 1 2  R2 T3 R1 R3 -UEE +UCC ui2 uo E RC T1 T2 ui1 T4 IC1 IC2 IB2 IC =IC1+ IC2 = 1 IB + 2(1+ 1 ) IB = [1 + 2(1+ 1 ) ]IB  = IC / IB = 1 + 2(1+ 1 )  1 2

集成运放内部结构（举例） -UEE +UCC E RC T1 T2 T5 T6 RC3 RE2 RC4 RE3 T7 T9 T8 RE4 第1级：差动放大器 差动放大器 第2级 极 性 判 断 T5 T6 RC3 RE2 RC4 RE3 T7 T9 T8 RE4 RE5 T11 T10 – RL + 第3级：单管放大器 第4级：互补对称射极跟随器

运放的特点： 运放符号： u－  u－ － － uo ＋ uo u+ u+ ＋ 理想运放： ri 大: 几十k  几百 k KCMMRR   ro  0 Ao   ri 大: 几十k  几百 k KCMRR 很大 ro 小：几十  几百 A o 很大: 104  107 运放符号： － ＋ u－ u+ uo  Ao ＋ － u－ u+ uo 国内符号 国际符号

§4.3 集成运放的主要性能指标 一、开环差模电压放大倍数Aod 二、共模抑制比KCMMR 三、差模输入电阻rid 四、输出电阻ro §4.3 集成运放的主要性能指标 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、共模抑制比KCMMR 常用分贝作单位，一般100dB以上。 三、差模输入电阻rid ri>1M, 有的可达100M以上。 四、输出电阻ro ro =几-几十。

五、最大共模输入电压UIcmax 六、最大差模输入电压UIdmax 七、-3dB带宽fH 运放是直流放大器， 也可放大低频信号，不适用于高频信号。 还有其他一些反映运放对成性、零漂等的参数。不再一一介绍。 关于集成运放的应用下面分三个章节介绍。其中运放都是作为理想运放来处理。

电子技术 模拟电路部分 第四章 结束