第8章 基本運算放大電路

1、8.1差動式放大電路8.2集成運算放大器 8.3基本運算放大電路8.1 差動式放大電路 前面提到了在多級放大電路中采用直接耦合存在著兩個特殊問題，一是靜態(tài)工作點的相互影響，二是零點漂移。為了解決這兩個問題，可采用差動式放大電路。 8.1.1 基本差動式放大電路 圖8.1所示為基本差動式放大電路，它由兩個完全相同的單管共射極電路組成。差動式放大電路有兩個輸入端，兩個輸出端，要求電路對稱，即V1、V2的特性相同，外接電阻對稱相等，各元件的溫度特性相同，即Rb1=Rb2，Rc1=Rc2，RS1=RS2。V1Ui1Rb1Rc1Rc2Rb2UoRS1RS2Ui2 UCCV2 圖8.1 基本差動式放大電路

2、 1.工作原理 1) 靜態(tài)分析 靜態(tài)時Ui1=Ui2=0。由于電路左右對稱，輸入信號為零時，IC1=IC2，UC1=UC2，則輸出電壓 Uo=UC1-UC2=0 當電源電壓波動或溫度變化時，兩管集電極電流和集電極電位同時發(fā)生變化。輸出電壓仍然為零?？梢姡M管各管的零漂存在，但輸出電壓為零，從而使得零漂得到抑制。 2) 動態(tài)分析 （1）差模輸入(Differential mode)。放大器的兩個輸入端分別輸入大小相等極性相反的信號(即Ui1=-Ui2)，這種輸入方式稱為差模輸入。差模輸入信號21212121212221,2122ccccodidiidiiiiiidUUUUUUUUUUUUUU差模

3、輸出電壓 )21/(2212111LcLSbeLudSbecuuduuiCidodudRRRRrRARrRAAAAUUUUA差模電壓放大倍數(shù) 即差動式放大電路的差模電壓放大倍數(shù)等于單管共射極電路的電壓放大倍數(shù)。 如果接上RL，則式中 由于兩管對稱，RL的中點電位不變相當于交流的地電位，對于單管來講負載是RL的一半，即 RL。輸入電阻 ri=2(RS+rbe) 因此輸入回路經(jīng)兩個管的發(fā)射極和兩個RS，則 輸出電阻 ro=2Rc 因此輸出端經(jīng)過兩個Rc 。 (2)共模輸入(Common mode)。在差動式放大電路的兩個輸入端，分別加入大小相等極性相同的信號(即Ui1=Ui2)，這種輸入方式稱為共

4、模輸入。共模輸入信號用Uic表示。共模輸入時(Uic=Ui1=Ui2)的輸出電壓與輸入電壓之比稱為共模電壓放大倍數(shù)，用Ac表示。在電路完全對稱的情況下，輸入信號相同，輸出端電壓Uo=Uo1-Uo2=0,故Ac=Uo/Ui=0,即輸出電壓為零，共模電壓放大倍數(shù)為零。這種情況稱為理想電路。 (3)抑制零點漂移的原理。在差動式放大電路中，無論是電源電壓波動或溫度變化都會使兩管的集電極電流和集電極電位發(fā)生相同的變化,相當于在兩輸入端加入共模信號。由于電路的完全對稱性,使得共模輸出電壓為零，共模電壓放大倍數(shù)Ac=0，從而抑制了零點漂移。這時電路只放大差模信號。 3.共模抑制比 在理想狀態(tài)下，即電路完全對

5、稱時，差動式放大電路對共模信號有完全的抑制作用。實際電路中，差動式放大電路不可能做到絕對對稱，這時Uo0，Ac0，即共模輸出電壓不等于零。共模電壓放大倍數(shù)不等于零，Ac=Uo/Ui。為了衡量差動式電路對共模信號的抑制能力,引入共模抑制比，用KCMRR表示。cdCMRRAAK 由上式可以看出，KCMRR越大，差動式放大電路放大差模信號（有用信號）的能力越強，抑制共模信號（無用信號）的能力越強，即KCMRR越大越好。理想差動式電路的共模抑制比KCMRR。后面我們將討論如何提高共模抑制比。由于KCMRR|Ad/Ac|,即在保證Aud不變的情況下，如何降低Ac，從而提高KCMRR。二、 帶Re的差動式

6、放大電路 上面介紹的基本差動式放大電路對共模信號的抑制是靠電路兩側(cè)的對稱性來實現(xiàn)的。但對于各管自身的工作點漂移沒有抑制作用，若采用單端輸出，則差模和共模放大倍數(shù)相等，這時KCMRR1，失去了差動式放大電路的作用。即使是雙端輸出，由于實際電路的不完全對稱性，仍然有共模電壓輸出。改進方法是在不降低Aud的情況下，降低Ac從而提高共模抑制比。帶公共Re的差動式放大電路如圖8.2所示，這種電路也稱為長尾式差動放大電路。由于KCMRR是由差模電壓放大倍數(shù)和共模電壓放大倍數(shù)共同決定的，下面分別分析Re對共模電壓放大倍數(shù)和差模電壓放大倍數(shù)的影響。 Ui1Rc1Rc2UoRS1RS2Ui2 UCCRe UEE

7、圖8.2 帶Re的差動式放大電路 1. 靜態(tài)分析 如圖8.2所示，由于流過Re的電流為IE1和IE2之和，又由于電路的對稱性，則IE1=IE2，流過Re的電流為2IE1。 靜態(tài)工作點的估算： eEQcCQEECCCEQBQCQeSBEQEEBQBQEQEEeEQBEQSBQRIRIUUUIIRRUUIIIURIURI2)1 (2)1 (2Rc1Rc2RS1RS2 UCCRe UEE(a)Rc1Rc2RS1RS2 UCC2Re UEE(b)2ReV1V2V1V2 圖8.3直流等效電路（a）直流偏置電路；（b）直流等效電路 2. 穩(wěn)定靜態(tài)工作點的過程 加Re后，當溫度上升時，由于IC1和IC2同時

8、增大，穩(wěn)定過程實質(zhì)上是一個負反饋過程，關于負反饋在第四節(jié)講解。 T(C) IC1 IC1 IC2 IC2 IEUReUEUBE1IB1 UBE2IB2 Re越大工作點越穩(wěn)定，但Re過大會導致過UE高使靜態(tài)電流減小，加入負電源-UEE可補償Re上的壓降。 3.動態(tài)分析 （1）Re對差模信號的影響。如圖8.3所示，加入差模信號時由于Ui1=-Ui2，則IE1=-IE2，流過Re的電流IE=IE1+IE2=0。對差模信號來講，Re上沒有信號壓降，即Re對差模電壓放大倍數(shù)沒有影響。 差模電壓放大倍數(shù) beSLudrRRAV1Ui1Rc1Rc2UoRS1RS2Ui2 UCCRe UEEIE1IE2V2

9、圖8.4 Re對差模放大倍數(shù)的影響 （2）Re對共模信號的影響。如圖8.5加入共模信號時，由 于Ui 1=Ui 2， 則 IE 1= IE 2， 流 過Re 1的 電 流IE=IE1+IE2=2IE1，UE=2IE1Re，對于共模信號可以等效成每管發(fā)射極接入2Re的電阻。 cobeSiLcLRrrRrRRR2)(2)2/(其中 輸入電阻輸出電阻 即Re使共模電壓放大倍數(shù)減小，而且Re越大，Ac越 小，KCMRR越大。共模電壓放大倍數(shù)為 beSccebeSccrRRARrRRA)1 (2不加Re時 V1Rc1Rc2RS1RS2 UCCRe UEE(a)IE1UoV2Ui1Ui2IE2 圖8.5

10、輸入共模信號 圖8.5 輸入共模信號 V1Rc1Rc2RS1RS2 UCC2Re UEE(b)2ReUi1Ui2UoV2 三、具有恒流源的差動式放大電路 通過對帶Re的差動式放大電路的分析可知，Re越大，KCMRR越大，但增大Re，相應的UEE也要增大。顯然，使用過高的UEE是不合適的。此外,Re直流能耗也相應增大。所以，靠增大Re來提高共模抑制比是不現(xiàn)實的。 具有恒流源差分放大電路的組成具有恒流源差分放大電路的組成等效電阻等效電阻為無窮大為無窮大近似為近似為恒流恒流圖8.6 具有恒流源的差動式放大電路 圖8.6中IC3=IE3，由于IC3恒定，IE3恒定，則IE0，這時動態(tài)電阻rd為 恒流源

11、對動態(tài)信號呈現(xiàn)出高達幾兆歐的電阻，而直流壓降不大，可以不增大UEE。rd相當于Re，所以對差模電壓放大倍數(shù)Ad無影響。對共模電壓放大倍數(shù)Ac相當于接了一個無窮大的Re，所以Ac0，這時KCMRR。實現(xiàn)了在不增加UEE的同時，提高了共模抑制比的目的。恒流源電路可用恒流源符號表示，如圖8.6(b)所示。33EEdIUr 8.1.4 差動式放大電路的輸入輸出方式 由于差動式放大電路有兩個輸入端、兩個輸出端,所以信號的輸入和輸出有四種方式，這四種方式分別是雙端輸入雙端輸出、雙端輸入單端輸出、單端輸入雙端輸出、單端輸入單端輸出。根據(jù)不同需要可選擇不同的輸入、輸出方式。 1. 雙端輸入雙端輸出 電路如圖8

12、.7所示，其中,差模電壓放大倍數(shù)為 )2/(LcLbeSLudRRRrRRA式中 此電路適用于輸入、輸出不需要接地，對稱輸入， 對稱輸出的場合。 cobeSiRrrRr2)(2輸入電阻輸出電阻 V1Ui1Rc1Rc2RLRS1RS2Ui2 UCCV2 UEEIS 圖8.7 雙端輸入雙端輸出 2. 單端輸入雙端輸出 如圖8.8(a)所示，信號從一只管子（指V1）的基極與地之間輸入，另一只管子的基極接地,表面上似乎兩管不是工作在差動狀態(tài)，但是，若將發(fā)射極公共電阻Re換成恒流源，那么，IC1的任何增加將等于IC2的減少，也就是說，輸出端電壓的變化情況將和差動輸入（即雙端輸入）時一樣。此時，V1、V2

13、管的發(fā)射極電位UE將隨著輸入電壓Ui而變化，變化量為Ui/2，于是，V1管的Ube=Ui-Ui/2=Ui/2，V2管的Ube=0-Ui/2=-Ui/2。這樣來看，單端輸入的實質(zhì)還是雙端輸入，可以將它歸結為雙端輸入的問題。所以，它的Ad、ri、ro的估算與雙端輸入雙端輸出的情況相同。 此電路適用于單端輸入轉(zhuǎn)換成雙端輸出的場合。 （a）單端輸入雙端輸出 （b）單端輸入單端輸出 圖8.8 3. 單端輸入單端輸出 圖8.9為單端輸入單端輸出的接法。信號只從一只管子的基極與地之間接入，輸出信號從一只管子的集電極與地之間輸出，輸出電壓只有雙端輸出的一半，電壓放大倍數(shù)Aud也只有雙端輸出時的一半。 cobe

14、iLcLbecLdRrrrRRRrRRA2/)(2式中 輸入電阻 輸出電阻 此電路適用于輸入輸出均有一端接地的場合。V1UiRc1Rc2RLRS1RS2 UCCV2 UEEIS 圖8.9 單端輸入單端輸出 4. 雙端輸入單端輸出 圖8.10所示電路，其輸入方式和雙端輸入相同，輸出方式和單端輸出相同，它的Ad、ii、ro的計算和單端輸入單端輸出相同。此電路適用于雙端輸入轉(zhuǎn)換成單端輸出的場合。 從幾種電路的接法來看，只有輸出方式對差模放大倍數(shù)和輸入、輸出電阻有影響，不論哪一種輸入方式，只要是雙端輸出，其差模放大倍數(shù)就等于單管放大倍數(shù)，單端輸出差模電壓放大倍數(shù)為雙端輸出的一半。V1Ui1Rc1Rc2

15、RLRS1RS2 UCCV2 UEEUi2IS 圖8.11 雙端輸入單端輸出 8.3 集成運算放大器 分析集成運放應用電路時，把集成運放看成理想運算放大器，可以使分析簡化。實際集成運放絕大部分接近理想運放。主要參數(shù)： （1）電源電壓：能夠施加于運放電源端子的最大直流電壓值稱為電源電壓。一般有兩種表示方法：用正、負兩種電壓UCC、UEE表示或用它們的差值表示。（2）最大差模輸入電壓Uidmax：Uidmax是運放同相端和反相端之間所能承受的最大電壓值。輸入差模電壓超過Uidmax時，可能會使輸入級的三極管反向擊穿等。（3）最大共模輸入電壓Uicmax：Uicmax是在線性工作范圍內(nèi)集成運放所能承

16、受的最大共模輸入電壓。超過此值，集成運放的共模抑制比、差模放大倍數(shù)等會顯著下降。（4）開環(huán)差模電壓放大倍數(shù)Aud：集成運放開環(huán)時輸出電壓與輸入差模信號電壓之比稱為開環(huán)差模電壓放大倍數(shù)Aud。Aud越高，運放組成電路的精度越高，性能越穩(wěn)定。（5）輸入失調(diào)電壓Uos：實際上，集成運放難以做到差動輸入級完全對稱。當輸入電壓為零時，為了使輸出電壓也為零，需在集成運放兩輸入端額外附加補償電壓，該補償電壓稱為輸入失調(diào)電壓Uos。Uos越小越好，一般為0.55mV。 （6）輸入失調(diào)電流Ios：Ios是當運放輸出電壓為零時，兩個輸入端的偏置電流之差，即Ios=|IB1-IB2|，它是由內(nèi)部元件參數(shù)不一致等原因

17、造成的。Ios越小越好，一般為110A。（7）輸入偏置電流IB：IB是輸出電壓為零時，流入運放兩輸入端靜態(tài)基極電流的平均值，即IB=(IB1+IB2)/2。IB越小越好，一般為1100A。（8）共模抑制比KCMRR：KCMRR是差模電壓放大倍數(shù)和共模電壓放大倍數(shù)之比，即KCMRR=|Aud/Aoc|。KCMRR越高越好。（9）差模輸入電阻rid：rid是開環(huán)時輸入電壓變化量與它引起的輸入電流的變化量之比，即從輸入端看進去的動態(tài)電阻。rid一般為兆歐級。（10）輸出電阻ro：ro是開環(huán)時輸出電壓變化量與它引起的輸出電流的變化量之比，即從輸出端看進去的電阻。ro越小，運放的帶負載能力越強。 8.3

18、.1 理想運算放大器的特點 （1）開環(huán)差模電壓放大倍數(shù)Aud; （2）差模輸入電阻Rid; （3）輸出電阻Ro0; （4）共模抑制比KCMRR; （5）輸入偏置電流IB1=IB2=0； （8）失調(diào)電壓、失調(diào)電流及溫漂為0。 利用理想運放分析電路時，由于集成運放接近于理想運放，所以造成的誤差很小，本章若無特別說明，均按理想運放對待。 8.3.2負反饋是集成運放線性應用的必要條件 由于集成運放的開環(huán)差模電壓放大倍數(shù)很大(Aud)，而開環(huán)電壓放大倍數(shù)受溫度的影響，很不穩(wěn)定。采用深度負反饋可以提高其穩(wěn)定性，此外運放的開環(huán)頻帶窄，例如F007只有7Hz，無法適應交流信號的放大要求，加負反饋后可將頻帶擴展

19、(1+AF)倍。另外負反饋還可以改變輸入、輸出電阻等。所以要使集成運放工作在線性區(qū)，采用負反饋是必要條件。 為了便于分析集成運放的線性應用，我們還需要建立“虛短”與“虛斷”這兩個概念。 (1)由于集成運放的差模開環(huán)輸入電阻Rid，輸入偏置電流IB0，不向外部索取電流，因此兩輸入端電流為零。即Ii-=Ii+=0，這就是說，集成運放工作在線性區(qū)時，兩輸入端均無電流，稱為“虛斷”。 (2)由于兩輸入端無電流，則兩輸入端電位相同，即U-=U+。由此可見，集成運放工作在線性區(qū)時，兩輸入端電位相等，稱為“虛短”。1. 理想運放參數(shù)特點：Aod，rid， ro0，fH ，所有失調(diào)因素、溫漂、噪聲均為零。所有

20、失調(diào)因素、溫漂、噪聲均為零。2. 理想運放工作在線性區(qū)的電路特征：引入交、直流負：引入交、直流負反饋反饋因為因為uO為有限值，為有限值， Aod，所以所以 uNuP0，即即uNuP虛短路虛短路因為因為r ridid，所以所以 iNiP0 0虛斷路虛斷路求解放大倍數(shù)求解放大倍數(shù)的基本出發(fā)點的基本出發(fā)點無源網(wǎng)絡無源網(wǎng)絡3. 理想運放工作在線性區(qū)的特點 8.3.3 運算放大器的基本電路 運算放大器的基本電路有反相輸入式、同相輸入式兩種。反相輸入式是指信號由反相端輸入，同相輸入式是指信號由同相端輸入，它們是構成各種運算電路的基礎。 1.反相輸入式放大電路 圖8.3.1所示為反相輸入式放大電路，輸入信號

21、經(jīng)R1加入反相輸入端，Rf為反饋電阻，把輸出信號電壓Uo反饋到反相端，構成深度電壓并聯(lián)負反饋。 IfUoRfR2IiIiR1Ui 圖8.3.1 反相輸入式放大電路 1)“虛地”的概念 由于集成運放工作在線性區(qū)，U+=U-、Ii+=Ii-，即流過R2的電流為零。則U+=0，U-=U+=0，說明反相端雖然沒有直接接地，但其電位為地電位，相當于接地，是“虛假接地”，簡稱為“虛地”。“虛地”是反相輸入式放大電路的重要特點。IfUoRfR2IiIiR1Ui“虛短”是指在理想情況下，兩個輸入端的電位相等，就好像兩個輸入端短接在一起，但事實上并沒有短接，稱為“虛短”。虛斷指在理想情況下，流入集成運算放大器輸

22、入端電流為零。這是由于理想運算放大器的輸入電阻無限大，就好像運放兩個輸入端之間開路。但事實上并沒有開路，稱為“虛斷”?！疤摰亍笔巧疃入妷翰⒙?lián)負反饋放大器的重要特點；是指集成運放的反響輸入端為虛地點，即u_=0。 2)電壓放大倍數(shù) 在圖8.3.1中 11RURUUIRURUUIiiifofof由于I i-=Ii=0,則If=Ii,即111RRUUAURRURURUfioufifofoi 式中Auf是反相輸入式放大電路的電壓放大倍數(shù)。 IfUoRfR2IiIiR1Ui 上式表明：反相輸入式放大電路中，輸入信號電壓Ui和輸出信號電壓Uo相位相反，大小成比例關系，比例系數(shù)為Rf/R1，可以直接作為比例

23、運算放大器。當Rf=R1時，Auf=-1,即輸出電壓和輸入電壓的大小相等，相位相反，此電路稱為反相器。 3)輸入電阻、輸出電阻 由于U-=0，所以反相輸入式放大電路輸入電阻為 由于反相輸入式放大電路采用并聯(lián)負反饋，所以從輸入端看進去的電阻很小，近似等于R1。由于該放大電路采用電壓負反饋，其輸出電阻很?。≧o0）。iiiifRIUR 4)主要特點 （1）集成運放的反相輸入端為“虛地”（U-=0），它的共模輸入電壓可視為零，因此對集成運放的共模抑制比要求較低。 （2）由于深度電壓負反饋輸出電阻小（Ro0），因此帶負載能力較強。 （3）由于并聯(lián)負反饋輸入電阻?。≧i=R1），因此要向信號源汲取一定的

24、電流。 2. 同相輸入式放大電路 圖8.3.2所示電路為同相輸入式放大電路，輸入信號Ui經(jīng)R2加到集成運放的同相端，Rf為反饋電阻，R2為平衡電阻（R2=R1Rf）。 UoRfR1UiR2UUfU 1)虛短的概念 對同相輸入式放大電路，U-和U+相等，相當于短路，稱為“虛短”。由于U+=Ui，U-=Uf，則U+=U-=Ui=Uf。由于U+=U-，則 11RUIIRf 又由于U+=U-0，所以，在運放的兩端引入了共模電壓，其大小接近于Ui。 2)電壓放大倍數(shù) 由圖8.3.2可見R1和Rf組成分壓器，反饋電壓 11RRRUUfof 由于Ui=Uf，則1111111)1 (RRUUAURRURRRU

25、RRRUUfioufififofoi或由上式可得電壓放大倍數(shù) 上式表明：同相輸入式放大電路中輸出電壓與輸入電壓的相位相同，大小成比例關系，比例系數(shù)等于(1+Rf/R1)，此值與運放本身的參數(shù)無關。 在圖8.3.2中如果把Rf短路(Rf=0)，把R1斷開(R1)，則1ufAUoUi 圖8.3.3 電壓跟隨器 3) 輸入電阻，輸出電阻 由于采用了深度電壓串聯(lián)負反饋，該電路具有很高的輸入電阻和很低的輸出電阻。(Rif，Ro0)。這是同相輸入式放大電路的重要特點。 4)主要特點 同相輸入式放大電路屬于電壓串聯(lián)負反饋電路，主要特點如下： （1）由于深度串聯(lián)負反饋，使輸入電阻增大，輸入電阻可高達2000M以上。 （2）由于深度電壓負反饋，輸出電阻Ro0。 （3）由于U-=U+=Ui，運放兩輸入端存在共模電壓，因此要求運放的共模抑制比較高。 通過對反相輸入式和同相輸入式運放電路的分析，可以看到，輸出信號是通過反饋網(wǎng)絡反饋到反相輸入端，從而實現(xiàn)了深度負反饋，并且使得其電壓放大倍數(shù)與運放本身的參數(shù)無關。采用了電壓負反饋使得輸出電阻減小，帶負載能力增強。反相輸入式采用了并聯(lián)負反饋使輸入電阻減小