集成運放的組成

1、第五章第五章 集成運算放大電路集成運算放大電路 5.1 5.1 集成運算放大電路的特點集成運算放大電路的特點5.2 5.2 電流源電路電流源電路5.3 5.3 以電流源為有源負載的放大電路以電流源為有源負載的放大電路5.4 5.4 差動放大電路差動放大電路 5.8 5.8 集成運算放大電路的外部特性及其集成運算放大電路的外部特性及其 理想化理想化集成運放：集成運放：是一種是一種模擬集成電路模擬集成電路，早期實現(xiàn)各，早期實現(xiàn)各種數(shù)學(xué)運算，主要用于模擬計算機；現(xiàn)在廣泛種數(shù)學(xué)運算，主要用于模擬計算機；現(xiàn)在廣泛應(yīng)用于各種電子系統(tǒng)中，是一種通用型模擬器應(yīng)用于各種電子系統(tǒng)中，是一種通用型模擬器件。件。5.

2、1 集成運算放大電路的特點集成運算放大電路的特點1.級間只能采用直接耦合方式級間只能采用直接耦合方式(集成工藝不能集成工藝不能制作大電容和電感制作大電容和電感)；2.盡可能采用有源器件代替無源器件盡可能采用有源器件代替無源器件(避免使避免使用大電容、大電阻用大電容、大電阻)；3.利用對稱結(jié)構(gòu)改善電路性能利用對稱結(jié)構(gòu)改善電路性能 (參數(shù)一致性好參數(shù)一致性好,但單個元器件參數(shù)誤差較大但單個元器件參數(shù)誤差較大)。集成運放在設(shè)計上的特點：集成運放在設(shè)計上的特點：輸入級中間級輸出級電流源電路UiUo 圖圖41 集成運算放大器組成框圖集成運算放大器組成框圖 差動放差動放大器大器負載為有源負載為有源負載的共

3、射負載的共射放大器放大器射隨器或互射隨器或互補 射 隨 器補 射 隨 器提供各級偏流和有源負載提供各級偏流和有源負載5.2 5.2 電流源電路電流源電路 鏡像電流源鏡像電流源 比例電流源比例電流源 微電流源微電流源 威爾遜電流源威爾遜電流源UCCRrIrIC1V1V2IC2圖圖43 鏡像電流源鏡像電流源 一、鏡像電流源一、鏡像電流源(Current Mirror)工作電流工作電流參考電流參考電流鏡像的含義：鏡像的含義：即工作電流可看成即工作電流可看成是參考電流的鏡像。是參考電流的鏡像。rCII2UCCRrIrIC1V1V2IC2圖圖43 鏡像電流源鏡像電流源 V1、V2管特性相同！管特性相同！

4、SSSIII2121即兩管的電流放大倍數(shù)相即兩管的電流放大倍數(shù)相同，反向飽和電流相同。同，反向飽和電流相同。UCCRrIrIC1V1V2IC2圖圖43 鏡像電流源鏡像電流源 IB1IB2電路說明：電路說明：1）V1工作在臨界飽和狀態(tài)。工作在臨界飽和狀態(tài)。UCE1UBE1 1B1CII rBECCrRUUI 參考電流參考電流2）由于：）由于：UBE1UBE2 TBEUUSEeII 2C1CII 2B1BII UCCRrIrIC1V1V2IC2圖圖43 鏡像電流源鏡像電流源 IB1IB2 2Cr1Br1C2CI2II2IIIrr2C1CI2III )2( 求工作電流：求工作電流：UCCRrIrIC

5、1V1V2IC2圖圖43 鏡像電流源鏡像電流源 IB1IB2鏡像電流源的交流輸出電阻：鏡像電流源的交流輸出電阻： ro=rce2 電流源電路符號電流源電路符號 rce2 UCCRrIrIC1V1V2IC2圖圖43 鏡像電流源鏡像電流源 IB1IB2UCCRrIrV1IC4V4V2IC2V3IC3V5將鏡像電流源推廣，可得多路鏡像電流源，如將鏡像電流源推廣，可得多路鏡像電流源，如圖所示的是圖所示的是三路電流源三路電流源，V5V5管是為了提高各路電流管是為了提高各路電流的精度而設(shè)置的的精度而設(shè)置的。 UCCRrIrV1IC4V4V2IC2V3IC3若將若將V V5 5管的基極和發(fā)射極短路，則：管的

6、基極和發(fā)射極短路，則：1Br1CI4II UCCRrIrV1IC4V4V2IC2V3IC3V5 51Br1C1I4II 41I1IIII51r514C3C2C1C UCCRrIrV1IC4V4V2IC2V3IC3V5 4151 條件更易滿足，所以各路電流更接近條件更易滿足，所以各路電流更接近I Ir r。 IrRrIC1IC2UCCIC3RrIrIC2IC3V3V2V1UCC圖圖5.2.3 多集電極晶體管鏡像電流源多集電極晶體管鏡像電流源(a)三集電極橫向三集電極橫向PNP管電路管電路(b)等價電路等價電路集成電路中多路鏡像電流源的實現(xiàn)：集成電路中多路鏡像電流源的實現(xiàn)：采用多集電極晶體管。采用

7、多集電極晶體管。二、比例電流源二、比例電流源（指電流源的工作電流與參考電流成比例關(guān)系）（指電流源的工作電流與參考電流成比例關(guān)系）RrIrIC2V2V1R2UCCUBE1UBE2R1IE2IE1IB1IB2 圖圖4646比例電流源比例電流源22E2BE11E1BERIURIU 1S1ET1BEIIlnUU 1E2ET2E1ET2BE1BEIIlnUIIlnUUU 2S1SII 2S2ET2BEIIlnUU 室溫下，當(dāng)兩管的射極電流相差室溫下，當(dāng)兩管的射極電流相差10倍時：倍時： mV6010lnUIIlnUUUT2E1ET2BE1BE r212CIRRI 若若1，則，則IE1Ir, IE2IC2

8、1rCC1r1BECCrRRURRUUI 僅為此時兩管僅為此時兩管UBE電壓電壓(600mV)的的10%。因此，。因此，UBE1UBE2。22E11ERIRI 22E2BE11E1BERIURIU 三、微電流電流源三、微電流電流源RrIrIC2V2V1UCCR2圖圖4747微電流電流源微電流電流源2E1E2T2BE1BE22EIIlnRU)UU(R1I 當(dāng)當(dāng)11時，時，IE1Ir,IE2IC22Cr2CT2IIlnIUR 已知已知Ir=1mA,要求要求IC2=10A時時 k12101000ln10101026R632四、威爾遜電流源（負反饋型電流源）四、威爾遜電流源（負反饋型電流源）是一種改進

9、的鏡像電流源。是一種改進的鏡像電流源。RrIrIC2V2V1UCCIE3IC3IC1IB3V3圖圖5.2.6 威爾遜電流源威爾遜電流源 rBECCr2BE3BECCrRU2URUUUI 說明：說明：三個管子的特性相同。三個管子的特性相同。 1C1C22C11C2C3E3CI2I1III1I1I 3C1C3B1CrIIIIIr23CI )2221(I 可見：輸出電流受可見：輸出電流受的影響大大減小。的影響大大減小。改進點改進點1 1r23CI )2221(I 當(dāng)當(dāng) =10時，時，IC20.984Ir。 改進改進2：威爾遜電流源的溫度特性更好。：威爾遜電流源的溫度特性更好。當(dāng)溫度升高：當(dāng)溫度升高：

10、IC3IE3IC2IC1(Ir固定固定)IB3 IC3利用交流等效電路可求出威爾遜電流源的動利用交流等效電路可求出威爾遜電流源的動態(tài)內(nèi)阻態(tài)內(nèi)阻R Ro o為：為：ceorR2改進改進3 3：具有較大的動態(tài)內(nèi)阻。：具有較大的動態(tài)內(nèi)阻。四種鏡像電流源小結(jié)四種鏡像電流源小結(jié) 需要掌握其參考電流和工作電流的分析方法。需要掌握其參考電流和工作電流的分析方法。V5V5管是為了提高各路電流管是為了提高各路電流的精度而設(shè)置的。的精度而設(shè)置的。 單路鏡像電流源單路鏡像電流源多路鏡像電流源多路鏡像電流源rBECCrRUUI r2CII r4C3C2CIIII r1BE5BECCrRUUUI 比例電流源比例電流源r

11、212CIRRI 1r1BECCrRRUUI RrIrIC2V2V1UCCR2微電流電流源微電流電流源2Cr2CT2IIlnIUR rBECCrRUUI RrIrIC2V2V1UCCIE3IC3IC1IB3V3威爾遜電流源威爾遜電流源rBECCrRU2UI r3CII ceor2R 優(yōu)點：優(yōu)點：動態(tài)電阻大；動態(tài)電阻大；受受 變化的影響??；變化的影響小；溫度穩(wěn)定性好。溫度穩(wěn)定性好。5.3 以電流源為以電流源為有源負載有源負載的放大電路的放大電路 在集成運放中，放大器多在集成運放中，放大器多以電流源作為有源負載以電流源作為有源負載。典型的有源負載共射放大電路如圖所示：典型的有源負載共射放大電路如圖

12、所示：UCCV3V2uoV1uiRr鏡像電流源作為鏡像電流源作為有源負載。有源負載。注意：注意：1）鏡像電流源作為有源負載，是用其動態(tài)內(nèi)阻）鏡像電流源作為有源負載，是用其動態(tài)內(nèi)阻rce3替代集電極電阻替代集電極電阻RC。2）實際負載）實際負載RL通過射隨器隔離后接入。通過射隨器隔離后接入。所以：該級放大器可獲得很高的電壓增益。所以：該級放大器可獲得很高的電壓增益。UCCV3V2uoV1uiRr 1beL3ce1ce1urR/r/rA 有源負載共射放大電路的交流小信號等效電路有源負載共射放大電路的交流小信號等效電路5.4 差動放大電路差動放大電路(Differential Amplifier)5

13、.4.1 零點漂移現(xiàn)象零點漂移現(xiàn)象1.靜態(tài)時，由于溫度變化，電源波動等因靜態(tài)時，由于溫度變化，電源波動等因素的影響，會使工作點電壓素的影響，會使工作點電壓(即集電極電位即集電極電位)偏離偏離設(shè)定值而緩慢地上下飄動。因此，當(dāng)輸入電壓為設(shè)定值而緩慢地上下飄動。因此，當(dāng)輸入電壓為零時，輸出電壓也會產(chǎn)生緩慢變化的現(xiàn)象，即零時，輸出電壓也會產(chǎn)生緩慢變化的現(xiàn)象，即零零點漂移現(xiàn)象，簡稱零漂點漂移現(xiàn)象，簡稱零漂。 2.2.在阻容耦合電路中，因為耦合電容的存在，在阻容耦合電路中，因為耦合電容的存在， 輸入級工作點的緩飄很難傳到下一輸入級工作點的緩飄很難傳到下一 級去，級去， 因此因此可忽略它的影響。但對直接耦合

14、放大電路，這種可忽略它的影響。但對直接耦合放大電路，這種飄動會逐級放大，會使后級放大器進入截止和飽飄動會逐級放大，會使后級放大器進入截止和飽和，和， 這樣整個電路將無法正常工作。這樣整個電路將無法正常工作。抑制零點漂移的方法有以下幾種：抑制零點漂移的方法有以下幾種：1）電路中引入直流負反饋，穩(wěn)定靜態(tài)工作點，減?。╇娐分幸胫绷髫摲答?，穩(wěn)定靜態(tài)工作點，減小 零漂。零漂。2）利用熱敏元件對放大管進行溫度補償。）利用熱敏元件對放大管進行溫度補償。3）采用特性相同的管子，在相同的環(huán)境下，兩者的）采用特性相同的管子，在相同的環(huán)境下，兩者的 零點漂移情況相同，可以互相抵消，這就構(gòu)成了零點漂移情況相同，可以

15、互相抵消，這就構(gòu)成了 “差動放大電路差動放大電路”。 5.4.2 差動放大器的工作原理及性能分析差動放大器的工作原理及性能分析特點：結(jié)構(gòu)對稱。特點：結(jié)構(gòu)對稱?；拘筒顒臃糯笃鳎▓D基本型差動放大器（圖5.4.2 c）一、電路形成原理：一、電路形成原理：ui1ui2uoRCT1RBRCT2RBRERE抑制零漂的原理抑制零漂的原理:uo= UC1 - UC2 = 0uo= (UC1 + uC1 ) - (UC2 + uC2 ) = 0當(dāng)當(dāng) ui1 = ui2 =0 時：時：當(dāng)溫度變化時：當(dāng)溫度變化時：ui1ui2uoRCT1RBRCT2RBRERE可見：利用電路的對稱性可以很好地抑制零點飄移?？梢姡?/p>

16、利用電路的對稱性可以很好地抑制零點飄移。實用的差動放大器電路：實用的差動放大器電路： 雙電源長尾式差動放大器雙電源長尾式差動放大器UCCRCRLRCUi1Ui2REUEEV1V2Uo圖圖5.4.2 d 采用雙向電源，采用雙向電源， 讓電源能夠與讓電源能夠與 信號源信號源“共地共地”。 RE1和和RE2合二合二 為一，構(gòu)成為一，構(gòu)成 “長尾長尾”。 UCCRCRLRCUi1Ui2RE UEEV1V2UoUCCRCRLRCUi1Ui2RE UEEV1V2Uoa)a)雙端輸出雙端輸出b)b)單端輸出單端輸出雙電源長尾式差動放大器的兩種輸出形式：雙電源長尾式差動放大器的兩種輸出形式：1 1）雙端輸出）

17、雙端輸出2 2）單端輸出）單端輸出二、差動放大電路的靜態(tài)分析：二、差動放大電路的靜態(tài)分析：1）雙端輸出差放的靜態(tài)分析：）雙端輸出差放的靜態(tài)分析：UCCRCUC2RLRCUC1Ui1Ui2REUEEV1V2Uo當(dāng)當(dāng)Ui1=Ui2=0時時V7 . 0UUBEE 則流過則流過RE的電流的電流I為為:EEEEEEER7 . 0UR)U(UI I21IIII2EQ1EQ2CQ1CQ 故故有有:IUCCRCUC2RLRCUC1Ui1Ui2REUEEV1V2UoC1CQCC2CQ1CQRIUUU C1CQCC2CEQ1CEQRI7 . 0UUU 靜態(tài)時，差動放大靜態(tài)時，差動放大器兩輸出端之間的器兩輸出端之間

18、的直流電壓為零。直流電壓為零。當(dāng)當(dāng)Ui1=Ui2=0時時V7 . 0UUBEE 則流過則流過RE的電流的電流I為為:EEEEEEER7 . 0UR)U(UI I21IIIIQ2EQ1EQ2CQ1C 故故有有:2）單端輸出差放的靜態(tài)分析：）單端輸出差放的靜態(tài)分析：UCCRCRLRCUi1Ui2RE UEEV1V2UoIUCCRCRLRCUi1Ui2RE UEEV1V2UoRLICQ1IRCI7 . 0RIUUC2CQCC2CEQ 應(yīng)應(yīng)該該如如何何計計算算？思思考考：1CEQU LQ1C1CQCQ1CCCRUIRUU LCR1CQRIII 7 . 0UU1CQ1CEQ UCCRCRLRCUi1Ui

19、2RE UEEV1V2UoRLICQ1IRCI三、差動放大電路的動態(tài)分析三、差動放大電路的動態(tài)分析 輸入兩種特殊的信號：輸入兩種特殊的信號：共模信號和差模信號共模信號和差模信號。 所謂共模信號是指所謂共模信號是指Ui1和和Ui2所加的信號大小相等，所加的信號大小相等，極性相同。極性相同。 所謂差模信號是指所謂差模信號是指Ui1和和Ui2所加的信號大小相等，所加的信號大小相等，極性相反。極性相反。 差動放大電路對差動放大電路對共模信號有很強的抑制作用共模信號有很強的抑制作用，如，如果兩邊電路參數(shù)理想對稱，則共模輸出電壓為零。果兩邊電路參數(shù)理想對稱，則共模輸出電壓為零。 差動電路對差動電路對差模信

20、號具有放大能力差模信號具有放大能力。 差放的主要性能特點差放的主要性能特點 放大差模信號（有用信號）放大差模信號（有用信號） 抑制共模信號（溫漂和噪聲）抑制共模信號（溫漂和噪聲） -能夠做到能夠做到“有選擇的放大有選擇的放大”。UCCRCRLRCREUEEV1V2uouiciB1iB2iC1iC2uic一、共模一、共模(Common-Mode)抑制特性抑制特性iIC圖圖414 基本差動放大器的共模等效通路基本差動放大器的共模等效通路 RCUoc2RCUoc1UicV1V2Uoc2RE2REIb1Ib2Ic1Ic2Iic畫共模等效電畫共模等效電路時應(yīng)注意路時應(yīng)注意RE和和RL的處理的處理: 射極

21、電阻按射極電阻按2RE 處理。處理。 負載負載RL作開路作開路 處理。處理。1.1.雙端輸出時的共模指標：雙端輸出時的共模指標：ic2oc1ocicocucUUUUUA RCUoc2RCUoc1UicV1V2Uoc2RE2REIb1Ib2Ic1Ic2Iic0 icicicIUR 1bicI2U R2)1(r 21Ebe CocRR2 ic1oc(ucUUA 單）單）EbeLCR2)1(rR/R ELCR2R/R 2.單端輸出時的共模指標：單端輸出時的共模指標：RCRCUoc1UicV1V2Uoc12RE2REIb1Ib2Ic1Ic2IicRLicocicocucUUUUA12(單）思考：思考：

22、從從V2集電極輸出時，集電極輸出時，Auc(單單)為多少？為多少？EbeLCRrRR2)1 (/ 可見，由于射極電阻可見，由于射極電阻2RE的自動調(diào)節(jié)的自動調(diào)節(jié)(負反饋負反饋)作用作用，使得單端輸出的共模電壓放大倍數(shù)大為減，使得單端輸出的共模電壓放大倍數(shù)大為減小。小。在實際電路中，均滿足在實際電路中，均滿足RERC/RL，故，故|Auc(單單)|0.5，即差動放大器對共模信號不是放大，即差動放大器對共模信號不是放大而是抑制。共模負反饋電阻而是抑制。共模負反饋電阻RE越大，則抑制作用越大，則抑制作用越強。越強。 單）單）(ucAEbeLCR2)1(rR/R ELCR2R/R 差動電路抑制共模信號

23、（或減小零點差動電路抑制共模信號（或減小零點飄移）的原理：飄移）的原理：1 1）雙端輸出時，利用電路的對稱性克服）雙端輸出時，利用電路的對稱性克服零點飄移；零點飄移；2 2）單端輸出時，利用共模負反饋抑制零）單端輸出時，利用共模負反饋抑制零點飄移。點飄移。icicicIUR 1bicI2U R2)1(r 21Ebe C(ocRR 單）單）RCRCUoc1UicV1V2Uoc12RE2REIb1Ib2Ic1Ic2IicRL二、差模二、差模(Difference-Mode)放大特性放大特性UCCRCRLRCREUEEV1V2uouid1uid2iB1iB2iC1iC2RE上只有靜態(tài)電壓，上只有靜態(tài)

24、電壓，無交流信號電壓無交流信號電壓0V0Vuid1uid2uC1UCEQ1uC2UCEQ2差模地端差模地端RE對地短路。對地短路。圖圖413基本差動放大器的差模等效通路基本差動放大器的差模等效通路Uod1Uod2RL2RL2V2V1Uid1Uid2UidRCRCUodIb1Ib2Ic1Ic21）RE對地短路。對地短路。2）雙端輸出時，）雙端輸出時，RL的中點視為差模地端。的中點視為差模地端。特點：特點：2od1od2od1ododU2U2UUU 2id2od1id1odidodudUUUUUUA 雙端輸出時雙端輸出時2id1id2id1ididU2U2UUU 1. 差模電壓放大倍數(shù)差模電壓放大

25、倍數(shù)Uod1Uod2RL2RL2V2V1Uid1Uid2UidRCRCUodIb1Ib2Ic1Ic2beLrR beLCr)R21/R( 結(jié)論：為單邊共射放結(jié)論：為單邊共射放大電路的放大倍數(shù)。大電路的放大倍數(shù)。1id1odid1od(udU2UUUA 單）單）2id2odid2od(udU2UUUA 單）單）單端輸出時的差模電壓放大倍數(shù)：單端輸出時的差模電壓放大倍數(shù)：Uod1Uod2RLV2V1Uid1Uid2UidRCRCUodIb1Ib2Ic1Ic2或或beLCr2)R/R( beLCr2)R/R( 結(jié)論：結(jié)論：為單邊為單邊共射放大電路共射放大電路的電壓放大倍的電壓放大倍數(shù)的一半，且數(shù)的一

26、半，且兩輸出端相位兩輸出端相位相反。相反。 idididIUR 2. 差模輸入電阻差模輸入電阻(Input Differential Resistance)注：注：2b1bidIII Uod1Uod2RL2RL2V2V1Uid1Uid2UidRCRCUodIb1Ib2Ic1Ic2Iid1b1idIU2 ber2 3. 差模輸出電阻差模輸出電阻(Output Differential Resistance)Uod1Uod2RL2RL2V2V1Uid1Uid2UidRCRCUodIb1Ib2Ic1Ic2C(odRR 單）單）單端輸出時為單端輸出時為CodR2R 雙端輸出時為雙端輸出時為三、共模抑制

27、比三、共模抑制比KCMR(Common-Mode Rejection Ratio)ucudCMRAAK )dB(AAlg20KucudCMR )(uc)(ud)(CMRAAK單單單單單單 )dB(AAlg20K)(uc)(ud)(CMR單單單單單單 例5.4.1UCCRCUC2RLRCUC1Ui1Ui2REUEEV1V2Uo1）估算）估算V1、V2管的靜態(tài)工管的靜態(tài)工 作點作點ICQ、UCEQ。odidudRRA、及及3）從）從V1管單端輸出的差模管單端輸出的差模 電壓放大倍數(shù)電壓放大倍數(shù)Aud（單）（單）、 共模電壓放大倍數(shù)共模電壓放大倍數(shù)Auc（單）（單） 和共模抑制比和共模抑制比KCMR

28、。 2）試求交流指標：）試求交流指標：四、對任意輸入信號的放大特性四、對任意輸入信號的放大特性可以把可以把Ui1和和Ui2寫成如下形式：寫成如下形式：2UU2UUU2UU2UUU2i1i2i1i2i2i1i2i1i1i 差動電路相當(dāng)輸入了一對差模信號和一對共模信號。差動電路相當(dāng)輸入了一對差模信號和一對共模信號。2i1iidUUU ：差模分量差模分量：共模分量共模分量2UUU2i1iic 結(jié)論：結(jié)論：任意輸入的信號任意輸入的信號: ui1 , ui2 ，都可分解成，都可分解成差模分量和共模分量。差模分量和共模分量。2i1iidUUU 2UUU2i1iic 電路總輸出信號為：電路總輸出信號為：ic

29、ucidud0UAUAU 例例5.4.2 差動放大電路如圖差動放大電路如圖5.4.3，參數(shù)設(shè)置與例，參數(shù)設(shè)置與例5.4.1相同，相同，設(shè)設(shè)Ui1=10mV，Ui2=2mV，試求雙端輸出時和單端，試求雙端輸出時和單端輸出（取自輸出（取自V2輸出端）時的輸出電壓為多少？輸出端）時的輸出電壓為多少？ 解：先求出相應(yīng)的差模輸入電壓和共模輸入電壓：解：先求出相應(yīng)的差模輸入電壓和共模輸入電壓： mV622102UUU2i1iic mV8210UUU2i1iid 4 .71Aud 6 .53Aud 單單2 . 0A)(uc 單單，。 V43. 0UAUAUicucidudo 單單單單單單V57. 0UAUA

30、UAUidudicucidudo 雙端輸出：雙端輸出：單端輸出：單端輸出：0Auc 差放電路的幾種接法：差放電路的幾種接法：輸入端輸入端 接法接法雙端雙端單端單端輸出端輸出端 接法接法雙端雙端單端單端 單端輸入的差動電路單端輸入的差動電路 一個輸入端接地一個輸入端接地根據(jù)輸入、輸出不同可以分為以下不同組態(tài)：根據(jù)輸入、輸出不同可以分為以下不同組態(tài)：雙端輸入，雙端輸出；雙端輸入，雙端輸出；雙端輸入，單端輸出雙端輸入，單端輸出 ； 單端輸入，單端輸出；單端輸入，單端輸出；單端輸入，雙端輸出。單端輸入，雙端輸出。單端輸入：單端輸入：(是任意信號輸入方式的特例）是任意信號輸入方式的特例） 單端輸入方式相

31、當(dāng)于雙端輸入方式時單端輸入方式相當(dāng)于雙端輸入方式時Ui1 或或Ui2等于等于0的情況。的情況。 因此，差分放大電路的技術(shù)指標只與輸出因此，差分放大電路的技術(shù)指標只與輸出 方式有關(guān)，與輸入方式無關(guān)。方式有關(guān)，與輸入方式無關(guān)。差放特性可以總結(jié)如下幾點結(jié)論：差放特性可以總結(jié)如下幾點結(jié)論： 1.1.差動性能指標計算僅與輸出方式有關(guān)，而與輸入差動性能指標計算僅與輸出方式有關(guān)，而與輸入方式無關(guān)。方式無關(guān)。2.2.雙端輸出時，差模電壓放大倍數(shù)為單邊放大器的雙端輸出時，差模電壓放大倍數(shù)為單邊放大器的電壓放大倍數(shù)；單端輸出（且電壓放大倍數(shù)；單端輸出（且R RL L=）時，電壓）時，電壓放大倍數(shù)是雙端輸出的一半。

32、放大倍數(shù)是雙端輸出的一半。3.3.雙端輸出的輸出電阻為雙端輸出的輸出電阻為2R2RC C ，單端輸出的輸出電，單端輸出的輸出電阻為阻為R RC C。4.4.無論何種方式，差模輸入電阻相同，且等于半邊無論何種方式，差模輸入電阻相同，且等于半邊差模等效電路輸入電阻的兩倍。差模等效電路輸入電阻的兩倍。5.4.3 具有電流源的差動放大電路具有電流源的差動放大電路 在差動放大電路中，特別是在單端輸出電路中，在差動放大電路中，特別是在單端輸出電路中，我們希望發(fā)射極電阻我們希望發(fā)射極電阻RE的阻值越大越好，這樣可以的阻值越大越好，這樣可以有效地抑制工作點漂移，提高共模抑制比。有效地抑制工作點漂移，提高共模抑

33、制比。 beEucudCMRrRAAK 單單單單單單在圖在圖5.4.3中，由于電路的結(jié)構(gòu)，中，由于電路的結(jié)構(gòu)，RE的增大是有的增大是有限的。原因主要有兩個：限的。原因主要有兩個：1）RE上升，會引起差模放大倍數(shù)上升，會引起差模放大倍數(shù)Aud的下降。的下降。e bLbeLudrRrRA 每管的靜態(tài)射極電流每管的靜態(tài)射極電流IEQ EQTeIUrRE流過流過RE的電流的電流I e br udA2）集成電路不易制作較大阻值的電阻。）集成電路不易制作較大阻值的電阻。思路：用電流源代替圖思路：用電流源代替圖5.4.3電路中的電路中的RE。Why?電流源的動態(tài)內(nèi)阻非常大，從而有效提高單端電流源的動態(tài)內(nèi)阻非

34、常大，從而有效提高單端輸出時的共模抑制比。輸出時的共模抑制比。 那么，如何在提高共模擬制比的同時獲那么，如何在提高共模擬制比的同時獲得較大的差模增益呢？得較大的差模增益呢？ 電流源的恒流特性，保證電流源的恒流特性，保證 不變，從而獲得較不變，從而獲得較 大的差模增益。大的差模增益。e br分立元件電路中，通常采用分立元件電路中，通常采用單管電流源單管電流源。在集成電路中，大多采用前面講到的鏡像電流在集成電路中，大多采用前面講到的鏡像電流源、微電流電流源等。源、微電流電流源等。 R1R2ICR3UEE單管電流源電路示意圖單管電流源電路示意圖RCRCUi1V1V2UoUi2 UEEIUCCRCUC

35、2RCUC1Ui1V1V2Uoc UEEV3UB3R1R2R3Ui2UCC圖圖415具有電流源的差動放大器電路具有電流源的差動放大器電路(a)用單管電流源代替用單管電流源代替RE的的差動電路差動電路(b)電路的簡化表示電路的簡化表示恒流源恒流源CQ1CBECCQ2CEQ1CE3CQ2CQ1C3BER3E3CEE212RRIUUUUI21IIRUUIIURRRU22 靜態(tài)工作點的估算：靜態(tài)工作點的估算：RCUC2RCUC1Ui1V1V2Uoc UEEV3UB3R1R2R3Ui2UCC5.4.4 5.4.4 差動放大電路的大信號分析差動放大電路的大信號分析以上差放特性都是工作在小信號狀態(tài)的。下面以

36、上差放特性都是工作在小信號狀態(tài)的。下面進一步討論差動放大電路在大信號工作狀態(tài)下，輸進一步討論差動放大電路在大信號工作狀態(tài)下，輸出電流或輸出電壓與差模輸入電壓的關(guān)系，即差動出電流或輸出電壓與差模輸入電壓的關(guān)系，即差動電路的傳輸特性，從而了解差放的線性工作范圍及電路的傳輸特性，從而了解差放的線性工作范圍及其相關(guān)特性。其相關(guān)特性。一、差動放大器的傳輸特性一、差動放大器的傳輸特性(Transfer Characteristic)所謂傳輸特性是指放大器輸出電流或輸出電所謂傳輸特性是指放大器輸出電流或輸出電壓與差模輸入電壓之間的函數(shù)關(guān)系。壓與差模輸入電壓之間的函數(shù)關(guān)系。)u( fiidC1 )u( fii

37、dC2 )u( fuid0 RCRCuidV1V2uo UEEIUCCiC2iC1由于工作范圍擴大，微變等效不適用，因由于工作范圍擴大，微變等效不適用，因此從基本關(guān)系出發(fā)進行推導(dǎo)。此從基本關(guān)系出發(fā)進行推導(dǎo)。)1(/1 TBEUuSEeIi)2(22)2(2221TidCTidCUuthIIiUuthIIi 可見：可見： ic1、ic2 、u0與與uid成雙曲正切函數(shù)關(guān)系。成雙曲正切函數(shù)關(guān)系。)2(0TidCUuthIRu (a)(a)電流傳輸特性曲線電流傳輸特性曲線iC1, ,iC2IiC1iC2iC1iC26UT/4UT2UT02UT4UT6UTuidQI2(b)(b)電壓傳輸特性曲線電壓傳

38、輸特性曲線 uoIRC6UT/4UT2UT02UT4UT6UTuid IRC圖圖5.4.12 5.4.12 差動放大器的傳輸特性曲線差動放大器的傳輸特性曲線注：注：當(dāng)當(dāng)IRCUCC時，輸出被限幅在電源電壓時，輸出被限幅在電源電壓 UCC。根據(jù)曲線，得出結(jié)論：根據(jù)曲線，得出結(jié)論：1、兩管集電極電流之和恒等于、兩管集電極電流之和恒等于I。當(dāng)當(dāng)uid=0時，差動電路處于靜態(tài)，這時有：時，差動電路處于靜態(tài)，這時有：iC1=iC2=ICQ=I/2iC1, ,iC2IiC1iC2iC1iC26UT/4U2UT02UT4UT6UTuidQI22、傳輸特性具有非線性特性、傳輸特性具有非線性特性1）在靜態(tài)工作點

39、附近，當(dāng)）在靜態(tài)工作點附近，當(dāng)|uid|UT(約約26mV)，傳輸特性近似為一段直線傳輸特性近似為一段直線。小信號線性工作范圍小信號線性工作范圍uoIRC6UT/4UT2UT02UT4UT6UTuid IRC2）當(dāng)）當(dāng)| uid |4 UT (約約26mV)，即，即uid超過超過100mV時，時， 趨于水平。兩管電流不再隨著輸入電壓而變化，趨于水平。兩管電流不再隨著輸入電壓而變化， 兩個晶體管一個導(dǎo)通，另一個截止。這一特性廣兩個晶體管一個導(dǎo)通，另一個截止。這一特性廣 泛應(yīng)用于信號的限幅泛應(yīng)用于信號的限幅 。uoIRC6 UT2UT02UT6UTuid IRCiC1, ,iC2IiC1iC2iC

40、1iC26UT2UT02UT6UTuidQI2大信號非線性工作范圍大信號非線性工作范圍擴展傳輸特性的線性區(qū)范圍擴展傳輸特性的線性區(qū)范圍 為了擴展傳輸特性的線性區(qū)范圍，為了擴展傳輸特性的線性區(qū)范圍，可在每個差放可在每個差放管的射極串接負反饋電阻管的射極串接負反饋電阻R(或在基極串接電阻或在基極串接電阻RB) 。 擴展后的電流傳輸特性曲線見圖所示。擴展后的電流傳輸特性曲線見圖所示。 顯然，顯然，R (RB)越大，擴展的線性區(qū)范圍將越大越大，擴展的線性區(qū)范圍將越大。但同時，但同時，差放電路增益也隨之降低差放電路增益也隨之降低。 二、差動放大電路正常工作的前提條件二、差動放大電路正常工作的前提條件兩個

41、前提條件：兩個前提條件：1）差放電路輸入電壓的幅值是有限制的。）差放電路輸入電壓的幅值是有限制的。2) 電流源電流電流源電流I小于差放管的集電極臨界飽和電流小于差放管的集電極臨界飽和電流 ICS(臨界臨界)。 差模輸入電壓的限制：差模輸入電壓的限制：不能超過發(fā)射結(jié)的反向擊穿電壓。不能超過發(fā)射結(jié)的反向擊穿電壓。 1）差放電路輸入電壓的幅值是有限制的。）差放電路輸入電壓的幅值是有限制的。 共模輸入電壓的限制：共模輸入電壓的限制：應(yīng)避免應(yīng)避免V1、V2或或V3進入飽和區(qū)。進入飽和區(qū)。 共模輸入電壓的限制：共模輸入電壓的限制：Uic UC1 3BBEicUUu 為避免為避免V1和和V2進入飽和區(qū)：進入

42、飽和區(qū)：為避免恒流管為避免恒流管V3進入飽和區(qū)：進入飽和區(qū)：1CicBE3BUuUU RCUC2RCUC1Ui1V1V2Uoc UEEV3UB3R1R2R3Ui2UCC13CicBUuU 近似為：近似為：2)電流源電流電流源電流I小于差放管的集電極臨界飽和電流小于差放管的集電極臨界飽和電流ICS(臨界臨界)。)(臨界臨界CSII 理由：靜態(tài)工作點應(yīng)該設(shè)置在交（直）負載線理由：靜態(tài)工作點應(yīng)該設(shè)置在交（直）負載線 中點偏低的位置，即中點偏低的位置，即ICQIEQ ICS(臨界臨界)/2， 其中其中ICS(臨界臨界)為差放管集電極臨界飽和電流。為差放管集電極臨界飽和電流。或者說：或者說： 電流源電流

43、電流源電流I 應(yīng)該小于差放管的應(yīng)該小于差放管的ICS(臨界臨界)。5.4.5 差動放大器的失調(diào)及溫漂差動放大器的失調(diào)及溫漂一、差動放大器的失調(diào)一、差動放大器的失調(diào) 當(dāng)輸入信號為零時，當(dāng)輸入信號為零時，由于兩晶體管參數(shù)和電由于兩晶體管參數(shù)和電阻值不可能做到完全對稱，因而使得輸出不為零。阻值不可能做到完全對稱，因而使得輸出不為零。這種現(xiàn)象，稱為這種現(xiàn)象，稱為差動放大器的失調(diào)差動放大器的失調(diào)。與失調(diào)有關(guān)的具體因素：與失調(diào)有關(guān)的具體因素：CRSI 為了使差動放大電路在零輸入時雙端輸出電壓為為了使差動放大電路在零輸入時雙端輸出電壓為零，需要人為地在輸入端加補償信號，所加的補償零，需要人為地在輸入端加補償

44、信號，所加的補償電壓稱為電壓稱為輸入失調(diào)電壓，用輸入失調(diào)電壓，用UIO表示表示；所加的補償電；所加的補償電流稱為流稱為輸入失調(diào)電流，用輸入失調(diào)電流，用IIO表示表示。圖圖 5.4.16 差放的輸入失調(diào)電壓和輸入失調(diào)電流差放的輸入失調(diào)電壓和輸入失調(diào)電流（a）輸入失調(diào)電壓）輸入失調(diào)電壓 (b) 輸入失調(diào)電流輸入失調(diào)電流 由于失調(diào)的存在，通常都采用調(diào)零電路使差放由于失調(diào)的存在，通常都采用調(diào)零電路使差放在某一特定溫度下的在某一特定溫度下的Ui=0時時Uo=0。 常用的調(diào)零電路有兩種：常用的調(diào)零電路有兩種： 1) 射極調(diào)零射極調(diào)零 2) 集電極調(diào)零集電極調(diào)零 RCRCV1V2Uo UEEIUCCRWRS

45、RSRCV1V2Uo UEEIUCCRWRSRSRC (a)射極調(diào)零電路射極調(diào)零電路(b)集電極調(diào)零電路集電極調(diào)零電路 射極調(diào)零射極調(diào)零: 調(diào)節(jié)電位器調(diào)節(jié)電位器RW，可控制兩管的集電，可控制兩管的集電極電流大小，使極電流大小，使Uo=0。集電極調(diào)零集電極調(diào)零:調(diào)節(jié)電位器調(diào)節(jié)電位器RW, 改變負載電阻改變負載電阻RC1 和和RC2的阻值，使的阻值，使Uo=0 。 二、失調(diào)的溫度漂移二、失調(diào)的溫度漂移(Temperature Drift)差動放大電路雖然可以通過調(diào)零措施，在某一時差動放大電路雖然可以通過調(diào)零措施，在某一時刻補償失調(diào)，做到零輸入時零輸出，但是失調(diào)會隨刻補償失調(diào)，做到零輸入時零輸出，但

46、是失調(diào)會隨溫度的改變而發(fā)生變化。對這種隨機的變化，任何溫度的改變而發(fā)生變化。對這種隨機的變化，任何調(diào)零措施還做不到理想跟蹤調(diào)整。調(diào)零措施還做不到理想跟蹤調(diào)整。因此，因此，差動放大電路仍有零點的溫度漂移現(xiàn)象，差動放大電路仍有零點的溫度漂移現(xiàn)象，簡稱溫漂簡稱溫漂。那么失調(diào)的溫漂有多大呢。那么失調(diào)的溫漂有多大呢? 失調(diào)電壓的溫漂主要取決于失調(diào)電壓的大小，并失調(diào)電壓的溫漂主要取決于失調(diào)電壓的大小，并與失調(diào)電壓成正比。與失調(diào)電壓成正比。 失調(diào)電流的溫漂主要取決于失調(diào)電流的溫漂主要取決于 的溫度系數(shù)和失調(diào)的溫度系數(shù)和失調(diào)電流本身，并與失調(diào)電流成正比。電流本身，并與失調(diào)電流成正比。 5.8 集成運放的外部特

47、性及其理想化集成運放的外部特性及其理想化5.8.1 集成運放的模型集成運放的模型集成運算放大電路是高增益的直接耦合放大電路。集成運算放大電路是高增益的直接耦合放大電路。 圖圖 5.8.1 集成運放電路符號集成運放電路符號(a) 舊符號舊符號 (b) 新符號新符號集成運放有兩個區(qū)間：線性區(qū)和非線性區(qū)。集成運放有兩個區(qū)間：線性區(qū)和非線性區(qū)。在非線性區(qū)：輸出被限幅，輸出電壓不是在非線性區(qū)：輸出被限幅，輸出電壓不是UOH就是就是UOL。在線性區(qū)：曲線的斜率為電壓放大倍數(shù)，即：在線性區(qū)：曲線的斜率為電壓放大倍數(shù)，即：uo=Aud(uu+) 5.8.2 集成運算放大器的主要性能指標集成運算放大器的主要性能

48、指標1）輸入失調(diào)電壓）輸入失調(diào)電壓UIO和輸入失調(diào)電流和輸入失調(diào)電流IIO 3）輸入失調(diào)電壓溫漂和電流溫飄）輸入失調(diào)電壓溫漂和電流溫飄2）輸入偏置電流）輸入偏置電流IIB221BBIBIII4）最大差模輸入電壓）最大差模輸入電壓一、靜態(tài)參數(shù)一、靜態(tài)參數(shù)TUddIOTIddIOidmaxU5）最大共模輸入電壓）最大共模輸入電壓icmaxU2）差模輸入電阻）差模輸入電阻Rid 二、動態(tài)參數(shù)二、動態(tài)參數(shù)1）開環(huán)差模電壓放大倍數(shù)）開環(huán)差模電壓放大倍數(shù)4）3dB帶寬帶寬BW 3）共模抑制比）共模抑制比CMRK 5）單位增益帶寬）單位增益帶寬GBW RS 6）轉(zhuǎn)換速率（壓擺率）轉(zhuǎn)換速率（壓擺率）RS反映運放對于快速變化的輸入信號的響應(yīng)能力。反映運放對于快速變化的輸入信號的響應(yīng)能力。 開環(huán)差模電壓放大倍數(shù)下降到開環(huán)差模電壓放大倍數(shù)下降到1時所定義的時所定義的頻帶寬度頻帶寬度 。5.8.3 理想集成運算放大電路理想集