第六章 差分式放大電路

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模擬集成電路重點(diǎn)：差分放大電路的構(gòu)成及分析方法；難點(diǎn)：理解差模信號(hào)和共模信號(hào)；差放電路抑制共模信號(hào)的原理；差放電路的分析；

重點(diǎn)難點(diǎn)6

模擬集成電路6.1

模擬集成電路中的直流偏置技術(shù)6.2

差分式放大電路6.3

差分式放大電路的傳輸特性6.4集成電路運(yùn)算放大器6.5實(shí)際集成運(yùn)算放大器的主要參數(shù)6.1模擬集成電路中的直流偏置技術(shù)

BJT電流源電路1.鏡像電流源(mirrorcurrentsources

)

6.1.1BJT電流源電路+VCCT1T2RIREFIC1iC22IB-VEEvCET1與T2參數(shù)完全相同T1對(duì)T2具有溫度補(bǔ)償作用IC2↑→IC1↑→R壓降↑→VBE↓→IC2↓1.鏡像電流源(mirrorcurrentsources

)

6.1.1BJT電流源電路+VCCT1T2RIREFIC1iC22IB-VEEvCEIO與IREF相等，構(gòu)成鏡像關(guān)系，改變R值，可以獲得不同的IO，不受T2負(fù)載變動(dòng)的影響較小時(shí)，IB對(duì)IREF的分流作用影響鏡像對(duì)稱(chēng)度。若需減小輸出電流，必要求R的值很大動(dòng)態(tài)輸出電阻2.微電流源(widlarcurrentsource)6.1.1BJT電流源電路

利用發(fā)射結(jié)電壓對(duì)集電極電流的影響作用。T2的射極電阻使其發(fā)射結(jié)電壓減小，從而減小其集電極電流IC2

+VCCT1T2RRe2IREFIC1IC22IB-VEE2.微電流源(widlarcurrentsource)6.1.1BJT電流源電路+VCCT1T2RRe2IREFIC1IC22IB例題：VCC=30V，現(xiàn)要求IC2

＝10μA。若采用鏡像電流源：2.微電流源(widlarcurrentsource)6.1.1BJT電流源電路+VCCT1T2RRe2IREFIC1IC22IB選Re2

＝11.97kΩ，利用公式：若采用微電流源：代入數(shù)據(jù)，多路電流源(multipleoutputs)又稱(chēng)比例電流源6.1.1BJT電流源電路+VCCT1T1RRe1IREFIC1IC1IBReT0IC2Re2T2T3Re3IC33.高輸出阻抗電流源6.1.1BJT電流源電路+VCCT1T2RIREFIC1IC22IB-VEET3IC3威爾遜電流源電路利用電流負(fù)反饋原理來(lái)進(jìn)一步提高鏡像輸出電流的溫度穩(wěn)定性和增大動(dòng)態(tài)輸出電阻A1、A3為T(mén)1、T3得相對(duì)結(jié)面積當(dāng)溫度或負(fù)載變化使IO(IC2)增大時(shí)，IE2隨之增大，IC3及其鏡像電流IC1亦隨之增大，促使VC1(VB2)減小、IB2減小，IO減小，穩(wěn)定了IO4.組合電流源6.1.1BJT電流源電路+VCCT1T2R1IREFI2I3R3T3-VEET4T5I5I6R2T6電流源電流阱5.電流源作有源負(fù)載6.1.1BJT電流源電路IREFT2T3T1RvOvi+VCC可使電路在不提高電源電壓的條件下，獲得較高的電壓增益與較大的動(dòng)態(tài)范圍有源負(fù)載是模擬集成電路的重要特征。采用有源負(fù)載的運(yùn)放，有時(shí)中間只需兩級(jí)放大，就可以滿(mǎn)足高增益的要求。這樣，放大器級(jí)數(shù)減少，有利于提高多級(jí)放大器的穩(wěn)定性鏡像電流源作為T(mén)1的集電極負(fù)載6.2差分式放大電路

直流信號(hào)放大中存在的問(wèn)題

基本電路

6.2.0

概述

6.2.1

差分式放大電路一般結(jié)構(gòu)

6.2.2

射極耦合差分式放大電路

6.2.3

源極耦合差分式放大電路差分式放大電路中的一般概念主要技術(shù)指標(biāo)的計(jì)算帶有源負(fù)載的射極耦合差分式放大電路

工作原理§

6.2.0概述(1)級(jí)間耦合不能采用阻容耦合方式(2)出現(xiàn)零點(diǎn)漂移直流放大器直流信號(hào)放大中存在的問(wèn)題tvo零漂現(xiàn)象：輸入vi=0時(shí)，輸出有緩慢變化的電壓產(chǎn)生。產(chǎn)生零漂的原因：零漂的衡量方法：由溫度變化引起的。當(dāng)溫度變化使第一級(jí)放大器的靜態(tài)工作點(diǎn)發(fā)生微小變化時(shí)，這種變化量會(huì)被后面的電路逐級(jí)放大，最終在輸出端產(chǎn)生較大的電壓漂移。因而零點(diǎn)漂移也叫溫漂。將輸出漂移電壓按電壓增益折算到輸入端計(jì)算。+++-Re1b1Rc1RT1ovviTV2CCRe2VCC§

6.2.0概述

若輸出有1V的漂移電壓。

則等效輸入有100uV的漂移電壓。假設(shè)第一級(jí)是關(guān)鍵減小零漂的措施：用非線(xiàn)性元件進(jìn)行溫度補(bǔ)償。采用差動(dòng)放大電路。等效100uV漂移1V+++-Re1b1Rc1RT1ovviTV2CCRe2VCC§

6.2.0概述§

6.2.1差分式放大電路的一般結(jié)構(gòu)1.用三端器件組成的差分式放大電路a.差分放大電路一般有兩個(gè)輸入端：雙端輸入—從兩輸入端同時(shí)加信號(hào)單端輸入—僅從一個(gè)輸入端對(duì)地加信號(hào)b.差分放大電路可以有兩個(gè)輸出端：雙端輸出—從vO1

和vO2輸出單端輸出—從vO1或vO2對(duì)地輸出vi1R1T1R2vi2V+V-vO1vO2IOroT2O1O2I1I2+-+-e差模輸入電流共模輸入電流共模輸入電流差模信號(hào)：大小相等相位相反的兩個(gè)信號(hào)：vid共模信號(hào)：大小相等相位相同的兩個(gè)信號(hào)：vic任意兩個(gè)信號(hào)總可以分解成差模與共模兩個(gè)分量：差模電壓增益共模電壓增益2.差模信號(hào)和共模信號(hào)的概念§

6.2.1差分式放大電路的一般結(jié)構(gòu)§

6.2.2射極耦合差分式放大電路1.基本電路++_－－－rT+TCC1REEvO2VRc－cV+i2v－vi1oidv2idv2－I0Eo2v++vo1射極耦合（Emitter-coupled)方式§

6.2.2射極耦合差分式放大電路2.工作原理靜態(tài)分析：++_－－－rT+TCC1REEvO2VRc－cV+i2v－vi1oidv2idv2－I0Eo2v++vo1動(dòng)態(tài)分析：僅輸入差模信號(hào)，大小相等，相位相反。大小相等，信號(hào)被放大。相位相反。

溫度變化和電源電壓波動(dòng)，都將使集電極電流產(chǎn)生變化。且變化趨勢(shì)是相同的，差分式放大電路對(duì)共模信號(hào)有很強(qiáng)抑制作用。其效果相當(dāng)于在兩個(gè)輸入端加入了共模信號(hào)。§

6.2.2射極耦合差分式放大電路流過(guò)恒流源的電流不變，故BJT的射極電位不變；負(fù)載中點(diǎn)電位不變，以上各點(diǎn)對(duì)差模信號(hào)視為短路。（1）差模電壓放大倍數(shù)－+－2+Eid2TvTi1id－－1RRvcc+i22vvvEv++o1ovo2－－§

6.2.2射極耦合差分式電路3.主要技術(shù)指標(biāo)計(jì)算有負(fù)載時(shí)：無(wú)負(fù)載時(shí)：RL/2rbeRCrbeRCRL/2§

6.2.2射極耦合差分式電路－+－2+Eid2TvTi1id－－1RRvcc+i22vvvEv++o1ovo2－－以雙倍的元器件換取抑制零漂的能力<A>雙入、雙出RL/2rbeRCrbeRCRL/2<B>雙入、單出接入負(fù)載時(shí)§

6.2.2射極耦合差分式放大電路（２）共模電壓放大倍數(shù)i2－v++_－－rT+TCC1REEvO2VRccV+vi1oicvicvI0Eo2v++vo1LR－－vvcic－－1Ricci1T2RRvvT+i2+LOr2Or2+－vOC§

6.2.2射極耦合差分式電路rbeRC2rorbeRC2ro§6.2.2射極耦合差分式電路vvcic－b－1Ricci1T2RRvvT+i2+LOr2Or2+－vOC<A>雙端輸出<B>單端輸出抑制零漂能力增強(qiáng)rbeRC2rorbeRC2ro§

6.2.2射極耦合差分式放大電路§

6.2.2射極耦合差分式放大電路

單端輸入等效雙端輸入:

因?yàn)閞o＞＞從T2發(fā)射結(jié)電阻，故ro可視為開(kāi)路，于是有vi1=－vi2=vid/2

計(jì)算同雙端輸入雙端輸出：?jiǎn)味溯斎?、雙端輸出的方式rT+T1O2－idviei1v+-i2v+-RRcc衡量差分式放大電路抑制共模信號(hào)的能力。差分式放大電路雙端輸出時(shí)：KCMR為無(wú)窮大；單端輸出時(shí)：（３）共模抑制比§

6.2.2射極耦合差分式放大電路

高頻響應(yīng)同共射極放大電路，由于采用了直接耦合，故低頻響應(yīng)很好。

不同輸入輸出方式下的差分放大電路的性能比較，見(jiàn)p.270表。（４）頻率響應(yīng)§

6.2.1基本差分式放大電路§

6.2.1基本差分式放大電路(1)恒流源相當(dāng)于阻值很大的交流電阻，直流電阻并不大(2)恒流源不影響差模放大倍數(shù)(3)恒流源影響共模放大倍數(shù)，使共模放大倍數(shù)減小，從而增加共模抑制比，理想的恒流源相當(dāng)于阻值為無(wú)窮大的電阻，所以共模抑制比是無(wú)窮大恒流源的作用幾種方式指標(biāo)比較輸出方式雙出單出雙出單出++_－－－rT+TCC1REEvO2VRc－cV+i2v－vi1oidvIOEo2v++vo1+－－++_－－－rTTCC1REEO2VRccVvoidvIOEo2v++vo1+－－幾種方式指標(biāo)比較輸出方式雙出單出雙出單出++_－－－rT+TCC1REEvO2VRc－cV+i2v－vi1oidvIOEo2v++vo1+－－++_－－－rTTCC1REEO2VRccVvoidvIOEo2v++vo1+－－例1：＝50，

Rb=20k，Rc=RL=Re=20k，rbb'=300，VBEQ=0.6V求：靜態(tài)時(shí)IB1、IC1、VCE1；雙端輸出時(shí)Avd、Avc、KCMR、差模輸入輸出電阻ans：浮地入、浮地出的工作狀態(tài)。靜態(tài)時(shí)，兩只BJT的集電極電位相等，RL對(duì)靜態(tài)無(wú)影響；Re中電流為2IE，差模信號(hào)下，Re相當(dāng)于短路；差模交流負(fù)載為RL的一半vovi+12VRcRbRcRbRe–12Vvovi+12VRcRbRcRbRe–12V＝50，

Rb=20k，Rc=RL=Re=20k，rbb'

=300，VBEQ=0.6V例2：R1=R6=1k，R2=2k，RL=4k，R4=48k，R5=32k，

=100，rbb'=300，VBEQ=0.7V恒流源負(fù)載Ro3=1M分析電路的直流工作狀態(tài)；雙、單差模增益；單端共模抑制比；差模輸入輸出電阻分壓求VB3恒流源電流IC3差分管集電極電流IC1差分管VCE=VC-VE雙、單差模增益求算同前vi+12VR2R1R2R1R6–12VRLR5R4mAT1T3T2單出共模增益：負(fù)載對(duì)共模相當(dāng)于開(kāi)路單端輸出共模抑制比加大Ro3，可以提高共模抑制比。為此用恒流源T3來(lái)代替Revi+12VR2R1R2R1R6–12VRLR5R4mAT1T3T2例1：已知下圖所示差分放大電路的UCC=UEE=12V，RC=3kΩ，RE=3kΩ，硅晶體管的β=100，求：（1）靜態(tài)工作點(diǎn)；（2）Ui=10mV，輸出端不接負(fù)載時(shí)的UO

；（3）Ui=10mV,輸出端接RL=6kΩ

負(fù)載時(shí)的UO

。（3）接負(fù)載時(shí)的差模放大倍數(shù)當(dāng)Ui=10mV時(shí)，【解】靜態(tài)時(shí)例2：下圖是利用差分放大電路組成的晶體管電壓表的原理電路。設(shè)電壓表的滿(mǎn)標(biāo)偏轉(zhuǎn)電流為100A，電壓表支路的總電阻為2k

。要使電表的指針滿(mǎn)偏，需加多大的輸入電壓？設(shè)晶體管為硅管?？傌?fù)載電阻差模電壓放大倍數(shù)要使電壓表滿(mǎn)偏時(shí)的輸出電壓則輸入電壓

例3：求下圖所示電路中的靜態(tài)工作點(diǎn)和放大電路的差模電壓放大倍數(shù)。設(shè)晶體管為硅管。(3)差模電壓放大倍數(shù)§

6.2.2射極耦合差分式放大電路4.帶有源負(fù)載的射極耦合差分式eRRe6Re5T6-VEE(-6V)T5IREFIC5=IOIE6IE5vid/2VCC(6V)iOT1T2iC1vO2iC3iC2iC4-vid/2T3T42N39062N3904511004.7kIC6vid/2ioT1T2ic1=gmvid/2vo2ic3ic4-vid/2T3T4ic2=-gmvid/2e4e2c2§

6.2.2射極耦合差分式放大電路4.帶有源負(fù)載的射極耦合差分式vid/2ioT1T2ic1=gmvid/2vo2ic3ic4-vid/2T3T4ic2=-gmvid/2e4e2c2rce4ic4=gmvid/2rce2vo2e4e2c2ic2=-gmvid/2ic4ic2+-§

6.3差分式放大電路的傳輸特性

傳輸特性描述電路的輸出量隨輸入量變化的函數(shù)關(guān)系。由此了解差放電路在大信號(hào)輸入和小信號(hào)輸入時(shí)的輸出量的變化。定性分析：2VT-2VT4VT6VT-4VT-6VTvidiC/I00.10.30.50.70.9線(xiàn)性過(guò)渡限幅定量分析請(qǐng)參閱有關(guān)參考書(shū)動(dòng)畫(huà)演示6.4集成電路運(yùn)算放大器

6.4.1

CMOSMC14573運(yùn)算放大器

6.4.2

BJTLM741集成運(yùn)算放大器集成運(yùn)放的特點(diǎn)：電壓增益高輸入電阻大輸出電阻小§

6.4集成電路運(yùn)算放大器§

6.4集成電路運(yùn)算放大器§

6.4.2BJTLM741集成運(yùn)算放大器分析：1.偏置電路：T12、R5和T11構(gòu)成了主偏置電路，產(chǎn)生基準(zhǔn)電流：

其他偏置電流都與基準(zhǔn)電流有關(guān)。

T10、T11和R4組成微電流源，通過(guò)T8和T9組成的鏡象電流源為差動(dòng)輸入級(jí)提供偏置電流。

T12和T13管構(gòu)成多支路電流源。T13管是多集電極三極管，其集電極電流和的大小比例為3:1。B路作為中間級(jí)的有源負(fù)載。A路為輸出級(jí)提供偏置?！?/p>

6.4.2BJTLM741集成運(yùn)算放大器2.輸入級(jí)：

T1、T2和T3、T4管組成共集一共基復(fù)合差動(dòng)輸入電路。其中T1和T2管作為射極輸出器，輸入電阻高。

T3

和T4管是橫向PNP管，發(fā)射結(jié)反向擊穿電壓高，可使輸入差模信號(hào)達(dá)到30V以上。

T5、T6、T7

和R1

、R2

、R3組成具有基極補(bǔ)償作用的鏡象電流源，作為差動(dòng)輸入級(jí)的有源負(fù)載，可以提高輸入級(jí)的增益。它們同時(shí)還有單端輸出轉(zhuǎn)換為雙端增益的功能。§

6.4.2BJTLM741集成運(yùn)算放大器3.中間級(jí)：

T16和T17是復(fù)合管組成的共射放大電路，T13B作這一級(jí)的集電級(jí)有源負(fù)載。

T14和T20管組成互補(bǔ)對(duì)稱(chēng)輸出級(jí)，T18、T19和R8為其提供靜態(tài)偏置以克服交越失真。T15和R9保護(hù)T14管，使其在正向電流過(guò)大時(shí)不致燒壞。T21、T23、T22管和R10保護(hù)T20管在負(fù)向電流過(guò)大時(shí)不致燒壞。4.輸出級(jí)：5.相位分析：用“瞬時(shí)極性法”判定，3號(hào)腿為同相端；2號(hào)腿為反相端。§

6.4.2BJTLM741集成運(yùn)算放大器6.5實(shí)際集成運(yùn)算放大器

的主要參數(shù)和對(duì)應(yīng)用電路的影響

6.5.1

實(shí)際集成運(yùn)放的主要參數(shù)

6.5.2

集成運(yùn)放應(yīng)用中的實(shí)際問(wèn)題§

6.5.1實(shí)際集成運(yùn)放的主要參數(shù)1.輸入失調(diào)電壓VIO

輸入電壓為零時(shí)，將輸出電壓除以電壓增益，即為折算到輸入端的失調(diào)電壓。是表征運(yùn)放內(nèi)部電路對(duì)稱(chēng)性的指標(biāo)。輸入直流誤差特性、差模特性、共模特性、大信號(hào)特性、電源特性VOIBNIBPIBNIBP

2.輸入偏置電流IIB

輸入電壓為零時(shí)，運(yùn)放兩個(gè)輸入端偏置電流的平均值，用于衡量差分放大對(duì)管輸入電流的大小?！?/p>

6.5.1實(shí)際集成運(yùn)放的主要參數(shù)3.輸入失調(diào)電流IIO

：在零輸入時(shí)，差分輸入級(jí)的差分對(duì)管基極電流之差，用于表征差分級(jí)輸入電流不對(duì)稱(chēng)的程度。

§

6.5.1實(shí)際集成運(yùn)放的主要參數(shù)4.溫度漂移輸入失調(diào)電壓溫漂

在規(guī)定工作溫度范圍內(nèi)，輸入失調(diào)電壓隨溫度的變化量與溫度變化量之比值。輸入失調(diào)電流溫漂在規(guī)定工作溫度范圍內(nèi)，輸入失調(diào)電流隨溫度的變化量與溫度變化量之比值。§

6.5.1實(shí)際集成運(yùn)放的主要參數(shù)

5.開(kāi)環(huán)差模電壓增益AVO和帶寬BW

：無(wú)反饋時(shí)的差模電壓增益。一般Avo在100～120dB左右，高增益運(yùn)放可達(dá)140dB以上。fHf/Hz20lgAVO/dB02040608010102103104105106fT100-10-20

dB

/十倍頻程106dB§

6.5.1實(shí)際集成運(yùn)放的主要參數(shù)§

6.5.1實(shí)際集成運(yùn)放的主要參數(shù)

開(kāi)環(huán)帶寬BW(fH)

：

運(yùn)放的開(kāi)環(huán)差模電壓放大倍數(shù)在高頻段下降3dB所對(duì)應(yīng)的帶寬fH

。fHf/Hz20lgAVO/dB020406