模電與數(shù)電--4、差動放大器與集成運算放大器

1、(4-1),電子技術(shù),第四章 差動放大器與 集成運算放大器,模擬電路部分,(4-2),第四章 差動放大器與 集成運算放大器,4.1 差動放大電路 4.2 集成運放的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及特點 4.3 集成運放的主要性能指標,(4-3),4.1.1 直接耦合電路的特殊問題,增加R2 、RE2 : 用于設(shè)置合適的Q點。,問題 1 :前后級Q點相互影響。,4.1 差動放大電路,(4-4),問題 2 :零點漂移。,前一級的溫漂將作為后一級的輸入信號，使得當 ui 等于零時， uo不等于零。,有時會將信號淹沒,(4-5),一、結(jié)構(gòu),特點：結(jié)構(gòu)對稱。,4.1.2 基本型差動放大器,ui1,ui2,(4-6),二、 抑

2、制零漂的原理,uo= UC1 - UC2 = 0,uo= (UC1 + uC1 ) - (UC2 + uC2 ) = 0,當 ui1 = ui2 =0 時：,當溫度變化時：,+UCC,(4-7),三、 共模電壓放大倍數(shù)AC,+UCC,共模輸入信號： ui1 = ui2 = uC （大小相等，極性相同）,理想情況：ui1 = ui2 uC1 = uC2 uo= 0,共模電壓放大倍數(shù)：,（很小，1),但因兩側(cè)不完全對稱， uo 0,(4-8),四、差模電壓放大倍數(shù)Ad,差模輸入信號： ui1 =- ui2 =ud （大小相等，極性相反）,(很大，1),設(shè)uC1 =UC1 +uC1 ， uC2 =U

3、C2 +uC2 。 因ui1 = -ui2， uC1 =-uC2 uo= uC1 - uC2= uC1- uC2 = 2uC1,差模電壓放大倍數(shù)：,+UCC,(4-9),五、共模抑制比(CMRR)的定義,例: Ad=-200 Ac=0.1 KCMRR=20 lg (-200)/0.1 =66 dB,CMRR Common Mode Rejection Ratio,KCMRR =,KCMRR (dB) =,(分貝),(4-10),一、結(jié)構(gòu),為了使左右平衡，可設(shè)置調(diào)零電位器:,4.1.3 雙電源長尾式差放,特點：加入射極電阻RE ；加入負電源 -UEE ，采用正負雙電源供電。,(4-11),雙電源

4、的作用：,（1）使信號變化幅度加大。 （2）IB1、IB2由負電源-UEE提供。,(4-12),二、 靜態(tài)分析,溫度T,IC,IE = 2IC,UE,UBE,IB,IC,1. RE的作用,設(shè)ui1 = ui2 = 0,RE 具有強負反饋作用, 抑制溫度漂移，穩(wěn)定靜態(tài)工作點。,(4-13),IC1= IC2= IC= IB,UC1= UC2= UCCICRC,UE1= UE2 =IBRBUBE,UCE1= UCE2 = UC1UE1,(4-14),三、 動態(tài)分析,1. 輸入信號分類,(1)差模(differential mode)輸入,ui1 = -ui2= ud,(2)共模( common m

5、ode) 輸入,ui1 = ui2 = uC,差模電壓 放大倍數(shù):,共模電壓 放大倍數(shù):,(4-15),結(jié)論：任意輸入的信號: ui1 , ui2 ，都可分解成差模分量和共模分量。,注意：ui1 = uC + ud ；ui2 = uC - ud,例: ui1 = 20 mV , ui2 = 10 mV,則：ud = 5mV , uc = 15mV,差模分量:,共模分量:,(4-16),(一) 差模輸入,均壓器,(4-17),RE 對差模信號作用,ui1,ui2,ib1 , ic1,ib2 , ic2,ic1 = - ic2,iRE = ie1+ ie2 = 0,uRE = 0,RE對差模信號不

6、起作用,(4-18),差模信號通路,T1單邊微變等效電路,(4-19),1. 放大倍數(shù),單邊差模放大倍數(shù):,(4-20),若差動電路帶負載RL (接在 C1 與 C2 之間), 對于差動信號而言，RL中點電位為 0, 所以放大倍數(shù)：,即：總的差動電壓放大倍數(shù)為：,差模電壓放大倍數(shù):,(4-21),ro = 2RC,ro,輸入電阻：,輸出電阻：,2. 輸入輸出電阻,思考題：電路去掉RB能正常工作嗎？ RB的作用是什么？,(4-22),(二) 共模輸入,RE對共模信號有抑制作用（原理靜態(tài)分析，即由于RE的負反饋作用，使IE基本不變） 。,uC ,ic1 、 ic2 ,iRE 、 uRE ,(4-2

7、3),共模信號通路:,(4-24),T1單邊微變等效電路,(4-25),AC 0,問題：負載影響共模放大倍數(shù)嗎？,不影響！,(4-26),4.1.4 恒流源式差放電路,電路結(jié)構(gòu):,(4-27),rce3 1M,恒流源,T3 :放大區(qū),靜態(tài)分析：主要分析T3管。,VB3VE3 IE3 IC3,(4-28),電路改進：加入溫度補償三極管T4（BC短接，相當于二極管）,溫度 ,IE3 ,溫度,UBE4 ,UB3 ,IE3 ,結(jié)論：T4穩(wěn)定IE3 。,IE3 ,UBE4 ,Q變化,(4-29),1. 恒流源相當于阻值很大的電阻。,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

8、大倍數(shù)減小，從而增加共模抑制比，理想的恒流源相當于阻值為無窮的電阻，所以共模抑制比是無窮。,恒流源的作用,(4-30),4.1.5 差放電路的幾種接法,雙端輸入雙端輸出：,Ad = Ad1,雙端輸入單端輸出：,(4-31),單端輸出：,對Ad而言，雙端輸入與單端輸入效果是一樣的。,ud = 0.5ui , uc = 0,ud = 0.5ui , uc = 0.5ui,(4-32),集成電路: 將整個電路的各個元件做在同一個半導體基片上。,集成電路的優(yōu)點：,工作穩(wěn)定、使用方便、體積小、重量輕、功耗小。,集成電路的分類：,模擬集成電路、數(shù)字集成電路；,小、中、大、超大規(guī)模集成電路；, ,4.2 集

9、成運放的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及特點,(4-33),集成電路內(nèi)部結(jié)構(gòu)的特點：,1. 電路元件制作在一個芯片上，元件參數(shù)偏差方向一致，溫度均一性好。,2. 電阻元件由硅半導體構(gòu)成，范圍在幾十到20千歐，精度低。高阻值電阻用三極管有源元件代替或外接。,3. 幾十 pF 以下的小電容用PN結(jié)的結(jié)電容構(gòu)成、大電容要外接。,4. 二極管一般用三極管的發(fā)射結(jié)構(gòu)成。,(4-34),UEE,+UCC,u+,uo,u,反相 輸入端,同相 輸入端,原理框圖：,輸入級,中間級,輸出級,與uo反相,與uo同相,(4-35),對輸入級的要求：盡量減小零點漂移,盡量提高 KCMRR , 輸入阻抗 ri 盡可能大。,對中間級的要求：足夠

10、大的電壓放大倍數(shù)。,對輸出級的要求：主要提高帶負載能力，給出足夠的輸出電流io 。即輸出阻抗 ro小。,（1）采用四級以上的多級放大器，輸入級和第二級一般采用差動放大器。 （2）輸入級常采用復合三極管或場效應(yīng)管，以減小輸入電流，增加輸入電阻。 （3）輸出級采用互補對稱式射極跟隨器，以進行功率放大，提高帶負載的能力。,(4-36),IC =IC1+ IC2 = 1 IB + 2(1+ 1 ) IB = 1 + 2(1+ 1 ) IB,為減小IB， 提高輸入電阻，T1、T2采用復合三極管, = IC / IB = 1 + 2(1+ 1 ) 1 2,(4-37),第4級：互補對稱射極跟隨器,第3級：

11、單管放大器,+,集成運放內(nèi)部結(jié)構(gòu)（舉例）,極 性 判 斷,(4-38),ri 大: 幾十k 幾百 k,運放的特點：,KCMRR 很大,ro ?。簬资?幾百,A o 很大: 104 107,運放符號：,國際符號,國內(nèi)符號,(4-39),4.3 集成運放的主要性能指標,一、開環(huán)差模電壓放大倍數(shù)Aod,無外加反饋回路的差模放大倍數(shù)。一般在105 107之間。理想運放的Aod為。,二、共模抑制比KCMMR,常用分貝作單位，一般100dB以上。,三、差模輸入電阻rid,ri1M, 有的可達100M以上。,四、輸出電阻ro,ro =幾-幾十。,(4-40),五、最大共模輸入電壓UIcmax,六、最大差模輸入電壓UIdmax,七、-3dB帶寬fH,運放是直流放大器， 也可放大低頻信號，不適用于高頻信號。,還有其他一些反映運放對成性、零漂等的參數(shù)。不再一一介紹