模拟电路第6章

所以
voc voc1 voc2 0
共模增益
AVC

voc vic
0
<B> 单端输出
AVC1

v o c1 vic
voc2 vic

rbe
Rc (1 )2ro


Rc 2ro
ro AVC1
抑制零漂能力增强
共模输入时的交流通路 共模输入时的小信号模型图
如果任意输入ui1 、ui2同时作用
集成运放电路的组成
两个 输入端
一个 输出端
若将集成运放看成为一个“黑盒子”，则可等效为一 个双端输入、单端输出的差分放大电路。
集成运放电路四个组成部分的作用
偏置电路：为各 级放大电路设置 合适的静态工作 点。采用电流源 电路。
输入级：前置级，多采用差分放大电路。要求Ri大，Ad 大， Ac小，输入端耐压高。
1 2 AVD
Rc
2rbe
（双入、单出交流通路）
接入负载时
AVD
=


(Rc // 2rbe
RL
)
3. 主要指标计算
（1）差模电压增益
<C> 单端输入
ro re (发射结电阻 )
等效于双端输入
指标计算与双端输 入相同入
（2）共模电压增益
<A> 双端输出
共模信号的输入 使两管集电极电压有 相同的变化。
6.2.3 FET差分式放大电路
JFET 差分式放大电路
2. 差模增益
与共源电路相同
AVD2

vo2 vid
1 2 gm Rd
3. 差模输入电阻 Rid Rg1 1M
6.2.4 差分式放大电路的传输特性
iC1 f (vid ) iC2 f (vid )
图中纵坐标为 iC1 / I0
集成运放的特点
集成运算放大电路，简称集成运放，是一个高 性能的直接耦合多级放大电路。因首先用于信号的 运算，故而得名。
（1）直接耦合方式，充分利用管子性能良好的一 致性采用差分放大电路和电流源电路。 （2）用复杂电路实现高性能的放大电路，因为电 路的复杂化并不带来工艺的复杂性。 （3）用有源元件替代无源元件，如用晶体管取代 难于制作的大电阻。 （4）采用复合管。
直接耦合放大电路
零点漂移
差分式放大电路中的一般概念
6.2.2基本差分式放大电路
电路组成及工作原理 抑制零点漂移原理
主要指标计算
几种方式指标比较
6.2.3 FET差分式放大电路
6.2.4 差分式放大电路的传输特性
6.2.1 概述 1. 直接耦合放大电路
既可放大直流信号， 也可放大交流信号
在电路对称（或匹配）时，双端输出 共模信号完全被抑制掉了；电路匹配性 较差或从单端输出也能抑制共模信号。 （恒流源动态内阻R0）
共模电压放大倍数：
AC uo uC
（很小)
电路的匹配精度越高，长尾电阻越大， 差放抑制共模信号的能力越强。
由于恒流源动态内组很大,故其具有很 强的共模抑制能力。
2. 抑制零点漂移
uo= uC1 - uC2
= uC1- uC2
= 2uC1
差模电压放大倍数：
Ad

uo ui1 ui2

uo 2ui1
(很大)
长尾的电流、电压增量零， 即长尾对差模信号短路。
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
KCMR (dB) =
20lg
AVD AVC
wk.baidu.com
(分贝)
6.2.2 基本差分式放大电路
1. 电路组成及工作原理
对称性结构、恒流源式长尾
静态
1 IC1 = IC2 IC 2 I0
VCE1 = VCE2
VCC IC RC VE
VCC IC RC (0.7)
I B1

I B2
（1）差模电压增益
<A> 双入、双出
AVD
=
vo vid

vo1 vo2 vi1 vi2
2vo1 Rc
2vi1
rbe
（双入、双出交流通路）
接入负载时
以双倍的元器件换
取抑制零漂的能力
AVD
=


( Rc
// 1 2
rbe
RL
)
<B> 双入、单出
AVD1
=
vo1 vid

vo1 2vi1
鉴于集成工艺难以制作电感和较大的电容， 集成运算放大器都要采用直接耦合方式
2. 直接耦合放大电路存在的问题 a.零点漂移：
输入短路时，输出仍有缓慢变化的电压产生。 主要原因：
温度变化引起，也称温漂（电源电压波动也是 原因之一） 温漂指标：温度每升高1度时，输出漂移电压
按电压增益折算到输入端的等效 输入漂移电压值。
（3）共模抑制比
KCMR
AVD AVC
K CM R

20lg
AVD AVC
dB
双端输出，理想情况 KCMR
单端输出
K CMR
AVD1 ro
AVC1
rbe
KCMR 越大， 抑制零漂能力 越强
单端输出时的总输出电压
（4）频率响应
vo1

AVD1vid (1
vic ) K CM vR id
6.4 集成电路运算放大器
6.4.1 简单的集成电路运算放大器 6.4.2 通用型集成电路运算放大器
6.4.1 简单的集成电路运算放大器
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
-
AVD
=
vod vid
差模电压增益
共模信号输出
差分式放大电路输入输出结构示意图
AVC
=
voc vic
共模电压增益
总输出电压
vo = vod voc AVDvid AVCvic
根据1、2两式又有
vi1
=
vic

vid 2
vi2
=
vic

vid 2
KCMR =
AVD AVC
共模抑制比
反映差放抑制共模信号的能力
2ro
ro
rbe
4. 几种方式指标比较
（思考题）
输出方式
Rid Ric Ro
双出
单出
2rbe
1 2 [rbe

(1

)2ro
]
2 Rc
Rc
双出
单出
2rbe
1 2 [rbe

(1


)2ro ]
2 Rc
Rc
6.2.3 FET差分式放大电路
1. 电路组成
CMOS 差分式放大电路
Ad gmRd，Ri ，Ro 2Rd
+UCC
R C
u o
R C
uo= uC1 - uC2
uC + ud/2
u i1
T1
T2
RE
uC - ud/2
u i2
分解 叠加
-UEE
差模分量: ud = ui1 - ui2
共模分量: uC = ui1 + ui2 2
ui1 = uC + ud/2
ui2 = uC - ud/2
结论:当两输 入端有任意输 入时,相当于共 模输入和差模 输入共存
差越小。例， =100时，两者的偏差为2%
1. 镜像电流源
交流电阻（可由小信号等效
电路计算）
Ro
=
V T IT
由于T2的集电极电 流基本不变。所以交
流量RIoT=VI0TT
一般Ro在几百千欧以上
1. 镜像电流源
精度更高的镜像电流源
由于增加了T3， 减小IB对IREF的分 流，提高了IC2与 IREF互成镜像的精 度。

IC

双端输出电压 vo 0 ，单端输出电压 uo1 = uo2 = UC1 = UC2
1. 电路组成及工作原理
动态
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
b.前后级Q点相互影响
例如
漂移
10 mV+100 uV
假设 AV1 = 100,
AV2 = 100, AV3 = 1 。
漂移 1 V+ 10 mV
若第一级漂了100 uV，
漂了 100 uV
则输出漂移 10 mV 。 若第二级也漂了100 uV，
漂移 1 V+ 10 mV
则输出漂移1 V 。
第一级是关键
电流源的要求：有足够大的动态内阻； 对温度的敏感度极低；能对抗电源电压或 其他外因的变化。归纳起来就是电流源电 路应具有不受外界因素影响的恒流特性。
电流源种类很多，但有一个共同的特点：
直流等效电阻小，交流等效 电阻很大，且具有良好的恒 流特性。 （电流源的恒流特性决定于 电流源输出电阻的大小，输 出电阻越大，恒流效果越好）
温度变化 和电源电压 波动，都将 使集电极电 流产生变化。 且变化趋势 是相同的，
其效果相当于在两个输入端加入了共模信号. 差分式放大电路对共模信号有很强抑制作用。
当 ui1 = ui2 =0 时：
uo= UC1 - UC2 = 0 当温度变化时： uo= (UC1 + uC1 ) - (UC2 + uC2 ) = 0
中间级：主放大级，多采用共射放大电路。要求有足够 的放大能力。
输出级：功率级，多采用准互补输出级。要求Ro小，最
大不失真输出电压尽可能大。
6.1 集成电路中的恒流源
镜像电流源 微电流源 多路电流源 电流源作有源负载
电流源电路不仅可用作各种放大电路 的恒流偏置(为放大电路提供稳定的偏置 电流)，而且可用它取代电阻作为放大器 的负载，是集成运放中应用最广泛的单 元电路之一。
1. 镜像电流源
两只特性完全相同的管子
恒流特性
VBE2 = VBE1
IE2 = IE1
IC2 = IC1 IREF
= VCC VBE VCC
R
R
IC2看作IREF的镜像。
由图可知，
I REF IC 1 2I B

IC 2

2
IC 2

2
IC 2 (1 )
越大，集电极电流 IC2 与基准电流的偏
镜像电流源具有 一定的温度补偿 作用，原理如下：
当温度升高时
IC1
IC 2
I R U R ( IR ) U B
IB
IC1
2. 微电流源
I C2
IE2
VBE1 VBE2 Re2
VBE Re2
由于 VBE 很小，
所以IC2也很小
3. 多路电流源
IE Re IREF Re IE1 Re 1 IE2 Re 2
放大管
比用电阻Rc就作负载时提高了。
5. FET 电流源
与BJT镜像电流源类 似，T1的漏、栅两极 相连，只要VDD＞VT， 它必然运行在饱和区
IO ID2 IR (VDD VSS VGS ) R
MOSFET多路电流源
基本镜像电流源 常用镜像电流源
6.2 差分式放大电路
6.2.1 概述
IC1 IE1 IREF Re/ Re 1,
IC 2 IE 2 IREF Re/ Re 2
4. 电流源作有源负载
镜像电流源
共射电路的电压增益为：
A V
=
Vo Vi

(Rc // RL )
rbe
对于此电路Rc就是镜 像电流源的交流电阻，
因此增益为
A V
=

RL
rbe
3. 减小零漂的措施
用非线性元件进行温度补偿 调制解调方式。 采用差分式放大电路
4. 差分式放大电路中的一般概念
vid = vi1 vi2 差模信号
+
vic
=
1 2 (vi1
vi2 ) 共模信号
差模信号输出
vi1 -
+
-vid + vi2 -
差放
+
-vo
+
+ vo1
vo2 -
高频响应与共射电路相同，低频可放大直流信号。
带有源负载的射极耦合差分放大电路
差分放大电路的改进
1. 加调零电位器 RW
1) RW取值应大些？还是小些？ 2) RW对动态参数的影响？ 3) 若RW滑动端在中点，写出Ad、 Ri的表达式。
Ad


Rb

rbe
Rc
(1
)
RW 2
Ri 2(Rb rbe ) (1 )RW
长尾的作用： （1）直流负反馈，稳定
RC
RB C1
ui1 B1
T1
uo
T2 E
RC +UCC
C2
R B
B2 ui2
静态工作点
IE
T °C
IC1 IC2
R0
-UEE IE =IE1+IE2
UE =IERE+（-UEE）
IC1 IC2
IB1 、IB2
UBE1 、UBE2
（2） R0对共模信号有抑制作用（原理 同上，即由于R0的负反馈作用，使IE基 本不变） （3） R0对差模信号相当于短路
ui1 =- ui2 ，设ui1 ,ui2 ib1 ,ib2 ie1 ,ie2 ie1 = - ie2 IE不 变
3. 主要指标计算
4. 几种方式指标比较
输出方式
双出
AVD


( Rc
//
1 2
RL )
rbe
AVC
0
K CM R

单出
(Rc // RL )
2rbe Rc // RL
2ro
ro
rbe
双出

(Rc
//
1 2
RL )
rbe
0

单出
(Rc // RL )
2rbe Rc // RL