电子线路(清华大学出版社,董尚斌主编)第3章集成电路与运算放大器
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双端输出时
o o1 o2 Ad i1 i 2
可见，υo仅与差模输入电压，即两输入电压的差值 成正比，而与共模输入电压，即两输入电压大小无关。 单端输出，只要KCMR足够大，可使任一输出电压近 似与两输入电压的差值成正比。
2）动态分析： 当在电路的两个输入端各加一个大小相等，极 性相反的信号电压 υid1＝－υid2＝υid／2 时，一管的 输入电压将增加，而另一管的输入电压将减小，相 应的两个输出端均有电压输出，即在两输出端有差 模信号电压输出，亦υod≠0。可见，差分放大器对 差模输入信号具有放大作用。
3.2.1 差分放大电路的工作原理
3.2.2 差分放大电路的基本性 能分析
因而单端输出时的电压增 益是
d 1 A
Rc
2( Rs rbe )
双端输出时，由于输出电 压增大一倍，增益也增大一 倍 R
d A
c
( Rs rbe )
3.2.2 差分放大电路的基本性能分 析
4.差分放大器对任意输入信号的放大 两输出电压为
iE1 iE 2 ICQ1 ICQ 2 2iC
I 0 2iC
3.2.2 差分放大电路的基本性 能分析
在共模输入信号的作用 下，流经REE的电流等于原 静态电流Io与2倍的增量电 流Δ iC之和 ，因而对共模 信号而言，半边电路三极管 发射极相当于接入2REE； 当负载在双端输出的条 件下，集电极两端输出的交 流电压大小相等，方向相同， 通过RL的电流为零，RL等效 为开路。
ic1 ic 2 ic
1 ( i1 i 2 ) 2
3Байду номын сангаас2.1 差分放大电路的工作原理
实际加到差分放大器两输入端的信号电压往往为任意 信号，它们既不是差模信号，也不是共模信号。在这种情 况下，将υ i1和υ i2改写成下列形式
i1
i1 i 2
2
i1 i 2
3.2.2 差分放大电路的基本性能分析
差模输入信号电压作用下，两管集 电极产生等值反相的增量电流Δ iC， 而两管的增量电流相消，结果是流 经REE的电流不变仍等于原静态电流
iE1 iE 2 ICQ1 iC1 ICQ 2 iC 2
ICQ1 I CQ 2 I 0
而不存在由输入差模信号产生的电 压，因而对差模信号而言，REE可视 为短路，即两管的发射极可看作虚 地点；负载电阻RL两端的增量电压 等值反相，故负载中间的点对应的 电位保持不变，即交流电位为0。
Ad Rc Ad1 2 2(rbe Rs )
因此，差分放大器两输 出端对υ id而言，Tl管的集 电极为反相输出端，T2管 的集电极为同相输出端。
Ad1
od / 2
id
' RL
2(rbe Rs )
3.2.2 差分放大电路的基本性 能分析
3）差分放大器的共模性能分 析 在共模输入信号的作用下， 两管集电极产生等值同相的增 量电流Δ iC，它们共同流入REE， 其中，两管的静态电流相加， 两管的增量电流也相加
3.2.2 差分放大电路的基本性能分析
这样，对于图3-2-2所示的差分放大器，它的差模交流通路 由两个相同的共发放大器组成，如图3-2-3所示。
3.2.2 差分放大电路的基本性 能分析
半边电路以及等效电路如图3-2-4所示。
2) 差分放大器的差模性能分析 (1) 差模输入电阻 差模输入电阻是指差分放大器从两输 入端看进去所呈现的视在电阻。其值即为两共发放大器输入 电阻之和。图3-2-2的差模输入电阻为2(Rs+rbe) (2) 差模输出电阻 双端输出时，差模输出电阻即为两共发 放大器输出电阻之和；单端输出时，任一端的差模输出电阻 即为共发放大器的输出电阻。
3.1 集成电路与运算放大器基 础
集成电路就是把许多元、器件连同它们之间的接线 一起，集中在一小块硅片上一次制成的电路。运算放大器 一经集成化，便成了集成运放。
3.2 集成运算放大器的输入级
输入级 集成运算放大器的输入级一般由差分放大器组 成。差分放大器就其功能来说，对差模输入信号具有放大 作用，而对共模输入信号具有抑制作用的放大器，由于其 电路的性能优越，它是集成运算放大器的输入级。 中间级是集成运算放大器放大信号的主体部分，一般由 共发射极电路组成。 输出级一般由共集电极电路组成。它的作用有两个：一 是对信号进行功率放大；二是与负载有效的连接。 电源及偏置为电路提供能量；并保证各放大器能正常工 作。
双端输出时，在电路理想对 称的条件下，υ oc1＝υ oc2， 双端输出共模电压增益为 利用半边共模电路来 计算 Ric
oc oc1 oc 2 Ac 0 ic ic
共模输入电阻Ric Ric定义为共模输入电压υ ic 与一个输入端的共模输入电流 ibc之比。即
Ric Rs rbe 21 REE
id i1 i 2 2.02 1.98 0.04V
ic
1 1 ( i1 i 2 ) ( 2.02 1.98) 2V 2 2
3.2.1 差分放大电路的工作原理
同理，在差分放大器的两个输出端，大小相等，极性相 反的输出电压信号，叫做差模输出信号，可以表示为
3.2.1 差分放大电路的工作原理
1. 差分放大器的基本信号 差模输入信号就是指差分放大器两个输入端的输入信号 id1 id 2 为一对大小相等，极性相反的输入信号电压， 称它们为一对差模输入信号，则放大器两输入端信号为
id id1 id 2
所谓共模输入信号是指差分放大器的两输入端输入 大小相等，极性相同的信号，即 ic1 ic2 ic ，称 它们为共模输入信号，并表示为
Rc
REE
rbe Rs
3.2.2 差分放大电路的基本性 能分析
可见REE越大，共模增益越 小，则共模抑制比KCMR越大， 这说明在单端输出情况下，提 高共模抑制比的主要方法是增 大REE 集成电路中常用恒流源来代 替REE ，恒流源的直流电阻较 小而动态电阻极大，用它来代 替REE既可提高共模抑制比 恒流源电路举例
当在两个输入端各加入一个大小相等，极性 相同的信号电压υic1＝υic2＝υic时，两管的输入电压 同时增加或同时减小，两管相应的输出电流也同 时增加或者同时减小，双端输出的共模电压为
即输入共模信号时，由于电路的对称性且采 用双端输出时，可有效地抑制共模信号。可见， 差分放大器在采用双端输出时，对差模信号具有 放大作用，对共模信号具有抑制作用。
3.2.2 差分放大电路的基本性 能分析
3. 差分放大电路对单端输入 信号的放大作用 单端输入时，一管（例如 T2）输入信号为零，另一管 （T1）输入端加有信号υ i， 如图3-2-8所示。由图可见， T1通过射极电阻REE将信号耦 合到T2的发射极，T2所得到的 信号电压就是REE上的压降υ e， 其极性如图3-2-8所示。
oc oc1 oc 2 0
3.2.2 差分放大电路的基本性能分析
1. 差分放大器的等效电路与 半电路分析法 根据输入和输出的不同连 接形式，差分放大器有：双端 输入、双端输出；单端输入、 双端输出；双端输入、单端输 出；单端输入、单端输出四种 连接方式 1）双端输入，双端输出的电 路分析及等效电路
3.2.2 差分放大电路的基本性 能分析
共模电压增益Aυc 单端输出时（忽略rce），则
oc1 Rc Ac1 ic Rs rbe 21 REE
因 2 （ 1 ＋ β ）REE＞＞Rs＋rbe， 故
Ac1
Rc 2 REE
3.2.2 差分放大电路的基本性 能分析
od 1 od 2
od
2
od o1 o 2
输出端大小相等，极性相同的输出电压信号叫做共模输 出信号，可以表示为
oc1 oc 2 oc
o1 o 2
2
3.2.1 差分放大电路的工作原理
2. 差分放大电路的工作原理 图 3-2-1 所示的电路是一个基本的差分放大电路，它是由 两个特性完全相同的三极管T1、T2组成对称电路，电路的参 数也相同，即 RC1＝RC2=RC 等。电路中有两个电压源＋ VCC 和－VEE。两管的发射极连接在一起，接一公用电阻 REE、通 过它的电流I0为两管电流之和 这个电路有两个输入端和 两个输出端。若采用双端输入， 输出可双端或单端输出；若采 用单端输入，输出可单端或双 端输出 。
3.2.2 差分放大电路的基本性 能分析
( 3)差模电压增益 差模电压增益是指差分放大 器的差模输出电压对差模输入 电压的比值
Ad od id od 1 id1
od od 1 od 2 2od 1
id id1 id 2 2id1
A d
1 1 o1 oc od Acic Adid 2 2
1 1 Ad id ic 2 K CMR
o 2
1 oc od 2
1 1 Ad id ic 2 KCMR
3.2.2 差分放大电路的基本性能分 析
3.2.2 差分放大电路的基本性 能分析
若两管发射极电流增量（绝 对值）分别为Δ iC1、Δ iC2，则通 过REE的信号电流为Δ iC1－Δ iC2， 电压υ e＝（Δ iC1－Δ iC2）REE。 由于υ e为有限值，当REE很大时， Δ iC1－Δ iC2就很小，亦即，通过 REE的信号电流很小，REE对信号 可视作开路。输入信号电压υ i近 似地均分在两管输入回路上，每 管得到的信号电压大小均为υ i/2， 而极性相反。
3.2.1 差分放大电路的工作原理
下面分析其工作原理 1）静态分析 设T1、T2特性对称，其 VBE1＝VBE2＝VBE，IE1＝IE2 ＝Io／2，β 1＝β 2＝β 。当 υ i1＝υ i2＝0时，可知
VEE VBE Io Rs REE 21
3.2.1 差分放大电路的工作原理
2(1 ) REE
3.2.2 差分放大电路的基本性 能分析
2. 共模抑制比
定义为差分放大器的差模电压增益与共模电压增益之比 的绝对值 双端输出时，共模增益为0，其共模抑制比为无穷大； 图3-2-2的电路，在单端输出时的共模抑制比为
K CMR
2( Rs rbe ) Rc 2 REE
R
' L
Rs rbe
3.2.2 差分放大电路的基本性 能分析
可见，双端输出时的差模 电压增益与单个共发射极放 大电路的增益相同。当采用 单端输出时，例如，自T1管 集电极输出，差模电压为υ od／2（T2的差模电压为 υ od／2），两输入端的差模 为υ id。 若不接RL，则单端输出 时的电压增益为
第3章 集成电路与运算放大器
集成电路是20世纪60年代初期发展起来的，采用一定 的制造工艺将晶体管、场效应管、二极管、电阻和电容等 许多元器件组成的具有特定功能的电路制作在同一块半导 体基片上，然后加以封装所构成的半导体器件，由于其集 成度高、体积小、功能强、功耗低、外部的连线及焊点少， 大大提高了电子设备的可靠性和灵活性，是元器件、电路 与系统的高度融合。集成电路根据功能来划分有模拟集成 电路和数字集成电路。 模拟集成电路种类繁多，有运算放大器、宽频带放大器、 功率放大器、模拟乘法器、模拟锁相环、模数和数模转换 器、稳压电源和音像设备中常用的其它模拟集成电路等。
2
ic
id
2
i 2
i1 i 2
2
i1 i 2
2
ic
id
2
3.2.1 差分放大电路的工作原理
可见，实际加到差分放大器两输入端的信号电压可分解 为一对大小相等、极性相同的共模信号和一对数值相等、 极性相反的差模信号之和。特别地，当两个输入信号都为0 时，差模输入和共模输入电压也均为0。 例1 已知υi1=2.02V，υi2=1.98V，试求共模和差模输入 电压。 解：
o o1 o2 Ad i1 i 2
可见，υo仅与差模输入电压，即两输入电压的差值 成正比，而与共模输入电压，即两输入电压大小无关。 单端输出，只要KCMR足够大，可使任一输出电压近 似与两输入电压的差值成正比。
2）动态分析： 当在电路的两个输入端各加一个大小相等，极 性相反的信号电压 υid1＝－υid2＝υid／2 时，一管的 输入电压将增加，而另一管的输入电压将减小，相 应的两个输出端均有电压输出，即在两输出端有差 模信号电压输出，亦υod≠0。可见，差分放大器对 差模输入信号具有放大作用。
3.2.1 差分放大电路的工作原理
3.2.2 差分放大电路的基本性 能分析
因而单端输出时的电压增 益是
d 1 A
Rc
2( Rs rbe )
双端输出时，由于输出电 压增大一倍，增益也增大一 倍 R
d A
c
( Rs rbe )
3.2.2 差分放大电路的基本性能分 析
4.差分放大器对任意输入信号的放大 两输出电压为
iE1 iE 2 ICQ1 ICQ 2 2iC
I 0 2iC
3.2.2 差分放大电路的基本性 能分析
在共模输入信号的作用 下，流经REE的电流等于原 静态电流Io与2倍的增量电 流Δ iC之和 ，因而对共模 信号而言，半边电路三极管 发射极相当于接入2REE； 当负载在双端输出的条 件下，集电极两端输出的交 流电压大小相等，方向相同， 通过RL的电流为零，RL等效 为开路。
ic1 ic 2 ic
1 ( i1 i 2 ) 2
3Байду номын сангаас2.1 差分放大电路的工作原理
实际加到差分放大器两输入端的信号电压往往为任意 信号，它们既不是差模信号，也不是共模信号。在这种情 况下，将υ i1和υ i2改写成下列形式
i1
i1 i 2
2
i1 i 2
3.2.2 差分放大电路的基本性能分析
差模输入信号电压作用下，两管集 电极产生等值反相的增量电流Δ iC， 而两管的增量电流相消，结果是流 经REE的电流不变仍等于原静态电流
iE1 iE 2 ICQ1 iC1 ICQ 2 iC 2
ICQ1 I CQ 2 I 0
而不存在由输入差模信号产生的电 压，因而对差模信号而言，REE可视 为短路，即两管的发射极可看作虚 地点；负载电阻RL两端的增量电压 等值反相，故负载中间的点对应的 电位保持不变，即交流电位为0。
Ad Rc Ad1 2 2(rbe Rs )
因此，差分放大器两输 出端对υ id而言，Tl管的集 电极为反相输出端，T2管 的集电极为同相输出端。
Ad1
od / 2
id
' RL
2(rbe Rs )
3.2.2 差分放大电路的基本性 能分析
3）差分放大器的共模性能分 析 在共模输入信号的作用下， 两管集电极产生等值同相的增 量电流Δ iC，它们共同流入REE， 其中，两管的静态电流相加， 两管的增量电流也相加
3.2.2 差分放大电路的基本性能分析
这样，对于图3-2-2所示的差分放大器，它的差模交流通路 由两个相同的共发放大器组成，如图3-2-3所示。
3.2.2 差分放大电路的基本性 能分析
半边电路以及等效电路如图3-2-4所示。
2) 差分放大器的差模性能分析 (1) 差模输入电阻 差模输入电阻是指差分放大器从两输 入端看进去所呈现的视在电阻。其值即为两共发放大器输入 电阻之和。图3-2-2的差模输入电阻为2(Rs+rbe) (2) 差模输出电阻 双端输出时，差模输出电阻即为两共发 放大器输出电阻之和；单端输出时，任一端的差模输出电阻 即为共发放大器的输出电阻。
3.1 集成电路与运算放大器基 础
集成电路就是把许多元、器件连同它们之间的接线 一起，集中在一小块硅片上一次制成的电路。运算放大器 一经集成化，便成了集成运放。
3.2 集成运算放大器的输入级
输入级 集成运算放大器的输入级一般由差分放大器组 成。差分放大器就其功能来说，对差模输入信号具有放大 作用，而对共模输入信号具有抑制作用的放大器，由于其 电路的性能优越，它是集成运算放大器的输入级。 中间级是集成运算放大器放大信号的主体部分，一般由 共发射极电路组成。 输出级一般由共集电极电路组成。它的作用有两个：一 是对信号进行功率放大；二是与负载有效的连接。 电源及偏置为电路提供能量；并保证各放大器能正常工 作。
双端输出时，在电路理想对 称的条件下，υ oc1＝υ oc2， 双端输出共模电压增益为 利用半边共模电路来 计算 Ric
oc oc1 oc 2 Ac 0 ic ic
共模输入电阻Ric Ric定义为共模输入电压υ ic 与一个输入端的共模输入电流 ibc之比。即
Ric Rs rbe 21 REE
id i1 i 2 2.02 1.98 0.04V
ic
1 1 ( i1 i 2 ) ( 2.02 1.98) 2V 2 2
3.2.1 差分放大电路的工作原理
同理，在差分放大器的两个输出端，大小相等，极性相 反的输出电压信号，叫做差模输出信号，可以表示为
3.2.1 差分放大电路的工作原理
1. 差分放大器的基本信号 差模输入信号就是指差分放大器两个输入端的输入信号 id1 id 2 为一对大小相等，极性相反的输入信号电压， 称它们为一对差模输入信号，则放大器两输入端信号为
id id1 id 2
所谓共模输入信号是指差分放大器的两输入端输入 大小相等，极性相同的信号，即 ic1 ic2 ic ，称 它们为共模输入信号，并表示为
Rc
REE
rbe Rs
3.2.2 差分放大电路的基本性 能分析
可见REE越大，共模增益越 小，则共模抑制比KCMR越大， 这说明在单端输出情况下，提 高共模抑制比的主要方法是增 大REE 集成电路中常用恒流源来代 替REE ，恒流源的直流电阻较 小而动态电阻极大，用它来代 替REE既可提高共模抑制比 恒流源电路举例
当在两个输入端各加入一个大小相等，极性 相同的信号电压υic1＝υic2＝υic时，两管的输入电压 同时增加或同时减小，两管相应的输出电流也同 时增加或者同时减小，双端输出的共模电压为
即输入共模信号时，由于电路的对称性且采 用双端输出时，可有效地抑制共模信号。可见， 差分放大器在采用双端输出时，对差模信号具有 放大作用，对共模信号具有抑制作用。
3.2.2 差分放大电路的基本性 能分析
3. 差分放大电路对单端输入 信号的放大作用 单端输入时，一管（例如 T2）输入信号为零，另一管 （T1）输入端加有信号υ i， 如图3-2-8所示。由图可见， T1通过射极电阻REE将信号耦 合到T2的发射极，T2所得到的 信号电压就是REE上的压降υ e， 其极性如图3-2-8所示。
oc oc1 oc 2 0
3.2.2 差分放大电路的基本性能分析
1. 差分放大器的等效电路与 半电路分析法 根据输入和输出的不同连 接形式，差分放大器有：双端 输入、双端输出；单端输入、 双端输出；双端输入、单端输 出；单端输入、单端输出四种 连接方式 1）双端输入，双端输出的电 路分析及等效电路
3.2.2 差分放大电路的基本性 能分析
共模电压增益Aυc 单端输出时（忽略rce），则
oc1 Rc Ac1 ic Rs rbe 21 REE
因 2 （ 1 ＋ β ）REE＞＞Rs＋rbe， 故
Ac1
Rc 2 REE
3.2.2 差分放大电路的基本性 能分析
od 1 od 2
od
2
od o1 o 2
输出端大小相等，极性相同的输出电压信号叫做共模输 出信号，可以表示为
oc1 oc 2 oc
o1 o 2
2
3.2.1 差分放大电路的工作原理
2. 差分放大电路的工作原理 图 3-2-1 所示的电路是一个基本的差分放大电路，它是由 两个特性完全相同的三极管T1、T2组成对称电路，电路的参 数也相同，即 RC1＝RC2=RC 等。电路中有两个电压源＋ VCC 和－VEE。两管的发射极连接在一起，接一公用电阻 REE、通 过它的电流I0为两管电流之和 这个电路有两个输入端和 两个输出端。若采用双端输入， 输出可双端或单端输出；若采 用单端输入，输出可单端或双 端输出 。
3.2.2 差分放大电路的基本性 能分析
( 3)差模电压增益 差模电压增益是指差分放大 器的差模输出电压对差模输入 电压的比值
Ad od id od 1 id1
od od 1 od 2 2od 1
id id1 id 2 2id1
A d
1 1 o1 oc od Acic Adid 2 2
1 1 Ad id ic 2 K CMR
o 2
1 oc od 2
1 1 Ad id ic 2 KCMR
3.2.2 差分放大电路的基本性能分 析
3.2.2 差分放大电路的基本性 能分析
若两管发射极电流增量（绝 对值）分别为Δ iC1、Δ iC2，则通 过REE的信号电流为Δ iC1－Δ iC2， 电压υ e＝（Δ iC1－Δ iC2）REE。 由于υ e为有限值，当REE很大时， Δ iC1－Δ iC2就很小，亦即，通过 REE的信号电流很小，REE对信号 可视作开路。输入信号电压υ i近 似地均分在两管输入回路上，每 管得到的信号电压大小均为υ i/2， 而极性相反。
3.2.1 差分放大电路的工作原理
下面分析其工作原理 1）静态分析 设T1、T2特性对称，其 VBE1＝VBE2＝VBE，IE1＝IE2 ＝Io／2，β 1＝β 2＝β 。当 υ i1＝υ i2＝0时，可知
VEE VBE Io Rs REE 21
3.2.1 差分放大电路的工作原理
2(1 ) REE
3.2.2 差分放大电路的基本性 能分析
2. 共模抑制比
定义为差分放大器的差模电压增益与共模电压增益之比 的绝对值 双端输出时，共模增益为0，其共模抑制比为无穷大； 图3-2-2的电路，在单端输出时的共模抑制比为
K CMR
2( Rs rbe ) Rc 2 REE
R
' L
Rs rbe
3.2.2 差分放大电路的基本性 能分析
可见，双端输出时的差模 电压增益与单个共发射极放 大电路的增益相同。当采用 单端输出时，例如，自T1管 集电极输出，差模电压为υ od／2（T2的差模电压为 υ od／2），两输入端的差模 为υ id。 若不接RL，则单端输出 时的电压增益为
第3章 集成电路与运算放大器
集成电路是20世纪60年代初期发展起来的，采用一定 的制造工艺将晶体管、场效应管、二极管、电阻和电容等 许多元器件组成的具有特定功能的电路制作在同一块半导 体基片上，然后加以封装所构成的半导体器件，由于其集 成度高、体积小、功能强、功耗低、外部的连线及焊点少， 大大提高了电子设备的可靠性和灵活性，是元器件、电路 与系统的高度融合。集成电路根据功能来划分有模拟集成 电路和数字集成电路。 模拟集成电路种类繁多，有运算放大器、宽频带放大器、 功率放大器、模拟乘法器、模拟锁相环、模数和数模转换 器、稳压电源和音像设备中常用的其它模拟集成电路等。
2
ic
id
2
i 2
i1 i 2
2
i1 i 2
2
ic
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2
3.2.1 差分放大电路的工作原理
可见，实际加到差分放大器两输入端的信号电压可分解 为一对大小相等、极性相同的共模信号和一对数值相等、 极性相反的差模信号之和。特别地，当两个输入信号都为0 时，差模输入和共模输入电压也均为0。 例1 已知υi1=2.02V，υi2=1.98V，试求共模和差模输入 电压。 解：