第4章差动放大电路及运算放大器
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电工教研室制作
RC
–
–
+
uo uo1 uo2
+
+ –
RC
RB
RB
T1
Rp R
+
T2
RE
当两管集电极之间接入 负载电阻RL 时，差模电 压放大倍数： R L Ad R B rbe 其中
1 R R C // R L L 2
EE R
– +
+
ui1
ui
ui2
–
–
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在一般情况下，电路不可能绝对对称，Ac≠0。为了全面 衡量差动放大电路放大差模信号和抑制共模信号的能力， 引入共模抑制比，以KCMRR表示。 共模抑制比定义为Ad与Ac之比的绝对值，即：
KCMRR =
或用对数形式表示：
Ad Ac
Ad Ac (dB)
KCMRR = 20 log
4.1 直耦放大电路的特殊问题
4.1 直耦放大电路的特殊问题
一、直接耦合
放大缓慢变化的信号、直流变化的信号； 把前级输出直接接到后级输入。
RB1
RC ＋UCC ＋ ＋ ui1 － RB2 RE ＋ uo1 － ui2 － ＋ uo2 － RB ＋UCC
RE
RL
特点：不仅能传送交流信号、而且还能传送直流变 化的信号。
一、电路结构
1. 组成: 左右两个结构、参 数完全相同的单管共射 放大电路组成； 2. 两个输入端、两个输出 端， uo = uo1－uo2 ； 3. 两个直流电源UCC和 - UEE 。
＋ ui1 －
＋ uo － ＋ ＋ uo1 uo2 － － RE
－UEE
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二、静态分析
ui2
–
双端输出电压为
uo 2 RC Ad1 d2 ui 2 R B rbe
uo Ad (ui 1 ui 2 ) Ad ui
双入– 双出差放的电压放大倍数：
uo uo1 uo 2 2uo1 RC Ad Ad 1 ui ui 1 ui 2 2ui 1 RB rbe
(2) 动态分析
RC
–
–
+
uo uo1 uo2
+
+ –
RC
RB
RB
T1
Rp R
+
T2
RE
RE 对差模信号不起作用， 因而单管差模电压放大 倍数：
u ib RC RC Ad1 o1 u i1 i b (R B rbe ) R B rbe
EE R
– +
同理 A
–
+
ui1
ui
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KCMRR 愈大，抑制零点漂移的能力愈强。 理想情况： Ac = 0 KCMRR→∞
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4.2 差动放大电路
四、输入和输出方式
输入方式： 双端输入、 单端输入。 输出方式： 双端输出、 单端输出。 1 ui1=－ui2 = ui 2
RC
ui ＋ ui1 －
＋UCC
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＋UCC RC T1 ＋ ui1 － RC T2 ＋ ui2 －
＋ uo －
RE
－UEE
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(3) 比较输入信号
比较输入：两个输入信号电压的大小和相对极性是任意的， 既非共模，又非差模。 比较输入可以分解为一对共模信号和一对差模信号的组合， 即：
ui1 uic uid ui 2 uic uid
1 VT
1
3
＋ uo － uo
RC
VT2 2 ＋ ui2 ＋ ui2 －
4
＋ ui1 － R E －UEE 反相输入
－
ui＞0 →ui1 = ube1＞0 →ic1＞0 →uo＜0
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1. 双端输入—双端输出
RC
– –
uo
+Ucc
+ + –
RC
RB
由R的分压，各晶体管 的差模输入为总信号ui 的一半，但极性相反。 (1) 静态分析
T1
Rp T2
– +
ui1 ui
–
ui2
RE
因为T1集电极电流IC1增大， 其IE1也要增大。在RE中
VE (I E1 I E2 )RE
EE
若RE足够大，(ΔIE1 + ΔIE2 )0，则RE是开路的， 这样每只晶体管各得到一半输入信号。
单端输出是的电压放大倍数(若同相输出则取+号) 1 RC
4.3 集成运算放大器
4.电压传输特性 线性区 当－ ≤ud≤＋
uo +UOM －ε O
正饱和区
uo = Ao ud = Ao ( u＋－u－)
饱和区 当 ud＞＋ 时 当 ud＜－ 时
线性区
+ε
ud
－UOM 负饱和区
正饱和电压：uo =＋UOM =＋UCC 负饱和电压：uo =－UOM =－UEE
同向漂移
RC T1
＋UCC RC T2 ＋ ui2 －
＋ uo －
＋ ui1 －
RE
－UEE
uo = (uC1＋uC1)－(uC2＋uC2) = 0
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RE 对单管零点漂移的抑制过程
结论 (1) RE 越大抑制零漂 的效果越好。 (2) RE → UEE 为此，用恒流源 代替 RE 。
式中uic为共模信号，uid为差模信号。由以上两式可解得：
uic uid
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1 (ui1 ui 2 ) 2 1 (ui1 ui 2 ) 2
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对于线性差动放大电路，可用叠加定理求得输出电压：
uo1 Ac uic Ad uid uo2 Ac uic Ad uid
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4.3 集成运算放大器
2.主要参数 (1) 开环电压放大倍数 Ao uo Ao = u i (2) 输入失调电压和输入失调电流 (3) 共模抑制比 KCMRR
Ad KCMRR = A c (4) 最大输出电压 Up-p
(5) 差模输入电阻 rid
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(6) 最大差模输入电压 UidM
两输入端之间的差模输 入电阻： ri 2(R B rbe )
ro 2RC
两集电极之间的差模输出电阻：
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2. 单端输入—单端输出
RC
–
– +
uo
uo1 uo2
+
RC
+
–
+Ucc
RB
RB
–
尽管信号由单端输入， 而由于RE的耦合作用使 两管同时取得信号。
++
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＋ uo －
＋ ui1 －
RE
－UEE
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温度变化时，两管的集电极电流都会增大，集电极电位都会 下降。由于电路是对称的，所以两管的变化量相等。即： ΔIC1=Δ IC2 ΔUC1= ΔUC2 输出电压： uo＝ (UC1 + ΔUC1)－( UC2 +ΔUC2 )=0 即消除了零点漂移。
ui1 = ui2 = 0 uo1 = uo2， uo= 0
RC T1
＋UCC RC T2 ＋ ui2 －
UBE＋2IERE = UEE
UEE－UBE IE = 2RE IE →IB 和 IC →UCE Uo = UCE1－UCE2 =０
IC1= IC2,, UC1= UC2 输出电压： uo＝ UC1 － UC2=0
考虑对称性
I BRB UBE 2IERE EE
EE IC I E 2R E IC EE IB 2 R E
EE R C U CE U CC 2R E
uo1
RB
+
uo2
T1 Rp R
+
T2 RE
EE R
– +
+
ui1
ui
ui2
–
–
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Ad 2 RB rbe
(为双端输出时的一半)
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第4章 差动放大电路及运算放大器
4.3 集成运算放大器
一、 集成运算放大器的概述
1.集成运算放大器的组成
输入端 输入级 中间级 输出级 输出端
特点 ①输入级采用差动放大电路，KCMRR 和 ri 很高。 ②中间级采用多级共射电路，起电压放大作用。 ③输出级采用功率放大电路，ro 很小，带负载能 力很强。
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4.3 集成运算放大器
5. 理想运算放大器 (1) 理想运放的主要条件 开环电压放大倍数：Ao→∞ 开环输入电阻：ri→∞ 开环输出电阻：ro→0 共模抑制比：KCMRR →∞ (2) 理想运放的符号
u－ u＋ － － ud ＋ ＋ ∞ uo
＋
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IC1 IC1 IC2 IC2
RC
VT1 ＋ ui1 － 抑制温漂
＋UCC
＋ uo －
RC
VT2 ＋ ui2 －
R
2IE →URE
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UBE1 → IB1 UBE2 → IB2
4.2 差动放大电路
(2) 差模输入信号 ui1 =－ui2 = 1/2 uid uC1 =－uC2 uC1 =Ad1ui1 uC2 =Ad2ui2 单管电压放大倍数 Ad1= Ad2 uo = uC1－uC2 = 2 uC1 差模放大倍数： Ad=Ad1=Ad2≠ 0
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4.1 直耦放大电路的特殊问题
RB1
RC
＋UCC
RB
＋UCC
＋
＋ ui1 － RB2 RE
＋
uo1 ui2 － RE ＋ uo2 － RL
－
缺点： 1 前后级静态工作点相互影响； 2 提高后级T2的发射极电位，是兼顾前、后级 和放大倍数的重要措施。 3 要产生零点漂移现象。
电工教研室制作大连交通大学电信学院om电压传输特性单限电压比较器43集成运算放大器电工教研室制作大连交通大学电信学院限幅电压比较器稳压管起稳压作用43集成运算放大器vs电工教研室制作大连交通大学电信学院上限触发电压下限触发电压43集成运算放大器电工教研室制作大连交通大学电信学院om43集成运算放大器o1vd电工教研室制作大连交通大学电信学院41为了实现稳定输出电压应当引入下列串联负反馈42电压比较器和基本运算电路中的集成运放分别工作在电压传输特性的都在非线性区电工教研室制作大连交通大学电信学院43理想集成运算放大器在非线性区工作时是否可以认为u答
虚短路 虚断路
反馈电路 －
uo uo1 uo2 2 Ad uid Ad (ui1 ui 2 )
上式表明，输出电压的大小仅与输入电压的差值有关， 而与信号本身的大小无关，这就是差动放大电路的差值 特性。 对于差动放大电路来说，差模信号是有用信号，要求对 差模信号有较大的放大倍数；而共模信号是干扰信号， 因此对共模信号的放大倍数越小越好。对共模信号的放 大倍数越小，就意味着零点漂移越小，抗共模干扰的能 力越强，当用作差动放大时，就越能准确、灵敏地反映 出信号的偏差值。
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4.3 集成运算放大器
3. 集成运放的符号
u－ － － ud u＋ ＋ ＋ Ao ＋ uo
反相输入端 同相输入端
输出端
净输入：ud = u＋－ u－ +UCC
u－ u+ 8 7 100 dB 2 6 3 1 5 4
－UEE
集成运算放大器的管脚和外部接线图
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4.1 直耦放大电路的特殊问题
二、 零点漂移
直接耦合电路
ui = 0
有时会将信号淹没 uo
uo
1. 产生零漂的主要原因 ① 温度的变化对半导体管 子的影响。 ② 直流电源的电压不稳定。 2. 零漂与耦合方式的关系 ① 在阻容耦合电路中， 各级的零漂不会传送 到下一级。 ② 在直接耦合电路中， 每一级的零漂被逐级传 送、逐级放大。
4.3 集成运算放大器
(3) 理想运放的电压传输特性
当 u＋ ＞u－时：ud > 0 uo = ＋UOM = ＋UCC
uo +UOM
当 u＋＜u－时：ud < 0
uo =－UOM = －UEE
O
ud
－UOM
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4.3 集成运算放大器
(4) 引入深度负反馈时，理想运放具有的特性 (1) ∵ Ao→∞ uo ∴ ud = A = 0 o ∴ u＋ = u－ (2) ∵ ri→∞
第4章 差动放大电 路及集成运算放大器
if i1 ＋ uC－ ui C R2 u－ － u＋ ＋ Rf ∞ ＋ uo uo
ui +Ui O
O
t 电子技术 t
电子技术
第 4 章 差动放大电路及 集成运算放大器
4.1 直耦放大电路的特殊问题
4.2 差动式放大电路
4.3 集成运算放大器
课堂讨论
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RE 对单管零点漂移的抑制过程
温度
IC1 IC1 IC2 IC2
2IE →URE
UBE1 → IB1 UBE2 → IB2
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4.2 差动放大电路
三、动态分析
(1) 共模输入信号 ui1 = ui2 = uic uC1 = uC2 =AC uic uo = uC1－uC2 = 0 共模放大倍数： AC = 0 当温度变化时： uC1 = uC2
O 当 ui = 0 时
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t
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NOTE: 1. 抑制零漂要着重于第1级；
2. 温度漂移是放大电路中的主要漂移成分。
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第4章 差动放大电路及运算放大器
4.2 差动放大电路
在直接耦合放大电路中抑制零点漂移最有 效的电路是差动放大电路。
＋UCC RC T1 RC T2 ＋ ui2 －
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RC
–
–
+
uo uo1 uo2
+
+ –
RC
RB
RB
T1
Rp R
+
T2
RE
当两管集电极之间接入 负载电阻RL 时，差模电 压放大倍数： R L Ad R B rbe 其中
1 R R C // R L L 2
EE R
– +
+
ui1
ui
ui2
–
–
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在一般情况下，电路不可能绝对对称，Ac≠0。为了全面 衡量差动放大电路放大差模信号和抑制共模信号的能力， 引入共模抑制比，以KCMRR表示。 共模抑制比定义为Ad与Ac之比的绝对值，即：
KCMRR =
或用对数形式表示：
Ad Ac
Ad Ac (dB)
KCMRR = 20 log
4.1 直耦放大电路的特殊问题
4.1 直耦放大电路的特殊问题
一、直接耦合
放大缓慢变化的信号、直流变化的信号； 把前级输出直接接到后级输入。
RB1
RC ＋UCC ＋ ＋ ui1 － RB2 RE ＋ uo1 － ui2 － ＋ uo2 － RB ＋UCC
RE
RL
特点：不仅能传送交流信号、而且还能传送直流变 化的信号。
一、电路结构
1. 组成: 左右两个结构、参 数完全相同的单管共射 放大电路组成； 2. 两个输入端、两个输出 端， uo = uo1－uo2 ； 3. 两个直流电源UCC和 - UEE 。
＋ ui1 －
＋ uo － ＋ ＋ uo1 uo2 － － RE
－UEE
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二、静态分析
ui2
–
双端输出电压为
uo 2 RC Ad1 d2 ui 2 R B rbe
uo Ad (ui 1 ui 2 ) Ad ui
双入– 双出差放的电压放大倍数：
uo uo1 uo 2 2uo1 RC Ad Ad 1 ui ui 1 ui 2 2ui 1 RB rbe
(2) 动态分析
RC
–
–
+
uo uo1 uo2
+
+ –
RC
RB
RB
T1
Rp R
+
T2
RE
RE 对差模信号不起作用， 因而单管差模电压放大 倍数：
u ib RC RC Ad1 o1 u i1 i b (R B rbe ) R B rbe
EE R
– +
同理 A
–
+
ui1
ui
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KCMRR 愈大，抑制零点漂移的能力愈强。 理想情况： Ac = 0 KCMRR→∞
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4.2 差动放大电路
四、输入和输出方式
输入方式： 双端输入、 单端输入。 输出方式： 双端输出、 单端输出。 1 ui1=－ui2 = ui 2
RC
ui ＋ ui1 －
＋UCC
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＋UCC RC T1 ＋ ui1 － RC T2 ＋ ui2 －
＋ uo －
RE
－UEE
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(3) 比较输入信号
比较输入：两个输入信号电压的大小和相对极性是任意的， 既非共模，又非差模。 比较输入可以分解为一对共模信号和一对差模信号的组合， 即：
ui1 uic uid ui 2 uic uid
1 VT
1
3
＋ uo － uo
RC
VT2 2 ＋ ui2 ＋ ui2 －
4
＋ ui1 － R E －UEE 反相输入
－
ui＞0 →ui1 = ube1＞0 →ic1＞0 →uo＜0
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1. 双端输入—双端输出
RC
– –
uo
+Ucc
+ + –
RC
RB
由R的分压，各晶体管 的差模输入为总信号ui 的一半，但极性相反。 (1) 静态分析
T1
Rp T2
– +
ui1 ui
–
ui2
RE
因为T1集电极电流IC1增大， 其IE1也要增大。在RE中
VE (I E1 I E2 )RE
EE
若RE足够大，(ΔIE1 + ΔIE2 )0，则RE是开路的， 这样每只晶体管各得到一半输入信号。
单端输出是的电压放大倍数(若同相输出则取+号) 1 RC
4.3 集成运算放大器
4.电压传输特性 线性区 当－ ≤ud≤＋
uo +UOM －ε O
正饱和区
uo = Ao ud = Ao ( u＋－u－)
饱和区 当 ud＞＋ 时 当 ud＜－ 时
线性区
+ε
ud
－UOM 负饱和区
正饱和电压：uo =＋UOM =＋UCC 负饱和电压：uo =－UOM =－UEE
同向漂移
RC T1
＋UCC RC T2 ＋ ui2 －
＋ uo －
＋ ui1 －
RE
－UEE
uo = (uC1＋uC1)－(uC2＋uC2) = 0
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RE 对单管零点漂移的抑制过程
结论 (1) RE 越大抑制零漂 的效果越好。 (2) RE → UEE 为此，用恒流源 代替 RE 。
式中uic为共模信号，uid为差模信号。由以上两式可解得：
uic uid
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1 (ui1 ui 2 ) 2 1 (ui1 ui 2 ) 2
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对于线性差动放大电路，可用叠加定理求得输出电压：
uo1 Ac uic Ad uid uo2 Ac uic Ad uid
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4.3 集成运算放大器
2.主要参数 (1) 开环电压放大倍数 Ao uo Ao = u i (2) 输入失调电压和输入失调电流 (3) 共模抑制比 KCMRR
Ad KCMRR = A c (4) 最大输出电压 Up-p
(5) 差模输入电阻 rid
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(6) 最大差模输入电压 UidM
两输入端之间的差模输 入电阻： ri 2(R B rbe )
ro 2RC
两集电极之间的差模输出电阻：
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2. 单端输入—单端输出
RC
–
– +
uo
uo1 uo2
+
RC
+
–
+Ucc
RB
RB
–
尽管信号由单端输入， 而由于RE的耦合作用使 两管同时取得信号。
++
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＋ uo －
＋ ui1 －
RE
－UEE
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温度变化时，两管的集电极电流都会增大，集电极电位都会 下降。由于电路是对称的，所以两管的变化量相等。即： ΔIC1=Δ IC2 ΔUC1= ΔUC2 输出电压： uo＝ (UC1 + ΔUC1)－( UC2 +ΔUC2 )=0 即消除了零点漂移。
ui1 = ui2 = 0 uo1 = uo2， uo= 0
RC T1
＋UCC RC T2 ＋ ui2 －
UBE＋2IERE = UEE
UEE－UBE IE = 2RE IE →IB 和 IC →UCE Uo = UCE1－UCE2 =０
IC1= IC2,, UC1= UC2 输出电压： uo＝ UC1 － UC2=0
考虑对称性
I BRB UBE 2IERE EE
EE IC I E 2R E IC EE IB 2 R E
EE R C U CE U CC 2R E
uo1
RB
+
uo2
T1 Rp R
+
T2 RE
EE R
– +
+
ui1
ui
ui2
–
–
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Ad 2 RB rbe
(为双端输出时的一半)
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第4章 差动放大电路及运算放大器
4.3 集成运算放大器
一、 集成运算放大器的概述
1.集成运算放大器的组成
输入端 输入级 中间级 输出级 输出端
特点 ①输入级采用差动放大电路，KCMRR 和 ri 很高。 ②中间级采用多级共射电路，起电压放大作用。 ③输出级采用功率放大电路，ro 很小，带负载能 力很强。
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5. 理想运算放大器 (1) 理想运放的主要条件 开环电压放大倍数：Ao→∞ 开环输入电阻：ri→∞ 开环输出电阻：ro→0 共模抑制比：KCMRR →∞ (2) 理想运放的符号
u－ u＋ － － ud ＋ ＋ ∞ uo
＋
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IC1 IC1 IC2 IC2
RC
VT1 ＋ ui1 － 抑制温漂
＋UCC
＋ uo －
RC
VT2 ＋ ui2 －
R
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4.2 差动放大电路
(2) 差模输入信号 ui1 =－ui2 = 1/2 uid uC1 =－uC2 uC1 =Ad1ui1 uC2 =Ad2ui2 单管电压放大倍数 Ad1= Ad2 uo = uC1－uC2 = 2 uC1 差模放大倍数： Ad=Ad1=Ad2≠ 0
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4.1 直耦放大电路的特殊问题
RB1
RC
＋UCC
RB
＋UCC
＋
＋ ui1 － RB2 RE
＋
uo1 ui2 － RE ＋ uo2 － RL
－
缺点： 1 前后级静态工作点相互影响； 2 提高后级T2的发射极电位，是兼顾前、后级 和放大倍数的重要措施。 3 要产生零点漂移现象。
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虚短路 虚断路
反馈电路 －
uo uo1 uo2 2 Ad uid Ad (ui1 ui 2 )
上式表明，输出电压的大小仅与输入电压的差值有关， 而与信号本身的大小无关，这就是差动放大电路的差值 特性。 对于差动放大电路来说，差模信号是有用信号，要求对 差模信号有较大的放大倍数；而共模信号是干扰信号， 因此对共模信号的放大倍数越小越好。对共模信号的放 大倍数越小，就意味着零点漂移越小，抗共模干扰的能 力越强，当用作差动放大时，就越能准确、灵敏地反映 出信号的偏差值。
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3. 集成运放的符号
u－ － － ud u＋ ＋ ＋ Ao ＋ uo
反相输入端 同相输入端
输出端
净输入：ud = u＋－ u－ +UCC
u－ u+ 8 7 100 dB 2 6 3 1 5 4
－UEE
集成运算放大器的管脚和外部接线图
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4.1 直耦放大电路的特殊问题
二、 零点漂移
直接耦合电路
ui = 0
有时会将信号淹没 uo
uo
1. 产生零漂的主要原因 ① 温度的变化对半导体管 子的影响。 ② 直流电源的电压不稳定。 2. 零漂与耦合方式的关系 ① 在阻容耦合电路中， 各级的零漂不会传送 到下一级。 ② 在直接耦合电路中， 每一级的零漂被逐级传 送、逐级放大。
4.3 集成运算放大器
(3) 理想运放的电压传输特性
当 u＋ ＞u－时：ud > 0 uo = ＋UOM = ＋UCC
uo +UOM
当 u＋＜u－时：ud < 0
uo =－UOM = －UEE
O
ud
－UOM
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4.3 集成运算放大器
(4) 引入深度负反馈时，理想运放具有的特性 (1) ∵ Ao→∞ uo ∴ ud = A = 0 o ∴ u＋ = u－ (2) ∵ ri→∞
第4章 差动放大电 路及集成运算放大器
if i1 ＋ uC－ ui C R2 u－ － u＋ ＋ Rf ∞ ＋ uo uo
ui +Ui O
O
t 电子技术 t
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4.1 直耦放大电路的特殊问题
4.2 差动式放大电路
4.3 集成运算放大器
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RE 对单管零点漂移的抑制过程
温度
IC1 IC1 IC2 IC2
2IE →URE
UBE1 → IB1 UBE2 → IB2
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4.2 差动放大电路
三、动态分析
(1) 共模输入信号 ui1 = ui2 = uic uC1 = uC2 =AC uic uo = uC1－uC2 = 0 共模放大倍数： AC = 0 当温度变化时： uC1 = uC2
O 当 ui = 0 时
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大连交通大学电信学院
NOTE: 1. 抑制零漂要着重于第1级；
2. 温度漂移是放大电路中的主要漂移成分。
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第4章 差动放大电路及运算放大器
4.2 差动放大电路
在直接耦合放大电路中抑制零点漂移最有 效的电路是差动放大电路。
＋UCC RC T1 RC T2 ＋ ui2 －