基本运算放大电路
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数字电子技术
8.1差动式放大电路 8.2集成运算放大器
数字电子技术
8.1
前面提到了在多级放大电路中采用直接耦合存在 着两个特殊问题，一是静态工作点的相互影响，二是 零点漂移。为了解决这两个问题，可采用差动式放大 电路。
数字电子技术 一、
图8.1所示为基本差动式放大电路，它由两个完全 相同的单管共射极电路组成。差动式放大电路有两个 输入端，两个输出端，要求电路对称，即V1、V2的特 性相同，外接电阻对称相等，各元件的温度特性相同， 即Rb1=Rb2，Rc1=Rc2，RS1=RS2。
IEQ (1 )IBQ
I BQ
UEE UBEQ
RS 2(1 )Re
ICQ IBQ
UCEQ UCC UEE ICQ Rc 2I EQ Re
数字电子技术
＋UCC
Rc1
Rc2
RS1 V1
RS2 V2
Re －UEE
(a)
＋UCC
Rc1
Rc2
RS1 V1
RS2 V2
2Re
2Re
－UEE
数字电子技术
二、 带Re 上面介绍的基本差动式放大电路对共模信号的抑制是
靠电路两侧的对称性来实现的。但对于各管自身的工作点 漂移没有抑制作用，若采用单端输出，则差模和共模放大 倍数相等，这时KCMRR＝1，失去了差动式放大电路的作用。 即使是双端输出，由于实际电路的不完全对称性，仍然有 共模电压输出。改进方法是在不降低Aud的情况下，降低Ac 从而提高共模抑制比。带公共Re的差动式放大电路如图6.2 所示，这种电路也称为长尾式差动放大电路。由于KCMRR是 由差模电压放大倍数和共模电压放大倍数共同决定的，下 面分别分析Re对共模电压放大倍数和差模电压放大倍数的 影响。
数字电子技术
＋UCC
Rb1 RS1
＋
Ui1 －
Rc1
Rc2
Uo
V1
V2
Rb2
RS2 ＋ Ui2 －
图8.1 基本差动式放大电路
数字电子技术
1.工作原理
1) 静态时Ui1=Ui2=0。由于电路左右对称，输入信号 为零时，IC1=IC2，UC1=UC2 ， Uo=ΔUC1-ΔUC2=0 当电源电压波动或温度变化时，两管集电极电流 和集电极电位同时发生变化。输出电压仍然为零。可 见，尽管各管的零漂存在，但输出电压为零，从而使 得零漂得到抑制。
数字电子技术 2)
（1）差模输入。放大器的两个输入端分别输入大 小相等极性相反的信号(即Ui1=-Ui2)，这种输入方式称 为差模输入。
Uid Ui1 Ui2 2Ui1 2Ui2
Ui1
差模输出电压
1 2
Uid
,Ui
2
1 2
Uid
Uod Uc1 Uc2 2Uc1 2Uc2
数字电子技术
KCMRR
Ad Ac
数字电子技术
共模抑制比的大小反映了差动式放大电路差模电
压放大倍数是共模电压放大倍数的KCMRR倍，
KCMRR
20lg
Ad Ac
数字电子技术
由上式可以看出，KCMRR越大，差动式放大电路 放大差模信号（有用信号）的能力越强，抑制共模信 号（无用信号）的能力越强，即KCMRR越大越好。理想 差动式电路的共模抑制比KCMRR→∞。后面我们将讨论 如何提高共模抑制比。由于KCMRR＝|Ad/Ac|,即在保证 Aud不变的情况下，如何降低Ac，从而提高KCMRR。
数字电子技术
＋UCC
RS1
＋
Ui1 －
Rc1 Uo
Rc2 RS2 ＋
Ui2
Re
－
－UEE
图8.2 带Re的差动式放大电路
数字电子技术 1. 静态分析
如图8.2所示，由于流过Re的电流为IE1和IE2之和， 又由于电路的对称性，则IE1=IE2，流过Re的电流为2IE1。
IBQ RS UBEQ 2IEQ Re UEE
3. 在理想状态下，即电路完全对称时，差动式放大电 路对共模信号有完全的抑制作用。实际电路中，差动 式放大电路不可能做到绝对对称，这时Uo≠0，Ac≠0， 即共模输出电压不等于零。共模电压放大倍数不等于 零，Ac=Uo/ΔUi。为了衡量差动式电路对共模信号的抑 制能力,引入共模抑制比，用KCMRR表示。
数字电子技术
Re越大工作点越稳定，但Re过大会导致过UE高使 静态电流减小，加入负电源-UEE可补偿Re上的压降。
3.
（1）Re对差模信号的影响。如图8.3所示，加入差 模信号时由于Ui1=-Ui2，则ΔIE1=-ΔIE2，流过Re的电流 ΔIE=ΔIE1+ΔIE2=0。对差模信号来讲，Re上没有信号压 降，即Re对差模电压放大倍数没有影响。
(b)
图8.3 （a） 直流偏置电路；（b） 直流等效电路
数字电子技术
2. 加Re后，当温度上升时，由于IC1和IC2同时增大， 稳定过程实质上是一个负反馈过程，关于负反馈在第 四节讲解。
T(°C)↑→
IC1↓ IC1↑ →IE↑→URe↑→UE↑→ IC2↑ IC2↓
UBE1↓→IB1↓ UBE2↓→IB2↓
差模电压放大倍数
Aud
Uod U id
2UC1 2Ui1
wenku.baidu.com
Au1
Au 2
即差动式放大电路的差模电压放大倍数等于单管
共射极电路的电压放大倍数。
由于Rb 式中
Aud
Au1
Rc rbe RS
rbe，如果接上RL，则
Aud RL
rbe RS
RL
Rc
//(1 2
RL )
数字电子技术
由于两管对称，RL的中点电位不变相当 于交流的地电位，对于单管来讲负载是RL的一 半，即 RL。输入电阻
ri=2(RS+rbe) 因此输入回路经两个管的发射极和两个RS，则
输出电阻 ro=2Rc
因此输出端经过两个Rc 。
数字电子技术
(2)共模输入。在差动式放大电路的两个输入端， 分别加入大小相等极性相同的信号(即Ui1=Ui2)，这种输 入方式称为共模输入。共模输入信号用Uic表示。共模 输入时(Uic=Ui1=Ui2)的输出电压与输入电压之比称为共 模电压放大倍数，用Ac表示。在电路完全对称的情况 下 ， 输 入 信 号 相 同 ， 输 出 端 电 压 Uo=Uo1-Uo2=0, 故 Ac=Uo/Ui=0,即输出电压为零，共模电压放大倍数为零。 这种情况称为理想电路。
数字电子技术
(3)抑制零点漂移的原理。在差动式放大电路中， 无论是电源电压波动或温度变化都会使两管的集电极 电流和集电极电位发生相同的变化,相当于在两输入端 加入共模信号。由于电路的完全对称性,使得共模输出 电压为零，共模电压放大倍数Ac=0，从而抑制了零点 漂移。这时电路只放大差模信号。
数字电子技术
8.1差动式放大电路 8.2集成运算放大器
数字电子技术
8.1
前面提到了在多级放大电路中采用直接耦合存在 着两个特殊问题，一是静态工作点的相互影响，二是 零点漂移。为了解决这两个问题，可采用差动式放大 电路。
数字电子技术 一、
图8.1所示为基本差动式放大电路，它由两个完全 相同的单管共射极电路组成。差动式放大电路有两个 输入端，两个输出端，要求电路对称，即V1、V2的特 性相同，外接电阻对称相等，各元件的温度特性相同， 即Rb1=Rb2，Rc1=Rc2，RS1=RS2。
IEQ (1 )IBQ
I BQ
UEE UBEQ
RS 2(1 )Re
ICQ IBQ
UCEQ UCC UEE ICQ Rc 2I EQ Re
数字电子技术
＋UCC
Rc1
Rc2
RS1 V1
RS2 V2
Re －UEE
(a)
＋UCC
Rc1
Rc2
RS1 V1
RS2 V2
2Re
2Re
－UEE
数字电子技术
二、 带Re 上面介绍的基本差动式放大电路对共模信号的抑制是
靠电路两侧的对称性来实现的。但对于各管自身的工作点 漂移没有抑制作用，若采用单端输出，则差模和共模放大 倍数相等，这时KCMRR＝1，失去了差动式放大电路的作用。 即使是双端输出，由于实际电路的不完全对称性，仍然有 共模电压输出。改进方法是在不降低Aud的情况下，降低Ac 从而提高共模抑制比。带公共Re的差动式放大电路如图6.2 所示，这种电路也称为长尾式差动放大电路。由于KCMRR是 由差模电压放大倍数和共模电压放大倍数共同决定的，下 面分别分析Re对共模电压放大倍数和差模电压放大倍数的 影响。
数字电子技术
＋UCC
Rb1 RS1
＋
Ui1 －
Rc1
Rc2
Uo
V1
V2
Rb2
RS2 ＋ Ui2 －
图8.1 基本差动式放大电路
数字电子技术
1.工作原理
1) 静态时Ui1=Ui2=0。由于电路左右对称，输入信号 为零时，IC1=IC2，UC1=UC2 ， Uo=ΔUC1-ΔUC2=0 当电源电压波动或温度变化时，两管集电极电流 和集电极电位同时发生变化。输出电压仍然为零。可 见，尽管各管的零漂存在，但输出电压为零，从而使 得零漂得到抑制。
数字电子技术 2)
（1）差模输入。放大器的两个输入端分别输入大 小相等极性相反的信号(即Ui1=-Ui2)，这种输入方式称 为差模输入。
Uid Ui1 Ui2 2Ui1 2Ui2
Ui1
差模输出电压
1 2
Uid
,Ui
2
1 2
Uid
Uod Uc1 Uc2 2Uc1 2Uc2
数字电子技术
KCMRR
Ad Ac
数字电子技术
共模抑制比的大小反映了差动式放大电路差模电
压放大倍数是共模电压放大倍数的KCMRR倍，
KCMRR
20lg
Ad Ac
数字电子技术
由上式可以看出，KCMRR越大，差动式放大电路 放大差模信号（有用信号）的能力越强，抑制共模信 号（无用信号）的能力越强，即KCMRR越大越好。理想 差动式电路的共模抑制比KCMRR→∞。后面我们将讨论 如何提高共模抑制比。由于KCMRR＝|Ad/Ac|,即在保证 Aud不变的情况下，如何降低Ac，从而提高KCMRR。
数字电子技术
＋UCC
RS1
＋
Ui1 －
Rc1 Uo
Rc2 RS2 ＋
Ui2
Re
－
－UEE
图8.2 带Re的差动式放大电路
数字电子技术 1. 静态分析
如图8.2所示，由于流过Re的电流为IE1和IE2之和， 又由于电路的对称性，则IE1=IE2，流过Re的电流为2IE1。
IBQ RS UBEQ 2IEQ Re UEE
3. 在理想状态下，即电路完全对称时，差动式放大电 路对共模信号有完全的抑制作用。实际电路中，差动 式放大电路不可能做到绝对对称，这时Uo≠0，Ac≠0， 即共模输出电压不等于零。共模电压放大倍数不等于 零，Ac=Uo/ΔUi。为了衡量差动式电路对共模信号的抑 制能力,引入共模抑制比，用KCMRR表示。
数字电子技术
Re越大工作点越稳定，但Re过大会导致过UE高使 静态电流减小，加入负电源-UEE可补偿Re上的压降。
3.
（1）Re对差模信号的影响。如图8.3所示，加入差 模信号时由于Ui1=-Ui2，则ΔIE1=-ΔIE2，流过Re的电流 ΔIE=ΔIE1+ΔIE2=0。对差模信号来讲，Re上没有信号压 降，即Re对差模电压放大倍数没有影响。
(b)
图8.3 （a） 直流偏置电路；（b） 直流等效电路
数字电子技术
2. 加Re后，当温度上升时，由于IC1和IC2同时增大， 稳定过程实质上是一个负反馈过程，关于负反馈在第 四节讲解。
T(°C)↑→
IC1↓ IC1↑ →IE↑→URe↑→UE↑→ IC2↑ IC2↓
UBE1↓→IB1↓ UBE2↓→IB2↓
差模电压放大倍数
Aud
Uod U id
2UC1 2Ui1
wenku.baidu.com
Au1
Au 2
即差动式放大电路的差模电压放大倍数等于单管
共射极电路的电压放大倍数。
由于Rb 式中
Aud
Au1
Rc rbe RS
rbe，如果接上RL，则
Aud RL
rbe RS
RL
Rc
//(1 2
RL )
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由于两管对称，RL的中点电位不变相当 于交流的地电位，对于单管来讲负载是RL的一 半，即 RL。输入电阻
ri=2(RS+rbe) 因此输入回路经两个管的发射极和两个RS，则
输出电阻 ro=2Rc
因此输出端经过两个Rc 。
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(2)共模输入。在差动式放大电路的两个输入端， 分别加入大小相等极性相同的信号(即Ui1=Ui2)，这种输 入方式称为共模输入。共模输入信号用Uic表示。共模 输入时(Uic=Ui1=Ui2)的输出电压与输入电压之比称为共 模电压放大倍数，用Ac表示。在电路完全对称的情况 下 ， 输 入 信 号 相 同 ， 输 出 端 电 压 Uo=Uo1-Uo2=0, 故 Ac=Uo/Ui=0,即输出电压为零，共模电压放大倍数为零。 这种情况称为理想电路。
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(3)抑制零点漂移的原理。在差动式放大电路中， 无论是电源电压波动或温度变化都会使两管的集电极 电流和集电极电位发生相同的变化,相当于在两输入端 加入共模信号。由于电路的完全对称性,使得共模输出 电压为零，共模电压放大倍数Ac=0，从而抑制了零点 漂移。这时电路只放大差模信号。
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