第四章差动放大器与集成运算放大器

设uC1 =UC1 +∆uC1 ， uC2 =UC2 +∆uC2 。
因ui1 = -ui2，→ ∆uC1 =-∆uC2
→ uo= uC1 - uC2= ∆uC1- ∆uC2 = 2∆uC1
差模电压放大倍数：
AC
=
uo ui1 − ui2
=
uo 2ui1
(很大，>1)
(4-9)
五、共模抑制比(CMRR)的定义
……
(4-33)
集成电路内部结构的特点：
1. 电路元件制作在一个芯片上，元件参数偏差方 向一致，温度均一性好。
2. 电阻元件由硅半导体构成，范围在几十到20千 欧，精度低。高阻值电阻用三极管有源元件代 替或外接。
3. 几十 pF 以下的小电容用PN结的结电容构成、 大电容要外接。
4. 二极管一般用三极管的发射结构成。
三、 动态分析
1. 输入信号分类
(1)差模(differential mode)输入
ui1 = -ui2= ud
差模电压 放大倍数:
Ad
=
U&od U& d
(2)共模( common mode) 输入
ui1 = ui2 = uC
共模电压 放大倍数:
Ac
=
U&oc U&c
(4-15)
结论：任意输入的信号: ui1 , ui2 ，都可分解成 差模分量和共模分量。
ui2
当 ui1 = ui2 =0 时： uo= UC1 - UC2 = 0 当温度变化时：
uo= (UC1 + ∆uC1 ) - (UC2 + ∆uC2 ) = 0
(4-7)
三、 共模电压放大倍数AC
R1 RB
RC T1
uo
RC
T2
ui1
+UCC
R1 RB
ui2
共模输入信号： ui1 = ui2 = uC （大小相等，极性相同）
CMRR — Common Mode Rejection Ratio
K=
CMRR
Ad Ac
K (dB) = 20 log Ad (分贝)
CMRR
Ac
例: Ad=-200 Ac=0.1 KCMRR=20 lg | (-200)/0.1| =66 dB
(4-10)
4.1.3 双电源长尾式差放
一、结构
+UCC
(4-23)
共模信号通路:
RC ic2uoc ic1 RC
RB
uoc1 uoc2
RB
T1
T2
uc1
2RE
2RE
uc2
(4-24)
T1单边微变等效电路
RB
ic1
ib1
rbe1
βib1
uc1
RC
uc2
2RE ie1
Ac1
=
uoc1 uc1
=
−
RB
βRc + rb1 + 2(1 + β
)RE
=
Ac 2
思考题：电路去掉RB能正常工作吗？ RB的 作用是什么？
(4-22)
(二) 共模输入
RC ic2uocic1 RC
+UCC
RB
uoc1 uoc2 RB
T1
T2
uC
uRE
iRE
RE –UEE
uC ↑
ic1 、 ic2 ↑
iRE 、 uRE ↑
RE对共模信号有抑制作用（原理静态分析，即由于
RE的负反馈作用，使IE基本不变） 。
集成运放内部结构（举例）
极
性
判 断
RC
–
RC T1 T2
第2级
RC3
T5 T6
+
E
RE2
+UCC
RE3
T7
T10
RE4 T8
RL
RE5
T9 T11
RC4
第1级：差动放大器 第3级：单管放大器
差动放大器
-UEE
第4级：互补对称射极跟随器 (4-38)
运放的特点：
ri 大: 几十kΩ ∼ 几百 kΩ KCMRR 很大 ro 小：几十 ∼ 几百Ω A o 很大: 104 ∼ 107
T2
ui1 R ib1
E
+UCC RB ib2 R ui2
IC3
R1
T3
R3
R2
-UEE
(4-27)
RC
ic1 ic2 uo
RC
+UCC
T3 :放大区
RB
RB
T1
T2
ui1 R ib1
E
ib2 R ui2
iC
IC3
恒流源
Q
IC3
R1
T3
UCE3 ∆UCE3
R3
R2
-UEE
静态分析：主要分析T3管。 VB3→VE3 →IE3 →IC3
IC1uIoC2 RC
RB
T1
T2
IB
IE
RE
+UCC
RB
IB
ui2
IB
=
U EE − U BE
R B + 2 (1 + β ) R E
–UEE
IC1= IC2= IC= βIB
UE1= UE2 =－IB×RB－UBE
UC1= UC2= UCC－IC×RC
UCE1= UCE2 = UC1－UE1
(4-14)
集成运放的结构
（1）采用四级以上的多级放大器，输入级和第二 级一般采用差动放大器。
（2）输入级常采用复合三极管或场效应管，以减 小输入电流，增加输入电阻。
（3）输出级采用互补对称式射极跟随器，以进行 功率放大，提高带负载的能力。
(4-36)
为减小IB， 提高输入电阻，T1、T2采用复合三极管
RC
uo
(4-3)
§4.1 差动放大电路
4.1.1 直接耦合电路的特殊问题
R1 RC1
R2 T1
ui
+UCC RC2
T2 uo RE2
问题 1 :前后级Q点相互影响。
增加R2 、RE2 : 用于设置合适的Q点。
(4-4)
R1 RC1
R2 T1
ui
RC2
+UCC
T2 uo RE2
有时会将 信号淹没
uo
t 0
差模分量: 共模分量:
ud
=
ui1 − ui2 2
uc
=
u i1
+ ui2 2
注意：ui1 = uC + ud ；ui2 = uC - ud
例: ui1 = 20 mV , ui2 = 10 mV 则：ud = 5mV , uc = 15mV
(4-16)
(一) 差模输入
均压器 ui
RC RB
T1 R
(4-30)
4.1.5 差放电路的几种接法
RC
uo
RC +UCC
RB C1
C2
R
B
ui1 B1
T1
T2
E
B2 ui2
IC3
输入端 双端 接法 单端
输出端 双端 接法 单端
-UEE
双端输入双端输出：Ad = Ad1
双端输入单端输出：Ad
=
1 2
Ad1
(4-31)
对Ad而言，双端
RC
ib1 RB C1
RB R ib1
T1
uod1 uod2
T2
E
RB ib2 R ui2
压放大倍数为：
Ad
=
uod1 − uod 2 ui
=
Ad1ui1 − Ad 2ui2 ui
=
Ad1
=
Ad 2
若差动电路带负载RL (接在 C1 与 C2 之间), 对于差
动信号而言，RL中点电位为 0, 所以放大倍数：
Ad
=
Ad1
=
单边差模放大倍数:
Ad1
=
uod1 ui1
Ad1
=
−
ib1
βib1RC
× (RB + rbe1)
=
−
βRC
RB + rbe1
Ad1 = Ad 2
RB
B1 C1
ib1
ui1
rbe1
βib1RC
uod1
E
(4-20)
差模电压放大倍数:
RC icu1 odic2 RC
Ad
=
uod ui
即：总的差动电 ui1
理想情况：ui1 = ui2 → uC1 = uC2 → uo= 0
但因两侧不完全对称， uo≠ 0
共模电压放大倍数： AC = uo uC （很小，<1)
(4-8)
四、差模电压放 大倍数Ad
ui1
R1 RB
RC T1
uo
RC
T2
R1 +UCC
RB
ui2
差模输入信号： ui1 =- ui2 =ud （大小相等，极性相反）
RC RB
uo
RC
RB
T1
T2
ui1
ui2
RE
–UEE
特点：加入射极电阻RE ；加入负电源 -UEE ， 采用正负双电源供电。
为了使左右平衡，可 设置调零电位器:
(4-11)
+UCC
RC RB
uo
RC
RB
T1
T2
ui1
ui2
RE
–UEE
双电源的作用： （1）使信号变化幅度加大。 （2）IB1、IB2由负电源-UEE提供。
(4-25)Байду номын сангаас
U& oc1 = Ac1 ×U& c1 U& oc2 = Ac2 ×U& c2
U& oc = U& oc1 − U& oc2 ≈ 0
AC ≈ 0
KCMRR
∞
问题：负载影响共模放大倍数吗？
不影响！
(4-26)
4.1.4 恒流源式差放电路
电路结构:
RC ic1 uoic2 RC
RB T1
IE4
≈
U EE − U BE 4 R1 + R2
温度↑
IE3 ↑ UBE4 ↓
UBE4 ↓
UB3 ↓
IE3 ↓
结论：T4稳定IE3 。
(4-29)
恒流源的作用
1. 恒流源相当于阻值很大的电阻。 2. 恒流源不影响差模放大倍数。 3. 恒流源影响共模放大倍数，使共模
放大倍数减小，从而增加共模抑制 比，理想的恒流源相当于阻值为无 穷的电阻，所以共模抑制比是无穷。
Ad 2
=−
β (RC
//
RL
×
1) 2
RB + rbe1
(4-21)
2. 输入输出电阻
ro
+UCC
ui1
RC ic1 uoic2 RC
RB R ib1
T1
uod1 uod2
T2
RB ib2 R
ri
E
ui2
ri
输入电阻：ri = 2[ R //( rbe1 + R B )]
输出电阻：ro = 2RC
rce3
=
∆U ce3 ∆I c 3
rce3 ≥ 1MΩ
IB3 uCE
(4-28)
RC
RB T1
ui1 R ib1
ic1 ic2 uo
RC
T2
E
+UCC RB
ib2 R ui2
IC3 T3
R3 -UEE
R1
T4
R2
IE4
温度 ↑
IE3 ↑
Q变化
电路改进：加入温度
补偿三极管T4（BC短 接，相当于二极管）
ud = 0.5ui , uc = 0.5ui
双端输出：Ad = Ad1
单端输出：Ad
=
1 2
Ad1
(4-32)
§4.2 集成运放的内部结构及特点
集成电路: 将整个电路的各个元件做在同一个半导
体基片上。
集成电路的优点：
工作稳定、使用方便、体积小、重量轻、 功耗小。
集成电路的分类：
模拟集成电路、数字集成电路； 小、中、大、超大规模集成电路；
运放符号：
理想运放：
ri → ∞ KCMMRR → ∞ ro → 0 Ao → ∞
R
+UCC
uo
RC RB
T2
RE –UEE
ui1
=
1 2
ui
=
ud
ui2
=
−
1 2
ui
=
−ud
(4-17)
RE 对差模信号作用
ui1
ib1 , ic1
ui2
ib2 , ic2
ic1 = - ic2 iRE = ie1+ ie2 = 0 uRE = 0 RE对差模信号不起作用
+UCC
RC RB
ic1 uoic2
T1 T2
ui1
E
T3 R3 -UEE
+UCC
IC1 IC
RC ui2
IB β1
R1
IB2
IC =IC1+ IC2
IC2 β β2
IE
= β1 IB + β2(1+ β1 ) IB
T4 = [β1 + β2(1+ β1 ) ]IB R2 β = IC / IB
= β1 + β2(1+ β1 )
≈ β1 β2 (4-37)
(4-34)
原理框图：
与uo反相
反相 输入端
u–
同u相+
输入端
与uo同相
T1 T2
输
IS
入
级
+UCC
T4
T3
T5
uo
中
输
间
出
级
级 UEE
(4-35)
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 够的输出电流io 。即输出阻抗 ro小。
电子技术 模拟电路部分
第四章
差动放大器与 集成运算放大器
(4-1)
第四章 差动放大器与集成运算放 大器
本章要求： 1. 了解差动放大电路的工作原理和性能特点。 2. 了解集成运放的内部结构及特点 3. 了解集成运放的主要性能指标
(4-2)
第四章 差动放大器与 集成运算放大器
§4.1 差动放大电路 §4.2 集成运放的内部结构及特点 §4.3 集成运放的主要性能指标
(4-12)
二、 静态分析
1. RE的作用
RB
—— 抑制温度
漂移，稳定静 态工作点。
ui1
设ui1 = ui2 = 0
RC T1
uo
RC
T2
RE –UEE
+UCC RB
ui2
温度T
IC
IE = 2IC
UE
自动稳定
IC
IB
UBE
RE 具有强负反馈作用
(4-13)
2. Q点的计算 直流通路
ui1
RC
问题 2 :零点漂移。
前一级的温漂将作为后一级的输入信号，使得 当 ui 等于零时， uo不等于零。
(4-5)
4.1.2 基本型差动放大器
一、结构
R1 RC RB
T1
ui1
uo
RC
T2
R1 RB
ui2
特点：结构对称。
(4-6)
二、 抑制零漂的原理
R1 RB
RC T1
ui1
uo
RC
T2
+UCC
R1 RB
RC RB
R ib1 T1
T2
ib2
ui R
iRE
RE –UEE
(4-18)
差模信号通路
ui1
RC ic1 uoic2 RC
RB R ib1
T1
uod1 uod2
T2
RB ib2 R
ui2
E
T1单边微变 等效电路
ui1
RB
B1 C1
ib1 rbe1
βib1RC
E
uod1
(4-19)
1. 放大倍数
ui1 B1
T1
uo
T2 E
RC +UCC C2 RB ib2
B2 ui2
输入与单端输入
效果是一样的。
ud
=
ui1 − ui2 2
uc
=
u i1
+ ui2 2
IC3
双端输入： ui1 = -ui2 =0.5ui
-UEE
ud = 0.5ui , uc = 0 单端输入：ui1 =-ui ，ui2 = 0