第六章康光华模电第五版

放大管
6.2 差分式放大电路
6.2.0 概述 6.2.1 差分式放大电路的一般结构 6.2.2 射极耦合差分式放大电路 6.2.3 源极耦合差分式放大电路
6.2.0 概述
1. 直接耦合放大电路
# 为什么一般的集成运 算放大器都要采用直接 耦合方式？
可以放大直流信号
2.直接耦合放大电路 电源电压波动 的零点漂移 也是原因之一
可见，差分放大电路对差模输入信号有一定的要求。
6.4 集成电路运算放大器
6.4.1 CMOS MC14573集成电路运算放大器
6.4.2 BJTLM741集成运算放大器
1、方框图
特点： 电压增益高 输入电阻大
输出电阻小
运算放大器是由直接耦合多级放大电路集成制造 的高增益放大器，它是模拟集成电路最重要的品种， 广泛应用于各种电子电路之中。
零漂： 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。 温漂指标： 温度每升高1℃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。
零点漂移是怎样形成的
运算放大器均是采用直接耦合方式，而直接耦 合方式放大电路的各级Q点是相互影响的，由于各级 的放大作用，第一级的微弱变化，会使输出级产生
1=2=
VBE1=VBE2= VBE rbe1= rbe2= rbe ICBO1=ICBO2= ICBO Rc1=Rc2= Rc
信号的输入方式：若信号同 时从两个输入端输入，称为 双端输入； 若信号仅从一个 输入端对地加入，称为单端 输入。 信号的输出方式：差分放大电路可以有两个输出端，一 个是集电极C1，另一个是集电极C2。从C1 和C2输出称 为双端输出，仅从集电极 C1或C2 对地输出称为单端输 出。
则vid=vi1 -vi2=100μV ，vic=1/2（vi1 +vi2）=0
如vi1=＋ 1050μV，vi2= ＋ 950μV， 则vid=vi1 -vi2=100μV ，vic=1000μV 两种情况下输出电压是不同的。（除非共模增益为零）
动画
6.2.1 差分式放大电路的一般结构
1. 用三端器件组成的差分式放大电路
差分式放大电路就其功能来说，是放大两个输入信号之差。
理想情况：vo= Avdvid=Avd（vi1-vi2）；Avd差模电压增益 放大电路两个输入端所共有的任何信号对输出电压无 影响。（如共有的干扰信号） 实际情况：vo=Avdvid+ Avcvic ；Avd差模电压增益，Avc共模电压 增益。 其中， 差模信号vid=vi1 -vi2 ，共模信号vic=1/2（vi1 +vi2）
I B1 I B2IC来自 βVo = 0动态 仅输入差模信号， v i1 和 v i2 大小相等，相位相反。 vc1 和 vc2 大小相等， 相位相反。 vo vc1 vc2 0 ，
信号被放大。 仅输入共模信号， vo
vc1 vc2 0
2. 抑制零点漂移原理 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
差模信号和共模信号 差模信号是指在两个输入端加上幅度相等，极性相反的信号； 共模信号是指在两个输入端加上幅度相等，极性相同的信号。
差分放大电路仅对差模信号具有放大能力，对共模信号不予放大。
温度对差分式放大电路输入端的影响相 当于加入了共模信号。差分式放大电路抑制 共模信号，放大差模信号，是模拟集成运算 放大电路输入级所采用的电路形式。
集成电路
集成电路：把整个电路中的元器件制作在一块硅基片上，
完成特定功能的电子电路。 按功能分为数字集成电路和模拟集成电路。 在模拟集成电路中集成运放是应用极为广泛的一种。
集成运放的基本单元电路：电流源和差分式放大电路。
6.1 模拟集成电路中的 直流偏置技术
6.1.1 BJT电流源电路
1. 镜像电流源 *3. 高输出阻抗电流源 *4. 组合电流源
•通用型 •高速型和宽带型 •高精度(低漂移型) •高输入阻抗型 •低功耗型
•功率型
4、运算放大器外形图
6.5 实际集成运算放大器的主要 参数和对应用电路的影响
6.5.1 实际集成运放的主要参数
6.5.2 集成运放应用中的实际问题
6.5.3 集成运放的电路模型 6.5.4 基本线性运算电路 6.5.5其他线性运算应用电路
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。
6.3 差分式放大电路的传输特性
传输特性——输出差模信号随输入差模信号变化的曲线 根据三极管vBE 与iE的基本关系 iE I ES evBE /VT 得：
vBE1= vi1= vid/2 vBE2= vi2 = -vid/2 又 vO1＝VCC－iC1Rc1 vO2＝VCC－iC2Rc2 可得传输特性曲线 vO1，vO2＝f（vid）
1.输入级：抑制零漂，有放大作用。 常使用高性能的差分放大电路，它必须对共模信号有很强 的抑制能力。 2.中间放大级：提供高的电压增益，以保证运放的运算精度。 中间级的电路形式多为差分电路和带有源负载的高增益放 大器（共射单管、复合管放大器）。 3.互补输出级：提高带负载能力。 常用单管（复合管）的射极输出器，也用单管（复合管） 的互补对称功率放大器。 4.偏置电流源：提供稳定的几乎不随温度而变化的偏置电流， 以稳定工作点。
总输出电压
vo = vod voc Avdvid Avcvic
voc ——共模信号产生的输出
共模抑制比
K CMR
Avd = Avc
反映抑制零漂能力的指标
6.2.2 射极耦合差分式放大电路
1. 电路组成及工作原理
差分放大电路是由对称的两个 基本放大电路，通过射极电流 源耦合构成。 对称的含义是两个三极管的特 性一致，电路参数对应相等。
BJT为10 nA～1A；MOSFET运放IIB在pA数量级。
用于衡量差分放大对管输入电流的大小。从使用角度看， 其值越小，由信号源内阻变化引起的输出电压变化也越小。
3. 输入失调电流IIO (input offset current) 输入失调电流IIO是指当输入电压为零时流入放大 器两输入端的静态基极电流之差，即 IIO＝|IBP－IBN|V ＝0 一般约为1 nA～0.1A。
将输出电压除以电压增益， 即为折算到输入端的电压的负 VO VI 0 值。VIO是表征运放内部电路对 V IO AV 称性的指标。VIO越大说明电路 的对称性越差。
2. 输入偏置电流IIB (input bias current)
输入偏置电流是指集成运放两 个输入端静态电流的平均值
IIB＝（IBN＋IBP）/2
差分放大电路的工作状 态分差模和共模两种：
差分放大电路的差模工作状态分为四种 1. 双端输入、双端输出（双—双） 2. 双端输入、单端输出（双—单） 3. 单端输入、双端输出（单—双） 4. 单端输入、单端输出（单—单）
静态
I C1 = I C2
1 IC IO 2
VCE1 = VCE2
VCC IC Rc2 VE VCC IC Rc2 (0.7V)
当 2 时，IC2和IREF是镜像关系。
6.1.1 BJT电流源电路
1. 镜像电流源
当BJT的β较大时，基极电流IB可以忽略
VCC VBE ( VEE ) VCC VEE Io＝IC2≈IREF＝ R R
无论C2支路的负载值如何， IC2的电 流值将保持不变。
代表符号
很大的变化。当输入短路时（由于一些原因使输入
级的Q点发生微弱变化 ，如：温度），输出将随时 间缓慢变化，这样就形成了零点漂移。
产生零漂的主要原因是：晶体三极管的参数受
温度的影响。
例如 假设
漂移 10 mV+100 μV
漂移 1 V+ 10 mV
AV1 = 100, AV2 = 100, AV3 = 1 。
6.5.1 实际集成运放的主要参数
一、输入直流误差特性（输入失调特性） 1. 输入失调电压VIO (input offset voltage)
在室温（25℃）及标准电源电压下，输入电压为零时，为 了使集成运放的输出电压为零，在输入端加的补偿电压叫做失 调电压VIO。一般约为±（1～10）mV。超低失调运放为（1～ 20）V。高精度运放OP-117 VIO=4V。MOSFET达20 mV。
例如，温漂信号属共模信号，它对差分放大电路的 两个输入端影响相同。如果输入信号极性相同，幅 度也相同，则是纯共模信号。如果极性相同，但幅 度不等，则可以认为既包含共模信号，又包含差模 信号，应分开加以计算。
vi1
- 0
vid
v ic
t
vi2
+ 0
vid
vic
t
共模、差模信号混合的情况
即：vi1=vic -vid/2 vi2=vic +vid/2 差模信号vid=vi1 -vi2 ，共模信号vic=1/2（vi1 +vi2） 如vi1=＋50μV，vi2=－50μV，
vO1，vO2＝f（vid）的传输特性曲线
从传输特性可以看出； 1、 vid vi 1 vi 2 0 时，电路处于静态，即Q态 2、vid在0~±VT范围变化时，vo1、vo2与vid呈线性关系， 放大电路工作在放大区，放大倍数越大，曲线越陡，线 性区越窄，动态范围小。 反之：放大倍数越小，曲线越缓，线性区越宽，动态 范围大。 3、当vid≥4VT时，差分放大电路具有限幅特性。
2. 微电流源
6.1.2 FET电流源
1. MOSFET镜像电流源
2. MOSFET多路电流源
3. JFET电流源
电流源
电流源是一个使输出电流恒定的电源电路，与 电压源相对应。 (1) 电流源电路在模拟集成放大器中用以稳定静态 工作点，这对直接耦合放大器是十分重要的。 (2) 用电流源做有源负载，可获得增益高、动态范围 大的特性。 (3)用电流源给电容充电，以获得线性电压输出。 (4)电流源还可单独制成稳流电源使用。