模拟电子技术第4章

第4章集成运算放大器本章基本内容、教学要点及能力培养目标本章简要地介绍了集成运算放大电路的组成、基本特性、主要参数及多级直接耦合放大电路的基本单元电路－－差分放大电路。

通过本章的学习，要求能掌握差分放大电路的基本构成，能分析常用的几种基本差分放大单元电路；能讲述集成运算放大器的结构、组成，能分析集成运算放大器的基本特性和主要参数。

本章要讨论的问题●差分放大电路与其它基本放大电路有什么区别？为什么它能抑制零点漂移？●差分放大电路的基本构成及几种常用的基本单元电路？●集成运放由哪几部分组成？各部分的作用是什么？●集成运放的电压传输特性有什么特点？为什么？●集成运放有哪些主要技术指标？如何评价集成运放的性能？4.1 差分放大电路重点内容1、差分放大电路的组成及基本单元电路；2、差模信号、共模信号；3、带恒流源的改进型差分放大电路。

难点内容差分放大电路的分析、计算。

例题详解【案例分析4.1.1】在图4.1.1所示电路中，已知三极管β1＝β2＝50，r be≈2kΩ，R e＝2kΩ，R c＝10kΩ，R L＝20kΩ。

试求：该电路的差模输入电阻、差模输出电阻和差模电压放大倍数。

分析、求解：本案例分析试图通过具体电路的分析计算，来说明差分放大电路差模输入电阻、差模输出电阻和差模电压放大倍数的求取。

由于整个差分放大电路双端输出时的差模放大倍图4.1.1基本差分放大电路数A vd 等于单管放大电路的电压放大倍数，故可通过单管，对称的一半电路（简称半边电路）的微变等效电路求出A vd 。

在差模输入时，两管集电极电流变化量大小相等、方向相反，负载R L 的中点电位是不随信号变化的零电位，即中点可等效看作交流地，于是有差模信号的交流通路，如图4.1.2（a ）所示。

因为半边电路的负载为R L /2，于是有半边电路的差模交流小信号微变等效电路如图4.1.2（b ）所示。

从图4.1.2（a ）中可以看出，从电路的两个输入端看进去的等效电阻，即电路的差模输入电阻R id 为R id ＝2r be此处， R id ≈2×2k Ω＝4k Ω从电路的两个输出端看进去的等效电阻，即电路的差模输出电阻R od 为R od ＝2R c此处， R od ＝2×10k Ω＝20k Ω从图4.1.2（b ）中可以看出双端输出时的差模电压放大倍数A vd 为be Lc Id1Od1vd1vd 2//ΔΔr R R βv v A A -=== 此处， 2210//1050vd ⨯-=A ＝－125【案例分析4.1.2】在图4.1.1所示电路中，若电路参数同案例分析4.1.1，且输入信号v I1＝5.25V ，v I2＝5V ，试求：该电路的差模输入信号，共模输入信号；双端输出和单端输出时的共模电压增益，共模输入电阻和共模输出电阻。

分析、求解：本案例分析试图通过具体电路的分析计算，来说明差分放大电路差模输入电阻、差模输出电阻和差模电压放大倍数的求取。

由v I1≠v I2，可知，电路输入信号中既有差模信号的成分，又有共模信号的成分，由式（4.1.9），有v Id ＝v I1－v I2＝（5.25－5）V ＝0.25V图4.1.2 图4.1.1电路的差模等效电路（a ）差模信号交流通路 （b ）差模半边电路微变等效电路（a ）（b ）v Ic ＝（v I1＋v I2）/2＝（5.25＋5）/2 V ＝5.125V上述分析同时表明，实际中用仪表可检测v I1、v I2和v Id ，但用仪表不能直接检测v Ic 。

在图4.4.1所示电路中加入共模信号，此时在共模信号的作用下，由于电路对称，差分放大电路两管集电极电位总是相等的，因此，双端输出时，负载电阻R L 中的共模信号电流为零，R L 可视为开路；而两管集电极电流的变化总是大小相等、方向相同的，因此，R e 上的共模信号压降v e ≈2i c1R e ＝i c1·2R e ，从电压等效的观点，可以认为每个三极管的发射极回路中串接了一个2R e 的电阻。

① 双端输入、双端输出此时有双端输入、双端输出的共模信号交流通路，如图4.1.3（a ）所示；半边电路的共模微变等效电路，如图4.1.3（b ）所示。

共模电压放大倍数是指共模输出电压v Oc 与共模输入电压v Ic 之比。

由图4.1.3（a ）中可以看出，双端输出时共模电压放大倍数A vc 为IcOc2Oc1Ic Oc vc v v v v v A -==由于电路完全对称，v Oc1＝v Oc2，故A vc ＝0。

温度变化或电压波动引起两管集电极电流的变化，可以等效地视为在输入端加入共模信号的结果。

差分放大电路对共模信号的抑制作用，其实质就是用一管集电极电流的变化去补偿另一管集电极电流的变化。

从图4.1.3（a ）所示电路的两输入端看进去的共模输入电阻为两个半边等效电路输入电阻的并联值，即R ic ＝［r be ＋（1＋β）·2R e ］/2此处， R ic ＝［2＋（1＋50）×2×2］/2 k Ω＝103k Ω 通常，R e 在几千欧以上，故共模输入电阻比差模输入电阻大得多。

从两个输出端看进去的共模输出电阻为从任一输出端看进去电阻的两倍，即R oc ≈2R c此处， R oc ≈2×10k Ω＝20k Ω ② 双端输入、单端输出图4.1.3 图4.1.1电路的共模等效电路（a ）共模信号交流通路 （b ）共模半边电路微变等效电路（b ）（a ）此时，在图4.1.1所示电路中，R L 不能视为开路，R L 是接在一管的集电极与“地”之间。

其共模电压放大倍数为ebe Lc Ic Oc2Ic Oc1vc2vc12)1(//R r R R βv v v v A A ⋅++-====β 由于（1＋β）·2R e ＞＞ r be ，上式可简化为eLvc2vc1vc 2R R A A A '-≈==，R L ＇＝R c // R L 在实际电路中，一般2R e ＞R L ＇，故A vc1＜1。

即差分放大电路对共模信号没有放大作用，且R e 越大，A vc 越小，电路对共模信号的抑制能力越强。

显然，共模单端输出方式对共模信号的抑制能力要比双端输出方式的小。

电路的共模输入电阻R ic 与双端输出电路一样，仍为R ic ＝［r be ＋（1＋β）·2R e ］/2此处， R ic ＝［2＋（1＋50）×2×2］/2 k Ω＝103 k Ω电路的共模输出电阻R oc 为R oc ＝R c ，是双端输出电路共模输出电阻的一半。

此处， R oc ＝R c ＝10k Ω【案例分析4.1.3】具有调零电位器的差分放大电路及电路参数如图4.1.8所示，三极管的β＝50，V BE(on)＝0.7V ，r bb'＝200Ω，试求：（1）电路的静态工作点，I C1、I C2和V C1、V C2； （2）差模电压放大倍数、输入电阻、输出电阻；（3）当R L 接在T 1管的集电极与地之间时，差模电压放大倍数、共模电压放大倍数、共模抑制比和输出电阻；（4）当v I1＝5mV 、v I2＝1mV 时，在第3问条件下的单端输出总电压v O1。

分析、求解：（1）由于实际电路两边参数不可能完全对称，常用调零电位器R P 来消除由于电路不对称而引起的零漂现象。

在分析、求解电路时，可假定R P 的动触点置于中间位置。

静态时，V C1＝V C2，负载R L 中的电流为零，可认为R L 开路。

由此，有直流通路如图4.1.9所示。

由图4.1.9可得图4.1.9 直流通路图4.1.8 差分电路0.856mA mA )3205.0()501(1)]6(7.00[50)221)(1()0(e P b EE BE(on)B1C2C1≈⨯+⨯++---⨯=+++--⋅===R R βR V V ββI I IV C1＝V C2＝V CC －I C R C ≈（6－0.856×3）V ＝3.432V（2）差模放大，双端输出时，有k Ω72.1Ω]856.02650200[C T bbbe ≈⨯+=+'=I V βr r 2.1427.55.15005.0)501(72.113//35021)1(2//P be b Lc vd -≈⨯-=⨯+++⨯-≈+++-=R βr R R R βA]21)1([2P be b id R βr R R +++⋅=≈2×5.27k Ω＝10.54k ΩR od ＝2R c ＝2×3＝6k Ω（3）单端输出时，有5.927.56//3502121)1(//21P be b Lc vd1-≈⨯⨯-≈+++-=R βr R R R βA32.0)3205.0()501(72.116//350)221)(1(//e P be b L c vc1-≈⨯+⨯+++⨯-≈++++-=R R βr R R R βA69.29|32.05.9|||vc1vd1CMR1≈--≈=A A K R o1＝R c1＝3k Ω（4）单端输出时，输出总电压为v Id ＝v I1－v I2＝（5－1）mV ＝4mV v Ic ＝（v I1＋v I2）/2＝［（5＋1）/2］mV ＝3mVv O1＝v Id A vd1＋v Ic A vc1≈［4×（－9.5）＋3×（－0.32）］mV ＝－38.96mV课堂提问和讨论解答T4.1.1 什么是差模信号？什么是共模信号？解答：大小相等，极性相反的信号称为差模信号，而大小相等、极性相同的信号称为共模信号。

通常，任意一对输入信号（v I1、v I2），均可分解为一对差模信号与一对共模信号之代数和，即v I1＝v Ic ＋v Id /2，V I2＝v Ic －v Id /2。

其中，差模输入信号（电压），v Id ＝v I1－v I2；共模输入信号（电压），v Ic ＝（v I1＋v I2）/2。

T4.1.2 什么是零点漂移？产生零点漂移的主要原因是什么？解答：零点漂移（简称零漂）是指：放大电路输入信号△v I 为零时，输出信号△v O 不为零的现象。

半导体器件是温度参数的敏感元件，由于温度变化所引起的三极管参数的变化（三极管是温度参数的敏感元件）是产生零点漂移现象的主要原因，由此而产生的零点漂移也称之为温度漂移（简称温漂）。

所以，产生零点漂移的主要原因是温度变化。

T4.1.3 差分放大电路为什么能较好地抑制零点漂移？解答：温度变化是产生零点漂移的主要原因。

如图4.1.1所示基本差分放大电路，当环境温度发生变化或电源电压出现波动时，由于T 1、T 2两管特性相同，电路对称，由温度变化或电源电压波动变化引起的两个三极管参数的变化量是相同的，△i C1＝△i C2，△v C1＝△v C2，所以输出电压变化量为△v O ＝△v C1－△v C2＝0。