第4章--差分放大电路和集成运算放大器
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VT2
I
+VCC
+ R VT1 uI R 图 (b)
R
Ro Rc
双端输入、单端输出
VEE
3. 单端输入、双端输出 +VCC 单端输入 Rc Rc + uo 当共模负反馈足 VT2 VT1 够强时， ΔuE 1 ΔuI + R R 2 uI 则 I 1 Δ uB E1 Δ uI Δ uE Δ uI 2 VEE 1 Δ uB E2 0 Δ uE Δ uI 2 图 (c) 单端输入、双端输出 三极管仍然基本工作在差分状态，所以 RL ( RC // ) 2 ； R 2( R r )； Ad id be R rbe
4.2.3 集成运放的电压传输特性
1. 工作在饱和区的特点
当 u+ > u 时，uO = + UOPP 当 u+ < u 时, uO = UOPP 在非线性区内，(u+ u) 可能很大，即 u+ ≠u。 “虚 地”不存在
uO
+UOPP
实际特性
O
u+u
i i 0
非线性区
三、差分放大电路的输入、输出接法 双端输入、双端输出； 双端输入、单端输出；
单端输入、双端输出； 单端输入、单端输出。
Rc + R uI R 图 (a) Rc
VT2
有四种不同的接法 1.双端输入、双端输出
RL ( RC // ) 2 Ad R rbe
Rid 2( R rbe )
RC
ic1
V2
uod
ic2 ui2
ui2
ui1
uo1 uo2
V1 V2
差模电压放大倍数
uod 2uc1 RC Aud Aud1 uid 2ui1 rbe R'L R'L RC // 1 RL 带RL时 Aud 2 rbe
差模输入电阻 Rid = 2rbe 差模输出电阻 Rod = 2RC
Ro 2Rc
+VCC uI2 R
+ uo
VT1
I
VEE 双端输入、双端输出
2.双端输入、单端输出 uO 约为双端输出的一半，即
1 ( RC // RL ) Ad 2 R rbe
若由 VT2 集电极输 出， uO 为“正”。
Rid 2( R rbe )
Rc + uo
Rc
uI2
VEE
Ro Rc
这种接法比一般的单管放大电 路具有较强的抑制零漂的能力。
结
论
(1) 双端输出时，Ad 与单管 Au 基本相同；单端输 出时，Ad 约为双端输出时的一半。 双端输出时，Ro = 2Rc；单端输出时， Ro = Rc 。 (2) 双端输出时，理想情况下，KCMR → ；单端 输出时，共模抑制比不如双端输出高。 (3) 单端输出时，可以选择从不同的三极管输出， 而使输出电压与输入电压反相或同相。 (4) 单端输出时，由于引入很强的共模负反馈，两 个管子仍基本工作在差分状态。
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。
4.2.2集成运算放大器的性能指标
运放符号：
u－(UN) u+(UP)
4.1.2 差分放大电路的工作原理
一、电路组成及静态分析
RC RC VCC
uo ui1
V1 V2 REE
ui2
VEE
直 流 通 路
ICQ1 V1
RC
uo
IEQ R2EE
RC ICQ2 V2
+VCC
UCQ1 UCQ2
IEE 1
VEE
IEQ
VEE
VEE = UBEQ + IEEREE UCQ1 = VCC – ICQ1RC Uo = UCQ1 – UCQ2 = 0
第四章 差分放大电路与集成运 算放大器
4.1 差分放大电路
4.2 集成运算放大器及其特性
4.3 运算放大器在信号运算方面的应用
4.1 差分放大电路
4.1.1 基本型差分放大器
一、结构 基本差分放大器是由两个完全对称的单管 放大器组成。
R1 RB RC T1 uo T2 RC R1
RB
ui1
ui2
二、 抑制零漂的原理
Hale Waihona Puke Baidu
–UOPP
线性区
非线性区
2. 工作在线性区的特点(引入负反馈)
输出电压与其两个输入端的电压之间存在线性放大关系
零点漂移 “零点”——没有输入信号时的输出端直流电 压（静态工作点电压） 当放大器的环境温度或电源电压发生变化时， 晶体管的静态工作点也要随之发生变化，所以即使 在输入信号为零时，直流放大器的输出电压也会出 现缓慢的不规则的变动。这种现象称为“零点漂移 ”，简称“零漂”。
+UCC
R1 RC RB T1 ui1 T2 ui2 uo RC
IEE = (VEE – UBEQ) / REE
ICQ1 = ICQ2 (VEE – UBEQ) / 2REE UCQ2 = VCC – ICQ2RC
二、动态分析
1. 差模输入与差模特性
+VCC
差模信号交流通路
RC RL RC
ui1 V 1 = – ui2
uod uC1 uC2
REE
VEE
RC
分、微分、对数等运算。
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。
Ro 2Rc
4. 单端输入、单端输出
1 ( RC // RL ) Ad ； 2 R rbe
若改从 VT2 集电 极输出，则
+ R
Rc
Rc
+VCC
uo
VT1
+
VT2
I
R
uI
1 ( RC // RL ) Ad ； 2 R rbe
Rid 2( R rbe )；
图 (d) 单端输入、单端输出
IC3
T3 R3 R2
R1
恒流源相当于阻值 很大的电阻。恒流 源不影响差模放大 倍数。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。
-UEE
4.2 集成运算放大器及其特性
4.2.1集成运算放大器的组成
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：
UCQ1= UCQ2 = VCC – ICQ1RC =12 – 0.285 10 = 9.15 (V) 26 81 26 (2) rbe 200 (1 ) 200 7489() I EQ 0.285 R'L 5 A ud 80 52 .7 7.59 rbe R'L RC // 1 RL = 10 // 10 = 5 (k) 2 Rid=2rbe = 2 7.59 = 15.2 (k) Rod = 2RC = 20 (k)
差模输入信号： ui1 =- ui2
差模输入电压 uid = ui1 – ui2 = 2ui1
ui1 uic 1 uid 2 ui2 uic 1 uid 2
差模电压放大倍数 共模电压放大倍数
uod Aud uid
uoc Auc uic
总输出电压
uoc = uod + uoc =Auduid+Aucuic
R1
RB
当 ui1 = ui2 =0 时： uo= UC1 - UC2 = 0 当温度变化时： uo= (UC1 + uC1 ) - (UC2 + uC2 ) = 0
三、 共模信号和差模信号
+UCC
R1 RC RB T1 ui1 uo T2 ui2
RC
R1 RB
共模输入信号： ui1 = ui2 共模输入电压： uic = ui1 = ui2
共模信号和差模信号之和
+VCC
ui1 = 1.01 = 1.00 + 0.01 (V) VEE ui2 = 0.99 = 1.00 – 0.01 (V) uid = u i1 – u i2 = 1.01 – 0.99 = 0.02 (V) uiC = (ui1+ ui2 ) / 2 = 1 (V) (2) uod = Auduid = – 500.02 = – 1 (V) uoc = Aucuic= – 0.051 = – 0.05 (V) uo = Auduid + Aucuic = –1.05 (V) Aud 50 K CMR (dB) 20 lg 20 lg = 60 (dB) Auc 0.05
(5) 单端输出时， Rid 2(R + rbe)。
差分放大电路四种接法的性能比较
接法
性能
差分输入 双端输出
差分输入 单端输出
单端输入 双端输出
单端输入 单端输出
1 ( Rc // RL ) 2 R rbe
Ad
KCMR
R RL ( Rc // L ) ( RC // ) 1 ( R // R ) c L 2 2 R rbe 2 R rbe R rbe
例1 已知: = 80, r’bb = 200 , UBEQ = 0.6 V, 试求:
10 k RC u
od
+12V (1) 静态工作点 RC10 k
20 k
ui1 V 1
20 k REE
V2 12V
ui2
(2) 差模电压放大倍数Aud 差模输入电阻Rid，输出电阻Rod [解]
(1) ICQ1 = ICQ2 (VEE – UBEQ) / 2REE = (12 – 0.6) / 2 20 = 0.285 (mA)
共模抑制比
K CMR
Aud Auc
用对数表示：
Aud K CMR (dB) 20 lg Auc
例2
RC
(1) 求差模输入电压uid 、共模输入电压uic
uod uC1 uC2
1
1.01V ui1 V
V2 REE
(2) 若Aud = – 50、 Auc = – 0.05 RC 求输出电压uo，及KCMR 0.99V ui2 [解] (1) 可将任意输入信号分解为
与uo反相
+UCC
T4
反相 输入端
u–
同相 输入端
T3
T1
T2
输 入 级 中 间 级
T5
uo
u+
IS
输 出 级
UEE
与uo同相
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。
运算放大器的组成
1、电路组成： 输入端 输入级 中间级 输出级 输出端
输入级：都采用带恒流源的差分放大电路，输入电 阻高，能减小零点漂移和抑制干扰信号。 中间级：要求电压放大倍数高。常采用带恒流源的 共发射极放大电路。 输出级：要求输出电阻低，带负载能力强，一般由 互补对称电路或射极输出器构成。
原理框图：
很高
较高
很高
较高
Rid Ro
2( R rbe )
2( R rbe )
2( R rbe ) 2( R rbe )
2Rc
Rc
2Rc
Rc
4.1.3 恒流源式差放电路
恒流源的作用
RC RB ui1 R ib1 T1 E ic1 ic2 uo T2 RC +UCC RB ib2 R u i2
2. 共模输入与共模抑制比
+VCC
共模信号交流通路
uod uC1 uC2
V1 2REE 2REE RC RC
ui1 V 1
uod uC1 uC2
REE I
RC
RC
V2
ui2
IEQ1 + ie1
EQ2 + ie2
V2
ui2
VEE
uoc RL RL 共模电压放大倍数 Auc 0 uic rbe (1 )2 RE (1 )2 RE
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；
集成运算放大器是一种具有很高放大倍数 的多级直接耦合放大电路。它是发展最早、 应用最广泛的一种模拟集成电路。
运放的应用领域：信号处理、信号测量 、波 形转换、自动控制等。
运放的模拟计算：信号的加、减、乘、除、积
Ao
＋
uo
u－ u+
－
＋
＋
uo
国际符号
国内符号
集成运放的主要性能指标
一、开环差模电压放大倍数Aod A o 很大: 104 107 二、共模抑制比KCMMR KCMRR 很大 理想运放： ri KCMMRR ro 0 Ao
三、差模输入电阻rid ri 大: 几十k 几百 k 四、输出电阻ro ro 小：几十 几百
I
+VCC
+ R VT1 uI R 图 (b)
R
Ro Rc
双端输入、单端输出
VEE
3. 单端输入、双端输出 +VCC 单端输入 Rc Rc + uo 当共模负反馈足 VT2 VT1 够强时， ΔuE 1 ΔuI + R R 2 uI 则 I 1 Δ uB E1 Δ uI Δ uE Δ uI 2 VEE 1 Δ uB E2 0 Δ uE Δ uI 2 图 (c) 单端输入、双端输出 三极管仍然基本工作在差分状态，所以 RL ( RC // ) 2 ； R 2( R r )； Ad id be R rbe
4.2.3 集成运放的电压传输特性
1. 工作在饱和区的特点
当 u+ > u 时，uO = + UOPP 当 u+ < u 时, uO = UOPP 在非线性区内，(u+ u) 可能很大，即 u+ ≠u。 “虚 地”不存在
uO
+UOPP
实际特性
O
u+u
i i 0
非线性区
三、差分放大电路的输入、输出接法 双端输入、双端输出； 双端输入、单端输出；
单端输入、双端输出； 单端输入、单端输出。
Rc + R uI R 图 (a) Rc
VT2
有四种不同的接法 1.双端输入、双端输出
RL ( RC // ) 2 Ad R rbe
Rid 2( R rbe )
RC
ic1
V2
uod
ic2 ui2
ui2
ui1
uo1 uo2
V1 V2
差模电压放大倍数
uod 2uc1 RC Aud Aud1 uid 2ui1 rbe R'L R'L RC // 1 RL 带RL时 Aud 2 rbe
差模输入电阻 Rid = 2rbe 差模输出电阻 Rod = 2RC
Ro 2Rc
+VCC uI2 R
+ uo
VT1
I
VEE 双端输入、双端输出
2.双端输入、单端输出 uO 约为双端输出的一半，即
1 ( RC // RL ) Ad 2 R rbe
若由 VT2 集电极输 出， uO 为“正”。
Rid 2( R rbe )
Rc + uo
Rc
uI2
VEE
Ro Rc
这种接法比一般的单管放大电 路具有较强的抑制零漂的能力。
结
论
(1) 双端输出时，Ad 与单管 Au 基本相同；单端输 出时，Ad 约为双端输出时的一半。 双端输出时，Ro = 2Rc；单端输出时， Ro = Rc 。 (2) 双端输出时，理想情况下，KCMR → ；单端 输出时，共模抑制比不如双端输出高。 (3) 单端输出时，可以选择从不同的三极管输出， 而使输出电压与输入电压反相或同相。 (4) 单端输出时，由于引入很强的共模负反馈，两 个管子仍基本工作在差分状态。
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。
4.2.2集成运算放大器的性能指标
运放符号：
u－(UN) u+(UP)
4.1.2 差分放大电路的工作原理
一、电路组成及静态分析
RC RC VCC
uo ui1
V1 V2 REE
ui2
VEE
直 流 通 路
ICQ1 V1
RC
uo
IEQ R2EE
RC ICQ2 V2
+VCC
UCQ1 UCQ2
IEE 1
VEE
IEQ
VEE
VEE = UBEQ + IEEREE UCQ1 = VCC – ICQ1RC Uo = UCQ1 – UCQ2 = 0
第四章 差分放大电路与集成运 算放大器
4.1 差分放大电路
4.2 集成运算放大器及其特性
4.3 运算放大器在信号运算方面的应用
4.1 差分放大电路
4.1.1 基本型差分放大器
一、结构 基本差分放大器是由两个完全对称的单管 放大器组成。
R1 RB RC T1 uo T2 RC R1
RB
ui1
ui2
二、 抑制零漂的原理
Hale Waihona Puke Baidu
–UOPP
线性区
非线性区
2. 工作在线性区的特点(引入负反馈)
输出电压与其两个输入端的电压之间存在线性放大关系
零点漂移 “零点”——没有输入信号时的输出端直流电 压（静态工作点电压） 当放大器的环境温度或电源电压发生变化时， 晶体管的静态工作点也要随之发生变化，所以即使 在输入信号为零时，直流放大器的输出电压也会出 现缓慢的不规则的变动。这种现象称为“零点漂移 ”，简称“零漂”。
+UCC
R1 RC RB T1 ui1 T2 ui2 uo RC
IEE = (VEE – UBEQ) / REE
ICQ1 = ICQ2 (VEE – UBEQ) / 2REE UCQ2 = VCC – ICQ2RC
二、动态分析
1. 差模输入与差模特性
+VCC
差模信号交流通路
RC RL RC
ui1 V 1 = – ui2
uod uC1 uC2
REE
VEE
RC
分、微分、对数等运算。
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。
Ro 2Rc
4. 单端输入、单端输出
1 ( RC // RL ) Ad ； 2 R rbe
若改从 VT2 集电 极输出，则
+ R
Rc
Rc
+VCC
uo
VT1
+
VT2
I
R
uI
1 ( RC // RL ) Ad ； 2 R rbe
Rid 2( R rbe )；
图 (d) 单端输入、单端输出
IC3
T3 R3 R2
R1
恒流源相当于阻值 很大的电阻。恒流 源不影响差模放大 倍数。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。
-UEE
4.2 集成运算放大器及其特性
4.2.1集成运算放大器的组成
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：
UCQ1= UCQ2 = VCC – ICQ1RC =12 – 0.285 10 = 9.15 (V) 26 81 26 (2) rbe 200 (1 ) 200 7489() I EQ 0.285 R'L 5 A ud 80 52 .7 7.59 rbe R'L RC // 1 RL = 10 // 10 = 5 (k) 2 Rid=2rbe = 2 7.59 = 15.2 (k) Rod = 2RC = 20 (k)
差模输入信号： ui1 =- ui2
差模输入电压 uid = ui1 – ui2 = 2ui1
ui1 uic 1 uid 2 ui2 uic 1 uid 2
差模电压放大倍数 共模电压放大倍数
uod Aud uid
uoc Auc uic
总输出电压
uoc = uod + uoc =Auduid+Aucuic
R1
RB
当 ui1 = ui2 =0 时： uo= UC1 - UC2 = 0 当温度变化时： uo= (UC1 + uC1 ) - (UC2 + uC2 ) = 0
三、 共模信号和差模信号
+UCC
R1 RC RB T1 ui1 uo T2 ui2
RC
R1 RB
共模输入信号： ui1 = ui2 共模输入电压： uic = ui1 = ui2
共模信号和差模信号之和
+VCC
ui1 = 1.01 = 1.00 + 0.01 (V) VEE ui2 = 0.99 = 1.00 – 0.01 (V) uid = u i1 – u i2 = 1.01 – 0.99 = 0.02 (V) uiC = (ui1+ ui2 ) / 2 = 1 (V) (2) uod = Auduid = – 500.02 = – 1 (V) uoc = Aucuic= – 0.051 = – 0.05 (V) uo = Auduid + Aucuic = –1.05 (V) Aud 50 K CMR (dB) 20 lg 20 lg = 60 (dB) Auc 0.05
(5) 单端输出时， Rid 2(R + rbe)。
差分放大电路四种接法的性能比较
接法
性能
差分输入 双端输出
差分输入 单端输出
单端输入 双端输出
单端输入 单端输出
1 ( Rc // RL ) 2 R rbe
Ad
KCMR
R RL ( Rc // L ) ( RC // ) 1 ( R // R ) c L 2 2 R rbe 2 R rbe R rbe
例1 已知: = 80, r’bb = 200 , UBEQ = 0.6 V, 试求:
10 k RC u
od
+12V (1) 静态工作点 RC10 k
20 k
ui1 V 1
20 k REE
V2 12V
ui2
(2) 差模电压放大倍数Aud 差模输入电阻Rid，输出电阻Rod [解]
(1) ICQ1 = ICQ2 (VEE – UBEQ) / 2REE = (12 – 0.6) / 2 20 = 0.285 (mA)
共模抑制比
K CMR
Aud Auc
用对数表示：
Aud K CMR (dB) 20 lg Auc
例2
RC
(1) 求差模输入电压uid 、共模输入电压uic
uod uC1 uC2
1
1.01V ui1 V
V2 REE
(2) 若Aud = – 50、 Auc = – 0.05 RC 求输出电压uo，及KCMR 0.99V ui2 [解] (1) 可将任意输入信号分解为
与uo反相
+UCC
T4
反相 输入端
u–
同相 输入端
T3
T1
T2
输 入 级 中 间 级
T5
uo
u+
IS
输 出 级
UEE
与uo同相
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。
运算放大器的组成
1、电路组成： 输入端 输入级 中间级 输出级 输出端
输入级：都采用带恒流源的差分放大电路，输入电 阻高，能减小零点漂移和抑制干扰信号。 中间级：要求电压放大倍数高。常采用带恒流源的 共发射极放大电路。 输出级：要求输出电阻低，带负载能力强，一般由 互补对称电路或射极输出器构成。
原理框图：
很高
较高
很高
较高
Rid Ro
2( R rbe )
2( R rbe )
2( R rbe ) 2( R rbe )
2Rc
Rc
2Rc
Rc
4.1.3 恒流源式差放电路
恒流源的作用
RC RB ui1 R ib1 T1 E ic1 ic2 uo T2 RC +UCC RB ib2 R u i2
2. 共模输入与共模抑制比
+VCC
共模信号交流通路
uod uC1 uC2
V1 2REE 2REE RC RC
ui1 V 1
uod uC1 uC2
REE I
RC
RC
V2
ui2
IEQ1 + ie1
EQ2 + ie2
V2
ui2
VEE
uoc RL RL 共模电压放大倍数 Auc 0 uic rbe (1 )2 RE (1 )2 RE
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；
集成运算放大器是一种具有很高放大倍数 的多级直接耦合放大电路。它是发展最早、 应用最广泛的一种模拟集成电路。
运放的应用领域：信号处理、信号测量 、波 形转换、自动控制等。
运放的模拟计算：信号的加、减、乘、除、积
Ao
＋
uo
u－ u+
－
＋
＋
uo
国际符号
国内符号
集成运放的主要性能指标
一、开环差模电压放大倍数Aod A o 很大: 104 107 二、共模抑制比KCMMR KCMRR 很大 理想运放： ri KCMMRR ro 0 Ao
三、差模输入电阻rid ri 大: 几十k 几百 k 四、输出电阻ro ro 小：几十 几百