差动放大器和运算放大器

ic1 ic2 uod uod1 uod2 E
RC T2
RB ib2 R ui2
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ui1
uod1 −uod2 A 1ui1 − A 2ui2 d A = = d = A1 = A 2 d d d ui ui
若差动电路带负载R 接在 之间), 若差动电路带负载 L (接在 C1 与 C2 之间 对于差 所以放大倍数： 动信号而言， 动信号而言，RL中点电位为 0, 所以放大倍数：
(4-17)
RC
RB ib2
差模信号通路
RC RB ui1 R ib1 T1
ic1 ic2 uo uod1 uod2 E
RC T2
RB ib2 R ui2
T1单边微变 等效电路 ui1
RB ib1 rbe1
B1 C1
βib1
E
RC
uod1
(4-18)
1. 放大倍数
uod 1 单边差模放大倍数: 单边差模放大倍数 Ad 1 = ui1
(4-10)
+UCC RC RB T1 ui1 RE –UEE T2 ui2 uo RC RB
双电源的作用： 双电源的作用： （1）使信号变化幅度加大。 ）使信号变化幅度加大。 提供。 （2）IB1、IB2由负电源-UEE提供。 ） 由负电源
(4-11)
+UCC
二、 静态分析
1. RE的作用 —— 抑制温度 漂移，稳定静 ui1 漂移， 态工作点。 态工作点。
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
§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
(4-2)
§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 T2 RE2 uo RC2 +UCC
AC = uo uC
（很小，<1) 很小，
(4-7)
四、差模电压放 大倍数A 大倍数 d
ui1
R1 RC RB T1
uo T2
RC
R1 RB
+UCC
ui2
差模输入信号： 大小相等，极性相反） 差模输入信号： ui1 =- ui2 =ud （大小相等，极性相反） 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： 差模电压放大倍数：
RB
RC T1
uo T2
RC RB ui2
RE –UEE
设ui1 = ui2 = 0
温度T 温度 自动稳定 IC IC IE = 2IC IB
UE
UBE
RE 具有强负反馈作用
(4-12)
2. Q点的计算 点的计算 直流通路
RB T1 ui1 T2 RC
+UCC
IC1 IC2
uo
RC RB
IB IE
(4-30)
ib1 R B ui1
RC C1 B1 T1
uo T2 E
IC3 -UEE
而言， 对Ad而言，双端 +UCC 输入与单端输入 RC 效果是一样的。 C2 RB ib2 效果是一样的。 ui1 −ui2 ud = B2 2 ui2 ui1 +ui2 uc = 2 双端输入： 双端输入： ui1 = -ui2 =0.5ui ud = 0.5ui , uc = 0 单端输入： 单端输入：ui1 =-ui ，ui2 = 0 ud = 0.5ui , uc = 0.5ui
RE –UEE
IB
ui2
IB
U EE − U BE = R B + 2 (1 + β ) R E
IC1= IC2= IC= βIB
UE1= UE2 =－IB×RB－UBE － UC1= UC2= UCC－IC×RC UCE1= UCE2 = UC1－UE1
(4-13)
三、 动态分析
1. 输入信号分类 (1)差模(differential mode)输入 差模
电路改进： 电路改进：加入温度 补偿三极管T 短 补偿三极管 4（BC短 相当于二极管） 接，相当于二极管）
R ui2
IE4
E IC3 R1 T3
U EE − U BE 4 ≈ R1 + R2
IE3 ↑ UBE4 ↓ UB3 ↓ IE3 ↓
温度↑ 温度↑ UBE4 ↓
T4
R3 -UEE R2
IE4 Q变化 变化
双端输出： 双端输出：Ad = Ad1
1 单端输出： 单端输出：Ad = Ad1 2
(4-31)
§4.2 集成运放的内部结构及特点
集成电路: 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。 体基片上。
iRE 、 uRE ↑
(4-22)
共模信号通路: 模信号通路
RC RB
ic2
T1
uoc
ic1
RC RB
uoc1 uoc2
T2
uc1
2RE
2RE
uc2
(4-23)
T1单边微变等效电路 RB ib1 uc1 2RE ie1 rbe1 ic1
βib1
RC uc2
u oc1 β Rc Ac1 = =− = Ac 2 u c1 RB + rb1 + 2( 1 + β ) RE
电路结构: 电路结构
RC RB ui1 R ib1 T1 E ic1 ic2 uo T2 RC +UCC RB ib2 R u i2
IC3
T3 R3 -UEE R2
R1
(4-26)
RC RB T1 ui1 R ib1
ic1
uo
ic2
RC T2
+UCC RB ib2
T3 :放大区 放大区
iC
恒流源
Q UCE3 ∆UCE3 IB3 uCE
(4-4)
4.1.2 基本型差动放大器
一、结构
R1 RB T1 T2 RC uo RC R1 RB
ui1
ui2
特点：结构对称。 特点：结构对称。
(4-5)
二、 抑制零漂的原理
+UCC
R1 RC RB T1 ui1 T2 ui2 uo RC R1 RB
当 ui1 = ui2 =0 时： uo= UC1 - UC2 = 0 当温度变化时： 当温度变化时： uo= (UC1 + ∆uC1 ) - (UC2 + ∆uC2 ) = 0
(4-24)
& & U oc1 = Ac1 × U c1 & & U = A ×U
oc 2 c2
c2
& & & U oc = U oc1 − U oc 2 ≈ 0
AC ≈ 0 KCMRR ∞
问题：负载影响共模放大倍数吗？ 问题：负载影响共模放大倍数吗？
不影响！ 不影响！
(4-25)
4.1.4 恒流源式差放电路
前后级Q点相互影响 点相互影响。 问题 1 :前后级 点相互影响。 增加R 用于设置合适的Q点 增加 2 、RE2 : 用于设置合适的 点。
(4-3)
R1 RC1 R2 T1 ui
RC2 T2
+UCC
uo
有时会将 信号淹没
uo t
RE2 0
零点漂移。 问题 2 :零点漂移。 前一级的温漂将作为后一级的输入信号， 前一级的温漂将作为后一级的输入信号，使得 等于零时， 不等于零。 当 ui 等于零时， uo不等于零。
Ad 1 = −
βib1RC
ib1 × ( RB + rbe1 )
RB ib1
=−
βRC
RB + rbe1
Ad 1 = Ad 2
B1 C1 rbe1 E
(4-19)
ui1
βib1
RC
uod1
差模电压放大倍数: 差模电压放大倍数
RC RB R ib1 T1
uod Ad = ui
即：总的差动电 压放大倍数为： 压放大倍数为：
R ui2
E IC3 T3 R1
IC3
R3 -UEE
R2
静态分析：主要分析 静态分析：主要分析T3管。 VB3→VE3 →IE3 →IC3
∆ ce3 U r 3= ce ∆ c3 I
rce3 ≥ 1MΩ Ω
(4-27)
RC RB T1 ui1 R ib1
ic1
uo
ic2
RC T2
+UCC RB ib2
u i1 − u i 2 差模分量: u d = 差模分量 2 u i1 + u i 2 共模分量: 共模分量 u c = 2
注意： 注意：ui1 = uC + ud ；ui2 = uC - ud 例: ui1 = 20 mV , ui2 = 10 mV 则：ud = 5mV , uc = 15mV
(4-29)
4.1.5 差放电路的几种接法
RC C1 B1 T1 E IC3 -UEE uo T2 RC C2 B2 +UCC RB ui2 输入端 接法 输出端 接法
双端 单端 双端 单端
RB ui1
A 双端输入双端输出： 双端输入双端输出： d = Ad1
1 双端输入单端输出：Ad = Ad1 双端输入单端输出： 2
uo uo AC = = ui1 − ui 2 2ui1
(很大，>1) 很大， 很大
(4-8)
五、共模抑制比(CMRR)的定义 共模抑制比 的定义
CMRR — Common Mode Rejection Ratio KCMRR =
Ad Ac
(分贝 分贝) 分贝
Ad KCMRR (dB) = 20 log Ac
(4-15)
(一) 差模输入 一
RC RB T1 均压器 ui R RE R –UEE uo T2 RC
+UCC RB
1 ui1 = ui = ud 2 1 ui 2 = − ui = −u d 2
(4-16)
RE 对差模信号作用
ui1 ui2 ib1 , ic1 ib2 , ic2 ic1 = - ic2 iRE = ie1+ ie2 = 0 uRE = 0 RE对差模信号不起作用 不起作用 对差模信号不起 +UCC RC RB ui R ib1 R T1 iRE ic1 ic2 uo T2 RE –UEE
例: Ad=-200 Ac=0.1
KCMRR=20 lg | (-200)/0.1| =66 dB |
(4-9)
4.1.3 双电源长尾式差放
一、结构
RC RB T1 ui1 RE –UEE T2 ui2 uo RC RB +UCC
特点：加入射极电阻 特点：加入射极电阻RE ；加入负电源 -UEE ， 采用正负双电源供电。 采用正负双电源供电。 为了使左右平衡， 为了使左右平衡，可 设置调零电位器: 设置调零电位器
1 β(R // RL × ) C 2 A = A 1 = A 2 =− d d d R +r 1 B be
(4-20)
2. 输入输出电阻
RC RB ui1 R ib1 T1
ro
ic1 ic2 uo uod1 uod2 E RC T2
+UCC RB ib2 R ui2
ri
ri
输入电阻： 输入电阻： ri = 2[ R //( rbe 1 + R B )] 输出电阻： 输出电阻： ro = 2RC 思考题：电路去掉 能正常工作吗？ 思考题：电路去掉RB能正常工作吗？ RB的 作用是什么？ 作用是什么？
ui1 = -ui2= ud
& Uod 差模电压 Ad = & 放大倍数: 放大倍数: U
d
(2)共模( common mode) 输入 共模
ui1 = ui2 = uC
& Uoc 共模电压 Ac = & 放大倍数: 放大倍数 Uc
(4-14)
结论：任意输入的信号 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。 差模分量和共模分量。
(4-6)
共模电压放大倍数A 三、 共模电压放大倍数 C
+UCC
R1 RC RB T1 ui1 T2 ui2 uo RC R1 RB
共模输入信号： 大小相等，极性相同） 共模输入信号： ui1 = ui2 = uC （大小相等，极性相同） 理想情况： 理想情况：ui1 = ui2 → uC1 = uC2 → uo= 0 但因两侧不完全对称， 但因两侧不完全对称， uo≠ 0 共模电压放大倍数： 共模电压放大倍数：
(4-21)
(二) 共模输入 二
RC RB
+UCC
ic2
T1
ic1 R uoc C uoc1 uoc2 RB
T2
uC
uRE RE –UEE
iRE uC ic1 、 ic2 ↑
↑ RE对共模信号有抑制作用（原理静态分析，即由于 对共模信号有抑制作用（原理静态分析， RE的负反馈作用，使IE基本不变） 。 的负反馈作用， 基本不变）
温度 ↑
IE3 ↑
结论： 结论：T4稳定IE3 。
(4-28)
恒流源的作用
1. 恒流源相当于阻值很大的电阻。 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。 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 恒流源影响共模放大倍数， 放大倍数减小， 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。 穷的电阻，所以共模抑制比是无穷。