第17讲 带有源负载的差分放大电路和集成电路
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6.2.2 射极耦合差分式放大电路
（1）差模放大
<A> 双出
Avd = vo v vo2 2vo1 Rc o1 vid vi1 vi2 2vi1 rbe
<B> 单出 v o1 1 vo1 Avd Avd1 = vid 2v i1 2
Avd2
v o2 vo2 1 = Avd vid 2wk.baidu.com i1 2
ve = 0 iC1＝ －iC2 iC1＝ iC3 ＝ iC4 iO＝ iC4－iC2 ＝ 2 iC1 带有源负载差分放大电路 的输出电流是基本单端输 出差放的两倍。
6.2.2 射极耦合差分式放大电路
4. 带有源负载的射极耦合差分式放大电路
ic 4
vid
2rbe
vid ib 2rbe
ic 2
6.5.1 实际集成运放的主要参数
输入直流误差特性（输入失调特性） 1. 输入失调电压VIO
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。
26mV 200 (1 3 ) 2.3k I E3
26mV 3.78k I E2
rbe2 200 (1 2 )
Ri2 rbe3 (1 3 ) Re3 245.3k
Av 2
β3 ( Rc3 // RL ) 3.9 rbe (1 3 ) Re3
大信号动态特性 2. 全功率带宽BWP
指运放输出最大峰值电压时允许的最高频率，即
BWP fmax SR 2πVom
SR和BWP是大信号和高频信号工作时的重要指标。一般通用 型运放SR 在nV/s以下，741的SR=0.5V/s而高速运放要求SR ＞
30V/s以上。目前超高速的运放如AD9610的SR＞3500V/s。
6.5.1 实际集成运放的主要参数
共模特性 1. 共模抑制比KCMR和共模输入电阻ric
一般通用型运放KCMR为（80～120）dB，高精度运放 可达140dB，ric≥100MΩ。
2. 最大共模输入电压Vicmax
一般指运放在作电压跟随器时，使输出电压产生1%跟 随误差的共模输入电压幅值，高质量的运放可达± 13V。
CMOS MC14573
6.4.2 BJT LM741
http://www.21ic.com/default.htm http://www.chinadz.com/
μA741 VEE
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
2. 输入偏置电流IIB
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 BJT为10 nA～1A；MOSFET运放IIB在pA数量级。
6.5.1 实际集成运放的主要参数
输入直流误差特性（输入失调特性） 3. 输入失调电流IIO
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| 一般约为1 nA～0.1A。
当 vi 0时 ，vO 0V。 求: (1) I 、 I 、 I 、 V 、 V C3 C2 E CE3 CE2
及 Re2的 值; 2) Av C3 0 解： ((1)静态 AvId2 Av2(;12V ) 1mA
ic3
VCE3( 3)当C3i VE3 时 (vO V ? I E3 Re3 ) 9V V v 5mV 0 ， 12
I E 2 I E2 2 I C2 0.74mA
(1) I C 3、 I C2、 I E、 VCE3、 VCE2 及 Re2的 值; ( 2) Av Avd2 Av 2 ; ( 3)当 vi 5mV 时 ，vO ? 解：(2)电压增益
Avd2
rbe3
β2 ( Rc2 // Ri2 ) 50 2( rbe Rb1 )
I C2 I E3 Re3 VEB3 0.37 mA Rc2
Rc3
I B2
I C2
0.37 7.4 A 50
VCE2 12 V I C2 Rc2 VE2 9V
12 0.37 10 ( 0.7 ) V
VE I E Re1 ( 12) Re2 IE 0.7 0.74 10 12 k 5.2k 0.74
当 R2 R1 // Rf 时，可以 消除偏置电流 I IB 引起的 误差，此时
VO (1 Rf / R1 )(VIO I IO R2 ) VIO 和 I IO 引起的误差仍存在
当电路为积分运算时，
即 Rf 换成电容C，则
vO ( t ) VIO ( t ) I IO ( t ) R2 1 VIO (t )dt I IO (t ) R2dt R1C 时间越长，误差越大，且易使输出进入饱和状态。
型运放，虽然某项技术参数很突出，但其他参数则难以兼
顾，例如低噪声运放的带宽往往设计得较窄，而高速型与 高精度常常有矛盾，如此等等。 ①通用型 ②高阻型 ③高速型 ④低功耗型 ⑤高压型 ⑥大功 率型 ⑦高精度型
6.5.2 集成运放应用中的实际问题
2. 失调电压VIO、失调电流IIO和偏置电流IIB带来的误差 输入为零时的等效电路
6.5.1 实际集成运放的主要参数
电源特性
1. 电源电压抑制比KSVR
衡量电源电压波动对输出电压的影响
2. 静态功耗PV
6.5.2 集成运放应用中的实际问题
1. 集成运放的选用
根据技术要求应首选通用型运放，当通用型运放难以满 足要求时，才考虑专用型运放，这是因为通用型器件的各 项参数比较均衡，做到技术性与经济性的统一。至于专用
vid
2rbe
vo2 vo2 ( ) 0 2rbe rce2 rce4
差模电压增益 （负载开路） 则
v v ic4 ic2 o2 o2 0 rce2 rce4
Avd2 vo2 ( rce2 // rce4 ) vid rbe
vid
2rbe
vid
单端输出的电压增益接近于双端输出的电压增益
VP ( I IB
VN VO
I IO ) R2 2
R1 R1 Rf I ( I IB IO )( R1 // Rf ) 2 VIO
VP VN
解得误差电压
1 VO (1 Rf / R1 )VIO I IB ( R1 // Rf R2 ) I IO ( R1 // Rf R2 ) 2
6.5.2 集成运放应用中的实际问题
3. 调零补偿
（a）调零电路
（b）反相端加入补偿电路
6.6 变跨导式模拟乘法器 6.7 放大电路中的噪声与干扰
4. 温度漂移
（1）输入失调电压温漂VIO / T
（2）输入失调电流温漂IIO / T
6.5.1 实际集成运放的主要参数
差模特性
1. 开环差模电压增益Avo和带宽BW
开环差模电压增益AvO 开环带宽BW (fH) 单位增益带宽 BWG (fT)
741型运放AvO的频率响应
6.5.1 实际集成运放的主要参数
1. CMOS差分式放大电路
双端输出差模电压增益
vo1 vo2 2vo1 Avd vi1 vi2 vid
而:
vo1 g m vi1 ( ro3 // ro1 ) vid gm ( ro3 // ro1 ) 2 所以： Avd g m ( ro3 // ro1 )
不计共模输出电压时
vO 975mV
(4)当输出接一个12k负载 时的差模电压增益.
解：(4) RL 12k时
β3 ( Rc3 // RL ) Av 2 1.95 rbe (1 β3 ) Re3
Av Avd2 Av 2 97.5
6.2.2 射极耦合差分式放大电路
6.2.2 射极耦合差分式放大电路
（1）共模抑制
<A> 双端输出 共模增益 Avc voc 0 vic <B> 单端输出
Avc1 voc1 voc2 Avc 2 vic vic
Rc Rc rbe (1 )2ro 2ro
例
T1、 T2、 T3均 为 硅 管 ， β1 β 2 50， β 3 80，
6.2.2 射极耦合差分式放大电路
4. 带有源负载的射极耦合差分式放大电路
差模输入电阻 输出电阻
Rid＝2rbe
共模输入电阻 Ric＝1/2[rbe＋2(1＋β)ro5]
Ro rce2 // rce4
6.2.3 源极耦合差分式放大电路
1. CMOS差分式放大电路
6.2.3 源极耦合差分式放大电路
可得传输特性曲线
vO1，vO2＝f（vid）
6.3 差分式放大电路的传输特性
vO1，vO2＝f（vid）的传输特性曲线
6.4 集成电路运算放大器
6.4.1 集成电路运算放大器CMOS MC14573
6.4.2 集成运算放大器741
6.4.1 CMOS MC14573 集成电路运算放大器
1. 电路结构和工作原理
共模输入电压
1 1 vic (vi1 vi2 ) (5mV 0) 2.5mV 2 2
vO vO2 Av 2 ( Avd2 vid Avc2 vic ) Av 2 [50 5 ( 0.3) 2.5] ( 3.9) 972 mV
Avd2
β ( R // Ri2 ) 2 c2 50 2( rbe Rb1 )
Av Avd2 Av 2 195
及 Re2的 值; ( 2) Av Avd2 Av 2 ; ( 3)当 vi 5mV 时 ，vO ?
解(3) 差分电路的共模增益
Avc2 β2 ( Rc2 // Ri2 ) 0.3 rbe Rb1 (1 β2 )2( Re1 Re2 )
差模特性 2. 差模输入电阻rid和输出电阻ro
BJT输入级的运放rid一般在几百千欧到数兆欧 MOSFET为输入级的运放rid＞1012Ω
超高输入电阻运放rid＞1013Ω、IIB≤0.040pA
一般运放的ro＜200Ω，而超高速AD9610的ro＝0.05Ω。
3. 最大差模输入电压Vidmax
Avd
vo2 ＝ gm(ro2 // ro4 ) vid
与双端输出相同
6.3 差分式放大电路的传输特性
根据 iE I ES e vBE / VT iC1= iE1，iC2= iE2
vBE1= vi1= vid/2 vBE2= vi2 = -vid/2 又 vO1＝VCC－iC1Rc1 vO2＝VCC－iC2Rc2
4. 带有源负载的射极耦合差分式放大电路 静态
IE6 IREF
VCC VEE VBE6 R Re6 RE6 I E6 IO ＝ IE5 RE5
IC1 ＝ IC2≈ IC3 ＝ IC4= IO /2 iO＝ IC4－IC2 ＝ 0
6.2.2 射极耦合差分式放大电路
4. 带有源负载的射极耦合差分式放大电路 动态
g m ( rds3 // rds1 )
6.2.3 源极耦合差分式放大电路
1. CMOS差分式放大电路
单端输出差模电压增益
vo2＝(id4-id2)(ro2// ro4)
vid vid [ gm ( g m )](ro2// ro4) 2 2
＝gm vid（ro2 // ro4）
6.5.1 实际集成运放的主要参数
大信号动态特性 1. 转换速率SR
放大电路在闭环状态下，输入为大信号（例如阶跃信号）时，
输出电压对时间的最大变化速率，即
dv o ( t ) SR dt max
若信号为vi＝Vimsin2ft ，则运放的SR必须满足SR≥2πfmaxVom
6.5.1 实际集成运放的主要参数
（1）差模放大
<A> 双出
Avd = vo v vo2 2vo1 Rc o1 vid vi1 vi2 2vi1 rbe
<B> 单出 v o1 1 vo1 Avd Avd1 = vid 2v i1 2
Avd2
v o2 vo2 1 = Avd vid 2wk.baidu.com i1 2
ve = 0 iC1＝ －iC2 iC1＝ iC3 ＝ iC4 iO＝ iC4－iC2 ＝ 2 iC1 带有源负载差分放大电路 的输出电流是基本单端输 出差放的两倍。
6.2.2 射极耦合差分式放大电路
4. 带有源负载的射极耦合差分式放大电路
ic 4
vid
2rbe
vid ib 2rbe
ic 2
6.5.1 实际集成运放的主要参数
输入直流误差特性（输入失调特性） 1. 输入失调电压VIO
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。
26mV 200 (1 3 ) 2.3k I E3
26mV 3.78k I E2
rbe2 200 (1 2 )
Ri2 rbe3 (1 3 ) Re3 245.3k
Av 2
β3 ( Rc3 // RL ) 3.9 rbe (1 3 ) Re3
大信号动态特性 2. 全功率带宽BWP
指运放输出最大峰值电压时允许的最高频率，即
BWP fmax SR 2πVom
SR和BWP是大信号和高频信号工作时的重要指标。一般通用 型运放SR 在nV/s以下，741的SR=0.5V/s而高速运放要求SR ＞
30V/s以上。目前超高速的运放如AD9610的SR＞3500V/s。
6.5.1 实际集成运放的主要参数
共模特性 1. 共模抑制比KCMR和共模输入电阻ric
一般通用型运放KCMR为（80～120）dB，高精度运放 可达140dB，ric≥100MΩ。
2. 最大共模输入电压Vicmax
一般指运放在作电压跟随器时，使输出电压产生1%跟 随误差的共模输入电压幅值，高质量的运放可达± 13V。
CMOS MC14573
6.4.2 BJT LM741
http://www.21ic.com/default.htm http://www.chinadz.com/
μA741 VEE
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
2. 输入偏置电流IIB
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 BJT为10 nA～1A；MOSFET运放IIB在pA数量级。
6.5.1 实际集成运放的主要参数
输入直流误差特性（输入失调特性） 3. 输入失调电流IIO
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| 一般约为1 nA～0.1A。
当 vi 0时 ，vO 0V。 求: (1) I 、 I 、 I 、 V 、 V C3 C2 E CE3 CE2
及 Re2的 值; 2) Av C3 0 解： ((1)静态 AvId2 Av2(;12V ) 1mA
ic3
VCE3( 3)当C3i VE3 时 (vO V ? I E3 Re3 ) 9V V v 5mV 0 ， 12
I E 2 I E2 2 I C2 0.74mA
(1) I C 3、 I C2、 I E、 VCE3、 VCE2 及 Re2的 值; ( 2) Av Avd2 Av 2 ; ( 3)当 vi 5mV 时 ，vO ? 解：(2)电压增益
Avd2
rbe3
β2 ( Rc2 // Ri2 ) 50 2( rbe Rb1 )
I C2 I E3 Re3 VEB3 0.37 mA Rc2
Rc3
I B2
I C2
0.37 7.4 A 50
VCE2 12 V I C2 Rc2 VE2 9V
12 0.37 10 ( 0.7 ) V
VE I E Re1 ( 12) Re2 IE 0.7 0.74 10 12 k 5.2k 0.74
当 R2 R1 // Rf 时，可以 消除偏置电流 I IB 引起的 误差，此时
VO (1 Rf / R1 )(VIO I IO R2 ) VIO 和 I IO 引起的误差仍存在
当电路为积分运算时，
即 Rf 换成电容C，则
vO ( t ) VIO ( t ) I IO ( t ) R2 1 VIO (t )dt I IO (t ) R2dt R1C 时间越长，误差越大，且易使输出进入饱和状态。
型运放，虽然某项技术参数很突出，但其他参数则难以兼
顾，例如低噪声运放的带宽往往设计得较窄，而高速型与 高精度常常有矛盾，如此等等。 ①通用型 ②高阻型 ③高速型 ④低功耗型 ⑤高压型 ⑥大功 率型 ⑦高精度型
6.5.2 集成运放应用中的实际问题
2. 失调电压VIO、失调电流IIO和偏置电流IIB带来的误差 输入为零时的等效电路
6.5.1 实际集成运放的主要参数
电源特性
1. 电源电压抑制比KSVR
衡量电源电压波动对输出电压的影响
2. 静态功耗PV
6.5.2 集成运放应用中的实际问题
1. 集成运放的选用
根据技术要求应首选通用型运放，当通用型运放难以满 足要求时，才考虑专用型运放，这是因为通用型器件的各 项参数比较均衡，做到技术性与经济性的统一。至于专用
vid
2rbe
vo2 vo2 ( ) 0 2rbe rce2 rce4
差模电压增益 （负载开路） 则
v v ic4 ic2 o2 o2 0 rce2 rce4
Avd2 vo2 ( rce2 // rce4 ) vid rbe
vid
2rbe
vid
单端输出的电压增益接近于双端输出的电压增益
VP ( I IB
VN VO
I IO ) R2 2
R1 R1 Rf I ( I IB IO )( R1 // Rf ) 2 VIO
VP VN
解得误差电压
1 VO (1 Rf / R1 )VIO I IB ( R1 // Rf R2 ) I IO ( R1 // Rf R2 ) 2
6.5.2 集成运放应用中的实际问题
3. 调零补偿
（a）调零电路
（b）反相端加入补偿电路
6.6 变跨导式模拟乘法器 6.7 放大电路中的噪声与干扰
4. 温度漂移
（1）输入失调电压温漂VIO / T
（2）输入失调电流温漂IIO / T
6.5.1 实际集成运放的主要参数
差模特性
1. 开环差模电压增益Avo和带宽BW
开环差模电压增益AvO 开环带宽BW (fH) 单位增益带宽 BWG (fT)
741型运放AvO的频率响应
6.5.1 实际集成运放的主要参数
1. CMOS差分式放大电路
双端输出差模电压增益
vo1 vo2 2vo1 Avd vi1 vi2 vid
而:
vo1 g m vi1 ( ro3 // ro1 ) vid gm ( ro3 // ro1 ) 2 所以： Avd g m ( ro3 // ro1 )
不计共模输出电压时
vO 975mV
(4)当输出接一个12k负载 时的差模电压增益.
解：(4) RL 12k时
β3 ( Rc3 // RL ) Av 2 1.95 rbe (1 β3 ) Re3
Av Avd2 Av 2 97.5
6.2.2 射极耦合差分式放大电路
6.2.2 射极耦合差分式放大电路
（1）共模抑制
<A> 双端输出 共模增益 Avc voc 0 vic <B> 单端输出
Avc1 voc1 voc2 Avc 2 vic vic
Rc Rc rbe (1 )2ro 2ro
例
T1、 T2、 T3均 为 硅 管 ， β1 β 2 50， β 3 80，
6.2.2 射极耦合差分式放大电路
4. 带有源负载的射极耦合差分式放大电路
差模输入电阻 输出电阻
Rid＝2rbe
共模输入电阻 Ric＝1/2[rbe＋2(1＋β)ro5]
Ro rce2 // rce4
6.2.3 源极耦合差分式放大电路
1. CMOS差分式放大电路
6.2.3 源极耦合差分式放大电路
可得传输特性曲线
vO1，vO2＝f（vid）
6.3 差分式放大电路的传输特性
vO1，vO2＝f（vid）的传输特性曲线
6.4 集成电路运算放大器
6.4.1 集成电路运算放大器CMOS MC14573
6.4.2 集成运算放大器741
6.4.1 CMOS MC14573 集成电路运算放大器
1. 电路结构和工作原理
共模输入电压
1 1 vic (vi1 vi2 ) (5mV 0) 2.5mV 2 2
vO vO2 Av 2 ( Avd2 vid Avc2 vic ) Av 2 [50 5 ( 0.3) 2.5] ( 3.9) 972 mV
Avd2
β ( R // Ri2 ) 2 c2 50 2( rbe Rb1 )
Av Avd2 Av 2 195
及 Re2的 值; ( 2) Av Avd2 Av 2 ; ( 3)当 vi 5mV 时 ，vO ?
解(3) 差分电路的共模增益
Avc2 β2 ( Rc2 // Ri2 ) 0.3 rbe Rb1 (1 β2 )2( Re1 Re2 )
差模特性 2. 差模输入电阻rid和输出电阻ro
BJT输入级的运放rid一般在几百千欧到数兆欧 MOSFET为输入级的运放rid＞1012Ω
超高输入电阻运放rid＞1013Ω、IIB≤0.040pA
一般运放的ro＜200Ω，而超高速AD9610的ro＝0.05Ω。
3. 最大差模输入电压Vidmax
Avd
vo2 ＝ gm(ro2 // ro4 ) vid
与双端输出相同
6.3 差分式放大电路的传输特性
根据 iE I ES e vBE / VT iC1= iE1，iC2= iE2
vBE1= vi1= vid/2 vBE2= vi2 = -vid/2 又 vO1＝VCC－iC1Rc1 vO2＝VCC－iC2Rc2
4. 带有源负载的射极耦合差分式放大电路 静态
IE6 IREF
VCC VEE VBE6 R Re6 RE6 I E6 IO ＝ IE5 RE5
IC1 ＝ IC2≈ IC3 ＝ IC4= IO /2 iO＝ IC4－IC2 ＝ 0
6.2.2 射极耦合差分式放大电路
4. 带有源负载的射极耦合差分式放大电路 动态
g m ( rds3 // rds1 )
6.2.3 源极耦合差分式放大电路
1. CMOS差分式放大电路
单端输出差模电压增益
vo2＝(id4-id2)(ro2// ro4)
vid vid [ gm ( g m )](ro2// ro4) 2 2
＝gm vid（ro2 // ro4）
6.5.1 实际集成运放的主要参数
大信号动态特性 1. 转换速率SR
放大电路在闭环状态下，输入为大信号（例如阶跃信号）时，
输出电压对时间的最大变化速率，即
dv o ( t ) SR dt max
若信号为vi＝Vimsin2ft ，则运放的SR必须满足SR≥2πfmaxVom
6.5.1 实际集成运放的主要参数