第三章 集成运算放大电路
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③ 差模电压增益（只与输出端有关）
Uod Uod1 Uod2 双端输出：Aud= Uid = Uid1 = Uid2 =－ rbe
β R 'L
Uod 1 Uod 1 1 单端输出：Aud (单 ) Uid 2Uid1 2 Aud
Uod 2 Uod 1 1 Aud (单 ) Aud Uid 2Uid1 2
五. 负反馈型电流源
——引入电流负反馈稳定输出电流
威尔逊电流源
§3.3 输入级 －差动放大电路
对于单级共射放大器，在静态时由于温度、 电源波动等因素的影响，会使工作点偏移，这 种现象称――零点漂移现象 对于直接耦合放大电路，这种漂移会逐级放 大，当漂移达到一定程度时,会使各级放大器进 入截止或饱和,使整个放大电路无法正常工作， 所以 采用差分放大器能有效克服零点漂移
§3.3 输入级 －差动放大电路
4.为了扩展传输特性的线性范围可在两管的 射极串接负反馈电阻R或在基极串接电阻 RB，且R,RB越大，线性范围也越大。
§3.3 输入级 －差动放大电路
则可画出差模 等效电路 ①差模输入电阻 从两输入端看进去 Rid = 2 rbe （双入） Rid = 2 rbe （单入）
若 RWE≠0,Rid=2[rbe+(1+β)RWE/2]
②差模输出电阻 Rod = 2RC （双出） Rod = RC （单出）
§3.3 输入级 －差动放大电路
第三章 集成运算放大电路
§3.1 集成运算放大电路特点 §3.2 电流源电路 §3.3 差动放大器 §3.4 中间级电路— 采用有源负载电路 §3.5 输出级电路
第三章 集成运算放大电路
集成电路是60年代初发展起来的一种电 子器件。它是在一块硅单晶片上制成多个二 极管、三极管、电阻、电容等器件,并将它们 连接成实现一定电功能的电子线路。 可见 集成电路是元器件和电路融合成 一体的集成组件。
I CQ 3 2
Fra Baidu bibliotek
0.65mA
VCQ1 6 3.3 0.65 3.86V
VCEQ1 VC1 VE1 3.86 (0.7V ) 4.56V
②若Ui1>UCQ2(UCQ1)，则T2管将进入饱和区。即 Ui1<UCQ1=3.86V 若(Ui1-UBE2)<UBQ3，则T3管将进入饱和区。即 Ui1>(UBQ3+UBE2)=-4+0.7=-3.3V ∴最大共模输入范围 -3.3V<Ui1<3.86V
§3.3 输入级 －差动放大电路
*当两管的特性和参数不完全一致或两边RC 不等时，为实现静态输入电压为零时输出端静 态电压也为零，可在两个集电极或发射极之间 加电位器RW,调节RW使放大器的静态输出电压 为零。 2.差模放大特性 差模信号－－ 幅度相等，相位相反 的一对输入信号 即 Ui1=Uid1, Ui2=Uid2 而Uid1= -Uid2
此时，ICQ1 =ICQ2 =1/2 IEE
§3.3 输入级 －差动放大电路
2.当|Uid|≤UT(26mv)时， 在原点附近的差模传输特性曲线可近似看 作一条直线。即传输特性为线性特性
3.当|Uid|≥4UT(100mv)时,传输特性趋于水 平。此时输出电流IC1、IC2基本不变。 这表明差分放大器在大信号输入时具有良 好的限幅特性。此时一管截止，恒流源电 流全部流入另一管。
一．电路特点
电路 ：由两个相互为发射极耦合 的共射电路组成
§3.3 输入级 －差动放大电路
要求： 两个共射电路完全对称 特点： 有两个输入端和两个输出端， 所以共有四种组态： 单端输入、单端输出 单端输入、双端输出 双端输入、单端输出 双端输入、双端输出
§3.3 输入级 －差动放大电路
二．性能分析
§3.2 电流源电路
① 作为偏置 ：为各级提供稳定的直流偏置 ② 作为有源负载 ：用于提高放大器的增益
一.晶体管电流源电路
从晶体管的输出特性看，工作在放大区的晶体管， 当IB一定，即使VCE有较大变化，IC几乎不变。
§3.2 电流源电路
二.镜像电流源
由两个性能上 完全配对的晶体管 和一个电阻R组成
上述电路可推广得到多路电流源
IC 2 IC 3 IC 4
IR 1 4 1 (1 5 )
参考电流
I R (UCC 2U BE ) R
§3.2 电流源电路
三.比例电流源
——若要Ic2≠Ir，但与 Ir成一定比例时 可采用此电路
IC 2
R1 Ir R2
其中
U CC U BE1 U CC Ir Rr R1 Rr R1
§3.3 输入级 －差动放大电路
则双端输出时：
Auc 0
UO AudUid Aud (Ui1 Ui 2 )
单端输出时：
UO1 Aud 1Uid Auc1Uic
UO 2 Aud 2Uid Auc 2Uic
* 带有恒流源的差动放大器
§3.3 输入级 －差动放大电路
恒流源具有直流电阻小、交流电阻大的特点
§3.3 输入级 －差动放大电路
5. 对任意输入信号的放大特性 任意数值的输入信号可看成是由一对 差模信号和一对共模信号组成 设任意信号为Ui1，Ui2
U i1 U i 2 U i1 U i 2 U i1 U id1 U ic1 2 2
U i2 (U i1 U i 2 ) U i1 U i 2 U id 2 U ic2 2 2
1. 静态时（即Vi＝0时） 要求：差分放大器双端输入电压为0时， Vo=0。即零输入时零输出。 UE= -UBE≈ -0.7V UE （ U EE） U EE 0.7 流过RE 的电流 I RE RE 故电路对称时 IC1Q=IC2Q≈IE1Q=IE2Q=I/2 UC1Q=UC2Q=UCC-IcRC U0=UC1-UC2=0
§3.3 输入级 －差动放大电路
三. 差动放大电路的传输特性 ——放大器的输出电流 和输出电压与差模 输入电压的函数关系
i E1 I S ( e uBE1 uT uBE 2 uT 1) I S e uBE1 uT uBE 2 uT
iE 2 I S ( e
1) I S e
iE 2 i E1 I iE1 iE 2 iE1 (1 ) iE 2 (1 ) iE1 iE 2 uid uid ic1 ic2 Ith( ) uo Rc Ith( ) 2UT 2UT
为提高精度，这根短路线 可用晶体管代替。P89
§3.2 电流源电路
VCC VBE VCC IR R R
I C 2 I C1 I R 2 I B I R 2 IR IC 2 2 1
因为 一般情况下 1
IC 2
IC 2 I R
§3.2 电流源电路
§3.3 输入级 －差动放大电路
此时流过T1管的电流：iC1=IC1+IC 流过T2管的电流：iC2=IC2-IC
则流过RE的电流不变，仍为静态电流IEE, 静态电压为REIEE而不产生差模信号电压。 所以，对差模信号而言，RE可视为短路 又: 在差模输入时，两管输出端电位一端升 另一端降。且，升的量等于降的量 所以，双端输出时, RL的中点电位为 差模地端, 每管负载为 1/2 RL
例 已知：VBE=0.7V
求① VCQ1 VBQ3 ICQ1 ICQ3 VCEQ1 ②最大共模输入范围
§3.3 输入级 －差动放大电路
解
2K ( 6V ) 4V ① 1K 2 K 4V VBE ( 6V ) I CQ 3 1.3mA 1K VBQ3
I CQ1
单端输出时： Auc ( 单)
RC RC Auc (单) rbe （ 1 ） 2 RE 2 RE
Uoc1 Uoc 2 Uic Uic
从上式看出 : ∵ RE>RC， ∴ |Auc单|<1
§3.3 输入级 －差动放大电路
即: 差动放大电路对 共模信号（因T变化, 电源 波动等引起的漂移电压相当于一对共模信号, 如果双端输出，则差动电路能有效克服零点 漂移现象）是抑制的。 共模负反馈电阻RE越大，抑制作用越强。
§3.3 输入级 －差动放大电路
当 Uid 4UT 时 (此时一个管子截止) :
双端输出时,输出电压的幅值为 VOM=IEERC 单端输出时,输出电压的幅值为VOM1=VOM2=1/2 IEERC
讨论： 1.两管集电极电流之和恒等于IEE ∴其中一管电流增大,另一管电流必相应减少
在Uid＝0时，放大器处于静态工作状态，
若RW≠0，则 Aud
RL
可见 单端输出 是 双端输出的一半， 且两个输出信号的相位相反。
RW rbe (1 ) 2
§3.3 输入级 －差动放大电路
3. 共模抑制特性 共模信号－－幅度与相位均相同的 一对输入信号
即: Ui1= Uic1 Ui2=Uic2 = Uic1
此时，T1管电流：iC1=IC1+IC T2管电流：iC2=IC2+IC 则流过 RE的共模信号为单管的两倍
§3.2 电流源电路
四. 微电流电流源
在上述恒流源电路中,若要得到极小电流, 则要增大电阻R的值。这在集成工艺中很难 实现, 则可利用比例恒流源，并使R1=0
IC 2 U BE UT Ir ln R2 R2 I C 2
*设计中一般先确定Ic2和Ir的数值， 再去求R2的值
§3.2 电流源电路
－－KCMR越大，对共模信号的抑制越强 在双端输出时: Auc=0，KCMR→∞ 在单端输出时： K CMR
实际上是不可能的，一般在80～120dB左右 Aud ( 单 ) RL RE
Auc ( 单 ) rbe Rc
§3.3 输入级 －差动放大电路
为了提高KCMR值，可使RE↑, 但RE增加 →IC↓→ rbe↑，所以不能真正使KCMR↑ 并且如果RE上直流压降太大，放大器要正常工 作必然要使电源电压增加，而且在集成电路中 制造大电阻也较困难。 ∴ 一般采用恒流电路替代RE ，其特点: ① 直流电阻小：不影响rbe ② 交流电阻大：使Auc（单）↓
4. 共模抑制比 KCMR
差动放大器的共模增益远小于差模增益
§3.3 输入级 －差动放大电路
差动放大器对共模信号具有很强的抑制 作用,这种抑制作用可用共模抑制比来评价 KCMR定义为: 差模放大倍数与共模放大倍数之 比的绝对值
K CMR Aud Auc
用dB表示 ： K CMR
Aud 20 lg (dB) Auc
3. 大量采用晶体管、场效应管构成的恒流 源来代替大阻值的电阻或用来设置 电路的静态电流。
第三章
集成运算放大电路
4. 采用复合管的接法以改进单管的性能
典型集成电路的原理图
输入级 — 由各种改进型的差分放大器 组成，提供与输出成同相和反相关系 的两个输入端，并尽量减少温漂。
第三章
集成运算放大电路
要求：零输入时低温漂、高输入抗阻，高 共模抑制比。 中间级 — 多采用有源负载的共射、 共源放大器 。 要求： 高增益 输出级 — 由源极或射极跟随器组成， 提供一定的电压和电流变化。 要求: 零输入时零输出、低输出抗阻、高效率 偏置电路、有源负载 — 由恒流源组成 另外还有： 电平位移电路 — 使输入端对地电压为零时 输出对地电压也为零
§3.1 集成运放电路的特点
理想的运放应具有 电压增益高、 输入电阻大、输出电阻小、 工作点漂移小。
第三章
集成运算放大电路
所以 在运放的电路设计上具有 如下几个特点： 1. 级间采用直接耦合方式。因为集成块中 (以现在的工艺)不能制作大容量的电容器
2. 为克服直接耦合电路的温漂,采用温度补 偿手段――差动放大器。 利用两个晶体管参数的对称性来抑制温漂
§3.3 输入级 －差动放大电路
∴ 从等效观点来看，每管发射极相当于接入2RE 的电阻。
在输出端，由于共模输入信号引起两个管子 集电极的电位变化完全相同。 ∴ 流过负载的电流为零， 相当于RL开路
§3.3 输入级 －差动放大电路
则可画出共模等效电路
* 共模电压放大倍数 双端输出时：
U OC U OC 1 U OC 2 Auc 0 U ic U ic
Uod Uod1 Uod2 双端输出：Aud= Uid = Uid1 = Uid2 =－ rbe
β R 'L
Uod 1 Uod 1 1 单端输出：Aud (单 ) Uid 2Uid1 2 Aud
Uod 2 Uod 1 1 Aud (单 ) Aud Uid 2Uid1 2
五. 负反馈型电流源
——引入电流负反馈稳定输出电流
威尔逊电流源
§3.3 输入级 －差动放大电路
对于单级共射放大器，在静态时由于温度、 电源波动等因素的影响，会使工作点偏移，这 种现象称――零点漂移现象 对于直接耦合放大电路，这种漂移会逐级放 大，当漂移达到一定程度时,会使各级放大器进 入截止或饱和,使整个放大电路无法正常工作， 所以 采用差分放大器能有效克服零点漂移
§3.3 输入级 －差动放大电路
4.为了扩展传输特性的线性范围可在两管的 射极串接负反馈电阻R或在基极串接电阻 RB，且R,RB越大，线性范围也越大。
§3.3 输入级 －差动放大电路
则可画出差模 等效电路 ①差模输入电阻 从两输入端看进去 Rid = 2 rbe （双入） Rid = 2 rbe （单入）
若 RWE≠0,Rid=2[rbe+(1+β)RWE/2]
②差模输出电阻 Rod = 2RC （双出） Rod = RC （单出）
§3.3 输入级 －差动放大电路
第三章 集成运算放大电路
§3.1 集成运算放大电路特点 §3.2 电流源电路 §3.3 差动放大器 §3.4 中间级电路— 采用有源负载电路 §3.5 输出级电路
第三章 集成运算放大电路
集成电路是60年代初发展起来的一种电 子器件。它是在一块硅单晶片上制成多个二 极管、三极管、电阻、电容等器件,并将它们 连接成实现一定电功能的电子线路。 可见 集成电路是元器件和电路融合成 一体的集成组件。
I CQ 3 2
Fra Baidu bibliotek
0.65mA
VCQ1 6 3.3 0.65 3.86V
VCEQ1 VC1 VE1 3.86 (0.7V ) 4.56V
②若Ui1>UCQ2(UCQ1)，则T2管将进入饱和区。即 Ui1<UCQ1=3.86V 若(Ui1-UBE2)<UBQ3，则T3管将进入饱和区。即 Ui1>(UBQ3+UBE2)=-4+0.7=-3.3V ∴最大共模输入范围 -3.3V<Ui1<3.86V
§3.3 输入级 －差动放大电路
*当两管的特性和参数不完全一致或两边RC 不等时，为实现静态输入电压为零时输出端静 态电压也为零，可在两个集电极或发射极之间 加电位器RW,调节RW使放大器的静态输出电压 为零。 2.差模放大特性 差模信号－－ 幅度相等，相位相反 的一对输入信号 即 Ui1=Uid1, Ui2=Uid2 而Uid1= -Uid2
此时，ICQ1 =ICQ2 =1/2 IEE
§3.3 输入级 －差动放大电路
2.当|Uid|≤UT(26mv)时， 在原点附近的差模传输特性曲线可近似看 作一条直线。即传输特性为线性特性
3.当|Uid|≥4UT(100mv)时,传输特性趋于水 平。此时输出电流IC1、IC2基本不变。 这表明差分放大器在大信号输入时具有良 好的限幅特性。此时一管截止，恒流源电 流全部流入另一管。
一．电路特点
电路 ：由两个相互为发射极耦合 的共射电路组成
§3.3 输入级 －差动放大电路
要求： 两个共射电路完全对称 特点： 有两个输入端和两个输出端， 所以共有四种组态： 单端输入、单端输出 单端输入、双端输出 双端输入、单端输出 双端输入、双端输出
§3.3 输入级 －差动放大电路
二．性能分析
§3.2 电流源电路
① 作为偏置 ：为各级提供稳定的直流偏置 ② 作为有源负载 ：用于提高放大器的增益
一.晶体管电流源电路
从晶体管的输出特性看，工作在放大区的晶体管， 当IB一定，即使VCE有较大变化，IC几乎不变。
§3.2 电流源电路
二.镜像电流源
由两个性能上 完全配对的晶体管 和一个电阻R组成
上述电路可推广得到多路电流源
IC 2 IC 3 IC 4
IR 1 4 1 (1 5 )
参考电流
I R (UCC 2U BE ) R
§3.2 电流源电路
三.比例电流源
——若要Ic2≠Ir，但与 Ir成一定比例时 可采用此电路
IC 2
R1 Ir R2
其中
U CC U BE1 U CC Ir Rr R1 Rr R1
§3.3 输入级 －差动放大电路
则双端输出时：
Auc 0
UO AudUid Aud (Ui1 Ui 2 )
单端输出时：
UO1 Aud 1Uid Auc1Uic
UO 2 Aud 2Uid Auc 2Uic
* 带有恒流源的差动放大器
§3.3 输入级 －差动放大电路
恒流源具有直流电阻小、交流电阻大的特点
§3.3 输入级 －差动放大电路
5. 对任意输入信号的放大特性 任意数值的输入信号可看成是由一对 差模信号和一对共模信号组成 设任意信号为Ui1，Ui2
U i1 U i 2 U i1 U i 2 U i1 U id1 U ic1 2 2
U i2 (U i1 U i 2 ) U i1 U i 2 U id 2 U ic2 2 2
1. 静态时（即Vi＝0时） 要求：差分放大器双端输入电压为0时， Vo=0。即零输入时零输出。 UE= -UBE≈ -0.7V UE （ U EE） U EE 0.7 流过RE 的电流 I RE RE 故电路对称时 IC1Q=IC2Q≈IE1Q=IE2Q=I/2 UC1Q=UC2Q=UCC-IcRC U0=UC1-UC2=0
§3.3 输入级 －差动放大电路
三. 差动放大电路的传输特性 ——放大器的输出电流 和输出电压与差模 输入电压的函数关系
i E1 I S ( e uBE1 uT uBE 2 uT 1) I S e uBE1 uT uBE 2 uT
iE 2 I S ( e
1) I S e
iE 2 i E1 I iE1 iE 2 iE1 (1 ) iE 2 (1 ) iE1 iE 2 uid uid ic1 ic2 Ith( ) uo Rc Ith( ) 2UT 2UT
为提高精度，这根短路线 可用晶体管代替。P89
§3.2 电流源电路
VCC VBE VCC IR R R
I C 2 I C1 I R 2 I B I R 2 IR IC 2 2 1
因为 一般情况下 1
IC 2
IC 2 I R
§3.2 电流源电路
§3.3 输入级 －差动放大电路
此时流过T1管的电流：iC1=IC1+IC 流过T2管的电流：iC2=IC2-IC
则流过RE的电流不变，仍为静态电流IEE, 静态电压为REIEE而不产生差模信号电压。 所以，对差模信号而言，RE可视为短路 又: 在差模输入时，两管输出端电位一端升 另一端降。且，升的量等于降的量 所以，双端输出时, RL的中点电位为 差模地端, 每管负载为 1/2 RL
例 已知：VBE=0.7V
求① VCQ1 VBQ3 ICQ1 ICQ3 VCEQ1 ②最大共模输入范围
§3.3 输入级 －差动放大电路
解
2K ( 6V ) 4V ① 1K 2 K 4V VBE ( 6V ) I CQ 3 1.3mA 1K VBQ3
I CQ1
单端输出时： Auc ( 单)
RC RC Auc (单) rbe （ 1 ） 2 RE 2 RE
Uoc1 Uoc 2 Uic Uic
从上式看出 : ∵ RE>RC， ∴ |Auc单|<1
§3.3 输入级 －差动放大电路
即: 差动放大电路对 共模信号（因T变化, 电源 波动等引起的漂移电压相当于一对共模信号, 如果双端输出，则差动电路能有效克服零点 漂移现象）是抑制的。 共模负反馈电阻RE越大，抑制作用越强。
§3.3 输入级 －差动放大电路
当 Uid 4UT 时 (此时一个管子截止) :
双端输出时,输出电压的幅值为 VOM=IEERC 单端输出时,输出电压的幅值为VOM1=VOM2=1/2 IEERC
讨论： 1.两管集电极电流之和恒等于IEE ∴其中一管电流增大,另一管电流必相应减少
在Uid＝0时，放大器处于静态工作状态，
若RW≠0，则 Aud
RL
可见 单端输出 是 双端输出的一半， 且两个输出信号的相位相反。
RW rbe (1 ) 2
§3.3 输入级 －差动放大电路
3. 共模抑制特性 共模信号－－幅度与相位均相同的 一对输入信号
即: Ui1= Uic1 Ui2=Uic2 = Uic1
此时，T1管电流：iC1=IC1+IC T2管电流：iC2=IC2+IC 则流过 RE的共模信号为单管的两倍
§3.2 电流源电路
四. 微电流电流源
在上述恒流源电路中,若要得到极小电流, 则要增大电阻R的值。这在集成工艺中很难 实现, 则可利用比例恒流源，并使R1=0
IC 2 U BE UT Ir ln R2 R2 I C 2
*设计中一般先确定Ic2和Ir的数值， 再去求R2的值
§3.2 电流源电路
－－KCMR越大，对共模信号的抑制越强 在双端输出时: Auc=0，KCMR→∞ 在单端输出时： K CMR
实际上是不可能的，一般在80～120dB左右 Aud ( 单 ) RL RE
Auc ( 单 ) rbe Rc
§3.3 输入级 －差动放大电路
为了提高KCMR值，可使RE↑, 但RE增加 →IC↓→ rbe↑，所以不能真正使KCMR↑ 并且如果RE上直流压降太大，放大器要正常工 作必然要使电源电压增加，而且在集成电路中 制造大电阻也较困难。 ∴ 一般采用恒流电路替代RE ，其特点: ① 直流电阻小：不影响rbe ② 交流电阻大：使Auc（单）↓
4. 共模抑制比 KCMR
差动放大器的共模增益远小于差模增益
§3.3 输入级 －差动放大电路
差动放大器对共模信号具有很强的抑制 作用,这种抑制作用可用共模抑制比来评价 KCMR定义为: 差模放大倍数与共模放大倍数之 比的绝对值
K CMR Aud Auc
用dB表示 ： K CMR
Aud 20 lg (dB) Auc
3. 大量采用晶体管、场效应管构成的恒流 源来代替大阻值的电阻或用来设置 电路的静态电流。
第三章
集成运算放大电路
4. 采用复合管的接法以改进单管的性能
典型集成电路的原理图
输入级 — 由各种改进型的差分放大器 组成，提供与输出成同相和反相关系 的两个输入端，并尽量减少温漂。
第三章
集成运算放大电路
要求：零输入时低温漂、高输入抗阻，高 共模抑制比。 中间级 — 多采用有源负载的共射、 共源放大器 。 要求： 高增益 输出级 — 由源极或射极跟随器组成， 提供一定的电压和电流变化。 要求: 零输入时零输出、低输出抗阻、高效率 偏置电路、有源负载 — 由恒流源组成 另外还有： 电平位移电路 — 使输入端对地电压为零时 输出对地电压也为零
§3.1 集成运放电路的特点
理想的运放应具有 电压增益高、 输入电阻大、输出电阻小、 工作点漂移小。
第三章
集成运算放大电路
所以 在运放的电路设计上具有 如下几个特点： 1. 级间采用直接耦合方式。因为集成块中 (以现在的工艺)不能制作大容量的电容器
2. 为克服直接耦合电路的温漂,采用温度补 偿手段――差动放大器。 利用两个晶体管参数的对称性来抑制温漂
§3.3 输入级 －差动放大电路
∴ 从等效观点来看，每管发射极相当于接入2RE 的电阻。
在输出端，由于共模输入信号引起两个管子 集电极的电位变化完全相同。 ∴ 流过负载的电流为零， 相当于RL开路
§3.3 输入级 －差动放大电路
则可画出共模等效电路
* 共模电压放大倍数 双端输出时：
U OC U OC 1 U OC 2 Auc 0 U ic U ic